自行車智能電子守衛的初步研發
——一套主動防盜的智能系統

學校：昆三中、昆明明德中學

指導老師：朱杰

學生：柳玉虎 鄭媛元 鄭嵐旭

本項目榮獲第31屆全國青少年科技創新大賽青少年科技創新成果競賽項目二等獎

本項目根據社會調查自行車被盜的情況，提出了針對中高檔自行車智能主動防盜系統的研發。根據實驗和調查，發現了目前市場上的自行車防盜設備雖然都能起到一定作用，但防盜效果十分有限，不僅容易破解，而且都只能阻礙偷盜者的偷盜行為而不是阻止。我們確定了以攻為守“主動防盜”驅趕偷盜者的設計方向，通過“電子機械鎖”、威懾系統、智能中控器三個子系統來實現。其中“電子機械鎖”利用靜電感應原理，通過鑰匙的材料來表達0或1，由鎖芯附屬電路來檢測和識別；威懾系統的心理威懾模塊利用電磁感應原理獲得高壓電并倍壓整流，通過高響度的爆響聲對偷盜者造成一定的心理威懾；威懾系統的生理威懾模塊利用串聯諧振變壓器得到電壓電流可控的高頻高壓電，由偷盜者碰觸時形成的分布電容耦合電路，對偷盜者表皮造成輕微的灼燒，使其放棄偷盜；陀螺儀等傳感器和威懾系統等執行器在智能中控器的測控下協同實現主動防盜的設計思路。不僅實現了直接防盜和主動防盜相結合，還實現了從被動防盜向主動防盜的轉變；既守衛了自行車，又提高了防盜設備自身的自我保護能力，還簡化了用戶的操作。

【課題的發現】

隨著低碳環保生活理念的深入和人們對健康出行的關注，騎自行車已不僅僅是一種出行方式，還成為了一種生活理念，有著廣泛的社會人群。然而，隨之而來的就是自行車被偷盜案件時常發生，尤其是針對中高檔自行車的偷盜。

在修車鋪師傅、學校老師和幾位專業人士的指導下，我組深入研究了自行車構造以及目前主流的防盜方式，并分析比對了市場現有主要防盜產品的長處和不足。研究發現：現有的機械結構鎖防盜設備，結構簡單且過于傳統，在小偷眼里僅是擺設；而現有電子防盜設備，智能化有余，但防盜方式單一、自保不足，易被破解拆除。此外，目前的防盜設備無論是機械鎖還是智能設備，都僅僅只能阻礙偷盜而不能主動防盜。因此，只有采用事前主動防盜的方式，依次通過語音警告、火花放電聲音威懾、等離子體灼燒等方式，迫使偷盜者知難而退，才能真正起到防盜的效果。

確定了設計思路之后，我們找到了相關的國家標準，并參考國家標準把思路轉化為具體設計，根據設計建立三維模型并通過3D打印機打印后安裝電路進行測試。

通過社會調查發現，自行車被盜案件時常發生，尤其是針對中高檔自行車的偷盜；小偷使用鋁箔、鋼絲、萬能鑰匙等工具在不破壞鎖芯的情況下仍可快速開鎖。即使是電子鎖，由于內部的電子部分和機械部分相對獨立，原理和傳統機械鎖并沒有本質區別，仍可分別破解。并且，現有自行車防盜設備均只能阻礙偷盜者而不能阻止之。

通過分別對電子機械鎖、威懾系統、智能中控器三個子系統進行設計研究，實現直接防盜和主動防盜相結合的創新點，最大限度地降低被盜風險。

【探索與實驗】

一、課題概述

本課題范圍為自行車防盜設計，研究在適用于自行車的設計范圍內對新型鎖具、測控系統、威懾系統進行設計和研發，涉及鎖芯（包含配套鑰匙）設計和電路設計。鎖具的基本原理是把鑰匙做成一個電容點陣組，鎖芯通過相關電路來識別由鑰匙材料差異產生的容抗差來識別鑰匙；威懾系統包含語音警告、高壓火花的聲光心理威懾和可控高壓電弧的生理威懾；智能中控器以AVR單片機或51單片機為核心，輔以GPS和GPRS等模塊，實現智能測控、輔助尋車。

本項目創新要點：a.改革機械鎖原理和結構，把機械結構本身作為電路的一部分，通過改變鑰匙電容來識別和解鎖；b.使用可控高壓電系統產生電弧來驅趕偷盜者，實現主動防盜；c.內置式系統，安全美觀。查新點：a.鎖芯識別鑰匙的原理；b.通過電擊驅離偷盜者的可行性；c.自行車結構設計。

本課題研究的特點是：革新機械鎖的原理和設計，提高了安全性和自我保護性。以攻為守，主動防盜驅趕偷盜者。組合防盜，難以破解。

利用高壓電對偷盜者的心理和生理造成威懾，實現主動防盜；在傳統機械鎖的基礎上進行創新，實現機械與電子共同作用直接防盜；中控器和機械鎖組成的主系統輔以如GPS、GPRS等子系統，實現直接防盜和主動防盜相結合的創新點。

（圖表2.1.1）

二、調查

發放調查問卷100份，回收率87%，有效問卷82份，其中，28人表示曾有丟失自行車的經歷或身邊的人丟失過（約占34%）。69人認為自行車防盜產品并不能有效防盜（占84%）。72人愿意嘗試新型自行車防盜產品（約占88%）。

【探索與實驗】

三、實例分析

對市場上幾款有代表性的自行車防盜產品進行分析、對比，摘要如下：

設備A：

簡介：此類自行車防盜鎖為市面上常見的自行車智能防盜報警鎖，當鎖芯被暴力破壞時就會報警。

優點：價位低，易推廣。

不足：①結構和功能過于簡單，電量耗盡后便會失效。

②傳統開鎖方式仍能夠在不破壞鎖芯的情況下開鎖。

③每次都需要拆裝，不便操作。

設備B：

簡介：該鎖的鎖繩為鋼索，一旦剪斷就會報警。

優點：①非純機械結構，傳統偷車賊不易打開。

②使用密碼解鎖，方便簡單。

不足：①裝置過于簡單，僅需切開后蓋，取出電池即失效。

②用戶無法判斷電量剩余情況，一旦電池耗盡將無法解鎖。

設備C：

簡介：此防盜器采用刷卡式解鎖，暴力拆除時報警。

優點：刷卡式，既方便用戶解鎖又能防止小偷破壞。

不足：①裝置不能直接防盜，只能報警。

②將電線夾斷即失效。

③體積較大，不便安裝。

設備D：

簡介：此款自行智能防盜裝置為目前市場較為智能化的防盜裝置。內有GPS定位、震動傳感器等，一旦在設防狀態檢測到異常震動便會將報警信息發送至用戶手機上。

優點：①與車身融為一體，隱蔽，不易被發現。

②有定位系統，智能化，能與用戶交互。

不足：①裝置本身不能直接防盜，只能將異常通過互聯網告知用戶。

②用戶必須全天候實時在線，一旦報警需親自到現場檢查。

③充電口暴露，僅需對充電口施加過高的電擊即可破壞內部元件。

四、設計與實測

（一）制定總體計劃

1.總體設計思路

以電子機械鎖和加速度傳感器等作為輸入，通過以單片機為核心的中控器根據預設程序分析、處理，選擇控制語音、高壓脈沖發生器、串聯諧振變壓器、GMS模塊等執行器。其中，高頻串聯諧振變壓器使車身的金屬導體帶電，從而驅趕偷盜者，實現主動防盜，此主動防盜的方式為我組的特色創意之一。

如框架圖2.3.1所示

2.工作原理流程設計

如流程圖 2.3.2所示

程序總體設計采用循環結構，在確保自身狀態良好之后再進入測控循環，防止自身問題引發的誤報或者不報。當身份識別模塊傳來確認信號時，跳出循環，結束程序，提示并關機。

（二）具體設計的過程

1.事前防盜設計

在未解鎖情況下，一是當系統檢測到車體被碰撞或持續移動等異常時，系統依次使用語音警告和高壓放電的聲光效果警示偷盜者，對其造成心理威懾，使其放棄偷盜想法；二是當系統檢測到車鎖被破壞或自行車被搬運、騎行時，系統直接對偷盜者放電，對觸摸車身者造成輕微燙傷和疼痛，迫使其終止偷盜行為。同時，配合周密的程序可避免誤傷情況（優先級依次為：語音警告、聲音報警+放電威懾、對偷盜者高壓電擊、定位并通知車主）。

（框架圖 2.3.1）

（流程圖 2.3.2）

2.事后尋車設計

一旦自行車被強行拖走，防盜系統將在實施高壓電擊的同時，激活通信模塊，通過短信把相關信息發送給車主。電池組理論續航時間可達100小時。

3.身份識別設計

①車主：通過藍牙，車主將自己的手機、智能手表等設備與系統綁定。由于藍牙相互配對且MAC地址具有唯一性，所以通過藍牙綁定可確保身份的唯一性，當車主進入一定范圍時即可識別出車主身份；②停車場管理員：通過語音模塊，根據程序語音詢問，管理員回答指定內容時即可確定管理員身份；③偷盜者：通過人體紅外傳感器和改進的機械鎖內的加速度傳感器，當檢測到

有人在附近且加速度超過閾值或鎖被非正常開啟則判定為偷盜者。4.充分的自我保護設計

如左圖所示：系統整體藏于自行車內部，車身不僅能直接充當外殼實現防暴力破壞，還能提供電磁屏蔽保護。同時，系統使用高壓放電威懾的主動防盜，若直接拆解車輛則會放電電擊，使偷盜者幾乎無法下手。而必須暴露的部分都設計了較為完備的保護模塊。

（設計圖 2.4.1）

5.機械車鎖改進部分

（照片 2.5.1）

（截圖 2.5.2）

（設計圖 2.5.3 “電子機械鎖”各部分設計示意）

為實現直接防盜與主動防盜相結合的目的，改進后的車鎖不僅能夠像傳統機械鎖那樣阻礙偷盜者的偷盜行為，更是一個傳感器，可以檢測解鎖的情況并呈遞給中控器，從而實現整個系統直接參與防盜，此機械和電子的結合為我組的特色創意之二。此改進方案是革新機械鎖識別方式并使用我們設計研制的特殊鑰匙解鎖，如下圖所示：在此設計中：鑰匙使用兩種不同的材料表達0或1，（圖中金色表示導電、黑色表示絕緣）構成32位的點陣，則共有4，294，967，295種不同的組合，幾乎不可能破解；將鑰匙插入鎖芯中轉動幾圈后，鎖芯帶動微型發電機轉動發電，保證在系統電源電量耗盡的情況下仍能工作。發電機通過穩壓電路后再由自激振蕩器產生一個1MHz左右的驅動信號控制三極管，由變壓器將直流脈沖轉變為交流。開路部分上下部觸點間的電容十分小，導電的部分大大縮短了平板電容器兩極板間的距離，使電容量大幅提高，容抗相比絕緣的部分降低至少一個數量級，從而使單片機處的電平變高。鎖芯使用類似于示波器探頭的絕緣彈性觸點以保證系統自身安全難以被破壞；鎖芯有66個觸點（32位點陣+1個電源，上下各一組）和35個電刷環，通過電刷固定并與外殼上的電路耦合。其中：下部32個觸點通過1根母線連接到鎖芯外的1個電刷環上，接高頻交流電源、下部的另1個觸點單獨使用1個電刷環接地；上部的1個觸點通過一個電刷環接VCC、上部的其余32個觸點各自通過一個電刷環與外殼中的電路耦合。外殼和電刷環間使用類似自行車車軸里的軸承機構，通過鋼珠連接電刷環和外殼。外殼中有32組整流濾波電 路，這些電路各自輸出不同的電平，由單片機分別讀取并計 算。

由于單片機和相關電路功耗非常低，微型舵機改裝后輕轉幾圈即可完成發電。同時，鑰匙手柄中裝有震動發電機（強磁鐵放在線圈桶內，裝在身上走路即可發電），通過穩壓電路給超級電容充電，彈開鎖舌時需要的瞬時大電流由超級電容提供。

6.電子模塊部分

①身份識別模塊：鑰匙或藍牙或組。（注：身份識別模塊僅做比對，比對成功后把解鎖信息傳輸給中控器，幾乎不可能被破解）

②語音警告模塊：通過語音警告；

③火花放電警告模塊：利用聲光效果震懾；

④電弧灼燒模塊：自行車被偷盜后，搬運、騎行時，則進行等離子體灼燒，迫使施盜者終止偷盜；

（設計圖 2.5.4 “電子機械鎖”鑰匙結構示意）

⑤定位系統和通信模塊：通過GMS系統，利用短信把被盜車輛的位置信息發送給車主；

⑥續航模塊：當自行車下坡或車速大于15km/h時，自行車續電模塊啟動，發電機為電池組充電，既保證行車安全又解決了充電問題。

7.流程設計

車鎖鎖定后，由車主手動啟動系統“設防”模式或2分鐘后自動進入“設防”模式→檢測各傳感器狀態→發現異常則按照預設程序進行不同方式的報警：

情況一：當自行車被碰撞、移動時，先進行普通警報音報警，然后用聲音警告+火花放電，此階段以心理威懾為主，使其知難而退，盡量做到不戰而屈人之兵；

情況二：當機械鎖被破壞，傳感器檢測不到車鎖閉合狀態時，或車座受壓力或檢測到較大位移時，車身對偷盜者實施電弧灼燒，造成輕微燙傷和疼痛，迫使其放棄目標，停止偷盜行為；

情況三：檢測到車體有向上的加速度并持續位移時，進行電弧灼燒，同時激活GPS模塊，發送信息通知車主并持續定位；

情況四：通過身份識別模塊識別出車主身份，或當車鎖正常解鎖（借車）則自行車防盜系統關閉?；蛘咦R別出停車場管理員身份后，系統暫停兩分鐘，允許一定程度移動。

（圖2.7.1）

（四）具體實施過程

1.根據思路進行設計

①電子機械鎖部分：繪制設計草圖、原理圖，根據參考書籍進行計算和仿真測試，根據仿真結果驗證思路的可行性并對思路進行修正。機械電子鎖的觸點相當于圖中的電容器，使用半徑為1mm的半球時通路電容約為5pF，在如圖所示的參數設置時效果最好，測量點電位可在150微秒內達到識別閾值。

②中控器電路部分：把手繪的草圖在Altium Designer進行優化并繪制原理圖。由于時間有限，此演示模型的功能僅僅是基于震動計數的報警。例如，打開總開關，6秒后進入警戒狀態，開始檢測傳感器狀態。由于時間關系這里使用4個開關作為傳感器，3個水銀開關可以檢測當前自行車的放置情況，另一個是震動開關。

（圖2.7.2 在面包板上測試）

此外，主板還可以用于連接各集成模塊，相應功能的電路與其分控制器集成在一塊電路板上，每塊擴展板都有它自己的控制器，所以理論上可以在主板上無限地增減子系統，以滿足各類用戶的不同需求。

根據原理圖，使用keil進行編程，最后在面包板上對關鍵部分進行測試，并根據結果對設計經行修改。

（圖 2.7.3 手繪高壓火花放電裝置驅動電路原理示意圖）

③威懾系統：

A組——心理威懾

手繪高壓火花放電裝置驅動電路原理示意圖

此電路驅動的脈沖高壓發生器為警用電擊棍的高壓脈沖逆變器，控制好輸出電極間距可控制打火頻率和爆響幅度。

B組——生理威懾

（截圖 2.8.1 使用AutoCAD繪制設計圖）

由于涉及到高壓電擊，為確保安全，首先收集資料。根據中華人民共和國國家標準《GB/T 13870.1-2008》（針對100Hz以下）第五條 “擺脫閾……約5mA的數值適用于所有人”和《GB/T 13870.2-1997》第六條“頻率在100KHz以上，電流強度約為數百毫安時，感知由較低頻率時特有的刺痛感轉變為一種溫熱感。”、“頻率在100KHz以上時，關于心室纖維性顫動閾既無實驗數據，也無事故報道?！?/p>

綜合相關資料分析得出：頻率較低時（50～100Hz）10mA電流將產生劇烈疼痛，超過500mA時可能致死；頻率較高時（100KHz以上）由于趨膚效應，電流難以傷及內臟，只會對表層皮膚造成灼燒，電流達數百毫安甚至數安培時也不易造成致命危險。再參考醫療領域使用的“高頻電刀”的設計，我組設計的諧振頻率取800KHz。

④系統整體外觀設計：使用AutoCAD 繪制外觀三視圖

整體設計為細長圓柱體，裝于自行車座位下的鋼筒內。外殼使用電阻率適中的導電橡膠材質，不僅可以起到電磁屏蔽的作用，一定的彈性還可以起到緩沖作用，充分保護內部電路。美觀的同時還具有很強的保護能力。

⑤系統的電磁屏蔽設計

系統安裝在自行車內部，系統工作時處于強電磁環境中，參考《GB/T 17799.1-1999》對系統封裝外殼的電磁屏蔽設計如下：用雙層相對電阻率約為10KΩ/cm(φ1.75mm)的導電橡膠3D打印壁厚為0.4mm圖4.10.1中的外殼，用厚度約為0.04mm鋁箔緊密包被后用環氧樹脂浸潤，鋁箔與系統接地相接。各組件間的連接線為被上述鋁箔緊密包被的φ0.2mm漆包線多絞后用熱縮管封裝，于自行車內部走線，所有屏蔽層鋁箔均與系統接地后，從系統接地處連接自行車身進行總接地。

2.根據設計制作模型

①電子機械鎖部分：使用3D設計軟件MAYA建立三維模型，并使用3D打印機打印出模型打印件，在打印模型上安裝電路。

（截圖 2.9.1 用MAYA制作的三維模型）

（照片 2.9.2 使用3D打印機打印模型）

（圖 2.9.3 手繪鎖內電路原理圖）

（照片 2.9.4 在打印的模型上安裝電路）

上圖所示為鎖身的示意模型，鎖舌為球形導體，卡簧為兩根金屬桿。正常情況下鎖舌被卡簧鎖住，鎖舌開關閉合，分控器MCU向中控器輸出安全信號；一旦暴力破壞，如扭曲、拉扯等，都會造成球形鎖舌錯位，鎖舌開關斷開，則MCU停止輸出安全信號，中控器判定為鎖身被破壞。

②中控器部分：使用油性記號筆在覆銅板上繪制出布線，之后使用微型電鉆打孔，再使用PCB腐蝕劑對覆銅板腐蝕，然后焊接元件，最后上電測試。

③威懾系統高壓模塊：根據計算得到的參數，手工自制電感器和電容器。

（照片 2.10.1 線路板手工布線）

（照片 2.10.2 電路板打孔）

（照片 2.10.3 氫氧化鈉煮板洗去記號筆）

（照片 2.10.4 ）

（照片 2.11.1）

（照片 2.11.2）

3.對模型進行實驗測試

①電子機械鎖部分：通過電容計測量鑰匙上的電容，導通部分平均電容約為4.43pF、開路部分平均電容小于電容計量程，大約為0.08pF。用尼龍材料、電壓12V，在1MHz的頻率時，在鑰匙插入200mS內可識別出鑰匙。插拔30次成功識別30次，識別率100%。在未解鎖時強行打開100%輸出報警信號。

②中控器及程序：多次重啟，在3種情景測試10次，沒有誤判，程序執行正確率100%。實現原理主要是通過計數計時器中斷和外部中斷進行比較，達到預設條件時讀取傳感器狀況，根據預設的情況進行特定的報警。

③威懾系統A組——高壓火花心理威懾模塊：人類會本能地對電弧以及放電時尖銳的噪音感到恐懼。通過刺耳的電弧放電，可對偷盜者造成心理威懾，使其放棄偷盜動機，做到“不戰而屈人之兵”。

③威懾系統B組——灼燒生理威懾模塊：如右圖所示，在600KHz、空載最大電壓約120KV、拉弧耗電功率50W時，拉弧長度可達8厘米。此裝置不僅可使車身帶電，還能使其周圍一定范圍內的金屬導體帶電，偷盜者只要碰觸到車身的關鍵部位就會遭受灼燒，產生強烈的灼燒刺痛，這樣的灼燒足以迫使其放棄偷盜行為。即使戴著絕緣手套仍然能產生灼燒。

（照片2.12.1）

（照片2.12.2）

（照片2.13.1 灼燒效果）

（照片2.13.2 隔空的金屬帶電并產生電?。?/p>

參照GB/T 13870.2-1997和百度百科“安全電流”詞條，對平均身高/體重為180cm/ 62KG的3男和176cm/50KG的2女進行測試，根據受試者感受繪制下表。

（圖表2.14.1）

實測證明，只會燒灼表層皮膚，造成灼燒和疼痛。通過嚴格的保護模塊，并調整諧振程度和頻率，用手靠近電極便會引出電弧，但對身體幾乎沒有損傷，只會造成劇烈的刺痛。

【總結和分析】

一、研究的成效與思考

（一）目前取得的成果

目前已初步制作出測試原型，對原型進行測試：電子機械鎖部分解鎖時間在200毫秒以內、識別率100%；中控器部分工作穩定，演示程序正確率100%，并且對用戶開放，用戶可自行下載其他程序或固件；威懾系統中高壓火花聲光心理威懾模塊產生爆破音可達60分貝（特別情況下可超過70分貝）；威懾系統中的電弧生理威懾模塊產生的電弧可以擊穿8層一次性醫用丁腈手套，單次100毫秒放電可在皮膚表面灼燒出芝麻粒大小的疤痕，疼痛程度適中，類似于針扎。

各項指標均達到設計要求，安全性可控。

（二）特色

①將鑰匙和鎖芯的機械結構本身作為電路的一部分，充分使電子和機械相結合，大幅提高防盜性能、簡化鎖芯制造工藝；②將接近時產生的分布電容作為電路的一部分，偷盜者只要接觸到車身的金屬部分即可閉合回路，產生電弧，在偷盜者皮膚表面造成可控的灼燒和輕微的刺痛，迫使其放棄偷盜行為，使之無法繼續行動；③通過智能中控器連接“電子機械鎖”和威懾系統，實現直接防盜和主動防盜相結合，提高防盜效率，最大限度地提升防盜效果、減小被盜風險。

（三）產品試用報告

①功耗情況：在低集成度下，守衛模式待機功耗約為500mW；心理威懾30秒的平均功率約為3W；生理威懾20秒的平均功率約為20W；解鎖時鎖芯識別鑰匙的功耗約為100mW；彈開卡簧的瞬時功率約45W。

②防盜效果：“電子機械鎖”直接參與防盜，不僅能阻礙偷盜者，還能作為一個傳感器，將相關數據呈遞給中控器；主動防盜中，通過生理威懾可直接阻止偷盜者的行為，使偷盜者無法繼續作案。

③安全性：電池使用移動電源中的18650鋰電池，此類電池較為安全穩定；串聯諧振變壓器對人體的損傷小于GB/T 7964-2008中電子圍欄對人體的損傷。

④科學性：本設計核心原理為交流電能夠通過電容器，在本設計中，鑰匙、人體都等效為電容器，使用電子技術產生適宜的交流電即可形成回路。

⑤創新性：本課在鎖具和防盜方式兩個方面分別創新出“電子機械鎖”和放電威懾的“主動防盜”兩個創新，并提出直接防盜和主動防盜相結合的創新點。根據查新，沒有找到與上述創新相似的文獻。

⑥實用性：本系統實現了從傳統的被動防盜向主動防盜的創新，直接防盜和主動防盜相結合，最大限度地降低被盜風險，保護財產安全，有較高的實用價值。此外，本系統還能作為物聯網的一個節點，具有較大的發展空間。

⑦可行性：目前已基本制出測試模型，當前技術和工具足夠進行批量生產。量產成本預算約為600至1200元人民幣，遠小于中高檔自行車的價值。

根據內測用戶的反饋和評估繪制下列圖表：

（圖表3.1.1 設備安全性評估）

（圖表3.1.2 設備性能評估）

（圖表3.1.3 設備壽命評估）

（圖表3.1.2 設備易用性評估）

二、不足和展望

（一）不足

①成本高（預算估價為600元/套）。

②安裝后很難拆卸，維護困難。

③電池續航時間有限。理論待機時間為100小時，放電僅能持續20分鐘。

（二）展望

此設計還可以用于：

①家庭防盜門：一旦被暴力破壞，主動威懾偷盜者、驅趕偷盜者的同時向保安室或派出所報案。

②電動車等需要較高防盜級別的車輛：配合其他驅動電路，將此系統與車輛的電路相連接，使車輛智能化。

③中控系統還可以安裝其他拓展模塊以滿足廣大用戶的多種需求，例如基于人體紅外熱釋電的熱源感應模塊，增強系統的感知能力，使系統更加智能。

④構建物聯網：此系統增設無線通信拓展模塊并安裝相應軟件即可搭建網絡連接，把每個系統作為物聯網的節點，從而實現智慧交通、智慧城市。