基于STM32單片機的車輛門鎖智能控制系統

吳俊杰　林舜杰　柯向輝　鄒恩　何忠禮

摘 要：本次設計的車輛鎖智能控制系統，主要針對市面上傳統車鎖無法進行遠距離的操控、安全性低，以及車鑰匙攜帶不便的問題，提出了使用GSM網絡來實現汽車的實時遠程控制。該車輛智能控制系統，主要通過兩種方式進行開鎖，一種是通過手機的APP進行開鎖，使用者可以使用手機APP在有2G或2G以上網絡的情況下進行遠程的開關車鎖；一種通過指紋的方式進行開鎖，在手機APP端上，選擇指紋的錄入和刪除，錄入指紋以后即可使用指紋進行開鎖。在監控報警方面，使用震動傳感器防止盜竊者用非法手段進行開車鎖，本控制系統AndroidAPP界面簡潔，使用人員容易上手，方便操作，實現了多種識別方式的智能開鎖。

關鍵詞：APP GSM 指紋識別 監控報警

1 引言

隨著經濟的不斷發展，汽車逐漸成為家庭中重要的代步工具，人們在選擇車輛的時候，不同的安全設計，會影響著人們購車的選擇。車鎖作為我們汽車安全中重要的一環，不再僅僅使用機械鑰匙的方式來進行開鎖，而是通過指紋和GSM的方式，共同實現車鎖的控制。

傳統的機械鎖其構造簡單、功能單一，安全性能低，而車輛鎖智能控制系統則是克服了機械鎖的安全性能差，以其多功能化、實時聯網化、智能化、簡易化成為了目前的車輛鎖未來的方向[1]，指紋識別作為主流的生物識別方式，目前在汽車上的采用率并不夠高，僅僅只有幾家車廠采用車載指紋識別產品，而這幾家使用的方式也是截然不同，現代4代所使用的指紋識別可應用于車鎖開門，同時車內進行識別啟動車輛的功能，領克05和20年7月所發布的奔馳S，都是用于車內的識別啟動車輛的功能，以及凱迪拉克在車輛B柱位置的生物識別系統，這些都代表這未來車輛廠商在指紋識別上做出的不同方向選擇[2]。

本文所提出的車輛鎖，在傳統的機械車鎖的基礎上，提出了多方位開鎖以及高安全性的防盜機制，在能使用指紋進行開啟車鎖的解鎖方式下，同時設計手機APP進行解鎖[3]，使得使用者能夠擺脫車鑰匙，不僅能解決目前不能進行遠程開啟車門的弊端，也能夠解決指紋識別本身在極端環境下的識別率低的問題，提升了小車能夠在更多的場景的適用性。

2 門鎖總體設計

本設計是通過GSM模塊和手機所設計的車鎖APP為控制核心，它的工作流程是：手機通過APP應用發出指令，GSM遠程控制模塊接收指令，然后處理指令的信息，將處理后的信息轉化為信號輸出到門禁電源控制器上，門禁電源控制器控制門禁電磁鎖電路的通斷，以達到開鎖和關鎖，同時為了保證在指令開鎖失敗的情況下還能夠打開車鎖，還增加了指紋開鎖的方式來保證使用者能夠正常的開鎖[4]，圖2為車鎖整體結構。

指紋識別的過程則需要以下幾步：（1）指紋識別算法，程序中采用的是1：N的方式來進行識別，將用戶采集到的指紋和模塊中的指紋庫存有的指紋信息進行一一對比，找出匹配的指紋信息，在這個過程中，對于生物識別系統的通用處理過程是有：采集、對比和匹配。當然，指紋識別的過程也是如此，它包含了指紋圖像處理、指紋圖像預處理、特征提取以及匹配的過程。（2）圖片預處理，圖片預處理有以下這幾個過程：①指紋分割（指紋圖像與指紋背景進行分割）；②圖像增強（采用了局部求平均值以及中值濾波的方式增強圖像）③二值化（設定一個閥值，將圖片信息從多值的數字圖像中取出我們需要的圖像）；④細化處理（將我們圖像的線條由多像素寬度減少到單位寬度的像素）。（3）特征提取。將采集到的的圖像信息進行特征的提取，主要是對偽特征進行去除，進行毛刺和短脊的過濾。（4）特征匹配，將獲取到的指紋特征與指紋庫中的指紋特征進行匹配，先進行粗匹配，在進行紋線端點和分叉點更為細致的匹配[5]，圖3為指紋處理指紋信息過程中的流程。

3 硬件設計

選用的STM32F103C8T6單片機是一款基于ARM Cortex-M內核STM系列的32位的微控制器，性能穩定，能夠支撐智能車鎖的工作，同時，選用的AS608模塊，具有體積小、功耗低、接口簡單、可靠性和識別速度開的特點，指紋錄入時間和識別速度均在在1S以內，可錄入300個指紋，在人們日常使用指紋進行開鎖的過程中不會體會到卡頓，高流暢度的進行解鎖，GSM模塊采用的是SIM900A，該模塊使用手機卡與手機進行短信的通訊，然后通過UART的方式將數據傳輸到微處理器中進行處理，同時，智能車鎖有著電機驅動模塊、震動傳感器模塊、語音模塊、EEPROM存儲模塊，使得智能車鎖有著更好的表現[6]。

4 軟件設計

4.1 系統工作流程

單片機STM32作為整個車鎖的核心控制部分，完成模塊的初始化、各模塊之間的工作模式、以及數據的傳輸，完成模塊之間的通訊與控制[7]。

本次軟件設計采用的是模塊化設計的思路，將使用到的GSM模塊、指紋模塊、震動傳感器模塊、EEPROM存儲模塊、語音模塊進行軟件設計，以達到智能車鎖的功能。

門鎖的工作流程如下：首先單片機進行上電，各個模塊開始初始化，然后開始輪詢各模塊的標志位是否置起，指紋模塊由于是光電傳感進行判斷，所以當指紋按下時，PS_Sta判斷引腳就會拉高，此時就會進入判斷指紋是否和指紋庫內的指紋一致，如果一致就會進行開鎖，而如果不一致，會進行提醒再次輸入指紋，如果出現多次指紋不正確，語言模塊就會進行報警功能。錄入指紋的操作需要從手機APP端控制，由手機APP端確認要錄入指紋以后，語言模塊會進行播報需要輸入指紋，需要進行兩次指紋的錄入，以保證指紋的正確，錄入完成后就會進行播報指紋錄入成功，手機APP端也可以進行刪除指紋的操作，發送指令后進行刪除指定的指紋，手機APP端可以進行遠程開關鎖以及指紋的錄入和刪除，在手機APP端進行開鎖按鈕，車鎖就會進行開鎖，同時語言播報，為了安全性，在手機APP上，還設定了手機號以及密碼，登陸的時候需要輸入手機號和密碼才能進行APP端控制的操作，震動傳感器主要是在外力強制性開鎖的時候，語言模塊會進行報警，同時也會上傳APP進行報警的功能[8]。

4.2 GSM通訊之間的數據協議

在整個系統當中，手機APP和GSM模塊之間的數據協議都是采用的自定義的數據協議[9]，同時為了保證數據在傳輸的過程避免出現了數據丟失的情況，在幀尾的位置加上了求和幀，以保證數據的準確性，通信協議幀如表1所示[10]。自定義的數據幀包括3個字節，第一個字節0XA5，表示該短信是控制短信，第二個字節主要是控制字節，最后一個字節是為求和字節，對之前發送的數據進行求和，取尾2位16進制數據，如：求和為0xA75，則檢驗字節為0X75[11]。

5 成果展示

5.1 APP界面展示

APP的主要目的是為了使用者能夠進行遠程控制車鎖，提升使用者的體驗感，可以實現安全而又便捷的遠程控制，主界面是為登陸界面，需要輸入電話號碼以及密碼，以及主控制的界面進行控制，如下圖6所示：

APP界面中幾個重要按鍵執行后儀器動作為：①錄入指紋：通過手機APP按鈕確認需要進行指紋錄入模式，然后語言播報錄入指紋，每次錄入指紋都會進行一次蜂鳴器的提醒。②刪除指紋：通過手機APP按鈕確認需要刪除指紋，然后語言播報刪除成功，并進行原先錄入指紋庫的指紋驗證，無法開鎖。③修改密碼：可以通過APP來進行手機號碼的密碼修改，在登陸完手機APP以后在可操作的選擇當中，可以選擇修改密碼來進行密碼的修改。④開關門：通過APP即可以控制車鎖的開關門，不需要像藍牙開關門一樣，需要近距離才能夠進行開鎖，可以在遠程進行開鎖，只需要能夠接收到短信即可進行開鎖以及關鎖。

5.2 實物整體

由于本次并未進行結構上的設計，采用的都是模塊化進行測試功能，鎖的方面也是使用電控鎖來進行模擬測試車鎖，整體實物圖如下圖7所示，一個震動傳感器，在車鎖關閉期間，監控防盜傳感器參數，如發生異常開門，則通過主動報警器報警，一個語言模塊進行播報相關信息的語音，GSM模塊進行收發手機的短信進行開關鎖，指紋模塊進行指紋的開鎖功能。

6 結語

本文設計了一個基于STM32的車輛智能鎖控制系統，通過此方案，可以實現安全而又便捷的車鎖，保證了車輛的安全性，又可以簡化了平時的操作復雜度，遠程開鎖的解決了部分的使用場景，同時，設備在試驗的環境下已經實現了應有的功能，可使用安卓手機控制單片機進行開鎖，實現預期的目標。

基金項目：廣東大學生創新創業項目訓練計劃，“基于stm32單片機的車輛鎖智能控制系統”（項目編號：S202013902029）；廣東省普通高校自然科學項目（項目編號：2021KTSCX169及2020KTSCX201）。2021年廣東省本科高校教學質量與教學改革工程建設項目“卓越智能制造人才培養計劃”（項目編號：2021ZXRC001）；廣東省高等教育學會“十四五”規劃2022年度高等教育研究課題“‘四新背景下逸仙新華班‘新工科課程群探索與研究”（項目編號：22GYB63）;廣州新華學院教改項目（項目編號：2021YQSX004）。

參考文獻：

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[2]白騏鳴，移動信息圖庫.智能車鎖 讓你的座駕更安全[J].移動信息，2014（09）：116-117.

[3]員天佑，謝閱．基于GSM的遠程住宅智能監控系統的設計與實現[J]．微計算機信息，2006，5（1）：95-97．

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[11]張志杰. 基于單片機STM32的汽車電子防盜報警系統設計[D].廣西大學，2014.