宁德师范学院学报(自然科学版)
电动车价格表Journal of NingUe Normal University(Natural Science)Vol.33No.l Mar.2021
第331j
2021 3月
运用NB-IOT技术的电动车智能防盗报警系统设计
徐光洪，谭巧*，李佳怡，张雪琪，张敏，吴翔
（闽江学院计算机与控制工程学院，福建福州350108）
摘要：电动车是生活中最常见的便捷交通工具，但其存在易丢失、丢失难回等问题，对人们生活造成了很大影响.鉴于此，提出一种基于NB-IOT的电动车智能防盗报警系统.硬件部分采用STM32单片机，结合传感器监控电动车的实时状态；软件部分采用NB-IOT、GPS和手机APP相结合的方式，通过手机端即可实时监控电动车的状况和所处位置，实现及时报警和实时追踪.结果表明：系统测试结果良好，达到了设计要求，具有较好的实时性和较强的实用性.
关键词：NB-IOT；GPS；手机APP；报警器；电动车防盗
中图分类号：TP277文献标识码：A文章编号:2095-2481（2021）01-0030-06
电动车因方便、快捷而成为通用交通工具.2019年，中国的电动车保有量达到3亿辆.然而，全国各地电动车盗的出不穷，据不完全统计，1/6的电动车盗，特别是，人们生活造成很大影响.因此，电动车的防要巴
现有电动车的防盜方式主要有两种：1）RFID电子标签定位防盜玖给每一辆电动车都装上RFID电子标签，由基 ，车辆是已丢失车.此方法对动车的管理能力提升，但存在易拆除、确、信能完全覆盖等问题；2）遥控防报警器pt.遥控防报警器是目前市场流报警器，灵敏度较，报警声响较大，但有效报警范围只几百米，且能误报警，例如遇到行人或其他车经过、刮风、下雨、打雷等.
针对前动车防盗存在问题，本设计在传统防盗技术的基础上，采用STM32单片机、GPS模块、姿态传感器（三轴加速度和三轴陀螺仪）和压力传感器相结合〔宀，实时获动车、运动状态、静止情况以坐垫受压变化等信息，并应用NB-IOT联网技术与手机端APP相连，可以实现电动车倾斜或倒地、车被移动、坐垫被放重物或破坏、电瓶掉电（被盗）报警和电动车位置追踪等功能.报警方式由用户在手机APP自定义设.本设计能够改善电动车易状，具应用前景.
1系统总体设计
基于NB-IOT的电动车智能防盗报警系统主要由三大部分组成：安装在电动车上的NB-IOT感应报警装置、网理服务器和手机端APP软件.系统结构如图1.
系统设计：1）动车实时信息采.通过1所示的NB-IOT感应报警装置实时收集传感器的信息，按需求将信息上报至理器；2）用户端手机APP实时响应或查看.动车信息将由服务器推送到手机APP，常信息，由手机APP以使用者自定义方式报警（声音、震动、）；触发报警时，如果是本人，可以一确，消除警报，除非本人按报警模式；手机APP查看动车传感器信息，自动送到报警，报警将信息到器，手机APP获并
：2020-04-30
：徐光洪（2000-），男，本科4.E-mail：*****************.
*通讯作者：谭巧（1981-），女，副教授.
E-mail: ***************
基金项目：福建2019合式（闽教高［2019+20号）；闽江学院2019校长基金（103952019089）；闽江学院2018（MYK17030）.
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示；3）电动车追踪：手机APP地图具有追踪功能，若电动车被盗，将会锁定其位置，地图视角跟随其移动，方便用户快速到被盗车辆.
智能手机
图1整结构框图
2NB-IOT感应报警装置设计
为实现对电动车位置信息、坐垫压力和车身状态的数据采集,NB-IOT感应报警装置包括:STM32单片机、GPS模块、集成天线、带有NB卡的NB-IOT模块、压力传感器、三轴姿态传感器（感应重力和加速度）和电源.系统硬件结构图如图2.
图2系统硬件结构图
2.1核心组件的选取
2.1.1控制芯片的选择考虑到单片机程序经编译出的可执行文件达到22KB，接收传感器数据需要额外的空间，且所接外设至少需要12个引脚.因此选用STM32F103芯片，它具有72MHz的CPU速度和高达1MB的闪存，且具有低功率、低电压、实时功能佳、价格低等优点.
2.1.2传感器的状态下，电动车平衡状态，主要体现在重心以及加速度.而当其
状态，会坐垫被重、电被盗件.结传感器的度实用，采用MPU6050传感器检测加速度及重力；选用FSR片型压力传感器保护电动车的坐垫，不会影响坐态且，用IO对电控.为能用户电动车的实位置信息，选用高灵敏度、低功耗、低成本的ATGM332D-5N系列GPS模块.
2.1.3功能的设计中，用户在手机端即可获知电动车情况，NB-IOT感应报警装置需要将数据上报到数据服务器，故联网功能.由于电动车是在室外使用的，不适合采用WIFI，基于物联网的NB-IOT模块是最.BC26芯片支持全球频段，价格适中，满足本文报警装置的设计要求.
2.1.4电源模块的设与选择若电动车的电被盗，供电电源被切断为证报警装置工作的可靠性，在电瓶被盗情况下也能将报警信息发到手机APP提醒用户，需要增加备用电源，采用双电源供电模式，如图
3.双电源模块主要由电、内置电源、继电器、降压稳压模块和NB-IOT感应报警装置供电组成.
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图3双电源供电模式
正常状态下，电瓶提供电能使系统运行，继电器有电流通过，保持断开，备用电源不工作•当电瓶丢 失时，继电器无电流通过使其闭合，备用电源向报警装置供电，单片机与电源相连的一个10 口将会感知 到电瓶的电压变化，发送报警信息到服务器，再由服务器推送至手机APP 发出报警信号.
2.2报警装置的连接设计与一体化封装
为实现电动车信息的全方位采集，采用单片机的2个串口（GPS 和NB-IOT ）、一个IIC 接口 （MPU6050）、ADC 通道（压力传感器），将 模块连接，通过电源接口为 模块供电，具体 线方式如图4.
NB-IOT 感应报警装置安装在电动 ，需 有高稳定性、易安装
，故对其进行一体化 装 .报警装置一体化 装 如图 5
.图4报警装置内部接线方式
该装置控制在50 mm X 50 mm X 20 mm 范围内，提供6条线作为外部接口（电源正、负极各一条，
一条
报警，其 压 感器的电源正、 压 线）. 装置 电 ，固定在电动车的任何位置•若偷盗者想要拆卸此装置，会触发报警.3系统软件设计
系统软件包括三部分:NB-IOT 感应报警装置的单片机程序、网络数据服务器和手机端APP •软件功 能 如图 6.
|手机APP|
服务器
端口 1'通信协'
议
,MQTT,
影响声音报警、指定上传的数据--发送传感器、GPS 、警报信息-
根据相关请求I 服务器J 端口 2数据库：存储 相关用户信 息' 装直及
APP 对应信息
NB-IOT
报警感
应装置图6
系统软件功能设计
第1期徐光洪等：运用NB-IOT 技术的电动车智能防盗报警系统设计一 33 —
物联网协议主要有COAP 和MQTT.COAP 需要较多的资源和带宽保障安全性，在资源较少的终端 和极有限的带宽下，可能运行受阻.而MQTT 协议是专为受限设备和低带宽、高延迟或不可靠的网络而 设计，非常适合处于运动状态的设备.且MQTT 还有“最后的遗嘱”功能，服务器在规定时间（keeplive ）内 未收到来自模块的心跳信息时会自动推送报警信息到 APP ，可有 报警 常 或者遭到不可抗力的破坏而用户无法得知的情况.因此，本设计在对接NB-IOT 感应报警装置时采用
MQTT 协议4叫用层协议有SMTP （邮件传输协议）、FTP （文件传输协议）、HTTP （超文本传输协议）等手机APP 使用 HTTP 协议与服务器进行 ，由APP 主动 HTTP 到服务器指定端口，服务器在收到请求后，
行 、 ， 内 （
、 ）， 服务器 ，可 而 服务器 ，且 的POST
保 信息的安全性.3.1单片机程序设计的 设计 :
和 定运行（ 用） . 在 源 常 的 ，NB-IOT 报警 的 器 是 常， 常 可
用. 用 是源和 器的
动 的安全状态.为达到及时、智能、稳定的运行要求，且考虑到物联网NB 卡一年流量有限，当传感器数据正常时, 不上报数据；出现 常或用户 APP 查看（发送 ）时上报数据.这种设计方式，便于用户及时了解电动车的信息，同时解决NB 卡流量使用达到 限，不能继续工作的弊端.具体实现 如图7.
3.2数据服务器设计
数据服务器的功能主要有：用户信息存取、NB-IOT 感应报警装置与手机APP 数据中转（包括报警 信息的推送）.因此需要两个监听端口， 为用户通过手机APP 进行个人相关信息存取 提供安全 服务，另 转发来自于NB-IOT 报警装置和手机APP 的数据.程序流程如图&
图7 单片机程序流程图手机|报警模块|
否；功？查询数据
库执行
更改管理设备 及话题、用户验证查询数据 库APP 请匕M 无法匹配'人循环进行 希数据至◎\DpicJZ 返回TOKEN 返回注
册成功
断开会话
连接，继
续监听将数据发 给t opicK 订阅者
将注册信
息存入数
据库
败信息•更新信息一步|返回失|| |验证上传 的 T OKEN 登录MQTT>
议：监听
端口2
HTTP 协
严议：监听
端口 1
否 1图8服务器程序流程
3.3 手机APP 设计
手机APP 中使用了两种通信协议分别访问服务器的两个端口：MQTT 协议用于后台接收报警信息、 用户 时（设 报警方式、获取 动 的 器和位 信息、追踪 动）送控制 ；HTTP 用于 用户注册、登录、个人信息的看和修改
.
-34-宁德师范学院学报（自然科学版）2021年1月4测试与结果分析
本系统采用STM32F103开发板进行测试，测试实验装置如图9.测试时，借助NB-IOT模块的串口调试软件QCOM查看调试信息,QCOM对串口返回的每一条信息都显示了当前时间，方便记录报警装置的反应时间，并进行程序优化.
图9测试实验装置图
配合APP掌握电动车信息的不同需要，单片机程序共设计了4种工作模式，分别是：保护（读取传感器值、自动报）、模式（不作、仅响应来自手机APP的命令）、获取电动车当前信息（单获取压、、GPS数据）、（获取位置信息）.手机APP还可以设置电车报警时开报警，单片机命令行.
经过一系列优化调整，对每个功能进行测试.由测试结果可以看出，电动车的报警反应延时为200 ms左右，命令响应为300ms左右，此系统完全符合设计需求.
5结语
本电动车智能防盗报警系统设计基于NB-IOT，并结合GPS、姿态传感器、压力传感器、手机APP和软件实，4优.
1）化.报警装置皆采用的传感器，车辆静止状态受到非正常干扰容易被传感器捕获；报警装置的双电源设计能感知电瓶的电电情况下继续报警；报警装置不可时，“设置”报警；压电动车，决电车坐垫被放重物或破坏的问题.
2）报警时.报警装置的CPU速度达72MHz，对传感器数据处理速度快，MQTT协议是长连接，且数据量小，与服务器一次交互时间大大缩减，，报警信息从产生到用户仅需200ms.
3）报警距离远.只要物联网覆盖的地方，报警信息就送至用户手机APP.
4）报警方式智能化.NB-IOT感应报警装置电动车异常时发送报警信息；手机APP会根据用户设置对报警信息自响应；获取电车信息都是按钮式作，简单方便；兼统声音报警方式，手机APP电动车时否发出报警，也可控制临时报警.
本电车报警系统，工作稳定可靠，使用简单方便，且成本低廉，设计小巧精致，将为电动车用户提供极大的便利.
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