基于nRF24L01车辆集中管理及防盗系统的设计

孙春志，吴晨光，徐 莹

(商丘师范学院 物理与电气信息学院，河南　商丘 476000 )



基于nRF24L01车辆集中管理及防盗系统的设计

孙春志，吴晨光，徐 莹

(商丘师范学院 物理与电气信息学院，河南商丘 476000 )

摘要：针对当前各个大学校园及各城市街区车辆乱摆乱放的现象和盗窃事件的发生，介绍了一种车辆智能管理与防盗装置，详细讲述了装置的基本原理与实现方式，以及硬件功能电路的设计方法及思想.装置包括MCU主控、AC/DC模块电源、DC/DC模块电源、RFID-RC522射频卡模块、nRF24L01无线通信模块、LCD1602显示器等.本装置采用NORDIC生产的nRF24L01无线通信模块，来实现主机与从机之间信息的远距离无线传输，同时装置采用STC公司的STC12C5A60S2单片机作为装置的主控芯片，实现对车辆的集中智能化有序管理和对车辆的实时监控，以达到车辆智能化管理和防盗.通过实验证明，本装置不仅准确性好，而且成本低、功能可扩展性强，具有良好的市场前景.

关键词：MCU；模块电源；射频卡；无线通信； LCD1602显示器

0引言

随着人们生活水平的不断提高，以及当代科学的不断发展，相应的各种车辆防盗报警系统也逐步的应用于生活中.现如今，国内对车辆集中管理及防盗系统的研究已经相对成熟,既开关式防盗报警器和振动式报警系统之后，我国对空间移动报警系统方面的研究也已经有所成就.但是,这些系统因其高成本，结构复杂等原因，其应用范围受到了一定的限制.本着科技服务于人类的原则，车辆集中管理及防盗报警装置有着便捷化操作、人性化设计、反应特别灵敏等特点,在保证装置稳定可靠运行的基础上，给人们的生活带来最大化的便利.

1系统整体方案的设计

图1　整体方案设计原理框图

整个装置以STC12C5A60S2单片机为主控芯片，分为主机和从机两个部分.主机主要负责车辆的监管，首先，射频卡模块读取IC卡的信息，并将读取的信息通过串口传送给单片机，然后，单片机对读取的射频卡信息进行校验，校验成功后，单片机发送控制信号，并且驱动继电器动作，控制相应的车锁以实现对车辆的存放[1].本装置采用自动化控制的电子锁取代了传统的锁具.主机对车辆监管的同时也将车辆的信息通过无线传输实时发送给从机.当车辆发生丢失时，主机便通过无线模块向从机发送报警信息，从机接收来自主机的信号并作相应的处理，同时应用LCD液晶显示屏准确显示相关车辆信息， LCD液晶屏可以显示整个系统的工作状态以及当前天气的实时温度.其整体原理框图如图1所示.

2系统硬件电路的设计

2.1主控部分

装置采用STC12C5A60S2系列单片机.STC12C5A60S2系列单片机是宏晶科技生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机，指令代码完全兼容传统8051,但速度快8-12倍[2].内部集成MAX810专用复位电路，2路PWM,8路高速10位A/D转换(250K/S)，针对电机控制，强干扰场合[3].STC12C5A系列单片机几乎包含数据采集和控制中所需的所有单元模块，可称得上一个片上系统.STC12C5A60S2芯片引脚如图2所示.

2.2电源电路设计

在电源电路的选取上，由于模块电源具有隔离作用，抗干扰能力强，自带保护功能，便于集成等优点，因此，本装置采用模块电源供电[4].图3是本装置的各个电源模块主电路图，设计要求需要将AC220 V交流电源转化成DC12 V电源，为电子锁供电，然后将DC12 V转换成DC5 V电源和将DC5 V转换成DC3.3 V电源，直流5 V和直流3.3 V电源电路原理图如图4和图5所示.分别为主控电路、继电器电路、无线模块和射频卡模块电路供电[5].其中MCUDC5 V主控电路电源转换电路使用7805稳压芯片.7805稳压芯片前后都需要加上电解电容和普通电容，作用是消除低频和高频干扰波.在稳压芯片前面加入电源指示灯，更直观判断电源是否正常接入电路[6].在实际应用中，由于电压转换产生很强的热量，调试硬件电路时由于7805芯片不能及时散热导致在通电一段时间后7805稳压芯片被烧毁，通过查阅资料，在7805稳压芯片前面加入散热电阻，电阻大小为68R/2W，可以很好的解决这一难题.

图2　STC12C5A60S2管脚图　　　　　　　　　　　　　　图3　DC12V模块电源电路

图4　DC5V模块电源电路　　　　　　　　　　　　　　　图5　DC3.3V模块电源电路

2.3射频卡模块电路设计

本系统设计的射频卡模块的电路如图6所示.系统射频卡模块选用的型号是RFID-RC522.卡片的电气部分是由一个天线和ASIC(IC)组成.卡片的天线是有几组绕线的线圈，很适于封装到IS0卡片中.卡片的ASIC由一个高速(106 KB波特率)的RF接口，一个控制单元和一个定容量的EEPROM组成.工作原理为读写器电路向IC卡发一组固定频率的电磁波，卡片内有一个LC串联谐振电路，其频率与读写器发射的频率相同，在电磁波的激励下，LC谐振电路产生共振，从而使电容内有了电荷，在这个电容的另一端，接有一个单向导通的电子泵，将电容内的电荷送到另一个电容内储存，当所积累的电荷达到2 V时，此电容可作为电源为其它电路提供工作电压，将卡内数据发射出去或接取读写器的数据[7].读写器接取的数据通过串行口传送到单片机中，单片机把接收的卡号进行校验，同时，射频卡中有快速防冲突机制，能防止卡片之间出现数据干扰，因此，读写器可以同时处理多张射频卡.这提高了应用的并行性，无形中提高了系统工作速度.

2.4无线模块电路的设计

本装置采用nRF24L01无线传输模块，nRF24L01(或nRF24L01P)是一款工作在2.4～2.5 GHz 的世界通用ISM 频段的单片无线收发器芯片.无线收发器包括：频率发生器、增强型SchockBurst模式控制器、功率放大器、晶体振荡器调制器、解调器[8].输出功率频道选择和协议的设置可以通过SPI接口进行设置.它具有极低的电流消耗，当工作在发射模式下发射功率为0 dBm时电流消耗为11.3 mA，接收模式时为13.5 mA，掉电模式和待机模式下电流消耗更低.其电路图如图7所示：

图6　射频卡模块电路原理图　　　　　　　　　　　　图7　nRF24L01无线传输模块电路

2.5LCD显示电路的设计

图8　LCD1602液晶显示驱动电路

如图8是本系统的液晶显示的驱动电路，为LCD1602型号字符液晶显示器，供电电压为DC5V.LCD字符液晶显示器选用显示容量为16*2个字符，1602LCD分为带背光和不带背光两种，其控制器大部分为HD44780，带背光的比不带背光的厚，是否带背光在应用中并无差别，在电路中连接有10 kΩ的电位器，通过电位器可以调节显示字符的亮度[9].

由于此处液晶显示的是实时温度和状态信息，所以本系统采用的是LCD1602型号的静态显示器[10].液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志为低电平，表示不忙，否则此指令失效[11].要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符.

3系统软件设计

系统的软件流程分为系统初始化、数据采集、信息处理3个部分.系统整体软件流程如图9所示：

图9　系统软件流程图

4结语

经过一系列的实地测试，车辆智能集中管理及防盗装置能够较好的实现车辆的智能化管理，改善了过去车辆乱摆乱放的现象，当车辆盗窃事件发生时，装置主机能够及时的发送向从机发送信息并报警，从机接受到信号后能准确的做出反应并在LCD显示屏上详细的显示车辆丢失信息，装置高质量的工作效率和灵敏的反应度为车辆的安全提供了可靠的保障.

参考文献：

[1]李朝青，刘艳玲.单片机原理及接口技术(第4版)[M].北京: 北京航空航天大学出版社, 2013.

[2]余孟尝.数字电子技术基础简明教程(第3版)[M].北京：高等教育出版社, 2006.

[3]范红刚, 魏学海, 任思璟.51单片机自学笔记[M].北京: 北京航空航天大学出版社, 2010.

[4]何钦铭，颜晖.C语言程序设计(第2版)[M].北京：高等教育出版社, 2012.

[5]谭浩强.C程序设计(第4版)学习辅导[M].北京：清华大学出版社, 2010.

[6]杨素行.模拟电子技术基础简明教程(第3版)[M].北京：高等教育出版社, 2006.

[7]周坚.单片机轻松入门(第2版)[M].北京: 北京航空航天大学出版社, 2007.

[8]刘卫国.C语言程序设计[M].北京: 铁道大学出版社, 2008.

[9]徐爱钧, 彭秀华.KeilCx51 V7.0单片机高级语言编程与uVision2应用实践[M].北京：电子工业出版社, 2004.

[10]戴佳, 戴卫恒.51单片机C语言应用程序设计实例精讲[M].北京：电子工业出版社, 2006.

[11]吴晓峰.射频识别技术[M].北京: 电子工业出版社, 2006.

[责任编辑：徐明忠]

Design of centralized management and security system of vehicle based on nRF24L01

SUN Chunzhi,WU Chenguang,XU Ying

(School of Physics and Electrical information Engineering, Shangqiu Normal University, Shangqiu 476000，China)

Abstract:In the university campus and the city block vehicles chaotic pendulum misplacing phenomenon and theft, this paper introduced an intelligent vehicle management with an anti-theft device, a detailed account of the basic principle of the device and realization method, and function of the hardware circuit design methods and thoughts.The device includes MCU master control, AC/DC module power supply, DC/DC module power supply, RFID-RC522 radio frequency card module, nRF24L01 wireless communication module, LCD1602 display, etc.NRF24L01 wireless communication module is used to realize the remote wireless transmission between the host and the host computer, and NORDIC STC12C5A60S2 STC is used as the main control chip.The system realizes the centralized intelligent management and real-time monitoring of vehicles.

Key words:MCU ;power supply module ; radio frequency card ;wireless communication;LCD1602 display

中图分类号：TN918.1

文献标识码：A

文章编号：1672-3600(2016)03-0029-04

作者简介:孙春志(1986-)，男，河南商丘人，商丘师范学院助教，硕士，主要从事电子与通信工程的研究.

基金项目：国家自然科学基金资助项目(11173018)

收稿日期：2015-08-11;修回日期：2015-09-11