基于手机APP 的货车油箱防盗系统设计

张益原，杨少星，郭龙辉，孙慧心，付留原

（黄河科技学院，河南郑州，450063）

0 引言

随着物流行业的快速发展，货车在运输业起着至关重要的作用，由于货车运输过程中油箱外置，导致一些不法分子在货车车主停靠休息时，恶意破坏油箱盗取汽油。尤其是长途货车被盗的情况更为严重，大量货车司机晚上为了防止汽油被盗，睡在油箱旁边成为普遍现象。在这个网络信息发达的时代，我们结合需求设计了一款具有低成本、可靠性高的智能油箱防盗系统，为货车车主解决此问题。

1 系统总体设计

本系统的硬件电路设计主要由STM32 主控系统、加速度检测电路、震动检测电路、报警电路、WiFi 电路等组成，原理框图如图1 所示。其工作原理是通过加速度传感器检测货车是否停止，当检测到货车停车后立即通电，再经震动传感器检测油箱外壳是否有持续震动或剧烈震动，当检测到油箱遭有持续震动或剧烈震动时，蜂鸣器和手机APP 同时报警，告知车主。可通过手机APP 实时查看监控画面，也可通过云端查看回放，为警方提供证据。

图1 系统硬件框图

2 硬件电路设计

2.1 STM32 主控系统

图2 为STM32F103C8T6 单片机的最小系统。与51 系列单片机相比，STM32F103C8T6 中单独设计的结构内核和强大的外围设备使其具备了低损耗、低功率、效率高的特点，其结构：基本输入输出口、定时器、串行通信口、外部中断口、备份数据、看门狗（独立窗口）、传输数据、单芯片内闪存编程、将读取数据写入外部SRAM、外部单芯片控制等[1]，结构简单、使用工具方便、功能强大。其核心：ARM32 位Cortex-M3CPU，最大运算频段为72MHz 或1.25DMIPS/MHz，并具有片内集成的32-512KB 闪存和6-64KB SRAM内存，拥有超强的储存功能，在休眠、停机和待机模式下，通过VBAT 为RTC 和备份的辅助寄存器提供电源[2]。在STM32MPU 中的主要供电方式包括：VDD 引脚为主要的电源引脚，可为所有芯片的数字电路进行供电，供应电压为2.0～3.6V。自动化变频器、复位系统、RC 振荡器和锁相环等的模拟单元，则由VSSA 和VDDA 供应2.0～3.6V 电压，要注意VDDA 和VSS 在选择ADC 时需要依次连接到VDD和VSS，且VDD 不得低于2.4V。当VDD 关闭时，就需要将电源（通过内部电源开关）通向RTC、外部的32MHz 振荡器电路和备份辅助寄存器。综上所述，STM32 具有运行速度快、功耗低等特性，因此选择STM32 系列单片机作为主控处理器，控制核心电路。

图2 STM32 单片机最小系统

2.2 加速度检测电路

图3 为加速度检测电路，在整个系统中，加速度电路是系统运行关键的第一步，只有测的货车整体加速度为零时，系统的第一道开关才被打开，致使震动电路通电，ADXL345开始工作。本设计采用ADXL345 加速度电路，该电路为多晶硅表面微加工结构，置于晶圆顶部，目的是在加速度时提供阻力。由于加速度使惯性质量偏转和差分电容不均匀化，且传感器输出的振幅和加速度成正比，因此利用相敏解调确定加速度的振幅和极性，得到货车的加速度[3]。它不但能够检测静态加速度，还能够检测汽车运动和撞击所产生的动态加速度，动静结合，使得ADXL345 加速度模组可更为精确的检测货车行与停时的加速度。

图3 加速度检测电路

2.3 震动检测电路

图4 为震动检测电路，本设计中选用的SW-18015P 震动感应器，是油箱防盗系统中最关键的模块，SW-18015P是密封弹簧式、无方向性的振动传感器接触开关，无论在任意方位、任一角度，都可以触动此开关。无论犯罪分子在任何方位、任何形式去盗取汽油，只要震动就会触发开关，发出警报。利用程序编程对开关设定，当开关在静态、无触碰的状况时，SW-18015P 即为开路或OFF 状态，当受外力作用触碰超过设定的电流阈值时，导电引脚便会瞬间导通，使SW-18015P 开关呈瞬间ON 状态。该模组电源引脚的连接方式如下：VCC 为外接3.3V 或5V 供电（可以直接与单片机的3.3V 或者5V 相连），GND 外接电源负极，DO 为小板的数字量输出端口(0 或1)。通过SW-18015P 震动传感器精确安全地检测油箱的震动情况，以此作为判断油箱安全重要的依据。如若油箱受到震动的频率超过阈值，报警装置将立即启动，同时会通过无线模组将油箱情况发送至手机APP，发出警报提示车主。

图4 震动检测电路

2.4 蜂鸣器报警电路

图5 中为鸣声器报警电路，该电路由一个2k 电阻、一个NPN三极管和一只鸣声器所构成，结构简单，为此系统提供警示的功能。该模块通过晶体三极管来控制电压的通断，实现开关的作用。将三极管的基极与1k 电阻相连接，从而限制基极的电流；将晶体三极管的集电极连接到蜂鸣器的一端，再将蜂鸣器的另一端连接到VCC，使三极管的发射极直接接地[4]。当I/O 端口为低电量时,电流从晶体三极管集电极到发射极上流过，此时晶体三极管保持着工作状态，电路为通路，蜂鸣器能够正常工作，并产生警报。当I/O 端口为高电量，由于电压不能通过晶体的集电极流入发射极，因此晶体三极管不能保持工作状态，电路处在断开状态，蜂鸣器不能正常工作，也无法发出报警。

图5 蜂鸣器报警电路

2.5 WiFi 电路

图6 为WiFi 电路，作为硬件电路与手机APP 建立联系的主要枢纽，本设计中采用了ESP8266-01S 串口WiFi 模块，该电路是一个低功率的UART-WiFi 透传模组，能够直接将使用者的物理设备连接在WiFi 和无线网络上，以便完成与网络及局域网之间的通讯，从而实现网络功能[5]，其中最重要的一步就是TCP/IP 传输层协议的接入，使通讯各方都要实施TCP/IP 协定，实施后，仅需要其中任何一方的目标IP位置和端口号就可以相互连接，而连接一经成立即可实现双方同时收发信号进行通信。

图6 WiFi 模块

2.6 摄像模块

图7 为摄像模块部分电路图，摄像模块在系统中起着记录油箱安全情况的作用，摄像模块硬件由镜头、图像传感器、数字信号处理芯片、图像解析度/分辨率、SENSOR[6]，经过一系列转换，生成摄像画面，并通过WiFi 将实时画面传输至手机。结合本项目，当油箱受到安全威胁发出警报时，可以通过手机APP 实时查看油箱的安全情况。

图7 摄像模块

2.7 手机APP

首先用APP 建立一个TCP 服务器，在协议类型处选择TCP Server 协议，本机IP 地址一般会默认自动填入本机IP，也可以自己修改IP，并将端口号设置成小于65536 的一个没有使用的端口号，再通过ESP8266-01S 建立关传输系，打开手机WiFi，点击连接。通过程序的编译指定特定数字表示命令语句，然后在APP 的输入框中输入特定的数字，点击发送，硬件便可收到来自APP 的指令信息并执行，同时手机APP 接收并显示反馈信息。

硬件所测数据通过ESP8266-01S 将数据传输至手机APP，如图8 所示。首先要对无线传输模块中AP 模式下的服务进行配置，然后手机作为TCP 客户端与无线传输模块进行连接，当震动传感器工作时，电路整体处于工作状态，通过单片机设定的程序控制无线传输模组将警报数据至手机APP，提醒货车车主，查看油箱的安全状况。

图8 手机APP

3 系统软件设计

本设计通过ADXL345 传感器检测模组检测车辆是否停止，再通过SW-18015P 震动传感器检测油箱是否震动，如果车辆停止时且油箱震动，在设定时间内没有手动取消报警功能，那么系统将会认为油箱被盗，将会严格按照程序的要求执行接下来的指令，蜂鸣器发生警报，同时通过ESP8266-01S 模组将被盗信息传输至车主手机，以此来实现报警功能。其中主程序流程图如图9 所示。

图9 主程序 流程图

图10 为ADXL345 传感器检测模组软件设计，初始化并配置加速度传感器模组，由三轴加速度计采样，读取加速度数据并处理，判断加速度是否为零，若加速度不为零，继续循环，若加速度为零，数据输出。

图10 加速度传感器流程图

图11 为SW-18015P 震动传感器检测模组软件设计，初始化并配置震动传感器模组，由SW-18015P 开关采样，读取采样数据，判断是否超过设定阈值，若不超过阈值，继续循环，若超过阈值，数据输出。

图11 震动传感器流程图

4 系统的调试

系统测试最关键的步骤是对软硬件结合的整体测试，经过测试，查漏补缺，以便修改或改进方案，在测试的过程中一定要保持软硬件正常工作，逐一测试硬件各个接口的电位，均无问题之后，开始调试程序和APP 是否成功连接。确保整个控制系统的总体功能良好后，再对整个系统进行综合调试[7]。对系统整体能力进行测试时，主要对以下四个方面进行检测：当油箱受到持续震动和剧烈震动时，蜂鸣器是否会发出警报；手机APP 是否会接收到被盗信息；手机APP 是否可以实时查看油箱画面；手机APP 能否控制整个系统如表1 所示。

表1 监测数据

5 结论

针对货车运输过程中油箱外置，导致一些不法分子在货车车主停靠休息时，恶意破坏油箱盗取汽油问题，将该系统设计在油箱盖内，以实现保护油箱安全的设计目的。油箱外壳有持续震动和强烈震动时，报警装置和手机同时报警，通知车主，同时摄像头记录偷油者的犯罪过程。本系统解决了货车停止时，系统自动启动问题、摄像头画面的储存问题、油箱发生震动自动报警问题、手机APP 如何接收报警信息和实时查看监控画面问题。本系统造价低且系统稳定，预计能在油箱行业中得到广泛地运用。