基于STM32单片机的车辆门锁智能控制系统

吴俊杰　林舜杰　柯向辉　邹恩　何忠礼

摘 要：本次设计的车辆锁智能控制系统，主要针对市面上传统车锁无法进行远距离的操控、安全性低，以及车钥匙携带不便的问题，提出了使用GSM网络来实现汽车的实时远程控制。该车辆智能控制系统，主要通过两种方式进行开锁，一种是通过手机的APP进行开锁，使用者可以使用手机APP在有2G或2G以上网络的情况下进行远程的开关车锁；一种通过指纹的方式进行开锁，在手机APP端上，选择指纹的录入和删除，录入指纹以后即可使用指纹进行开锁。在监控报警方面，使用震动传感器防止盗窃者用非法手段进行开车锁，本控制系统AndroidAPP界面简洁，使用人员容易上手，方便操作，实现了多种识别方式的智能开锁。

关键词：APP GSM 指纹识别 监控报警

1 引言

随着经济的不断发展，汽车逐渐成为家庭中重要的代步工具，人们在选择车辆的时候，不同的安全设计，会影响着人们购车的选择。车锁作为我们汽车安全中重要的一环，不再仅仅使用机械钥匙的方式来进行开锁，而是通过指纹和GSM的方式，共同实现车锁的控制。

传统的机械锁其构造简单、功能单一，安全性能低，而车辆锁智能控制系统则是克服了机械锁的安全性能差，以其多功能化、实时联网化、智能化、简易化成为了目前的车辆锁未来的方向[1]，指纹识别作为主流的生物识别方式，目前在汽车上的采用率并不够高，仅仅只有几家车厂采用车载指纹识别产品，而这几家使用的方式也是截然不同，现代4代所使用的指纹识别可应用于车锁开门，同时车内进行识别启动车辆的功能，领克05和20年7月所发布的奔驰S，都是用于车内的识别启动车辆的功能，以及凯迪拉克在车辆B柱位置的生物识别系统，这些都代表这未来车辆厂商在指纹识别上做出的不同方向选择[2]。

本文所提出的车辆锁，在传统的机械车锁的基础上，提出了多方位开锁以及高安全性的防盗机制，在能使用指纹进行开启车锁的解锁方式下，同时设计手机APP进行解锁[3]，使得使用者能够摆脱车钥匙，不仅能解决目前不能进行远程开启车门的弊端，也能够解决指纹识别本身在极端环境下的识别率低的问题，提升了小车能够在更多的场景的适用性。

2 门锁总体设计

本设计是通过GSM模块和手机所设计的车锁APP为控制核心，它的工作流程是：手机通过APP应用发出指令，GSM远程控制模块接收指令，然后处理指令的信息，将处理后的信息转化为信号输出到门禁电源控制器上，门禁电源控制器控制门禁电磁锁电路的通断，以达到开锁和关锁，同时为了保证在指令开锁失败的情况下还能够打开车锁，还增加了指纹开锁的方式来保证使用者能够正常的开锁[4]，图2为车锁整体结构。

指纹识别的过程则需要以下几步：（1）指纹识别算法，程序中采用的是1：N的方式来进行识别，将用户采集到的指纹和模块中的指纹库存有的指纹信息进行一一对比，找出匹配的指紋信息，在这个过程中，对于生物识别系统的通用处理过程是有：采集、对比和匹配。当然，指纹识别的过程也是如此，它包含了指纹图像处理、指纹图像预处理、特征提取以及匹配的过程。（2）图片预处理，图片预处理有以下这几个过程：①指纹分割（指纹图像与指纹背景进行分割）；②图像增强（采用了局部求平均值以及中值滤波的方式增强图像）③二值化（设定一个阀值，将图片信息从多值的数字图像中取出我们需要的图像）；④细化处理（将我们图像的线条由多像素宽度减少到单位宽度的像素）。（3）特征提取。将采集到的的图像信息进行特征的提取，主要是对伪特征进行去除，进行毛刺和短脊的过滤。（4）特征匹配，将获取到的指纹特征与指纹库中的指纹特征进行匹配，先进行粗匹配，在进行纹线端点和分叉点更为细致的匹配[5]，图3为指纹处理指纹信息过程中的流程。

3 硬件设计

选用的STM32F103C8T6单片机是一款基于ARM Cortex-M内核STM系列的32位的微控制器，性能稳定，能够支撑智能车锁的工作，同时，选用的AS608模块，具有体积小、功耗低、接口简单、可靠性和识别速度开的特点，指纹录入时间和识别速度均在在1S以内，可录入300个指纹，在人们日常使用指纹进行开锁的过程中不会体会到卡顿，高流畅度的进行解锁，GSM模块采用的是SIM900A，该模块使用手机卡与手机进行短信的通讯，然后通过UART的方式将数据传输到微处理器中进行处理，同时，智能车锁有着电机驱动模块、震动传感器模块、语音模块、EEPROM存储模块，使得智能车锁有着更好的表现[6]。

4 软件设计

4.1 系统工作流程

单片机STM32作为整个车锁的核心控制部分，完成模块的初始化、各模块之间的工作模式、以及数据的传输，完成模块之间的通讯与控制[7]。

本次软件设计采用的是模块化设计的思路，将使用到的GSM模块、指纹模块、震动传感器模块、EEPROM存储模块、语音模块进行软件设计，以达到智能车锁的功能。

门锁的工作流程如下：首先单片机进行上电，各个模块开始初始化，然后开始轮询各模块的标志位是否置起，指纹模块由于是光电传感进行判断，所以当指纹按下时，PS_Sta判断引脚就会拉高，此时就会进入判断指纹是否和指纹库内的指纹一致，如果一致就会进行开锁，而如果不一致，会进行提醒再次输入指纹，如果出现多次指纹不正确，语言模块就会进行报警功能。录入指纹的操作需要从手机APP端控制，由手机APP端确认要录入指纹以后，语言模块会进行播报需要输入指纹，需要进行两次指纹的录入，以保证指纹的正确，录入完成后就会进行播报指纹录入成功，手机APP端也可以进行删除指纹的操作，发送指令后进行删除指定的指纹，手机APP端可以进行远程开关锁以及指纹的录入和删除，在手机APP端进行开锁按钮，车锁就会进行开锁，同时语言播报，为了安全性，在手机APP上，还设定了手机号以及密码，登陆的时候需要输入手机号和密码才能进行APP端控制的操作，震动传感器主要是在外力强制性开锁的时候，语言模块会进行报警，同时也会上传APP进行报警的功能[8]。

4.2 GSM通讯之间的数据协议

在整个系统当中，手机APP和GSM模块之间的数据协议都是采用的自定义的数据协议[9]，同时为了保证数据在传输的过程避免出现了数据丢失的情况，在帧尾的位置加上了求和帧，以保证数据的准确性，通信协议帧如表1所示[10]。自定义的数据帧包括3个字节，第一个字节0XA5，表示该短信是控制短信，第二个字节主要是控制字节，最后一个字节是为求和字节，对之前发送的数据进行求和，取尾2位16进制数据，如：求和为0xA75，则检验字节为0X75[11]。

5 成果展示

5.1 APP界面展示

APP的主要目的是为了使用者能够进行远程控制车锁，提升使用者的体验感，可以实现安全而又便捷的远程控制，主界面是为登陆界面，需要输入电话号码以及密码，以及主控制的界面进行控制，如下图6所示：

APP界面中几个重要按键执行后仪器动作为：①录入指纹：通过手机APP按钮确认需要进行指纹录入模式，然后语言播报录入指纹，每次录入指纹都会进行一次蜂鸣器的提醒。②删除指纹：通过手机APP按钮确认需要删除指纹，然后语言播报删除成功，并进行原先录入指纹库的指纹验证，无法开锁。③修改密码：可以通过APP来进行手机号码的密码修改，在登陆完手机APP以后在可操作的选择当中，可以选择修改密码来进行密码的修改。④开关门：通过APP即可以控制车锁的开关门，不需要像蓝牙开关门一样，需要近距离才能够进行开锁，可以在远程进行开锁，只需要能够接收到短信即可进行开锁以及关锁。

5.2 实物整体

由于本次并未进行结构上的设计，采用的都是模块化进行测试功能，锁的方面也是使用电控锁来进行模拟测试车锁，整体实物图如下图7所示，一个震动传感器，在车锁关闭期间，监控防盗传感器参数，如发生异常开门，则通过主动报警器报警，一个语言模块进行播报相关信息的语音，GSM模块进行收发手机的短信进行开关锁，指纹模块进行指纹的开锁功能。

6 结语

本文设计了一个基于STM32的车辆智能锁控制系统，通过此方案，可以实现安全而又便捷的车锁，保证了车辆的安全性，又可以简化了平时的操作复杂度，远程开锁的解决了部分的使用场景，同时，设备在试验的环境下已经实现了应有的功能，可使用安卓手机控制单片机进行开锁，实现预期的目标。

基金项目：广东大学生创新创业项目训练计划，“基于stm32单片机的车辆锁智能控制系统”（项目编号：S202013902029）；广东省普通高校自然科学项目（项目编号：2021KTSCX169及2020KTSCX201）。2021年广东省本科高校教学质量与教学改革工程建设项目“卓越智能制造人才培养计划”（项目编号：2021ZXRC001）；广东省高等教育学会“十四五”规划2022年度高等教育研究课题“‘四新背景下逸仙新华班‘新工科课程群探索与研究”（项目编号：22GYB63）;广州新华学院教改项目（项目编号：2021YQSX004）。

参考文献：

[1]曾平红.感应报警技术在智能车锁系统中的应用探索[J].花炮科技与市场，2018（04）：38-39.

[2]白骐鸣，移动信息图库.智能车锁 让你的座驾更安全[J].移动信息，2014（09）：116-117.

[3]员天佑，谢阅．基于GSM的远程住宅智能监控系统的设计与实现[J]．微计算机信息，2006，5（1）：95-97．

[4]K. M. Smruthi，K. N. Yashwanth，M. N. Vijayalakshmi. Intelligent Autonomous Vehicle Control Using Smartphone[J]. SN Computer Science，2020，1（5）.

[5]黄其柏，孙晓，邹浩文，张世鹏，徐煜轩. 智能防盗车锁的开发与实现[J]. 计算机产品与流通，2019（02）：128.

[6]何光禹，孙成，蔡海峰，等．基于GPS和GSM网络的新型汽车防盗系统[J]．电子设计工程，2010，18（8）：29-32.

[7]纪鑫乐，刘尧猛，吴红霞，白馥齐. 智能停车与智能车锁的开发与实现[J]. 中国新技术新产品，2018（04）：10-11.

[8]徐嘉潞.基于共享理念的智能車位锁研究[J].公路交通科技（应用技术版），2019，15（01）：318-322.

[9]李海生.基于GSM短消息的远程监测系统[D].燕山大学，2005.

[10]Kamran Khan，Shuang Wang. Vehicle Security System Based on STM 32 Micro-Controller Using GSM and GPS Module[J]. International Core Journal of Engineering，2021，7（4）.

[11]张志杰. 基于单片机STM32的汽车电子防盗报警系统设计[D].广西大学，2014.