常 浩， 張 鍵， 王 彬

(中科芯集成電路有限公司， 江蘇 無錫 214072)

1 引言

近年來電動車因其小巧方便、 節(jié)能環(huán)保等特點(diǎn)，深受消費(fèi)者的喜愛，成為了很多人的代步工具[1]。 截至2017 年， 中國兩輪電動自行車社會保有量已達(dá)到2.5億輛。 電動車惠及大眾的同時(shí)，易盜性也一直困擾著廣大車主，電動車自身防盜技術(shù)弱，銷贓快，追贓難，也給警務(wù)工作帶來了壓力[2]。 本文設(shè)計(jì)了一種車管家系統(tǒng)， 利用先進(jìn)的物聯(lián)網(wǎng)通信技術(shù)和衛(wèi)星定位技術(shù)，低成本地解決了電動車的定位、防盜、追蹤問題，對民眾的出行安全、公安的追贓等都起到了很大作用。

2 系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

電動車管家系統(tǒng)的硬件主要由MCU 主控模塊、溫度采集模塊、電壓采樣模塊、控制器通信模塊、窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）通信模塊、GPS 模塊組成，其功能框架如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)功能框架圖

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 直流電源電路

直流電源部分采用SL3036 芯片將電動車電池電壓24～96 V 轉(zhuǎn)化為5 V 電壓，5 V 電壓再通過LDO 轉(zhuǎn)化為3.3 V 電壓，給控制MCU 部分進(jìn)行供電，直流電源電路如圖2 所示。

3.2 MCU 主控

MCU 選用中科芯集成電路有限公司CKS32F103C8T6 標(biāo)準(zhǔn)型MCU 系列， 使用高性能的ARM?CortexTM-M3 32 位的RISC 內(nèi)核， 工作頻率為72 MHz，具有128 kB 的閃存和20 kB 的SRAM。 其中包含2 個(gè)12 位ADC、 3 個(gè)通用16 位定時(shí)器和1 個(gè)PWM 定時(shí)器、2 個(gè)I2C 接口 和SPI 接口、3 個(gè)USART接口。

圖2 電源部分原理圖

3.3 GPS 定位電路

GPS 定位電路采用的是瑞士u-blox 公司研發(fā)的NEO-M8 芯片， 可用于同時(shí)接收GPS、GLONASS、北斗信號[3]。 該接收模塊具有功耗低、重量輕、定位速度快、導(dǎo)航精度高等特點(diǎn)。 NEO-M8 系列提供了高靈敏度和低電壓供應(yīng)下的最小反應(yīng)時(shí)間，同時(shí)為價(jià)格敏感的應(yīng)用做了優(yōu)化[4]。

GPS 定位電路如圖3 所示。

3.4 NB-IoT 通信電路

NB-IoT 通信電路采用中怡數(shù)寬TPB21-5 和外置天線構(gòu)成。 TPB21 系列模組應(yīng)用于NB-IoT， 基于3GPP Rel.13 協(xié)議，與各運(yùn)營商基站進(jìn)行溝通互聯(lián)。 模塊工作電壓為3.1～4.2 V，功耗低，信號強(qiáng)度高。NB-IoT技術(shù)支持大量低功耗設(shè)備通過蜂窩數(shù)據(jù)建立廣域連接，更加適合智能家居、共享單車、物流追蹤等場景[5]。NB-IoT 通信模塊原理圖如圖4 所示。

圖4 NB-IoT 通信模塊原理圖

NB-IoT 無線通信模塊通過串口與MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，串口選擇UART2。NB-IoT 無線通信模塊從基站或管理平臺接收信號，將接收到的數(shù)據(jù)或指令傳輸給終端，并將終端回饋的數(shù)據(jù)或指令回傳給基站或管理平臺[6]。

3.5 車輛震動監(jiān)測

震動電路選用滾珠類震動傳感器，傳感器內(nèi)部為金屬球的金屬導(dǎo)體，常閉的震動傳感器在靜止水平狀態(tài)時(shí)外部引腳呈現(xiàn)閉合狀態(tài)，當(dāng)發(fā)生震動時(shí)，內(nèi)部的金屬球會相互發(fā)生碰撞，從而使外部引出電極發(fā)生斷開的狀態(tài)變化。 通過MCU 檢測外部高低電平來監(jiān)測車輛是否發(fā)生震動。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 車管家軟件流程

車管家軟件流程如圖5 所示。系統(tǒng)軟件初始化后，車管家定時(shí)與電動車控制器進(jìn)行交互，獲取電動車電機(jī)狀況，車管家對電動車電壓、溫度、震動、故障、報(bào)警等狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測并定時(shí)通過NB-IoT 通信模塊上傳至云服務(wù)器，若出現(xiàn)故障、報(bào)警、震動等狀況時(shí)立即將相關(guān)數(shù)據(jù)上傳云服務(wù)器。 此外車管家還配有測試模式，測試模式打印數(shù)據(jù)僅供工廠測試生產(chǎn)用，查看板卡數(shù)據(jù)輸出，方便車管家生產(chǎn)測試管控。

圖5 車管家軟件流程圖

4.2 通信數(shù)據(jù)幀格式

車管家終端無線通信協(xié)議支持NB-IoT 接入方式， 終端采集的數(shù)據(jù)需要通過NB-IoT 通信模塊上傳至云服務(wù)器端，通信數(shù)據(jù)幀格式主要分為兩種命令格式，一種為云服務(wù)器和終端的通用應(yīng)答指令，另一種為終端接收云服務(wù)器發(fā)起的控制指令以及終端主動監(jiān)測并上報(bào)狀態(tài)的指令[7]。

通用應(yīng)答指令包含NB-IoT 平臺應(yīng)答指令和終端車管家應(yīng)答指令，數(shù)據(jù)幀格式如表1 所示。

表1 通用應(yīng)答數(shù)據(jù)幀格式

上報(bào)及控制指令包含NB-IoT 平臺下發(fā)的控制指令、NB-IoT 平臺下發(fā)的配置參數(shù)指令和終端上報(bào)的數(shù)據(jù)指令，數(shù)據(jù)格式如表2 所示。

表2 控制及上報(bào)指令數(shù)據(jù)幀格式

數(shù)據(jù)幀格式中主要數(shù)據(jù)的意義如下所示。

（1） 消息指令碼表示消息指令的功能， 通過消息指令碼參數(shù)決定實(shí)現(xiàn)的功能。 每個(gè)功能對應(yīng)唯一的消息指令碼，部分消息指令碼如表3 所示。

表3 部分消息指令碼表

（2） 消息流水號表示數(shù)據(jù)幀的序號， 每個(gè)數(shù)據(jù)幀的消息流水號依次加1。

（3） 結(jié)果表示應(yīng)答結(jié)果，0x01 表示成功，0x05 表示不支持該命令，其他表示失敗。

（4） 數(shù)據(jù)長度表示數(shù)據(jù)幀的長度。

（5） 數(shù)據(jù)包表示數(shù)據(jù)的內(nèi)容， 不同的消息指令碼對應(yīng)不同的功能數(shù)據(jù)包。 例如當(dāng)消息碼為平臺控制指令時(shí)，數(shù)據(jù)包0x01 表示鎖車，0x02 表示解鎖車輛。

4.3 車管家與控制器通信模塊

電動車控制器和車管家MCU 采用串口UART3通信，波特率為9600。 電動車運(yùn)行時(shí)，車管家定時(shí)通過與控制器串口通訊獲取電動車的轉(zhuǎn)速、故障狀態(tài)(控制器故障、電機(jī)霍爾故障、剎車故障)、電動車運(yùn)行狀態(tài)(電流、速度)等數(shù)據(jù)。當(dāng)MCU 收到服務(wù)器的遠(yuǎn)程鎖車/解鎖命令時(shí)，MCU 按照通訊協(xié)議幀格式打包鎖車/ 解鎖命令給控制器執(zhí)行相應(yīng)操作。 MCU 定時(shí)與控制器進(jìn)行串口交互，采用定時(shí)器6 產(chǎn)生10 ms 的定時(shí)中斷，控制器通訊流程如圖6 所示。

圖6 車管家與控制器通信流程

4.4 NB-IoT 無線通信模塊

NB-IoT 無線通信模塊通過串口2 與MCU 進(jìn)行數(shù)據(jù)交互，波特率為9600。 當(dāng)車管家需要上傳服務(wù)器數(shù)據(jù)時(shí)，NB-IoT 無線通訊模塊將車管家采集的控制器數(shù)據(jù)打包成車管家通訊數(shù)據(jù)幀格式上傳至服務(wù)器，無線模塊接收服務(wù)器的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采用的是UART2 串口中斷接收。

軟件流程如圖7 所示。

圖7 NB-IoT 無線通信模塊

串口中斷函數(shù)用于接收服務(wù)器下發(fā)的命令，當(dāng)車管家接收到APP 服務(wù)器下發(fā)的鎖車/ 解鎖等命令后，對收到的命令數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，校驗(yàn)成功后打包發(fā)送給控制器執(zhí)行命令，并回復(fù)服務(wù)器響應(yīng)成功的報(bào)文。

5 系統(tǒng)測試

運(yùn)用上述開發(fā)方法完成電動車管家設(shè)計(jì)，對該車管家系統(tǒng)進(jìn)行測試，將車管家安裝在電動車上，車管家從電動車電池取電， 車管家定時(shí)上報(bào)電動車位置、車輛狀態(tài)、故障報(bào)警等信息。 測試需配合配套APP 進(jìn)行，測試APP 界面如圖8 所示。 APP 主界面實(shí)時(shí)顯示車管家上傳的電動車電量、位置，通過點(diǎn)擊鎖車和解鎖按鍵，可以實(shí)現(xiàn)對綁定的電動車進(jìn)行遠(yuǎn)程的關(guān)鎖和開鎖功能。

圖8 測試APP 界面

6 結(jié)束語

基于CKS32F103 和NB-IoT 通信模塊的電動車管家是一款專門為電動車智能管理而設(shè)計(jì)開發(fā)的無線物聯(lián)網(wǎng)終端，尺寸小，安裝方便，內(nèi)置高性能GPS 和北斗定位模塊，寬電壓的設(shè)計(jì)基本適用于市面上大部分電動車。 采用低功耗的窄帶物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，適合更多的應(yīng)用場景。 終端采集的信息實(shí)時(shí)傳輸?shù)皆贫耍贫送ㄟ^APP 把相關(guān)信息推送給用戶，推動了電動車現(xiàn)代化、智能化的管理。