本文正在参加星光计划3.0–夏日挑战赛
一、前言
近年来随着国民经济的发展,交通拥堵和环境污染问题越来越突出,而自行车对改善交通与环境起到了重要作用。中国本身是一个自行车使用大国,随着自行车的发展,自行车的科技含量越来越高,然而自行车安防问题突出。目前市场上自行车锁大多是传统机械结构车锁,没有实现智能化,急需解决。本文提出一种基于STM32单片机的智能自行车锁(马蹄锁)的设计方法,来提高自行车锁的智能化及安防等级。
硬件选项说明:单片机采用STM32F103RCT6,GSM模块采用SIM800C,完成网络连接、数据上传,GPS经纬度解析,短信发送,物联网平台采用华为云IOT,作为数据存储端,蓝牙模块采用正点原子低功耗BLE蓝牙,支持蓝牙开锁解锁,车辆的状态使用ADXL345三轴加速度传感器检测,密码键盘采用电容矩阵键盘。





二、设计思路总结
需要设计一款Android手机APP,可以远程开锁解锁,手机APP对接华为云物联网平台,实现远程与自行车锁完成数据交互,命令下发。智能锁与华为云IOT服务器之间的通信协议采用MQTT协议,手机APP与华为云IOT服务器之间采用HTTP协议。智能锁除了支持远程开锁关锁之外,还支持蓝牙解锁和输入密码开始,设计的APP支持蓝牙功能,可以连接智能锁上的蓝牙完成开锁和关锁,如果没有带手机,可以输入密码完成开锁。
车辆的状态检测通过ADXL345三轴加速度计检测,如果车辆处于锁定状态,发现车辆被移动了会触发报警,锁里的蜂鸣器会持续响,并且SIM800C会向指定的手机号码发送短信,提示车辆可能被盗,同时上传GPS经纬度到云端服务器,手机APP上可以获取智能锁上传的GPS经纬度,调用百度地图显示车辆的位置,方便寻车。
三、硬件选型
(1) 加速度计传感器
ADXL345是一款小尺寸、薄型、低功耗、完整的三轴加速度计,提供经过信号调理的电压输出。
说明:CS接高电平则选择IIC通信,反之则SPI通信。SDO(地址引脚)接高电平,根据手册器件的7位I2C地址是0x1D,后面跟上读取/写位(R/W),则写寄存器为0x3A,读寄存器为0x3B;接低电平,则7位I2C地址是0x53,同理,跟上读写标志位后写寄存器为0xA6,读寄存器为0xA7;

(2) STM32开发板

STM32F103RCT6的芯体规格是32位,速度是72MHz,程序存储器容量是256KB,程序存储器类型是FLASH,RAM容量是48K。
(3) BLE低功耗蓝牙模块

(4) SIM800C

模块特点:
1、支持极限DC5V-18V宽电压输入
2、有电源使能开关引脚EN
3、支持锂电池供电接口VBAT3.5-4.5V
4、输入支持移动和联通手机卡Micro SIM卡
5、送51/STM32/ARDUINO驱动例程

1、DC 5V-18V电源输入,推荐使用DC 9V
2、电源开始使能引脚默认使能
3、电源地
4、GSM模块的TXD引脚接其它模块的RXD
5、GSM模块的RXD引脚接其它模块的TXD
6、数据终端准备
7、内核音频输出引脚
8、内核音频输出引脚
9、锂电池输入引脚,DC 3.5 - 4.5V
10、电源地
11、启动引脚和GND短路可实现开机自启动
12、电源地
13、RTC外置电池引脚
14、内核振铃提示引脚
15、内合音频输入引脚
16、内核音频输入引脚
加粗的引脚一般都用到。

建议使用V_IN单独供电DC5-18V输入(推荐使用9V),或者VBAT供电锂电池两种供电方式这两种供电方式最稳定。如果只是简单调试,也可使用USB-TTL或者开发板的5V直接给模块供电。不过一般电脑或者开发板的功率有限,可能会不稳定。请根据具体情况自己取舍选择合适电源。
3. 手机APP软件设计
3.1 通信说明
上位机与设备之间支持通过BLE低功耗串口蓝牙进行通信,支持通过网络连接华为云服务器进行通信,手机APP下发open_lock和close_lock实现关锁开锁。
3.2 搭建开发环境
上位机软件采用Qt框架设计,Qt是一个跨平台的C图形用户界面应用程序框架。Qt是一个1991年由Qt Company开发的跨平台C图形用户界面应用程序开发框架。它既可以开发GUI程序,也可用于开发非GUI程序,比如控制台工具和服务器。简单来说,QT可以很轻松的帮你做带界面的软件,甚至不需要你投入很大精力。
QT官网: https://www.qt.io/

QT5.12.6的下载地址:
https://download.qt.io/archive/qt/5.12/5.12.6/
4. 创建云端设备
4.1 创建产品
登录官网: https://www.huaweicloud.com/product/iothub.html
直接搜索物联网,打开页面。




4.2 自定义模型







4.3 注册设备



设备创建成功:
4.4 MQTT设备密匙
创建完产品、设备之后,接下来就需要知道如何通过MQTT协议登陆华为云服务器。
官方的详细介绍在这里:
https://support.huaweicloud.com/devg-iothub/iot_01_2127.html#ZH-CN_TOPIC_0240834853__zh-cn_topic_0251997880_li365284516112
属性上报格式:
https://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_3010.html


MQTT设备登陆密匙生成地址:

4.5 使用MQTT客户端软件登录
所有的参数已经得到,接下来采用MQTT客户端登录华为云进行测试。
华为云物联网平台的域名是: 161a58a78.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com
华为云物联网平台的IP地址是:121.36.42.100
在软件里参数填充正确之后,就看到设备已经连接成功了。
接下来打开设备页面,可以看到设备已经在线了。


4.6 数据上报测试



4.7 应用侧开发
为了更方便的展示设备数据,与设备完成交互,还需要开发一个配套的上位机,官方提供了应用侧开发的API接口、SDK接口,为了方便通用一点,我这里采用了API接口完成数据交互,上位机软件采用QT开发。
帮助文档地址: ttps://support.huaweicloud.com/api-iothub/iot_06_v5_0034.html
设备属性就是设备上传的传感器状态数据信息,应用侧提供了API接口,可以主动向设备端下发请求指令;设备端收到指令之后需要按照约定的数据格式上报数据;所以,要实现应用层与设备端的数据交互,需要应用层与设备端配合才能完成。


5. STM32开发
5.1 ADXL345.c
#include "app.h"
void Hardware_Init(void)
{
RCC->APB2ENR|=1<<2;
GPIOA->CRL&=0xFFF0FFFF;
GPIOA->CRL|=0x00030000;
RCC->APB2ENR|=1<<3;
GPIOB->CRH&=0xFFF0FFFF;
GPIOB->CRH|=0x00080000;
}
u8 ADXL345_Init(void)
{
IIC_Init();
if(ADXL345_RD_Reg(DEVICE_ID)==0XE5)
{
ADXL345_WR_Reg(DATA_FORMAT,0X2B);
ADXL345_WR_Reg(BW_RATE,0x0A);
ADXL345_WR_Reg(POWER_CTL,0x28);
ADXL345_WR_Reg(INT_ENABLE,0x00);
ADXL345_WR_Reg(OFSX,0x00);
ADXL345_WR_Reg(OFSY,0x00);
ADXL345_WR_Reg(OFSZ,0x00);
return 0;
}
return 1;
}
void ADXL345_WR_Reg(u8 addr,u8 val)
{
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(ADXL_WRITE);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(addr);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(val);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Stop();
}
u8 ADXL345_RD_Reg(u8 addr)
{
u8 temp=0;
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(ADXL_WRITE);
temp=IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(addr);
temp=IIC_Wait_Ack();
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(ADXL_READ);
temp=IIC_Wait_Ack();
temp=IIC_Read_Byte(0);
IIC_Stop();
return temp;
}
void ADXL345_RD_Avval(short *x,short *y,short *z)
{
short tx=0,ty=0,tz=0;
u8 i;
for(i=0;i<10;i++)
{
ADXL345_RD_XYZ(x,y,z);
delay_ms(10);
tx+=(short)*x;
ty+=(short)*y;
tz+=(short)*z;
}
*x=tx/10;
*y=ty/10;
*z=tz/10;
}
void ADXL345_AUTO_Adjust(char *xval,char *yval,char *zval)
{
short tx,ty,tz;
u8 i;
short offx=0,offy=0,offz=0;
ADXL345_WR_Reg(POWER_CTL,0x00);
delay_ms(100);
ADXL345_WR_Reg(DATA_FORMAT,0X2B);
ADXL345_WR_Reg(BW_RATE,0x0A);
ADXL345_WR_Reg(POWER_CTL,0x28);
ADXL345_WR_Reg(INT_ENABLE,0x00);
ADXL345_WR_Reg(OFSX,0x00);
ADXL345_WR_Reg(OFSY,0x00);
ADXL345_WR_Reg(OFSZ,0x00);
delay_ms(12);
for(i=0;i<10;i++)
{
ADXL345_RD_Avval(&tx,&ty,&tz);
offx+=tx;
offy+=ty;
offz+=tz;
}
offx/=10;
offy/=10;
offz/=10;
*xval=-offx/4;
*yval=-offy/4;
*zval=-(offz-256)/4;
ADXL345_WR_Reg(OFSX,*xval);
ADXL345_WR_Reg(OFSY,*yval);
ADXL345_WR_Reg(OFSZ,*zval);
}
void ADXL345_RD_XYZ(short *x,short *y,short *z)
{
u8 buf[6];
u8 i;
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(ADXL_WRITE);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Send_Byte(0x32);
IIC_Wait_Ack();
IIC_Start();
IIC_Send_Byte(ADXL_READ);
IIC_Wait_Ack();
for(i=0;i<6;i++)
{
if(i==5)buf[i]=IIC_Read_Byte(0);
else buf[i]=IIC_Read_Byte(1);
}
IIC_Stop();
*x=(short)(((u16)buf[1]<<8)+buf[0]);
*y=(short)(((u16)buf[3]<<8)+buf[2]);
*z=(short)(((u16)buf[5]<<8)+buf[4]);
}
void ADXL345_Read_Average(short *x,short *y,short *z,u8 times)
{
u8 i;
short tx,ty,tz;
*x=0;
*y=0;
*z=0;
if(times)
{
for(i=0;i<times;i++)
{
ADXL345_RD_XYZ(&tx,&ty,&tz);
*x+=tx;
*y+=ty;
*z+=tz;
delay_ms(5);
}
*x/=times;
*y/=times;
*z/=times;
}
}
short ADXL345_Get_Angle(float x,float y,float z,u8 dir)
{
float temp;
float res=0;
switch(dir)
{
case 0:
temp=sqrt((x*x+y*y))/z;
res=atan(temp);
break;
case 1:
temp=x/sqrt((y*y+z*z));
res=atan(temp);
break;
case 2:
temp=y/sqrt((x*x+z*z));
res=atan(temp);
break;
}
return res*1800/3.14;
}
void IIC_Init(void)
{
RCC->APB2ENR|=1<<3;
GPIOB->CRL&=0X00FFFFFF;
GPIOB->CRL|=0X33000000;
GPIOB->ODR|=3<<6;
}
void IIC_Start(void)
{
SDA_OUT();
IIC_SDA=1;
IIC_SCL=1;
delay_us(4);
IIC_SDA=0;
delay_us(4);
IIC_SCL=0;
}
void IIC_Stop(void)
{
SDA_OUT();
IIC_SCL=0;
IIC_SDA=0;
delay_us(4);
IIC_SCL=1;
IIC_SDA=1;
delay_us(4);
}
u8 IIC_Wait_Ack(void)
{
u8 ucErrTime=0;
SDA_IN();
IIC_SDA=1;delay_us(1);
IIC_SCL=1;delay_us(1);
while(READ_SDA)
{
ucErrTime++;
if(ucErrTime>250)
{
IIC_Stop();
return 1;
}
}
IIC_SCL=0;
return 0;
}
void IIC_Ack(void)
{
IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
}
void IIC_NAck(void)
{
IIC_SCL=0;
SDA_OUT();
IIC_SDA=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
}
void IIC_Send_Byte(u8 txd)
{
u8 t;
SDA_OUT();
IIC_SCL=0;
for(t=0;t<8;t++)
{
IIC_SDA=(txd&0x80)>>7;
txd<<=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
delay_us(2);
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
}
}
u8 IIC_Read_Byte(unsigned char ack)
{
unsigned char i,receive=0;
SDA_IN();
for(i=0;i<8;i++ )
{
IIC_SCL=0;
delay_us(2);
IIC_SCL=1;
receive<<=1;
if(READ_SDA)receive++;
delay_us(1);
}
if (!ack)
IIC_NAck();
else
IIC_Ack();
return receive;
}
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5.2 sim800.c
5.3 MQTT信息
#define MQTT_ClientID "62381267575fb713ee164ad2_xl_1_0_0_2022032106"
#define MQTT_UserName "62381267575fb713ee164ad2_xl_1"
#define MQTT_PassWord "124344feff3e3d96ff6af13cf36af36766619ff1eeee40e99cbae9b7b9739fe4"
#define SET_TOPIC "$oc/devices/62381267575fb713ee164ad2_xl_1/sys/messages/down"
#define POST_TOPIC "$oc/devices/62381267575fb713ee164ad2_xl_1/sys/properties/report"
#define CONNECT_WIFI "abc"
#define CONNECT_PASS "1234567890"
#define CONNECT_SERVER_IP "a161a58a78.iot-mqtts.cn-north-4.myhuaweicloud.com"
#define CONNECT_SERVER_PORT 1883
u8 *mqtt_rxbuf;
u8 *mqtt_txbuf;
u16 mqtt_rxlen;
u16 mqtt_txlen;
u8 _mqtt_txbuf[256];
u8 _mqtt_rxbuf[256];
typedef enum
{
M_RESERVED1 =0 ,
M_CONNECT ,
M_CONNACK ,
M_PUBLISH ,
M_PUBACK ,
M_PUBREC ,
M_PUBREL ,
M_PUBCOMP ,
M_SUBSCRIBE ,
M_SUBACK ,
M_UNSUBSCRIBE ,
M_UNSUBACK ,
M_PINGREQ ,
M_PINGRESP ,
M_DISCONNECT ,
M_RESERVED2 ,
}_typdef_mqtt_message;
const u8 parket_connetAck[] = {0x20,0x02,0x00,0x00};
const u8 parket_disconnet[] = {0xe0,0x00};
const u8 parket_heart[] = {0xc0,0x00};
const u8 parket_heart_reply[] = {0xc0,0x00};
const u8 parket_subAck[] = {0x90,0x03};
void MQTT_Init(void)
{
mqtt_rxbuf = _mqtt_rxbuf;
mqtt_rxlen = sizeof(_mqtt_rxbuf);
mqtt_txbuf = _mqtt_txbuf;
mqtt_txlen = sizeof(_mqtt_txbuf);
memset(mqtt_rxbuf,0,mqtt_rxlen);
memset(mqtt_txbuf,0,mqtt_txlen);
MQTT_Disconnect();
delay_ms(100);
MQTT_Disconnect();
delay_ms(100);
}
u8 MQTT_Connect(char *ClientID,char *Username,char *Password)
{
u8 i,j;
int ClientIDLen = strlen(ClientID);
int UsernameLen = strlen(Username);
int PasswordLen = strlen(Password);
int DataLen;
mqtt_txlen=0;
DataLen = 10 + (ClientIDLen+2) + (UsernameLen+2) + (PasswordLen+2);
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x10;
do
{
u8 encodedByte = DataLen % 128;
DataLen = DataLen / 128;
if ( DataLen > 0 )
encodedByte = encodedByte | 128;
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = encodedByte;
}while ( DataLen > 0 );
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0;
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 4;
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'M';
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'Q';
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'T';
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 'T';
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 4;
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0xc2;
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0;
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 100;
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(ClientIDLen);
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(ClientIDLen);
memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],ClientID,ClientIDLen);
mqtt_txlen += ClientIDLen;
if(UsernameLen > 0)
{
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(UsernameLen);
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(UsernameLen);
memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],Username,UsernameLen);
mqtt_txlen += UsernameLen;
}
if(PasswordLen > 0)
{
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(PasswordLen);
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(PasswordLen);
memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],Password,PasswordLen);
mqtt_txlen += PasswordLen;
}
memset(mqtt_rxbuf,0,mqtt_rxlen);
MQTT_SendBuf(mqtt_txbuf,mqtt_txlen);
for(j=0;j<10;j++)
{
delay_ms(50);
if(USART2_RX_FLAG)
{
memcpy((char *)mqtt_rxbuf,USART2_RX_BUFFER,USART2_RX_CNT);
for(i=0;i<USART2_RX_CNT;i++)printf("%#x ",USART2_RX_BUFFER[i]);
USART2_RX_FLAG=0;
USART2_RX_CNT=0;
}
if(mqtt_rxbuf[0]==parket_connetAck[0] && mqtt_rxbuf[1]==parket_connetAck[1])
{
return 0;
}
}
return 1;
}
u8 MQTT_SubscribeTopic(char *topic,u8 qos,u8 whether)
{
u8 i,j;
mqtt_txlen=0;
int topiclen = strlen(topic);
int DataLen = 2 + (topiclen+2) + (whether?1:0);
if(whether)mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x82;
else mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0xA2;
do
{
u8 encodedByte = DataLen % 128;
DataLen = DataLen / 128;
if ( DataLen > 0 )
encodedByte = encodedByte | 128;
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = encodedByte;
}while ( DataLen > 0 );
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0;
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x0A;
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(topiclen);
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(topiclen);
memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],topic,topiclen);
mqtt_txlen += topiclen;
if(whether)
{
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = qos;
}
for(i=0;i<10;i++)
{
memset(mqtt_rxbuf,0,mqtt_rxlen);
MQTT_SendBuf(mqtt_txbuf,mqtt_txlen);
for(j=0;j<10;j++)
{
delay_ms(50);
if(USART2_RX_FLAG)
{
memcpy((char *)mqtt_rxbuf,(char*)USART2_RX_BUFFER,USART2_RX_CNT);
USART2_RX_FLAG=0;
USART2_RX_CNT=0;
}
if(mqtt_rxbuf[0]==parket_subAck[0] && mqtt_rxbuf[1]==parket_subAck[1])
{
return 0;
}
}
}
return 1;
}
u8 MQTT_PublishData(char *topic, char *message, u8 qos)
{
int topicLength = strlen(topic);
int messageLength = strlen(message);
static u16 id=0;
int DataLen;
mqtt_txlen=0;
if(qos) DataLen = (2+topicLength) + 2 + messageLength;
else DataLen = (2+topicLength) + messageLength;
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = 0x30;
do
{
u8 encodedByte = DataLen % 128;
DataLen = DataLen / 128;
if ( DataLen > 0 )
encodedByte = encodedByte | 128;
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = encodedByte;
}while ( DataLen > 0 );
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(topicLength);
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(topicLength);
memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],topic,topicLength);
mqtt_txlen += topicLength;
if(qos)
{
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE1(id);
mqtt_txbuf[mqtt_txlen++] = BYTE0(id);
id++;
}
memcpy(&mqtt_txbuf[mqtt_txlen],message,messageLength);
mqtt_txlen += messageLength;
MQTT_SendBuf(mqtt_txbuf,mqtt_txlen);
return mqtt_txlen;
}
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如果需要整个工程源码的话,评论区留下邮箱即可。
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