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具备共享式之外挂型蓝牙电子锁
第十四届盛群杯HOLTEK MCU创意大赛

【作者: 許永和等人】2020年04月09日 星期四

浏览人次:【2367】
  

在此具备共享式之外挂型蓝牙电子锁专题中,以盛群的HT66F2390微处理机晶片组搭配蓝牙模组制作蓝牙电子锁装置,并将此装置放在电动机车内部。除了可使用手机APP透过蓝牙启动可启动电门和後车箱外,亦可在车主配对绑定过後,经由按钮的方式去启动电门和车厢。


此外,本装置并不会更改到原厂的内部构造,因此,不会造成内部零件损坏。而本专题除可以实现一般传统电动机车具备蓝牙电子锁的功能外,并可提高防盗保全的功能。


作品介绍

由於气候变迁,各国开始热烈关注「绿色议题」,企业为了配合欧洲在2040年全面禁售燃油车政策而研发出「高效能」、「低污染」的电动机车。随着科技日新月异,电动机车也逐渐符合人们喜好与功能的需求,越来越贴近我们的生活。台湾也不落後他人,国产企业纷纷开始积极研发、制造功能更加人性化、电池容量更大的电动机车。


根据经济部工业局统计,历年消费者购车数量已突破20万,其中睿能创意公司生产的Gogoro电动机车系列占其中的70%以上[1]。但是一般的电动机车在智慧分享的功能,如开锁与解锁等智慧型操作上,却无类似的功能。因此,为了满足目前人手一机的便利应用,於是设计出可以透过蓝牙无线来解锁,并具有共享功能的电子锁。


如图1所示,为本专题的系统架构示意图。由於非主流的电动机车仍以钥匙作为唯一开关锁的方式,如果钥匙遗失或是丢在车厢里忘记拿出来,都会造成使用者的困扰。因此,针对这样的需求与应用目的设计此专题,并开发可使用手机APP启动电动机车的电门及车厢,或是在蓝牙已连线的状态下,透过按钮的方式去启动电门和车厢。换言之,使用者可针对目前骑乘的电动机车不必再为了钥匙遗失或是丢在车厢里而困扰。


此外,APP的登入可分成车主及访客两种身分,访客必须输入车主所设定的验证码才可进行登入。


其中,使用盛群MCU的UART去沟通蓝牙模组(DX-BT20),并使用I2C去操作EEPROM用来记录使用者的资料,藉由手机的蓝牙与蓝牙模组连线,去进行对电动机车的控制与设定使用者的资料。



图1 : 系统架构图
图1 : 系统架构图

工作原理

在本款蓝牙电子锁中,使用了UART、I2C、蓝牙4.0模组、九轴感测器与Android Studio等技术。以下,分别列出其为相关原理。


UART串列介面

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)是一种通用非同步收发传输器,通常称作UART[2]。是电脑硬体的一部分,将资料由串列通信与并列通信间作传输转换。UART通常用在与其他通讯协定(如EIA RS-232)的连结上。在串列传输通讯协定的格式内容,每一个符号由四种资料共11个位元所组成,共分为:


.起始位元(Start Bit)


.资料内容(Data)


.奇偶同位元检查码(Priority Bit)


.停止位元(Stop Bit)


如图2所示,资料透过FIFO(First Input First Output)的方式,由最低有效位元LSB(Least Significant Bit)开始传输直至最高有效位元MSB(Most Significant Bit)(奇偶同位元(PB)可以选择忽略不使用)。


一般以鲍率来定义其每秒传送多少位元,单位是bps,常见的有9600bps或115200bps传输速度。若加上传传送的位元格式的话,则多以8(资料位元),N(无同位元检查)与1(停止位元)等格式来说明。当传送与接收的双端都具有一样的格式,即可正确地透过串列来实现远端传输资料的目的。



图2 : UART资料传输格式示意图
图2 : UART资料传输格式示意图

I2C串列介面

I2C(Inter-Integrated Circuit)只使用两条双向开漏极(Open Drain)(串列资料(SDA)及串列时脉(SCL))并利用电阻将电位提升[3]。I2C允许相当大的工作电压范围,但典型的电压准位为+3.3V或+5V。


I2C 串列传输包括四个部分:起始(START)讯号、装置位址传送、资料传送和停止(STOP)讯号。相关特性如下所列:


.只能主装置传送到从装置,无法从装置传送到从装置,每个从装置都要有一个特定且唯一的位址。


.起始(START)状态: 当SCL为高准位且 SDA为负缘。


.停止(STOP)状态: 当SCL为高准位且 SDA为正缘。


由主装置发送起始讯号来开始通讯,所有的从装置位置接收到起始讯号後会进入接收数据模式。紧接着,主装置需要发送通讯目标设备的位址及R/W资讯。目前规范是提供两种位址模式:7-bit and 10-bit。常见的I2C汇流排依传输速率的不同而有不同的模式:标准模式(100 kbit/s)与低速模式(10 kbit/s),但时脉频率可允许下降至零速率,代表可以暂停通讯。


此外,由主装置传送起始讯号来开起通讯,所有的从装置接收到起始讯号後会进入接收数据模式。紧接着,主装置需要发送通讯目标设备的位址及R/W资讯。


蓝牙4.0

蓝牙4.0是Bluetooth SIG於2010年7月7日推出的新的规范[4]。其中,最重要的特性是支援省电;蓝牙4.0是蓝牙从诞生至今唯一的一个综合协定规范,还提出了「低功耗蓝牙」、「传统蓝牙」和「高速蓝牙」三种模式。此外,蓝牙 4.0还把蓝牙的传输距离提升到100米以上(低功耗模式条件下)。


根据Bluetooth SIG发布的蓝牙 4.0核心规范白皮书,Bluetooth 4.0低耗电模式有单工模式和双工模式两种应用。单工模式只能与蓝牙4.0互相传输无法向下相容(无法与3.0/2.1/2.0相通)。


此外,在双工模式中,则可以向下相容,除了与蓝牙4.0传输也可以跟3.0/2.1/2.0传输。除了具有超低的峰值、平均和待机模式功耗,覆盖范围增强。其中,最大范围可超过100公尺之外,在速度方面支援1Mbps资料传输率下的超短封包,一个封包内最少有8-bit,最多27-bit,且所有连接都使用蓝牙2.1加入的减速呼吸模式(sniff subrating)。


这个模式是为了让两个互相连接的装置,为了确认是否还在连线状态,将确认讯号的发送间隔从原本的0.1秒延迟到0.5秒,进而降低工作??圈。而降低工作??圈也能减少能源消耗,且所有封包都使用24-bit CRC校验,确保最大程度的减少杂讯的干扰。


而低功耗蓝牙的单模式技术特点为透过低功率无线电波传输数据,其为一种支援短距离通信(一般是10公尺之内)的无线电技术。而其标准是IEEE 802.15,工作在2.402~2.480GHz频率带之间,以及基础频宽为1Mb/s。


九轴感测器(MPU9250)

九轴感测器共包括三轴加速度计、三轴陀螺仪与三轴磁力计,以下,介绍我们所使用到的部分。


加速度计


加速度计(accelerometer),是根据牛顿第二定律,物体加速度(m/s2)与受到的合力(N)成正比,与其质量(kg)成反比,而加速度方向与合力相同[5]。值得注意的是,加速度计的作用力检测机制撷取了作用力产生的加速度。因此,加速度计实际测量的是力,而不是加速度。也即是加速度计是藉由检测施加在其中一个轴向的作用力来间接测量加速度。


加速度计可能是最简单的MEMS装置,有时只由一个悬臂和一个重??组成,利用挠曲和电路来测量加速度。MEMS加速度计可以测量几千个G的振幅,单轴、二轴或是三轴都可以。


陀螺仪


陀螺仪(gyroscope),是一种基於角动量守恒的理论,用来感测与维持方向的装置[6]。陀螺仪主要是由一个位於轴心且可旋转的转子构成。由於转子的角动量,陀螺仪一旦开始旋转,即有抗拒方向改变的趋向。陀螺仪用在飞机飞行仪表的心脏地位,是由於其两个基本特性:一为定轴性,另一是逆动性,这两种特性都是建立在角动量守恒的原则下。而陀螺仪多用於导航与定位等应用设计的产品中。


Android Studio

Android Studio是一个为Android平台开发程式的整合式开发环境,可以在Windows、OS X与Linux平台上执行,可让开发者免费下载使用。本专题利用免付费的资源来设计与开发能与本系统配合的APP,藉由手机的蓝牙介面下达指令来操作电子锁。因此,本专题藉由手机来操作电动机车,并配合资料库与GPS的计算,来实现共享电动机车的功能。


系统设计

硬体设计

如图3所示,为整体系统硬体设计架构图。其中,灰色区域为HT66F2390微处理机的本身硬体资源。在此,使用I2C介面与24LC256 EEPROM连接,进而存取相关电动机车的相关资讯。另外,也使用UART与蓝牙模组(DX-BT20)连接,透过9600bps,8,N,1的通讯格式,以及AT命令来下达相关的蓝牙命令即可达到无线蓝牙通讯与传输的目的。


图3 : 整体系统硬体设计架构图。
图3 : 整体系统硬体设计架构图。

而手机蓝牙与装置上的蓝牙4.0模组连线後,可透过手机让蓝牙模组与HT66F2390微处理机晶片组做沟通,由手机选择的功能进行EEPROM的读写、控制电子锁开电门,或是控制电子锁开车箱。


软体设计

如图4所示,为APP操作流程图。在使用者成功与装置蓝芽连线并登入後,如果是车主便可以直接选择启动机车、开车厢、寻车等等功能,非车主则必须输入车主所设定的验证码後才能启动机车和开车厢功能。



图4 : 本系统之APP操作流程图
图4 : 本系统之APP操作流程图

系统测试

为了验整与测试本系统,本系统的APP操作介面操作方法如下所列:


使用者先开启手机APP(图5)


图5 : 手机APP介面图
图5 : 手机APP介面图

手机APP选择蓝牙连线(图6)


图6 : 蓝牙连线介面图
图6 : 蓝牙连线介面图

连线成功,非车主须输入验证码(图7)


图7 : 验证码输入图
图7 : 验证码输入图

登入後功能介面图(图8与图9)


图8 : 选择功能介面图
图8 : 选择功能介面图
图9 : 侧拉式选单选择功能图
图9 : 侧拉式选单选择功能图

点选开启电门、关闭电门(机车仪表板显示通电、断电) (图10与图11)



图10 : 开启电门图
图10 : 开启电门图

图11 : 关闭电门图
图11 : 关闭电门图

更改访客验证码(只有车主可使用) (图12)


图12 : 更改访客验证码功能图
图12 : 更改访客验证码功能图

更换车锁蓝牙名称 (只有车主可使用) (图13)


图13 : 更换车锁蓝牙名称功能图
图13 : 更换车锁蓝牙名称功能图

打开车厢(图14)


图14 : 开车厢功能图
图14 : 开车厢功能图

会员功能侧拉式选单(图15)


图15 : 会员功能侧拉式选单图
图15 : 会员功能侧拉式选单图

会员登入介面(图16)


图16 : 会员登入介面图
图16 : 会员登入介面图

帐号建立介面(图17)


图17 : 帐号建立介面图
图17 : 帐号建立介面图

遗失密码介面(图18)


图18 : 遗失密码介面图
图18 : 遗失密码介面图

透过上述的操作,可以得知本专题-具备共享式之外挂型蓝牙电子锁可以成功的整合在一般传统的电动机车的加锁与开锁的应用中。


结论与讨论

在一个节能减碳的趋势里,电动机车将会慢慢地取代油车。近年来Gogoro带起电动机车的趋势,使得越来越多人越能接受电动机车的骑乘。但由於电动机车价格昂贵,因此需要有一个好的防盗保护机制。此系统透过外挂的方式,让一般的电动机车具备蓝牙加锁与解锁的功能。换言之,本系统之车锁对於安装这部分是很有弹性空间的。未来也会在不同厂牌的电动机车上,作进一步的验证与测试。後续若有机会与车厂做前装式的整合,让本系统变成电动机车的标配装置。


本作品具有以下的功能:


.可利用手机蓝牙开关电动机车的车锁和车厢。


.利用GPS定位,可查询出电动机车最後的位置。


.可自定义借车人的借车密码与电动机车锁的蓝牙名称。


.可透过蓝牙搜寻与车锁的距离,进入指定范围後无需钥匙即可以启动电动机车。


简言之,本系统可以透过手机的无线蓝牙介面对电子锁下达命令去开启电门启动机车。此外,还具有蓝牙电子锁租借功能。当非车主的手机欲连线开启电动机车时,会要求输入原先车主设定的密码才能启动机车,并提供更多共享式之外挂型蓝牙电子锁的多元应用。


(本文作者许永和1、高士弘2、张景皓2、郭伦廷2为国立虎尾科技大学资讯工程系1教授、 2学生)


叁考文献


[1] 电动机车产业网,https://www.lev.org.tw/default.asp


[2] UART(维基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/UART)


[3] I2C (维基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/I%C2%B2C)


[4] 蓝牙(维基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E8%97%8D%E7%89%99)


[5] 加速度感测器(维基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E5%8A%A0%E9%80%9F%E8%A6%8F)


[6] 陀螺仪(维基百科,https://zh.wikipedia.org/wiki/%E9%99%80%E8%9E%BA%E5%84%80)


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