一种无源智能电子车锁

技术领域

本发明涉及自行车车锁技术领域，尤其是涉及一种无源智能电子车锁。

背景技术

目前关于智能电子车锁供电方面的研究，有研究是利用太阳能发电装置为电子车锁供电，有研究是利用电磁感应原理，通过自行车颠簸产生的电能为装置供电，有的研究则是利用骑行过程中轮毂带动发电装置发电；

关于车锁开关控制方面的研究，目前的研究大多采用手机软件扫描二维码的方式进行开关的控制。

对于智能电子车锁供电方面的研究，利用太阳能发电装置供电的车锁，在阴雨天气的时候，不能为装置供电；通过颠簸产生电能的应用场景有限，因为目前城市中道路比较平坦，而且大多数人更愿意走平坦的道路；若是直接利用轮毂带动发电机发电，骑行过程中会更加的吃力，骑行过程中的阻力更大；对于车锁开关方面的研究，若车身上二维码发生损坏或者别恶意更改，则有可能导致开锁失败或者导致用户发生其他损失情况。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种无源智能电子车锁，能够提升车锁的自充电储备，且不会对用户骑行产生影响，并能可靠地进行车锁开关控制。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：一种无源智能电子车锁，包括车锁本体，所述车锁本体上安装有主控芯片、通信模块、NFC模块和关锁按键，所述通信模块、NFC模块、关锁按键分别与主控芯片连接，所述通信模块与后台控制中心连接，所述主控芯片通过电机驱动模块连接有减速电机，所述减速电机的输出端连接至车锁本体的锁销，所述锁销上安装有绝对编码器，所述绝对编码器的输出端连接至主控芯片，所述主控芯片还分别与角度传感器、发电机连接，所述发电机连接至蓄电池，所述蓄电池与太阳能电池板连接，所述主控芯片根据绝对编码器检测的锁销位置信息、角度传感器检测的车身角度信息、NFC模块检测的用户IC卡信息以及关锁按键的状态信息，以判断车锁是否上锁、判断车辆的行驶状态、判断车辆是否存在异常情况以及对用户IC卡信息进行匹配验证，从而输出对应信号给通信模块、控制减速电机和发电机的工作状态。

进一步地，所述主控芯片与发电机的电磁开关连接，当主控芯片判断车锁未上锁且车辆的行驶状态为下坡滑行时，则输出指令给发电机的电磁开关，使发电机开始输出电能。

进一步地，所述主控芯片还连接有报警装置，当主控芯片判断车辆存在异常情况或用户IC卡信息验证不通过时，则输出指令给报警装置，使报警装置发出报警信号。

进一步地，所述车辆异常情况包括车辆摔倒和车辆异常移动。

进一步地，所述发电机和太阳能电池板均通过稳压器连接至蓄电池。

进一步地，所述绝对编码器安装在锁销末端。

进一步地，所述主控芯片具体为STM32F103C8T6单片机，所述角度传感器具体为GY—25倾斜角度传感器，所述通信模块具体为GSM通信模块。

一种无源智能电子车锁的工作方法，包括以下步骤：

S1、太阳能电池板持续将接收的光能转换为电能，并输出给蓄电池进行充电，由蓄电池为整个电子车锁供电；

S2、主控芯片实时读取绝对编码器输出的锁销位置信息，并根据锁销位置信息判断当前车锁是否上锁，若判断为未上锁，则执行步骤S3，若判断为上锁，则执行步骤S5；

S3、主控芯片实时获取角度传感器输出的车身角度信息，并根据车身角度信息判断当前车辆行驶状态是否为下坡滑行，若判断为是，则主控芯片控制发电机启动工作，由发电机输出电能给蓄电池进行充电，之后执行步骤S4，否则直接执行步骤S4；

S4、主控芯片检测关锁按键状态是否被按下，若检测为按下状态，则返回步骤S2，否则返回步骤S3；

S5、主控芯片实时读取角度传感器输出的车身角度信息，并根据车身角度信息判断当前车辆是否存在异常情况，若判断为是，则分别输出指令给通信模块和报警装置，通信模块输出对应信息给后台控制中心，报警装置发出报警信号，之后返回步骤S2，否则执行步骤S6；

S6、主控芯片接收NFC模块输出的IC卡感应信号，并将IC卡感应信号与主控芯片内预置的密钥信息进行匹配验证，若验证通过，则主控芯片通过驱动模块输出控制信号给减速电机，带动锁销完成开锁动作，之后返回步骤S2，若验证不通过则主控芯片分别输出指令给通信模块和报警装置，通信模块输出对应信息给后台控制中心，报警装置发出报警信号，之后返回步骤S2。

进一步地，所述步骤S3中判断当前车辆行驶状态是否为下坡滑行的具体过程为：若车身角度信息大于90°，且车身角度信息持续变化量小于第一预设阈值，则判断当前车辆行驶状态为下坡滑行。

进一步地，所述步骤S5中判断当前车辆是否存在异常情况的具体过程为：

若车身角度信息小于或等于20°，则判断车辆存在摔倒异常情况；

若车身角度信息持续变化量超过第二预设阈值，则判断车辆存在异常移动情况。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

一、本发明通过在车锁本体内安装主控芯片，并利用角度传感器和绝对编码器分别获取车身角度信息和车锁锁销位置信息，当车辆行驶状态为下坡滑行时，主控芯片控制发电机输出电能给蓄电池，此外，太阳能电池板保持持续为蓄电池提供电能的状态，以此保证整个电子车锁具有足够的自充电储备，即使遇到阴雨天骑行状况，也能在不影响骑行舒适性的前提下，将车辆下坡滑行时的动能转换为电能进行存储，实现无源供电的目的。

二、本发明基于绝对编码器采集锁销位置信息，不同于仅检测关锁按键状态的方式，还能够判断车锁是否存在卡住情况，使得主控芯片能够更加准确得知车锁是否上锁，结合NFC模块获取用户IC卡信息、并由主控芯片进行密钥信息的匹配验证，能够可靠、准确地完成开锁操作。

三、本发明通过设置与主控芯片连接的通信模块和报警装置，结合角度传感器获取的车身角度信息以及用户IC卡信息验证结果，使得主控芯片能够及时判断出车辆的异常情况以及开锁验证异常情况，并通过通信模块告知后台控制中心、通过报警装置发出报警信号，从而保证车辆的自身安全。

附图说明

图1为本发明电子车锁结构示意图；

图2为本发明电子车锁的工作流程示意图；

图中标记说明：

1、主控芯片，2、通信模块，3、NFC模块，4、关锁按键，5、后台控制中心，6、电机驱动模块，7、减速电机，8、锁销，9、绝对编码器，10、角度传感器，11、发电机，12、蓄电池，13、太阳能电池板，14、报警装置，15、稳压器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

实施例

如图1所示，一种无源智能电子车锁，包括车锁本体，车锁本体上安装有主控芯片1、通信模块2、NFC模块3和关锁按键4，通信模块2、NFC模块3、关锁按键4分别与主控芯片1连接，通信模块2与后台控制中心5连接，主控芯片1通过电机驱动模块6连接有减速电机7，减速电机7的输出端连接至车锁本体的锁销8，锁销8的末端安装有绝对编码器9，绝对编码器9的输出端连接至主控芯片1，主控芯片1还分别与角度传感器10、发电机11连接，发电机11和太阳能电池板13均通过稳压器15连接至蓄电池12，主控芯片1根据绝对编码器9检测的锁销位置信息、角度传感器10检测的车身角度信息、NFC模块3检测的用户IC卡信息以及关锁按键4的状态信息，以判断车锁是否上锁、判断车辆的行驶状态、判断车辆是否存在异常情况(车辆存在摔倒情况或异常移动情况)以及对用户IC卡信息进行匹配验证，从而输出对应信号给通信模块2、控制减速电机7和发电机11的工作状态，其中，主控芯片1与发电机11的电磁开关连接，当主控芯片1判断车锁未上锁且车辆的行驶状态为下坡滑行时，则输出指令给发电机11的电磁开关，使发电机11开始输出电能；

此外，主控芯片1还连接有报警装置14，当主控芯片1判断车辆存在异常情况或用户IC卡信息验证不通过时，则输出指令给报警装置14，使报警装置14发出报警信号。

本实施例中，主控芯片具体为STM32F103C8T6单片机，拥有主频72M的高速运算能力，通信拥有一个CAN总线接口，两个硬件I2C，SPI，三个通用同步串行接口等，在最高功率工作时电流也仅为36mA，功耗很低，满足本系统的控制要求。

角度传感器选用的是MCU+MPU6050的GY—25系列，采用3V～5V供电，数据传输可选择串口通讯或者I2C通讯，测量分辨率为0.01度，响应频率达100HZ，在正常工作时工作电流仅为15mA，使用方便，采用串口输出时可直接输出角度免去主控芯片的滤波算法，可大量节省设计时间。角度传感器的VCC接口和主控芯片STM32的VCC接口相连接，RX和TX接口分别与STM32的PA3、PA2接口相连接。当角度传感器检测到自行车呈现下坡滑行状态，主控芯片输出信号立刻接通发电机，为整个模块供电；或者当角度传感器检测到自行车非正常移动或摔倒时，则主控芯片发送指令给报警装置和通信模块，报警器发出蜂鸣，通信模块给后台控制中心发送相应信息。

通信模块具体为GSM通信模块，GSM模块选用高性能工业级别的SIM800C芯片，可实现四频段的短信收发，各国通用，还具有DTMF解密拨打电话，接听电话等功能，工作温度在-40℃—85℃，在严寒酷暑都可以正常工作，同时采用串口AT指令控制，能够方便地与STM32相连。GSM模块的VCC和GND接口分别接到STM32的VCC和GND，TXD和RXD接口分别接到STM32的PA9、PA10接口。用于接收主控芯片的信号并给后台控制中心发送信号，同时GSM模块还可以接收后台控制中心发出的锁车信号，在实际应用中，可以将用户手机终端作为后台控制中心，以接收及发送信息。

NFC模块选用的是ITEAD PN532NFC模块，包含13.56MHz下的各种非接触通讯方法与协议，兼容SPI，I2C，UART接口，可以快速解算出密卡信息，通过串口发送给主控芯片。NFC模块的VCC和GND接口分别接到STM32的VCC和GND，TXD和RXD接口分别接到STM32的PB10、PB11接口。NFC模块用于接收NFC密卡的信息并传输给主控芯片，当检测到密钥信号不能匹配，则主控芯片向报警装置发送报警信号。

将上述无源智能电子车锁应用于实际，具体的工作过程如图2所示，包括以下步骤：

S1、太阳能电池板持续将接收的光能转换为电能，并输出给蓄电池进行充电，由蓄电池为整个电子车锁供电；

S2、主控芯片实时读取绝对编码器输出的锁销位置信息，并根据锁销位置信息判断当前车锁是否上锁，若判断为未上锁，则执行步骤S3，若判断为上锁，则执行步骤S5；

S3、主控芯片实时获取角度传感器输出的车身角度信息，并根据车身角度信息判断当前车辆行驶状态是否为下坡滑行，若判断为是，则主控芯片控制发电机启动工作，由发电机输出电能给蓄电池进行充电，之后执行步骤S4，否则直接执行步骤S4，其中，判断当前车辆行驶状态是否为下坡滑行的具体过程为：若车身角度信息大于90°，且车身角度信息持续变化量小于第一预设阈值，则判断当前车辆行驶状态为下坡滑行；

S4、主控芯片检测关锁按键状态是否被按下，若检测为按下状态，则返回步骤S2，否则返回步骤S3；

S5、主控芯片实时读取角度传感器输出的车身角度信息，并根据车身角度信息判断当前车辆是否存在异常情况，若判断为是，则分别输出指令给通信模块和报警装置，通信模块输出对应信息给后台控制中心，报警装置发出报警信号，之后返回步骤S2，否则执行步骤S6，其中，判断当前车辆是否存在异常情况的具体过程为：

若车身角度信息小于或等于20°，则判断车辆存在摔倒异常情况；

若车身角度信息持续变化量超过第二预设阈值，则判断车辆存在异常移动情况；

S6、主控芯片接收NFC模块输出的IC卡感应信号，并将IC卡感应信号与主控芯片内预置的密钥信息进行匹配验证，若验证通过，则主控芯片通过驱动模块输出控制信号给减速电机，带动锁销完成开锁动作，之后返回步骤S2，若验证不通过则主控芯片分别输出指令给通信模块和报警装置，通信模块输出对应信息给后台控制中心，报警装置发出报警信号，之后返回步骤S2。

综上所述，本发明提出的无源智能电子车锁，可安装于车座后方，不需要改变原有车体结构，安装方便，易于普及。开锁时把开锁IC卡接近车锁NFC区域就能完成开锁操作。开锁动力由减速电机提供，搭配安装于锁销末端的绝对编码器检测车锁的锁销位置，形成闭环控制。在车锁卡住时将锁梁退回后重新关锁，解决卡锁问题。

本发明通过设置主控芯片，利用串口通讯，可快速完成数据交换。通过串口1波特率115200连接角度传感器，获取车身角度信息；串口2波特率9600连接通信模块，发送AT指令可控制发送的内容，解析帧头帧尾可读取开关锁的指令；串口3波特率9600连接NFC模块，读取IC卡的密匙。在实际工作时，由太阳能电池板持续保持供电状态，主控芯片则会一直采集各个模块数据完成智能充电及开锁操作；当NFC模块的返回密匙与车锁密匙相同，通过PWM驱动减速电机运动完成开锁动作；当车辆异常移动或者开锁密匙不相符时，则通过通信模块向后台控制中心发送异常开锁报告，同时报警装置开始报警，待后台控制中心确认情况后可远程关闭报警装置。

由此使得本发明能够实现以下功能：

自动充电功能：自动充电部分由太阳能电池板，角度传感器和发电机构成。当自行车停放在光源照射处时，太阳能电池板利用光伏效应产生电能，通过稳压器将电能一部分输送给系统工作，一部分输送给蓄电池存储。当自行车运动时，系统会根据角度传感器返回数据，判断自行车处于上坡路、下坡路、或是平坦路的运动姿态，便可得知此时骑行者的运动情况，若角度相比于水平面呈现下坡，且角度传感器输出的数据变化量很小，则此时处于下坡滑行阶段，主控芯片控制电磁开关闭合、接通发电机，那么滑行的动能就会转变为系统工作需要的电能，完成自动充电。

无触开锁功能：车锁的开关由NFC模块，减速电机，绝对编码器，关锁按键组成：上锁时，把车停稳，然后按下关锁按键就可以驱动减速电机运动，使金属杆穿过车轮，完成上锁动作；开锁时，把车锁对应的IC卡接近车锁的NEC模块感应区域，车锁识别到就可以反向驱动减速电机配合绝对编码器数据确定缩小是否到达开锁位置，完成开锁动作。同时车锁安装有通信模块，可在忘记关闭车锁时通过发送指令完成车锁的远程上锁。

防盗报警功能：防盗报警部分由报警装置，角度传感器，通信模块等组成：上锁后车锁进入省电待机状态，如果自行车被异常移动，或者自行车被大风吹倒，那么角度传感器的数据变化会很大，这时主控芯片根据数据变化情况，触发报警装置同时把异常情况通过通信模块发送给后台控制中心，这样有力地保证了自行车的安全，防止丢失现象发生。