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具備共享式之外掛型藍牙電子鎖
第十四屆盛群盃HOLTEK MCU創意大賽

【作者: 許永和等人】   2020年04月09日 星期四

瀏覽人次:【2591】
  

在此具備共享式之外掛型藍牙電子鎖專題中,以盛群的HT66F2390微處理機晶片組搭配藍牙模組製作藍牙電子鎖裝置,並將此裝置放在電動機車內部。除了可使用手機APP透過藍牙啟動可啟動電門和後車箱外,亦可在車主配對綁定過後,經由按鈕的方式去啟動電門和車廂。


此外,本裝置並不會更改到原廠的內部構造,因此,不會造成內部零件損壞。而本專題除可以實現一般傳統電動機車具備藍牙電子鎖的功能外,並可提高防盜保全的功能。


作品介紹

由於氣候變遷,各國開始熱烈關注「綠色議題」,企業為了配合歐洲在2040年全面禁售燃油車政策而研發出「高效能」、「低汙染」的電動機車。隨著科技日新月異,電動機車也逐漸符合人們喜好與功能的需求,越來越貼近我們的生活。台灣也不落後他人,國產企業紛紛開始積極研發、製造功能更加人性化、電池容量更大的電動機車。


根據經濟部工業局統計,歷年消費者購車數量已突破20萬,其中睿能創意公司生產的Gogoro電動機車系列佔其中的70%以上[1]。但是一般的電動機車在智慧分享的功能,如開鎖與解鎖等智慧型操作上,卻無類似的功能。因此,為了滿足目前人手一機的便利應用,於是設計出可以透過藍牙無線來解鎖,並具有共享功能的電子鎖。


如圖1所示,為本專題的系統架構示意圖。由於非主流的電動機車仍以鑰匙作為唯一開關鎖的方式,如果鑰匙遺失或是丟在車廂裡忘記拿出來,都會造成使用者的困擾。因此,針對這樣的需求與應用目的設計此專題,並開發可使用手機APP啟動電動機車的電門及車廂,或是在藍牙已連線的狀態下,透過按鈕的方式去啟動電門和車廂。換言之,使用者可針對目前騎乘的電動機車不必再為了鑰匙遺失或是丟在車廂裡而困擾。


此外,APP的登入可分成車主及訪客兩種身分,訪客必須輸入車主所設定的驗證碼才可進行登入。


其中,使用盛群MCU的UART去溝通藍牙模組(DX-BT20),並使用I2C去操作EEPROM用來記錄使用者的資料,藉由手機的藍牙與藍牙模組連線,去進行對電動機車的控制與設定使用者的資料。



圖1 : 系統架構圖
圖1 : 系統架構圖

工作原理

在本款藍牙電子鎖中,使用了UART、I2C、藍牙4.0模組、九軸感測器與Android Studio等技術。以下,分別列出其為相關原理。


UART串列介面

UART(Universal Asynchronous Receiver/Transmitter)是一種通用非同步收發傳輸器,通常稱作UART[2]。是電腦硬體的一部分,將資料由串列通信與並列通信間作傳輸轉換。UART通常用在與其他通訊協定(如EIA RS-232)的連結上。在串列傳輸通訊協定的格式內容,每一個符號由四種資料共11個位元所組成,共分為:


.起始位元(Start Bit)


.資料內容(Data)


.奇偶同位元檢查碼(Priority Bit)


.停止位元(Stop Bit)


如圖2所示,資料透過FIFO(First Input First Output)的方式,由最低有效位元LSB(Least Significant Bit)開始傳輸直至最高有效位元MSB(Most Significant Bit)(奇偶同位元(PB)可以選擇忽略不使用)。


一般以鮑率來定義其每秒傳送多少位元,單位是bps,常見的有9600bps或115200bps傳輸速度。若加上傳傳送的位元格式的話,則多以8(資料位元),N(無同位元檢查)與1(停止位元)等格式來說明。當傳送與接收的雙端都具有一樣的格式,即可正確地透過串列來實現遠端傳輸資料的目的。



圖2 : UART資料傳輸格式示意圖
圖2 : UART資料傳輸格式示意圖

I2C串列介面

I2C(Inter-Integrated Circuit)只使用兩條雙向開漏極(Open Drain)(串列資料(SDA)及串列時脈(SCL))並利用電阻將電位提升[3]。I2C允許相當大的工作電壓範圍,但典型的電壓準位為+3.3V或+5V。


I2C 串列傳輸包括四個部分:起始(START)訊號、裝置位址傳送、資料傳送和停止(STOP)訊號。相關特性如下所列:


.只能主裝置傳送到從裝置,無法從裝置傳送到從裝置,每個從裝置都要有一個特定且唯一的位址。


.起始(START)狀態: 當SCL為高準位且 SDA為負緣。


.停止(STOP)狀態: 當SCL為高準位且 SDA為正緣。


由主裝置發送起始訊號來開始通訊,所有的從裝置位置接收到起始訊號後會進入接收數據模式。緊接著,主裝置需要發送通訊目標設備的位址及R/W資訊。目前規範是提供兩種位址模式:7-bit and 10-bit。常見的I2C匯流排依傳輸速率的不同而有不同的模式:標準模式(100 kbit/s)與低速模式(10 kbit/s),但時脈頻率可允許下降至零速率,代表可以暫停通訊。


此外,由主裝置傳送起始訊號來開起通訊,所有的從裝置接收到起始訊號後會進入接收數據模式。緊接著,主裝置需要發送通訊目標設備的位址及R/W資訊。


藍牙4.0

藍牙4.0是Bluetooth SIG於2010年7月7日推出的新的規範[4]。其中,最重要的特性是支援省電;藍牙4.0是藍牙從誕生至今唯一的一個綜合協定規範,還提出了「低功耗藍牙」、「傳統藍牙」和「高速藍牙」三種模式。此外,藍牙 4.0還把藍牙的傳輸距離提升到100米以上(低功耗模式條件下)。


根據Bluetooth SIG發布的藍牙 4.0核心規範白皮書,Bluetooth 4.0低耗電模式有單工模式和雙工模式兩種應用。單工模式只能與藍牙4.0互相傳輸無法向下相容(無法與3.0/2.1/2.0相通)。


此外,在雙工模式中,則可以向下相容,除了與藍牙4.0傳輸也可以跟3.0/2.1/2.0傳輸。除了具有超低的峰值、平均和待機模式功耗,覆蓋範圍增強。其中,最大範圍可超過100公尺之外,在速度方面支援1Mbps資料傳輸率下的超短封包,一個封包內最少有8-bit,最多27-bit,且所有連接都使用藍牙2.1加入的減速呼吸模式(sniff subrating)。


這個模式是為了讓兩個互相連接的裝置,為了確認是否還在連線狀態,將確認訊號的發送間隔從原本的0.1秒延遲到0.5秒,進而降低工作迴圈。而降低工作迴圈也能減少能源消耗,且所有封包都使用24-bit CRC校驗,確保最大程度的減少雜訊的干擾。


而低功耗藍牙的單模式技術特點為透過低功率無線電波傳輸數據,其為一種支援短距離通信(一般是10公尺之內)的無線電技術。而其標準是IEEE 802.15,工作在2.402~2.480GHz頻率帶之間,以及基礎頻寬為1Mb/s。


九軸感測器(MPU9250)

九軸感測器共包括三軸加速度計、三軸陀螺儀與三軸磁力計,以下,介紹我們所使用到的部分。


加速度計


加速度計(accelerometer),是根據牛頓第二定律,物體加速度(m/s2)與受到的合力(N)成正比,與其質量(kg)成反比,而加速度方向與合力相同[5]。值得注意的是,加速度計的作用力檢測機制擷取了作用力產生的加速度。因此,加速度計實際測量的是力,而不是加速度。也即是加速度計是藉由檢測施加在其中一個軸向的作用力來間接測量加速度。


加速度計可能是最簡單的MEMS裝置,有時只由一個懸臂和一個重鎚組成,利用撓曲和電路來測量加速度。MEMS加速度計可以測量幾千個G的振幅,單軸、二軸或是三軸都可以。


陀螺儀


陀螺儀(gyroscope),是一種基於角動量守恆的理論,用來感測與維持方向的裝置[6]。陀螺儀主要是由一個位於軸心且可旋轉的轉子構成。由於轉子的角動量,陀螺儀一旦開始旋轉,即有抗拒方向改變的趨向。陀螺儀用在飛機飛行儀錶的心臟地位,是由於其兩個基本特性:一為定軸性,另一是逆動性,這兩種特性都是建立在角動量守恆的原則下。而陀螺儀多用於導航與定位等應用設計的產品中。


Android Studio

Android Studio是一個為Android平台開發程式的整合式開發環境,可以在Windows、OS X與Linux平台上執行,可讓開發者免費下載使用。本專題利用免付費的資源來設計與開發能與本系統配合的APP,藉由手機的藍牙介面下達指令來操作電子鎖。因此,本專題藉由手機來操作電動機車,並配合資料庫與GPS的計算,來實現共享電動機車的功能。


系統設計

硬體設計

如圖3所示,為整體系統硬體設計架構圖。其中,灰色區域為HT66F2390微處理機的本身硬體資源。在此,使用I2C介面與24LC256 EEPROM連接,進而存取相關電動機車的相關資訊。另外,也使用UART與藍牙模組(DX-BT20)連接,透過9600bps,8,N,1的通訊格式,以及AT命令來下達相關的藍牙命令即可達到無線藍牙通訊與傳輸的目的。


圖3 : 整體系統硬體設計架構圖。
圖3 : 整體系統硬體設計架構圖。

而手機藍牙與裝置上的藍牙4.0模組連線後,可透過手機讓藍牙模組與HT66F2390微處理機晶片組做溝通,由手機選擇的功能進行EEPROM的讀寫、控制電子鎖開電門,或是控制電子鎖開車箱。


軟體設計

如圖4所示,為APP操作流程圖。在使用者成功與裝置藍芽連線並登入後,如果是車主便可以直接選擇啟動機車、開車廂、尋車等等功能,非車主則必須輸入車主所設定的驗證碼後才能啟動機車和開車廂功能。



圖4 : 本系統之APP操作流程圖
圖4 : 本系統之APP操作流程圖

系統測試

為了驗整與測試本系統,本系統的APP操作介面操作方法如下所列:


使用者先開啟手機APP(圖5)


圖5 : 手機APP介面圖
圖5 : 手機APP介面圖

手機APP選擇藍牙連線(圖6)


圖6 : 藍牙連線介面圖
圖6 : 藍牙連線介面圖

連線成功,非車主須輸入驗證碼(圖7)


圖7 : 驗證碼輸入圖
圖7 : 驗證碼輸入圖

登入後功能介面圖(圖8與圖9)


圖8 : 選擇功能介面圖
圖8 : 選擇功能介面圖
圖9 : 側拉式選單選擇功能圖
圖9 : 側拉式選單選擇功能圖

點選開啟電門、關閉電門(機車儀表板顯示通電、斷電) (圖10與圖11)



圖10 : 開啟電門圖
圖10 : 開啟電門圖

圖11 : 關閉電門圖
圖11 : 關閉電門圖

更改訪客驗證碼(只有車主可使用) (圖12)


圖12 : 更改訪客驗證碼功能圖
圖12 : 更改訪客驗證碼功能圖

更換車鎖藍牙名稱 (只有車主可使用) (圖13)


圖13 : 更換車鎖藍牙名稱功能圖
圖13 : 更換車鎖藍牙名稱功能圖

打開車廂(圖14)


圖14 : 開車廂功能圖
圖14 : 開車廂功能圖

會員功能側拉式選單(圖15)


圖15 : 會員功能側拉式選單圖
圖15 : 會員功能側拉式選單圖

會員登入介面(圖16)


圖16 : 會員登入介面圖
圖16 : 會員登入介面圖

帳號建立介面(圖17)


圖17 : 帳號建立介面圖
圖17 : 帳號建立介面圖

遺失密碼介面(圖18)


圖18 : 遺失密碼介面圖
圖18 : 遺失密碼介面圖

透過上述的操作,可以得知本專題-具備共享式之外掛型藍牙電子鎖可以成功的整合在一般傳統的電動機車的加鎖與開鎖的應用中。


結論與討論

在一個節能減碳的趨勢裡,電動機車將會慢慢地取代油車。近年來Gogoro帶起電動機車的趨勢,使得越來越多人越能接受電動機車的騎乘。但由於電動機車價格昂貴,因此需要有一個好的防盜保護機制。此系統透過外掛的方式,讓一般的電動機車具備藍牙加鎖與解鎖的功能。換言之,本系統之車鎖對於安裝這部分是很有彈性空間的。未來也會在不同廠牌的電動機車上,作進一步的驗證與測試。後續若有機會與車廠做前裝式的整合,讓本系統變成電動機車的標配裝置。


本作品具有以下的功能:


.可利用手機藍牙開關電動機車的車鎖和車廂。


.利用GPS定位,可查詢出電動機車最後的位置。


.可自定義借車人的借車密碼與電動機車鎖的藍牙名稱。


.可透過藍牙搜尋與車鎖的距離,進入指定範圍後無需鑰匙即可以啟動電動機車。


簡言之,本系統可以透過手機的無線藍牙介面對電子鎖下達命令去開啟電門啟動機車。此外,還具有藍牙電子鎖租借功能。當非車主的手機欲連線開啟電動機車時,會要求輸入原先車主設定的密碼才能啟動機車,並提供更多共享式之外掛型藍牙電子鎖的多元應用。


(本文作者許永和1、高士弘2、張景皓2、郭倫廷2為國立虎尾科技大學資訊工程系1教授、 2學生)


參考文獻


[1] 電動機車產業網,https://www.lev.org.tw/default.asp


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


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


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


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


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


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