Разработка цифровых устройств мониторинга и контроля на базе микропроцессора

DOI:

Как в отдельности, так и в целом системы GSM/GPS-сигнализации ранее не применялись для велосипедов ввиду того, что велосипеды стоили не дорого. В настоящее время ситуация резко изменилась и воровство велосипедов стало прибыльным делом. Цена на велосипед среднего класса варьируется от 400

до 1000 $. Следовательно, защита веломототранспорта от краж в настоящее время является актуальным.

Рассмотрим существующие средства защиты для веломототранспорта.

Устройство «Veloalarm» представляет собой сирену с датчиком наклона. Условие срабатывания сирены – наклон датчика [1]. Постановка в режим охраны происходит с помощью комбинации из трех кнопок, установленных на устройстве. Время работы от источника питания составляет 30 дней. Вес устройства составляет 100 г. К достоинствам можно отнести низкую стоимость и простоту использования. К недостаткам относятся: отсутствие обратной связи в виде SMS, отсутствие функции определения местоположения, «хлипкий» корпус, отсутствие поддержки управления сигнализацией с мобильного телефона и радиобрелока.

Устройство «LockAlarm» представляет собой трос со специальным замком, в котором установлена сирена [2]. Условие срабатывания сирены – перерезание троса. Активация сирены происходит с помощью поворота ключа в замке. Время работы от источника питания составляет 30 дней. Вес устройства составляет 100 г. К достоинствам можно отнести комбинированное использование троса и сигнализации. Недостатки такие же, как и у устройства «Veloalarm». Главным недостатком этого устройства является легкий способ демонтажа устройства, то есть трос можно легко перекусить кусачками и скрыться с места преступления.

Устройство «Bike-Guard708A3» представляет собой радиоуправляемую сирену [3]. Условие срабатывания сирены – наклон датчика, установленного в устройстве. Время работы от источника питания составляет 30 дней. Вес устройства 100 г. К достоинствам можно отнести легкость использования и дистанционный контроль с помощью радиобрелока. Недостатки такие же, как и у устройства «Veloalarm». Главным недостатком этого устройства является низкая маскировочная способность и легкий способ демонтажа.

Устройство защиты «Kryptonite» представляет собой обычную цепь с замком [4]. Вес устройства – от 2000 до 5000 г. Основным достоинством является высокая надежность и стойкость к демонтажу. Недостатки такие же, как и у устройства «Veloalarm». Главным недостатком этого устройства является высокая цена и большой вес.

Следовательно, существующие средства защиты велосипедов от краж, такие как противоугонный трос, цепь с замком и имитации автомобильных сигнализаций («пищалки»), являются примитивными и неэффективными.

Лучшим выходом из сложившейся ситуации является комбинирование обычного противоугонного троса с отдельной надежной GSM/GPS-сигнализацией, установленной на веломототранспорте. Трос защитит от соблазна украсть, а сигнализация сработает в момент толчка при попытке перерезать трос или сдвинуть с места движимое имущество.

Новый метод защиты, основанный на SMS и звуковом оповещении, световой индикации и GPS-отслеживании, позволит намного эффективнее защитить Ваше имущество.

Описание устройства

Разрабатываемое охранное устройство будет состоять из двух частей. Первая часть является открытой, а вторая часть будет скрыта от посторонних людей. Охранное устройство в собранном виде показано на рисунке 1.

Первая часть содержит антивандальный корпус, внутри которого находится микроконтроллер, сирена, внутренний аккумулятор и разъемы для подключения внутренних датчиков (датчик индикации, фотодатчик и т. п.).

Рис. 1. Расположение охранного устройства на велосипеде

Датчик наклона необходим для определения того, что охраняемое имущество не трогали посторонние люди. Фотодатчик, размещенный внутри устройства, следит за состоянием целостности корпуса. Встроенная сирена срабатывает в случае, если преступник начнет двигать имущество. Датчик световой индикации необходим для отображения процесса зарядки аккумулятора.

Вторая часть устройства, которая будет более подробно описана в этой статье, содержит три модуля – GSM, GPS, Радио, – а также SD-считыватель и аккумуляторные батареи. Функциональная схема второй части охранного устройства показана на рисунке 2.

GSM-модуль необходим для оповещения владельца имущества с помощью SMS, отправляемых ему на мобильный телефон. GPS-модуль используется для отслеживания местонахождения имущества. Радиомодуль необходим для управления сигнализацией.

Микроконтроллер является главным звеном разрабатываемого устройства, он контролирует все установленные модули и в случае тревоги выполняет соответствующие команды согласно его встроенной программе.

Постановка и снятие с охраны будет осуществляться с помощью мобильного телефона или радиобрелока.

Принцип работы

При первом использовании устройства необходимо приобрести SIM-карту любого сотового оператора (например, в России очень распространенны SIM-карты от Beeline, Мегафон, МТС) и вставить ее в устройство.

Разработанное устройство работает следующим образом. После подачи питания на охранное устройство GPS-приемник в течение 2–3 минут будет принимать данные от GPS-спутников, находящихся на геостационарной орбите. После устойчивого получения данных от спутников GPS-приемник формирует и выдает информацию 3 раза в секунду. В дальнейшем эту информацию обрабатывает микроконтроллер. С помощью микроконтроллера происходит запись данных на microSD-карту или по требованию пользователя высылаются в виде SMS текущие координаты местоположения устройства.

Получение координат местоположения устройства осуществляется следующим образом. Владелец охранного устройства производит вызов на SIM-карту, установленную в GSM-модуль устройства. В свою очередь микроконтроллер постоянно опрашивает GSM-модуль. Как только появляется входящий вызов, GSM-модуль передает входящий номер на микроконтроллер, который затем сравнивает его с записанным номером в памяти. Если номера совпадают, значит, вызов осуществляет владелец.

В ответ микроконтроллер разрывает текущее соединение с входящим номером и считывает текущие координаты местоположения с GPS-модуля, а затем с помощью GSM-модуля отправляет их по SMS на номер владель-

Рис. 2. Функциональная схема охранного устройства

ца. Результат выполнения этого процесса показан на рисунке 3.

Считыватель SD-карты необходим для резервного сохранения данных, полученных от GPS-приемника. Впоследствии они сохраняются на microSD-карту в следующем виде: дата, время, широта, долгота. Записанные на microSD-карту данные, полученные от GPS-приемника, показаны на рисунке 4. В дальнейшем эти данные можно загрузить на сайт сервиса Google maps и построить по ним трек, на котором впоследствии будет видно передвижение устройства в течение времени записи (см. рис. 5).

В данном устройстве используется microSD-карта объемом 2 Гб. Объем файла, записанный за сутки, составляет 1 Мб. Следовательно, 2000 (Мб) / 2 (Мб * сут), отсюда время записи составит 1000 суток (1000/365 = 2,73 года).

Микроконтроллер ATmega 2560 был выбран из экономических и эксплуатационных соображений. Этот микроконтроллер относится к среднему семейству микроконтроллеров фирмы Atmel. Он обладает достаточным количеством Flash-памяти, оперативной памяти, необходимой для этого проекта [5].

В качестве расширения, обеспечивающего беспроводное управление через канал связи GSM, был выбран модуль, основанный чипе M590 от производителя компании NEOWAY. Этот GSM-модуль имеет низкую стоимость и является очень распространенным.

При обмене данными между МК и GSM/ GPS-модулями возникает необходимость согласования логических уровней для их сопряжения. Согласование логических уровней 5(В) между МК и 3(В) на GSM-модуле возможно с использованием интерфейса с последовательно включенными MOSFET транзисторами. Транзисторно-транзисторная логика с использованием MOSFET транзисторов позволяет получить двунаправленную схему согласования уровней, идеально подходящую для применения в шинных системах, таких как UART.

Потребляемый ток второй части охранного устройства составляет 150 мА. Предполагается, что для питания этой части будут использоваться 2 литий-ионных аккумулятора типа 18650 напряжением 3,7 В и емкостью по 2100 мА * ч, следовательно, в сумме емкость этих батарей составит 4200 мА * ч. Время работы при полностью заряженных батареях составит 4200 (мА * ч) / 150 (мА) = 28 ч.

Рис. 3. Координаты охранного устройства, полученные по SMS, и вывод их в браузере с помощью сервиса Google maps

Рис. 4. Данные, полученные с microSD-карты и открытые с помощью программы Microsoft Office Excel 2007

Все изменения сохранены на Google Диске

♦ Добавить слой ^+ Поделиться 0 Предварительный просмотр

7 Последовательность цифр

0 01/11/2017 2222:03

0 01/11/2017 2222:15

0 01/11/2017 222224

0 01/11/2017 22:22:36

0 01/11/2017 2222:45

0 01/11/2017 22:22:55

0 01/11/2017 2223:04

Рис. 5. Трек, построеный по данным, полученным с microSD-карты и открытым с помощью сервиса Google maps

Карта без названия 1 просмотр

Создана программа для микроконтроллера, которая позволяет управлять разработанным устройством по запрограммированному алгоритму. Используемое программное обеспечение показано на рисунке 6.

Листинг программы составляет 350 строк. Программа использует 25714 байт Flash-памяти и 1967 байт SRAM-памяти.

Принцип работы алгоритма программы показан на рисунке 7. Программа позволяет записать в память микроконтроллера не более 10 мобильных номеров. Этого вполне достаточно для использования устройства в среднестатистической семье, тем более что обычная современная среднестатистическая семья состоит из 4 человек, то есть из двух взрослых и двух детей. Кроме того, программа отклоняет SMS сообщения, поступившие с интернет сайта, тем самым исключая метод подбора PIN-кода злоумышленниками.

На рисунке 8 показан принцип передачи данных от охранного устройства на смартфон или ПК в случае срабатывания сигнализации. Отслеживание помогает владельцу контролировать сохранность своего движимого имущества.

Разработанное устройство обладает следующими достоинствами:

• 1.    Управление устройством происходит на различном расстоянии через канал связи GSM при помощи стандартного мобильного телефона с применением SMS-команд.

• 2.    SIM-карта используется от различных GSM-операторов, расположенных в России.

• 3.    Охранное устройство оповещает владельца при помощи SMS.

• 4.    GPS-отслеживание поможет отыскать автомобиль, скутер, велосипед в случае его кражи.

• 5.    Резервное копирование данных, содержащих координаты местоположения, на SD-карту.

• 6.    Дистанционный контроль сигнализацией осуществляется с помощью мобильного телефона и радиобрелока.

Заключение

В результате выполненной работы создано устройство, способное оперативно и удаленно управлять GSM/GPS-сигнализацией и в то же время получать координаты местоположения движимого имущества.

Рис. 6. Программный код, разработанный в среде Arduino IDE 1.6.7

Рис. 7. Алгоритм основной программы для микроконтроллера ATmega 2560

Рис. 8. Процесс передачи данных по каналу связи GSM от охранного устройства к владельцу

Применение микроконтроллера ATmega 2560, установленного во второй части охранного устройства, позволяет достичь высоких показателей эффективности при низкой стоимости.

Подводя итоги, можно утверждать, что разработанное устройство является современным, многофункциональным, а также позволит удаленно и своевременно проверять состояние сигнализации, благодаря этому повысится эффективность защиты Вашего движимого имущества.

В дальнейшем с целью сокращения расходов, связанных SMS-оповещением, планируется осуществлять передачу GPRS-данных от охранного устройства по технологии 3G на сервер.