學(xué)校：昆三中、昆明明德中學(xué)

指導(dǎo)老師：朱杰

學(xué)生：柳玉虎 鄭媛元 鄭嵐旭

本項(xiàng)目榮獲第31屆全國青少年科技創(chuàng)新大賽青少年科技創(chuàng)新成果競賽項(xiàng)目二等獎

本項(xiàng)目根據(jù)社會調(diào)查自行車被盜的情況，提出了針對中高檔自行車智能主動防盜系統(tǒng)的研發(fā)。根據(jù)實(shí)驗(yàn)和調(diào)查，發(fā)現(xiàn)了目前市場上的自行車防盜設(shè)備雖然都能起到一定作用，但防盜效果十分有限，不僅容易破解，而且都只能阻礙偷盜者的偷盜行為而不是阻止。我們確定了以攻為守“主動防盜”驅(qū)趕偷盜者的設(shè)計方向，通過“電子機(jī)械鎖”、威懾系統(tǒng)、智能中控器三個子系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。其中“電子機(jī)械鎖”利用靜電感應(yīng)原理，通過鑰匙的材料來表達(dá)0或1，由鎖芯附屬電路來檢測和識別；威懾系統(tǒng)的心理威懾模塊利用電磁感應(yīng)原理獲得高壓電并倍壓整流，通過高響度的爆響聲對偷盜者造成一定的心理威懾；威懾系統(tǒng)的生理威懾模塊利用串聯(lián)諧振變壓器得到電壓電流可控的高頻高壓電，由偷盜者碰觸時形成的分布電容耦合電路，對偷盜者表皮造成輕微的灼燒，使其放棄偷盜；陀螺儀等傳感器和威懾系統(tǒng)等執(zhí)行器在智能中控器的測控下協(xié)同實(shí)現(xiàn)主動防盜的設(shè)計思路。不僅實(shí)現(xiàn)了直接防盜和主動防盜相結(jié)合，還實(shí)現(xiàn)了從被動防盜向主動防盜的轉(zhuǎn)變；既守衛(wèi)了自行車，又提高了防盜設(shè)備自身的自我保護(hù)能力，還簡化了用戶的操作。

【課題的發(fā)現(xiàn)】

隨著低碳環(huán)保生活理念的深入和人們對健康出行的關(guān)注，騎自行車已不僅僅是一種出行方式，還成為了一種生活理念，有著廣泛的社會人群。然而，隨之而來的就是自行車被偷盜案件時常發(fā)生，尤其是針對中高檔自行車的偷盜。

在修車鋪師傅、學(xué)校老師和幾位專業(yè)人士的指導(dǎo)下，我組深入研究了自行車構(gòu)造以及目前主流的防盜方式，并分析比對了市場現(xiàn)有主要防盜產(chǎn)品的長處和不足。研究發(fā)現(xiàn)：現(xiàn)有的機(jī)械結(jié)構(gòu)鎖防盜設(shè)備，結(jié)構(gòu)簡單且過于傳統(tǒng)，在小偷眼里僅是擺設(shè)；而現(xiàn)有電子防盜設(shè)備，智能化有余，但防盜方式單一、自保不足，易被破解拆除。此外，目前的防盜設(shè)備無論是機(jī)械鎖還是智能設(shè)備，都僅僅只能阻礙偷盜而不能主動防盜。因此，只有采用事前主動防盜的方式，依次通過語音警告、火花放電聲音威懾、等離子體灼燒等方式，迫使偷盜者知難而退，才能真正起到防盜的效果。

確定了設(shè)計思路之后，我們找到了相關(guān)的國家標(biāo)準(zhǔn)，并參考國家標(biāo)準(zhǔn)把思路轉(zhuǎn)化為具體設(shè)計，根據(jù)設(shè)計建立三維模型并通過3D打印機(jī)打印后安裝電路進(jìn)行測試。

通過社會調(diào)查發(fā)現(xiàn)，自行車被盜案件時常發(fā)生，尤其是針對中高檔自行車的偷盜；小偷使用鋁箔、鋼絲、萬能鑰匙等工具在不破壞鎖芯的情況下仍可快速開鎖。即使是電子鎖，由于內(nèi)部的電子部分和機(jī)械部分相對獨(dú)立，原理和傳統(tǒng)機(jī)械鎖并沒有本質(zhì)區(qū)別，仍可分別破解。并且，現(xiàn)有自行車防盜設(shè)備均只能阻礙偷盜者而不能阻止之。

通過分別對電子機(jī)械鎖、威懾系統(tǒng)、智能中控器三個子系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計研究，實(shí)現(xiàn)直接防盜和主動防盜相結(jié)合的創(chuàng)新點(diǎn)，最大限度地降低被盜風(fēng)險。

【探索與實(shí)驗(yàn)】

一、課題概述

本課題范圍為自行車防盜設(shè)計，研究在適用于自行車的設(shè)計范圍內(nèi)對新型鎖具、測控系統(tǒng)、威懾系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和研發(fā)，涉及鎖芯（包含配套鑰匙）設(shè)計和電路設(shè)計。鎖具的基本原理是把鑰匙做成一個電容點(diǎn)陣組，鎖芯通過相關(guān)電路來識別由鑰匙材料差異產(chǎn)生的容抗差來識別鑰匙；威懾系統(tǒng)包含語音警告、高壓火花的聲光心理威懾和可控高壓電弧的生理威懾；智能中控器以AVR單片機(jī)或51單片機(jī)為核心，輔以GPS和GPRS等模塊，實(shí)現(xiàn)智能測控、輔助尋車。

本項(xiàng)目創(chuàng)新要點(diǎn)：a.改革機(jī)械鎖原理和結(jié)構(gòu)，把機(jī)械結(jié)構(gòu)本身作為電路的一部分，通過改變鑰匙電容來識別和解鎖；b.使用可控高壓電系統(tǒng)產(chǎn)生電弧來驅(qū)趕偷盜者，實(shí)現(xiàn)主動防盜；c.內(nèi)置式系統(tǒng)，安全美觀。查新點(diǎn)：a.鎖芯識別鑰匙的原理；b.通過電擊驅(qū)離偷盜者的可行性；c.自行車結(jié)構(gòu)設(shè)計。

本課題研究的特點(diǎn)是：革新機(jī)械鎖的原理和設(shè)計，提高了安全性和自我保護(hù)性。以攻為守，主動防盜驅(qū)趕偷盜者。組合防盜，難以破解。

利用高壓電對偷盜者的心理和生理造成威懾，實(shí)現(xiàn)主動防盜；在傳統(tǒng)機(jī)械鎖的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)機(jī)械與電子共同作用直接防盜；中控器和機(jī)械鎖組成的主系統(tǒng)輔以如GPS、GPRS等子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)直接防盜和主動防盜相結(jié)合的創(chuàng)新點(diǎn)。

（圖表2.1.1）

二、調(diào)查

發(fā)放調(diào)查問卷100份，回收率87%，有效問卷82份，其中，28人表示曾有丟失自行車的經(jīng)歷或身邊的人丟失過（約占34%）。69人認(rèn)為自行車防盜產(chǎn)品并不能有效防盜（占84%）。72人愿意嘗試新型自行車防盜產(chǎn)品（約占88%）。

【探索與實(shí)驗(yàn)】

三、實(shí)例分析

對市場上幾款有代表性的自行車防盜產(chǎn)品進(jìn)行分析、對比，摘要如下：

設(shè)備A：

簡介：此類自行車防盜鎖為市面上常見的自行車智能防盜報警鎖，當(dāng)鎖芯被暴力破壞時就會報警。

優(yōu)點(diǎn)：價位低，易推廣。

不足：①結(jié)構(gòu)和功能過于簡單，電量耗盡后便會失效。

②傳統(tǒng)開鎖方式仍能夠在不破壞鎖芯的情況下開鎖。

③每次都需要拆裝，不便操作。

設(shè)備B：

簡介：該鎖的鎖繩為鋼索，一旦剪斷就會報警。

優(yōu)點(diǎn)：①非純機(jī)械結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)偷車賊不易打開。

②使用密碼解鎖，方便簡單。

不足：①裝置過于簡單，僅需切開后蓋，取出電池即失效。

②用戶無法判斷電量剩余情況，一旦電池耗盡將無法解鎖。

設(shè)備C：

簡介：此防盜器采用刷卡式解鎖，暴力拆除時報警。

優(yōu)點(diǎn)：刷卡式，既方便用戶解鎖又能防止小偷破壞。

不足：①裝置不能直接防盜，只能報警。

②將電線夾斷即失效。

③體積較大，不便安裝。

設(shè)備D：

簡介：此款自行智能防盜裝置為目前市場較為智能化的防盜裝置。內(nèi)有GPS定位、震動傳感器等，一旦在設(shè)防狀態(tài)檢測到異常震動便會將報警信息發(fā)送至用戶手機(jī)上。

優(yōu)點(diǎn)：①與車身融為一體，隱蔽，不易被發(fā)現(xiàn)。

②有定位系統(tǒng)，智能化，能與用戶交互。

不足：①裝置本身不能直接防盜，只能將異常通過互聯(lián)網(wǎng)告知用戶。

②用戶必須全天候?qū)崟r在線，一旦報警需親自到現(xiàn)場檢查。

③充電口暴露，僅需對充電口施加過高的電擊即可破壞內(nèi)部元件。

四、設(shè)計與實(shí)測

（一）制定總體計劃

1.總體設(shè)計思路

以電子機(jī)械鎖和加速度傳感器等作為輸入，通過以單片機(jī)為核心的中控器根據(jù)預(yù)設(shè)程序分析、處理，選擇控制語音、高壓脈沖發(fā)生器、串聯(lián)諧振變壓器、GMS模塊等執(zhí)行器。其中，高頻串聯(lián)諧振變壓器使車身的金屬導(dǎo)體帶電，從而驅(qū)趕偷盜者，實(shí)現(xiàn)主動防盜，此主動防盜的方式為我組的特色創(chuàng)意之一。

如框架圖2.3.1所示

2.工作原理流程設(shè)計

如流程圖 2.3.2所示

程序總體設(shè)計采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，在確保自身狀態(tài)良好之后再進(jìn)入測控循環(huán)，防止自身問題引發(fā)的誤報或者不報。當(dāng)身份識別模塊傳來確認(rèn)信號時，跳出循環(huán)，結(jié)束程序，提示并關(guān)機(jī)。

（二）具體設(shè)計的過程

1.事前防盜設(shè)計

在未解鎖情況下，一是當(dāng)系統(tǒng)檢測到車體被碰撞或持續(xù)移動等異常時，系統(tǒng)依次使用語音警告和高壓放電的聲光效果警示偷盜者，對其造成心理威懾，使其放棄偷盜想法；二是當(dāng)系統(tǒng)檢測到車鎖被破壞或自行車被搬運(yùn)、騎行時，系統(tǒng)直接對偷盜者放電，對觸摸車身者造成輕微燙傷和疼痛，迫使其終止偷盜行為。同時，配合周密的程序可避免誤傷情況（優(yōu)先級依次為：語音警告、聲音報警+放電威懾、對偷盜者高壓電擊、定位并通知車主）。

（框架圖 2.3.1）

（流程圖 2.3.2）

2.事后尋車設(shè)計

一旦自行車被強(qiáng)行拖走，防盜系統(tǒng)將在實(shí)施高壓電擊的同時，激活通信模塊，通過短信把相關(guān)信息發(fā)送給車主。電池組理論續(xù)航時間可達(dá)100小時。

3.身份識別設(shè)計

①車主：通過藍(lán)牙，車主將自己的手機(jī)、智能手表等設(shè)備與系統(tǒng)綁定。由于藍(lán)牙相互配對且MAC地址具有唯一性，所以通過藍(lán)牙綁定可確保身份的唯一性，當(dāng)車主進(jìn)入一定范圍時即可識別出車主身份；②停車場管理員：通過語音模塊，根據(jù)程序語音詢問，管理員回答指定內(nèi)容時即可確定管理員身份；③偷盜者：通過人體紅外傳感器和改進(jìn)的機(jī)械鎖內(nèi)的加速度傳感器，當(dāng)檢測到

有人在附近且加速度超過閾值或鎖被非正常開啟則判定為偷盜者。4.充分的自我保護(hù)設(shè)計

如左圖所示：系統(tǒng)整體藏于自行車內(nèi)部，車身不僅能直接充當(dāng)外殼實(shí)現(xiàn)防暴力破壞，還能提供電磁屏蔽保護(hù)。同時，系統(tǒng)使用高壓放電威懾的主動防盜，若直接拆解車輛則會放電電擊，使偷盜者幾乎無法下手。而必須暴露的部分都設(shè)計了較為完備的保護(hù)模塊。

（設(shè)計圖 2.4.1）

5.機(jī)械車鎖改進(jìn)部分

（照片 2.5.1）

（截圖 2.5.2）

（設(shè)計圖 2.5.3 “電子機(jī)械鎖”各部分設(shè)計示意）

為實(shí)現(xiàn)直接防盜與主動防盜相結(jié)合的目的，改進(jìn)后的車鎖不僅能夠像傳統(tǒng)機(jī)械鎖那樣阻礙偷盜者的偷盜行為，更是一個傳感器，可以檢測解鎖的情況并呈遞給中控器，從而實(shí)現(xiàn)整個系統(tǒng)直接參與防盜，此機(jī)械和電子的結(jié)合為我組的特色創(chuàng)意之二。此改進(jìn)方案是革新機(jī)械鎖識別方式并使用我們設(shè)計研制的特殊鑰匙解鎖，如下圖所示：在此設(shè)計中：鑰匙使用兩種不同的材料表達(dá)0或1，（圖中金色表示導(dǎo)電、黑色表示絕緣）構(gòu)成32位的點(diǎn)陣，則共有4，294，967，295種不同的組合，幾乎不可能破解；將鑰匙插入鎖芯中轉(zhuǎn)動幾圈后，鎖芯帶動微型發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)動發(fā)電，保證在系統(tǒng)電源電量耗盡的情況下仍能工作。發(fā)電機(jī)通過穩(wěn)壓電路后再由自激振蕩器產(chǎn)生一個1MHz左右的驅(qū)動信號控制三極管，由變壓器將直流脈沖轉(zhuǎn)變?yōu)榻涣?。開路部分上下部觸點(diǎn)間的電容十分小，導(dǎo)電的部分大大縮短了平板電容器兩極板間的距離，使電容量大幅提高，容抗相比絕緣的部分降低至少一個數(shù)量級，從而使單片機(jī)處的電平變高。鎖芯使用類似于示波器探頭的絕緣彈性觸點(diǎn)以保證系統(tǒng)自身安全難以被破壞；鎖芯有66個觸點(diǎn)（32位點(diǎn)陣+1個電源，上下各一組）和35個電刷環(huán)，通過電刷固定并與外殼上的電路耦合。其中：下部32個觸點(diǎn)通過1根母線連接到鎖芯外的1個電刷環(huán)上，接高頻交流電源、下部的另1個觸點(diǎn)單獨(dú)使用1個電刷環(huán)接地；上部的1個觸點(diǎn)通過一個電刷環(huán)接VCC、上部的其余32個觸點(diǎn)各自通過一個電刷環(huán)與外殼中的電路耦合。外殼和電刷環(huán)間使用類似自行車車軸里的軸承機(jī)構(gòu)，通過鋼珠連接電刷環(huán)和外殼。外殼中有32組整流濾波電 路，這些電路各自輸出不同的電平，由單片機(jī)分別讀取并計 算。

由于單片機(jī)和相關(guān)電路功耗非常低，微型舵機(jī)改裝后輕轉(zhuǎn)幾圈即可完成發(fā)電。同時，鑰匙手柄中裝有震動發(fā)電機(jī)（強(qiáng)磁鐵放在線圈桶內(nèi)，裝在身上走路即可發(fā)電），通過穩(wěn)壓電路給超級電容充電，彈開鎖舌時需要的瞬時大電流由超級電容提供。

6.電子模塊部分

①身份識別模塊：鑰匙或藍(lán)牙或組。（注：身份識別模塊僅做比對，比對成功后把解鎖信息傳輸給中控器，幾乎不可能被破解）

②語音警告模塊：通過語音警告；

③火花放電警告模塊：利用聲光效果震懾；

④電弧灼燒模塊：自行車被偷盜后，搬運(yùn)、騎行時，則進(jìn)行等離子體灼燒，迫使施盜者終止偷盜；

（設(shè)計圖 2.5.4 “電子機(jī)械鎖”鑰匙結(jié)構(gòu)示意）

⑤定位系統(tǒng)和通信模塊：通過GMS系統(tǒng)，利用短信把被盜車輛的位置信息發(fā)送給車主；

⑥續(xù)航模塊：當(dāng)自行車下坡或車速大于15km/h時，自行車?yán)m(xù)電模塊啟動，發(fā)電機(jī)為電池組充電，既保證行車安全又解決了充電問題。

7.流程設(shè)計

車鎖鎖定后，由車主手動啟動系統(tǒng)“設(shè)防”模式或2分鐘后自動進(jìn)入“設(shè)防”模式→檢測各傳感器狀態(tài)→發(fā)現(xiàn)異常則按照預(yù)設(shè)程序進(jìn)行不同方式的報警：

情況一：當(dāng)自行車被碰撞、移動時，先進(jìn)行普通警報音報警，然后用聲音警告+火花放電，此階段以心理威懾為主，使其知難而退，盡量做到不戰(zhàn)而屈人之兵；

情況二：當(dāng)機(jī)械鎖被破壞，傳感器檢測不到車鎖閉合狀態(tài)時，或車座受壓力或檢測到較大位移時，車身對偷盜者實(shí)施電弧灼燒，造成輕微燙傷和疼痛，迫使其放棄目標(biāo)，停止偷盜行為；

情況三：檢測到車體有向上的加速度并持續(xù)位移時，進(jìn)行電弧灼燒，同時激活GPS模塊，發(fā)送信息通知車主并持續(xù)定位；

情況四：通過身份識別模塊識別出車主身份，或當(dāng)車鎖正常解鎖（借車）則自行車防盜系統(tǒng)關(guān)閉?；蛘咦R別出停車場管理員身份后，系統(tǒng)暫停兩分鐘，允許一定程度移動。

（圖2.7.1）

（四）具體實(shí)施過程

1.根據(jù)思路進(jìn)行設(shè)計

①電子機(jī)械鎖部分：繪制設(shè)計草圖、原理圖，根據(jù)參考書籍進(jìn)行計算和仿真測試，根據(jù)仿真結(jié)果驗(yàn)證思路的可行性并對思路進(jìn)行修正。機(jī)械電子鎖的觸點(diǎn)相當(dāng)于圖中的電容器，使用半徑為1mm的半球時通路電容約為5pF，在如圖所示的參數(shù)設(shè)置時效果最好，測量點(diǎn)電位可在150微秒內(nèi)達(dá)到識別閾值。

②中控器電路部分：把手繪的草圖在Altium Designer進(jìn)行優(yōu)化并繪制原理圖。由于時間有限，此演示模型的功能僅僅是基于震動計數(shù)的報警。例如，打開總開關(guān)，6秒后進(jìn)入警戒狀態(tài)，開始檢測傳感器狀態(tài)。由于時間關(guān)系這里使用4個開關(guān)作為傳感器，3個水銀開關(guān)可以檢測當(dāng)前自行車的放置情況，另一個是震動開關(guān)。

（圖2.7.2 在面包板上測試）

此外，主板還可以用于連接各集成模塊，相應(yīng)功能的電路與其分控制器集成在一塊電路板上，每塊擴(kuò)展板都有它自己的控制器，所以理論上可以在主板上無限地增減子系統(tǒng)，以滿足各類用戶的不同需求。

根據(jù)原理圖，使用keil進(jìn)行編程，最后在面包板上對關(guān)鍵部分進(jìn)行測試，并根據(jù)結(jié)果對設(shè)計經(jīng)行修改。

（圖 2.7.3 手繪高壓火花放電裝置驅(qū)動電路原理示意圖）

③威懾系統(tǒng)：

A組——心理威懾

手繪高壓火花放電裝置驅(qū)動電路原理示意圖

此電路驅(qū)動的脈沖高壓發(fā)生器為警用電擊棍的高壓脈沖逆變器，控制好輸出電極間距可控制打火頻率和爆響幅度。

B組——生理威懾

（截圖 2.8.1 使用AutoCAD繪制設(shè)計圖）

由于涉及到高壓電擊，為確保安全，首先收集資料。根據(jù)中華人民共和國國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 13870.1-2008》（針對100Hz以下）第五條 “擺脫閾……約5mA的數(shù)值適用于所有人”和《GB/T 13870.2-1997》第六條“頻率在100KHz以上，電流強(qiáng)度約為數(shù)百毫安時，感知由較低頻率時特有的刺痛感轉(zhuǎn)變?yōu)橐环N溫?zé)岣??！?、“頻率在100KHz以上時，關(guān)于心室纖維性顫動閾既無實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，也無事故報道。”

綜合相關(guān)資料分析得出：頻率較低時（50～100Hz）10mA電流將產(chǎn)生劇烈疼痛，超過500mA時可能致死；頻率較高時（100KHz以上）由于趨膚效應(yīng)，電流難以傷及內(nèi)臟，只會對表層皮膚造成灼燒，電流達(dá)數(shù)百毫安甚至數(shù)安培時也不易造成致命危險。再參考醫(yī)療領(lǐng)域使用的“高頻電刀”的設(shè)計，我組設(shè)計的諧振頻率取800KHz。

④系統(tǒng)整體外觀設(shè)計：使用AutoCAD 繪制外觀三視圖

整體設(shè)計為細(xì)長圓柱體，裝于自行車座位下的鋼筒內(nèi)。外殼使用電阻率適中的導(dǎo)電橡膠材質(zhì)，不僅可以起到電磁屏蔽的作用，一定的彈性還可以起到緩沖作用，充分保護(hù)內(nèi)部電路。美觀的同時還具有很強(qiáng)的保護(hù)能力。

⑤系統(tǒng)的電磁屏蔽設(shè)計

系統(tǒng)安裝在自行車內(nèi)部，系統(tǒng)工作時處于強(qiáng)電磁環(huán)境中，參考《GB/T 17799.1-1999》對系統(tǒng)封裝外殼的電磁屏蔽設(shè)計如下：用雙層相對電阻率約為10KΩ/cm(φ1.75mm)的導(dǎo)電橡膠3D打印壁厚為0.4mm圖4.10.1中的外殼，用厚度約為0.04mm鋁箔緊密包被后用環(huán)氧樹脂浸潤，鋁箔與系統(tǒng)接地相接。各組件間的連接線為被上述鋁箔緊密包被的φ0.2mm漆包線多絞后用熱縮管封裝，于自行車內(nèi)部走線，所有屏蔽層鋁箔均與系統(tǒng)接地后，從系統(tǒng)接地處連接自行車身進(jìn)行總接地。

2.根據(jù)設(shè)計制作模型

①電子機(jī)械鎖部分：使用3D設(shè)計軟件MAYA建立三維模型，并使用3D打印機(jī)打印出模型打印件，在打印模型上安裝電路。

（截圖 2.9.1 用MAYA制作的三維模型）

（照片 2.9.2 使用3D打印機(jī)打印模型）

（圖 2.9.3 手繪鎖內(nèi)電路原理圖）

（照片 2.9.4 在打印的模型上安裝電路）

上圖所示為鎖身的示意模型，鎖舌為球形導(dǎo)體，卡簧為兩根金屬桿。正常情況下鎖舌被卡簧鎖住，鎖舌開關(guān)閉合，分控器MCU向中控器輸出安全信號；一旦暴力破壞，如扭曲、拉扯等，都會造成球形鎖舌錯位，鎖舌開關(guān)斷開，則MCU停止輸出安全信號，中控器判定為鎖身被破壞。

②中控器部分：使用油性記號筆在覆銅板上繪制出布線，之后使用微型電鉆打孔，再使用PCB腐蝕劑對覆銅板腐蝕，然后焊接元件，最后上電測試。

③威懾系統(tǒng)高壓模塊：根據(jù)計算得到的參數(shù)，手工自制電感器和電容器。

（照片 2.10.1 線路板手工布線）

（照片 2.10.2 電路板打孔）

（照片 2.10.3 氫氧化鈉煮板洗去記號筆）

（照片 2.10.4 ）

（照片 2.11.1）

（照片 2.11.2）

3.對模型進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測試

①電子機(jī)械鎖部分：通過電容計測量鑰匙上的電容，導(dǎo)通部分平均電容約為4.43pF、開路部分平均電容小于電容計量程，大約為0.08pF。用尼龍材料、電壓12V，在1MHz的頻率時，在鑰匙插入200mS內(nèi)可識別出鑰匙。插拔30次成功識別30次，識別率100%。在未解鎖時強(qiáng)行打開100%輸出報警信號。

②中控器及程序：多次重啟，在3種情景測試10次，沒有誤判，程序執(zhí)行正確率100%。實(shí)現(xiàn)原理主要是通過計數(shù)計時器中斷和外部中斷進(jìn)行比較，達(dá)到預(yù)設(shè)條件時讀取傳感器狀況，根據(jù)預(yù)設(shè)的情況進(jìn)行特定的報警。

③威懾系統(tǒng)A組——高壓火花心理威懾模塊：人類會本能地對電弧以及放電時尖銳的噪音感到恐懼。通過刺耳的電弧放電，可對偷盜者造成心理威懾，使其放棄偷盜動機(jī)，做到“不戰(zhàn)而屈人之兵”。

③威懾系統(tǒng)B組——灼燒生理威懾模塊：如右圖所示，在600KHz、空載最大電壓約120KV、拉弧耗電功率50W時，拉弧長度可達(dá)8厘米。此裝置不僅可使車身帶電，還能使其周圍一定范圍內(nèi)的金屬導(dǎo)體帶電，偷盜者只要碰觸到車身的關(guān)鍵部位就會遭受灼燒，產(chǎn)生強(qiáng)烈的灼燒刺痛，這樣的灼燒足以迫使其放棄偷盜行為。即使戴著絕緣手套仍然能產(chǎn)生灼燒。

（照片2.12.1）

（照片2.12.2）

（照片2.13.1 灼燒效果）

（照片2.13.2 隔空的金屬帶電并產(chǎn)生電?。?/p>

參照GB/T 13870.2-1997和百度百科“安全電流”詞條，對平均身高/體重為180cm/ 62KG的3男和176cm/50KG的2女進(jìn)行測試，根據(jù)受試者感受繪制下表。

（圖表2.14.1）

實(shí)測證明，只會燒灼表層皮膚，造成灼燒和疼痛。通過嚴(yán)格的保護(hù)模塊，并調(diào)整諧振程度和頻率，用手靠近電極便會引出電弧，但對身體幾乎沒有損傷，只會造成劇烈的刺痛。

【總結(jié)和分析】

一、研究的成效與思考

（一）目前取得的成果

目前已初步制作出測試原型，對原型進(jìn)行測試：電子機(jī)械鎖部分解鎖時間在200毫秒以內(nèi)、識別率100%；中控器部分工作穩(wěn)定，演示程序正確率100%，并且對用戶開放，用戶可自行下載其他程序或固件；威懾系統(tǒng)中高壓火花聲光心理威懾模塊產(chǎn)生爆破音可達(dá)60分貝（特別情況下可超過70分貝）；威懾系統(tǒng)中的電弧生理威懾模塊產(chǎn)生的電弧可以擊穿8層一次性醫(yī)用丁腈手套，單次100毫秒放電可在皮膚表面灼燒出芝麻粒大小的疤痕，疼痛程度適中，類似于針扎。

各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到設(shè)計要求，安全性可控。

（二）特色

①將鑰匙和鎖芯的機(jī)械結(jié)構(gòu)本身作為電路的一部分，充分使電子和機(jī)械相結(jié)合，大幅提高防盜性能、簡化鎖芯制造工藝；②將接近時產(chǎn)生的分布電容作為電路的一部分，偷盜者只要接觸到車身的金屬部分即可閉合回路，產(chǎn)生電弧，在偷盜者皮膚表面造成可控的灼燒和輕微的刺痛，迫使其放棄偷盜行為，使之無法繼續(xù)行動；③通過智能中控器連接“電子機(jī)械鎖”和威懾系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)直接防盜和主動防盜相結(jié)合，提高防盜效率，最大限度地提升防盜效果、減小被盜風(fēng)險。

（三）產(chǎn)品試用報告

①功耗情況：在低集成度下，守衛(wèi)模式待機(jī)功耗約為500mW；心理威懾30秒的平均功率約為3W；生理威懾20秒的平均功率約為20W；解鎖時鎖芯識別鑰匙的功耗約為100mW；彈開卡簧的瞬時功率約45W。

②防盜效果：“電子機(jī)械鎖”直接參與防盜，不僅能阻礙偷盜者，還能作為一個傳感器，將相關(guān)數(shù)據(jù)呈遞給中控器；主動防盜中，通過生理威懾可直接阻止偷盜者的行為，使偷盜者無法繼續(xù)作案。

③安全性：電池使用移動電源中的18650鋰電池，此類電池較為安全穩(wěn)定；串聯(lián)諧振變壓器對人體的損傷小于GB/T 7964-2008中電子圍欄對人體的損傷。

④科學(xué)性：本設(shè)計核心原理為交流電能夠通過電容器，在本設(shè)計中，鑰匙、人體都等效為電容器，使用電子技術(shù)產(chǎn)生適宜的交流電即可形成回路。

⑤創(chuàng)新性：本課在鎖具和防盜方式兩個方面分別創(chuàng)新出“電子機(jī)械鎖”和放電威懾的“主動防盜”兩個創(chuàng)新，并提出直接防盜和主動防盜相結(jié)合的創(chuàng)新點(diǎn)。根據(jù)查新，沒有找到與上述創(chuàng)新相似的文獻(xiàn)。

⑥實(shí)用性：本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了從傳統(tǒng)的被動防盜向主動防盜的創(chuàng)新，直接防盜和主動防盜相結(jié)合，最大限度地降低被盜風(fēng)險，保護(hù)財產(chǎn)安全，有較高的實(shí)用價值。此外，本系統(tǒng)還能作為物聯(lián)網(wǎng)的一個節(jié)點(diǎn)，具有較大的發(fā)展空間。

⑦可行性：目前已基本制出測試模型，當(dāng)前技術(shù)和工具足夠進(jìn)行批量生產(chǎn)。量產(chǎn)成本預(yù)算約為600至1200元人民幣，遠(yuǎn)小于中高檔自行車的價值。

根據(jù)內(nèi)測用戶的反饋和評估繪制下列圖表：

（圖表3.1.1 設(shè)備安全性評估）

（圖表3.1.2 設(shè)備性能評估）

（圖表3.1.3 設(shè)備壽命評估）

（圖表3.1.2 設(shè)備易用性評估）

二、不足和展望

（一）不足

①成本高（預(yù)算估價為600元/套）。

②安裝后很難拆卸，維護(hù)困難。

③電池續(xù)航時間有限。理論待機(jī)時間為100小時，放電僅能持續(xù)20分鐘。

（二）展望

此設(shè)計還可以用于：

①家庭防盜門：一旦被暴力破壞，主動威懾偷盜者、驅(qū)趕偷盜者的同時向保安室或派出所報案。

②電動車等需要較高防盜級別的車輛：配合其他驅(qū)動電路，將此系統(tǒng)與車輛的電路相連接，使車輛智能化。

③中控系統(tǒng)還可以安裝其他拓展模塊以滿足廣大用戶的多種需求，例如基于人體紅外熱釋電的熱源感應(yīng)模塊，增強(qiáng)系統(tǒng)的感知能力，使系統(tǒng)更加智能。

④構(gòu)建物聯(lián)網(wǎng)：此系統(tǒng)增設(shè)無線通信拓展模塊并安裝相應(yīng)軟件即可搭建網(wǎng)絡(luò)連接，把每個系統(tǒng)作為物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)智慧交通、智慧城市。