安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司合肥分公司 魏金久

安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司 陳賽賽 張 勇

新型車載警衛(wèi)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司合肥分公司 魏金久

安徽博微長(zhǎng)安電子有限公司 陳賽賽 張 勇

研究設(shè)計(jì)出一種新型車載警衛(wèi)系統(tǒng)，闡述了其雷達(dá)模塊、藍(lán)牙模塊、短信模塊、電源模塊設(shè)計(jì)方案及工作流程，以期為該系統(tǒng)在車輛定位、車輛異常告警等領(lǐng)域的應(yīng)用提供參考。

車載；天線；藍(lán)牙；定位；報(bào)警

隨著車輛的普及以及智能傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，車載報(bào)警系統(tǒng)開發(fā)受到人們的普遍關(guān)注，并逐步應(yīng)用于車輛破窗、破門盜竊等領(lǐng)域[1]。在此背景下，設(shè)計(jì)了一種新型車載警衛(wèi)系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)車輛定位、車內(nèi)異?；顒?dòng)告警等功能。

1.新型車載警衛(wèi)系統(tǒng)概述

新型車載警衛(wèi)系統(tǒng)采用ARM M3單片機(jī)為控制核心，ARM M3單片機(jī)通過(guò)GPIO口，串口與多種傳感器和短信通知系統(tǒng)連接。根據(jù)模塊功能，該系統(tǒng)可分為雷達(dá)模塊、藍(lán)牙單元、短信模塊和電源模塊。

圖1 車載警衛(wèi)系統(tǒng)架構(gòu)圖

圖1所示的車載警衛(wèi)系統(tǒng)包括用于確認(rèn)車內(nèi)情況的雷達(dá)模塊1，用于系統(tǒng)控制的ARM M3控制核心2，用于確認(rèn)車主位置的藍(lán)牙單元3（藍(lán)牙單元由系統(tǒng)藍(lán)牙收發(fā)模塊4和鑰匙藍(lán)牙收發(fā)模塊5組成），用于通知車輛管理人員的短信模塊6，用于給系統(tǒng)供電的電源模塊7。

2.系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

2.1 雷達(dá)模塊

雷達(dá)模塊以多普勒效應(yīng)為依據(jù)，當(dāng)無(wú)線電波在行進(jìn)過(guò)程中碰到物體時(shí)，該電波會(huì)被反射，反射波的頻率會(huì)隨碰到物體的移動(dòng)狀態(tài)而改變。如果無(wú)線電波碰到物體的位置是固定的，那么反射波的頻率和發(fā)射波的頻率應(yīng)該相等。如果無(wú)線電波碰到的物體是移動(dòng)的，則反射波的頻率會(huì)隨之增大或者減小。

2.1.1 雷達(dá)模塊組成及功能

本系統(tǒng)中的雷達(dá)模塊核心采用英飛凌公司的BGT24LTR11硅鍺制成雷達(dá)收發(fā)一體芯片。用基頻24GHz VCO（壓控振蕩器）把工作頻率控制在24.0GHz到24.25GHz ISM 頻段，利用含1收1發(fā)陣元的高頻天線進(jìn)行電磁波發(fā)送與接收，雷達(dá)模塊在本系統(tǒng)中是核心模塊，利用CW模式確認(rèn)車內(nèi)是否有移動(dòng)物體[2]。

2.1.2 雷達(dá)模塊電路設(shè)計(jì)

圖2 雷達(dá)模塊BGT24LTR11電路設(shè)計(jì)圖

雷達(dá)收發(fā)一體芯片BGT24LTR11通過(guò)antenna_TX與天線的發(fā)送陣元連接，antenna_RX與天線接收陣元連接，采用CW模式，通過(guò)發(fā)送和接收微波可獲得多普勒頻率fd。

其中，ftx發(fā)射頻率為24GHz，c0為光速3*108m/s，v目標(biāo)速度單位為m/ s，α為雷達(dá)波束和目標(biāo)運(yùn)動(dòng)方向的夾角，單片機(jī)的頻率捕獲單元連接雷達(dá)芯片BGT24LTR11的DIV_OUT口，單片機(jī)通過(guò)該口連續(xù)讀取fd。

將發(fā)射頻率ftx=24GHz帶入公式1，可得到IF輸出的多普勒頻率fd。fd=v*160*cosα（v單位為m/s），測(cè)量的速度值與cosα相關(guān)，當(dāng)物體移動(dòng)時(shí)，α值就會(huì)改變，從而發(fā)生速度變化。

2.1.3 雷達(dá)天線設(shè)計(jì)

雷達(dá)模塊處于車內(nèi)，車體的金屬外框可以屏蔽大多數(shù)外界因素對(duì)雷達(dá)模塊的干擾，由于該模塊處于車內(nèi)環(huán)境，天線不宜太大，且無(wú)需較大的增益。

根據(jù)車內(nèi)環(huán)境特點(diǎn)，天線設(shè)計(jì)采用微帶線中心饋電方案，微帶介質(zhì)基板選擇Arlon AD255A，介電常數(shù)εr=2.55，損耗正切值為0.0015，選擇基片厚度h為0.5mm，天線設(shè)計(jì)中心頻率24GHz，駐波比不大于2。

根據(jù)理論推導(dǎo)和修正可得天線尺寸為：寬度W=4.69mm，長(zhǎng)度L=3.55mm，εe=2.29，ΔL=0.24。

2.1.4 軟件仿真

使用HFSS軟件設(shè)計(jì)天線并仿真，得出天線的回波損耗和天線駐波比。

2.1.4.1 回波損耗

圖3 回波損耗仿真圖

從仿真圖可以看出天線的諧振中心點(diǎn)為24GHz，符合系統(tǒng)信號(hào)頻率24.0GHz到24.25GHz的收發(fā)要求。

2.1.4.2 天線駐波比

圖4 天線駐波比仿真圖

從仿真圖可以看出天線駐波比為1.55，不大于駐波比2，滿足系統(tǒng)天線輻射信號(hào)的要求。

2.2 藍(lán)牙單元

本系統(tǒng)中藍(lán)牙單元由系統(tǒng)藍(lán)牙收發(fā)模塊和鑰匙藍(lán)牙收發(fā)模塊組成，藍(lán)牙模塊核心采用TI公司的cc2541藍(lán)牙芯片，通信中心頻率為2.4GHz，模塊PCB上自帶印刷天線，無(wú)需額外增加外接獨(dú)立的天線[3]。

當(dāng)需要確認(rèn)車主是否在車內(nèi)時(shí)，單片機(jī)通過(guò)系統(tǒng)藍(lán)牙收發(fā)模塊與鑰匙藍(lán)牙收發(fā)模塊進(jìn)行配對(duì)，獲取車主位置。本系統(tǒng)中的兩個(gè)藍(lán)牙模塊全部采用市面常用的標(biāo)準(zhǔn)、低功耗、小尺寸藍(lán)牙模塊。

2.2.1 藍(lán)牙單元電路

圖5 藍(lán)牙單元CC2541電路設(shè)計(jì)圖

2.2.2 藍(lán)牙單元工作模式

本系統(tǒng)藍(lán)牙收發(fā)模塊是由單片機(jī)通過(guò)SPI口與藍(lán)牙芯片連接并工作在主機(jī)觀察者模式下，鑰匙藍(lán)牙收發(fā)模塊工作在從機(jī)廣播模式下。

本系統(tǒng)藍(lán)牙收發(fā)模塊通過(guò)不斷搜索并配對(duì)鑰匙藍(lán)牙收發(fā)模塊，如果藍(lán)牙配對(duì)成功則說(shuō)明車主在車內(nèi)或附近，否則說(shuō)明車主離車較遠(yuǎn)。

2.3 短信模塊

本系統(tǒng)中的短信模塊采用市場(chǎng)上通用的SIM900A模塊，SIM900A是緊湊型、高可靠性的無(wú)線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS 900/1800 MHz模塊解決方案，采用功能強(qiáng)大的處理器ARM9216EJ-S內(nèi)核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發(fā)要求[4]。系統(tǒng)中主要用到其SMS功能，天線使用的是市面普通的膠棒天線。

2.3.1 短信模塊電路

圖6 短信模塊sim卡槽電路設(shè)計(jì)圖

圖7 短信模塊sim900a電路設(shè)計(jì)圖

2.3.2 短信模塊工作模式

短信模塊SIM900A通過(guò)串口與單片機(jī)連接，平時(shí)處于休眠模式。當(dāng)系統(tǒng)需要與用戶通信時(shí)，由單片機(jī)打開SIM900A模塊電源，SIM900A模塊通過(guò)AT命令可以返回當(dāng)前所處位置服務(wù)小區(qū)或者臨近小區(qū)的交互信息，網(wǎng)絡(luò)號(hào)包括當(dāng)前的服務(wù)小區(qū)或臨近小區(qū)號(hào)，然后根據(jù)這個(gè)號(hào)可以定位到所在位置。短信模塊將位置信息和異常信息通過(guò)短信方式發(fā)送給用戶或其他指定人員。

2.4 電源模塊

本系統(tǒng)通過(guò)車內(nèi)閱讀燈或點(diǎn)煙器口取電，車內(nèi)閱讀燈和點(diǎn)煙器為車內(nèi)常開電源，因此停車后仍可正常為系統(tǒng)供電。

電源模塊電路主要分為12v轉(zhuǎn)5v電路、5v轉(zhuǎn)3.3v電路、輸入防反接電路、模塊電源控制電路四部分電路。其中，12v轉(zhuǎn)5v電路用于將從車內(nèi)閱讀燈和點(diǎn)煙器接入的+12V電源降壓供整個(gè)系統(tǒng)使用；5v轉(zhuǎn)3.3v電路用于為單片機(jī)（ARM M3）供電；輸入防反接電路用于防止輸入正反接錯(cuò)損壞系統(tǒng)；模塊電源控制電路用于控制雷達(dá)模塊、藍(lán)牙模塊和短信模塊的電源，讓3個(gè)模塊分時(shí)使用。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，電源模塊供給雷達(dá)模塊、藍(lán)牙模塊、短信模塊的部分均有單片機(jī)控制。原因如下：（1）由于整個(gè)系統(tǒng)中射頻部分較多，同時(shí)開啟時(shí)容易相互干擾，且各模塊不會(huì)同時(shí)運(yùn)行，因此采用分時(shí)控制的方式，根據(jù)策略打開需要用到的模塊。（2）閱讀燈和點(diǎn)煙器供電能力有限，且電源取自車載電瓶，因此按需求打開模塊，可以節(jié)約用電，降低車載電瓶的負(fù)擔(dān)。

3.系統(tǒng)工作流程

(1)系統(tǒng)上電后單片機(jī)完成初始化（此時(shí)所有模塊電源口均為關(guān)閉狀態(tài)），然后開始系統(tǒng)自檢工作，單片機(jī)逐一給模塊上電檢測(cè)模塊是否正常，檢測(cè)全部正常后關(guān)閉所有模塊電源，否則進(jìn)行狀態(tài)燈報(bào)告系統(tǒng)狀態(tài)。(2)系統(tǒng)自檢完成后打開系統(tǒng)藍(lán)牙收發(fā)模塊電源，系統(tǒng)藍(lán)牙收發(fā)模塊嘗試與車主鑰匙上的鑰匙藍(lán)牙收發(fā)模塊進(jìn)行配對(duì)。如果配對(duì)成功說(shuō)明車主在附近或車內(nèi)情況處于車主控制下。(3)如果藍(lán)牙配對(duì)不成功，系統(tǒng)關(guān)閉藍(lán)牙，打開雷達(dá)模塊電源，然后使用雷達(dá)模塊對(duì)車內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)，雷達(dá)模塊可測(cè)出物體的運(yùn)動(dòng)，單片機(jī)根據(jù)雷達(dá)模塊的測(cè)量參數(shù)判斷車內(nèi)是否有移動(dòng)的物體。如果沒有檢測(cè)到移動(dòng)的物體，那么回到步驟(3)。(4)當(dāng)單片機(jī)通過(guò)雷達(dá)模塊確認(rèn)車內(nèi)有移動(dòng)物體后，單片機(jī)關(guān)閉雷達(dá)模塊電源，運(yùn)行步驟(2)。(5)系統(tǒng)藍(lán)牙收發(fā)模塊與鑰匙藍(lán)牙收發(fā)模塊配對(duì)不成功，單片機(jī)關(guān)閉系統(tǒng)藍(lán)牙收發(fā)模塊電源，打開短信模塊電源，短信模塊讀取sim卡中預(yù)存的手機(jī)號(hào)碼，然后發(fā)送異常狀態(tài)給這些號(hào)碼。發(fā)送完畢后單片機(jī)關(guān)閉短信模塊電源。(6)當(dāng)系統(tǒng)發(fā)送出異常狀態(tài)給手機(jī)后進(jìn)入等待狀態(tài)，以后每10分鐘讀取系統(tǒng)是否被車主復(fù)位，或者重復(fù)進(jìn)行(2)～(5)的步驟確認(rèn)車內(nèi)異常是否被排除。

圖8 車載警衛(wèi)系統(tǒng)工作流程圖

4.結(jié)語(yǔ)

隨著車輛的普及與智能傳感技術(shù)的不斷發(fā)展，車輛報(bào)警系統(tǒng)得到人們的普遍關(guān)注。本系統(tǒng)在駐車后可以甄別車體振動(dòng)和車內(nèi)物體活動(dòng)，并根據(jù)車主位置智能控制告警，而其它產(chǎn)品只能監(jiān)測(cè)車體振動(dòng)強(qiáng)度，且無(wú)法檢測(cè)車主位置，不能根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況控制告警。當(dāng)車輛丟失后，本系統(tǒng)檢測(cè)到車內(nèi)有非車主人員駕駛車輛，可以每隔一段時(shí)間發(fā)送車輛位置信息，從而幫助定位車輛。此外，當(dāng)車主遺忘小孩或?qū)櫸镌谲噧?nèi)時(shí)，本系統(tǒng)可以每隔一段時(shí)間發(fā)送異常信息到車主和其他關(guān)系人手機(jī)，幫助第一時(shí)間救助。電源控制方面，本系統(tǒng)采用智能電源控制，正常情況下只有單片機(jī)每隔一段時(shí)間打開雷達(dá)模塊進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在出現(xiàn)異常情況時(shí)才會(huì)開啟其它功能模塊，極大減少對(duì)汽車電瓶的損耗。

[1]楊濤,韓宇光,程超,等.車載監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].裝備制造技術(shù),2017,(3):257-258.

[2]翁麗靖,張熙昀.新型自動(dòng)門系統(tǒng)控制器[J].電子工程師,2007,33(1): 77-80.

[3]李有文,余建華,胡琳.基于CC2541藍(lán)牙技術(shù)的雙向防丟器設(shè)計(jì)[J].機(jī)械工程與自動(dòng)化,2016,(4):194-195.

[4]孔棟,鄭建宏.基于STM32和SIM900A的無(wú)線通信模塊設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電子設(shè)計(jì)工程,2014,22(17):106-110.

魏金久（1983－），男，工程師，主要研究方向?yàn)樾盘?hào)處理與汽車電子。

陳賽賽（1988－），男，碩士，工程師。