張 迎，劉樹(shù)臣，任寧寧

(山東商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，山東 濟(jì)南 250103)

1.引言

據(jù)公安部交管局統(tǒng)計(jì)，截至2020年6月底，全國(guó)汽車(chē)保有量達(dá)2.7億輛。汽車(chē)給人們的生活帶來(lái)了越來(lái)越多的便利，同時(shí)人們也需要對(duì)汽車(chē)的行車(chē)狀態(tài)實(shí)時(shí)關(guān)注和定期維護(hù)，否則，汽車(chē)可能會(huì)出現(xiàn)不可預(yù)知的異常，給車(chē)主帶來(lái)?yè)p失和不便。

為了保障車(chē)輛的正常行駛，不同品牌的汽車(chē)均設(shè)計(jì)了警告電路，當(dāng)某系統(tǒng)出現(xiàn)異常時(shí)，會(huì)以警告燈的形式顯示在儀表板上，便于及時(shí)發(fā)現(xiàn)維修。然而對(duì)于停放后的車(chē)輛的狀態(tài)卻不能很好地監(jiān)控反饋。以某合資品牌某地區(qū)的汽車(chē)故障維修類(lèi)型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，各類(lèi)故障的統(tǒng)計(jì)比例如圖1所示。

圖1 某合資品牌維修統(tǒng)計(jì)比例

從圖1中可以看到，停放汽車(chē)的故障主要有汽車(chē)電瓶電量低造成無(wú)法啟動(dòng)、停放的車(chē)輛被外物碰撞或刮蹭、線路老化車(chē)輛自燃及部分輪胎故障等，約占維修統(tǒng)計(jì)數(shù)的一半以上，因此，停放車(chē)輛的安全實(shí)時(shí)監(jiān)控非常有必要。當(dāng)前，停放車(chē)輛的監(jiān)控形式主要以汽車(chē)行駛記錄儀為主，而記錄儀也只能拍攝車(chē)輛振動(dòng)時(shí)的正面圖像，一段時(shí)間后該圖像還會(huì)被自動(dòng)覆蓋，全面性、時(shí)效性非常受限。

針對(duì)市場(chǎng)現(xiàn)狀及需求，本文設(shè)計(jì)了一種停放車(chē)輛的安全實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，有效地實(shí)現(xiàn)對(duì)蓄電池電瓶電壓、車(chē)輛碰撞、是否自燃進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并及時(shí)通知車(chē)主，避免出現(xiàn)車(chē)輛虧電無(wú)法啟動(dòng)、碰撞后逃逸等情況，實(shí)時(shí)預(yù)防減少不必要的麻煩和損失。

2.總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車(chē)停放狀態(tài)下有可能出現(xiàn)的汽車(chē)蓄電池異常、汽車(chē)刮蹭碰撞、自燃等情況，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控預(yù)警，監(jiān)控的數(shù)據(jù)信息由中央處理器MCU進(jìn)行分析處理，并通過(guò)通訊模塊發(fā)送給車(chē)主進(jìn)行預(yù)警，如圖2所示。

圖2 總體設(shè)計(jì)框圖

2.1 通訊方式

實(shí)現(xiàn)車(chē)輛狀態(tài)和車(chē)主間的通訊有兩種不同的方式，4G網(wǎng)絡(luò)下的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸及短信息方式。4G無(wú)限網(wǎng)絡(luò)具有傳輸速率快、大數(shù)據(jù)量傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，但需架設(shè)單獨(dú)服務(wù)器，投入成本高、實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，不適合本系統(tǒng)。短信息通訊方式傳輸數(shù)據(jù)小、成本低廉、實(shí)現(xiàn)方便、部署簡(jiǎn)單；本系統(tǒng)正常監(jiān)控時(shí)，也只是在監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)異常時(shí)才進(jìn)行短信息通訊，傳輸頻次很低、信息內(nèi)容較小，較符合本系統(tǒng)所需的通訊方式。通訊方式如圖3所示。

圖3 短信息通訊路徑

2.2實(shí)現(xiàn)方式

相對(duì)于傳統(tǒng)單片機(jī)，ARM處理器價(jià)格同樣不高，但它主頻更高、外設(shè)和資源更豐富，以STM32為例，Cortex-M3內(nèi)核，最高工作頻率72MHz，同樣具備開(kāi)發(fā)簡(jiǎn)單、快速開(kāi)發(fā)的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)功能、兼顧成本功耗，本系統(tǒng)采用STM32系列作為系統(tǒng)MCU。

3.硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的功能，硬件部分包括中央處理器MCU、停放車(chē)輛安全監(jiān)控模塊、短消息通訊模塊及電源電路[1]。

3.1MCU模塊

STM32系列單片機(jī)是由意法半導(dǎo)體公司開(kāi)發(fā)的內(nèi)核為Cortex-M3的應(yīng)用型MCU[2]，由于其擁有強(qiáng)可操作性和高性能的特點(diǎn)，在MCU市場(chǎng)上極受歡迎。STM32包含增強(qiáng)型、基本型、互聯(lián)型三個(gè)系列，STM32F103RB屬于增強(qiáng)型MCU，功耗低，僅有35mA，最高工作頻率72MHz，另外STM32F103RB資源豐富，擁有256KB的FLASH，3個(gè)SPI接口、5個(gè)串口、3個(gè)12位ADC、48個(gè)通用IO接口等。

由于系統(tǒng)需要控制多個(gè)模塊，需要的接口較多，為了穩(wěn)定有效地控制外圍電路，采用STM32F103RB作為系統(tǒng)MCU[3]。

3.2車(chē)輛碰撞監(jiān)測(cè)模塊

正常情況下，車(chē)輛處于靜止?fàn)顟B(tài)，而當(dāng)車(chē)輛被碰撞時(shí)，車(chē)輛會(huì)發(fā)生振動(dòng)，故采用振動(dòng)傳感器模塊實(shí)現(xiàn)碰撞的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)[4]。

本系統(tǒng)采用震動(dòng)傳感器模塊SW-18010P，如圖4所示，SW-18010P的內(nèi)部是一個(gè)電阻應(yīng)變片，當(dāng)振動(dòng)達(dá)到一定程度后，電阻應(yīng)變片阻值改變，從而改變輸出電壓，超過(guò)域值后實(shí)現(xiàn)報(bào)警，SW-18010P通過(guò)GPIO與MCU進(jìn)行連接，采用中斷方式進(jìn)行工作。

圖4 震動(dòng)傳感器模塊SW-18010P

3.3 溫度傳感器模塊

溫度傳感器模塊用于監(jiān)測(cè)判斷車(chē)輛是否發(fā)生了自燃，正常情況下車(chē)內(nèi)最高溫度在夏天可以達(dá)到60-70攝氏度，系統(tǒng)將溫度預(yù)警值設(shè)置為80攝氏度，如果高于此溫度，可判定車(chē)輛高溫異常，可能發(fā)生了自燃。溫度傳感器模塊采用DS18B20測(cè)溫模塊，如圖5所示，DS18B20測(cè)溫模塊是美國(guó)DALLAS公司生產(chǎn)的單總線數(shù)字溫度傳感器，測(cè)溫范圍-50度～+200度，內(nèi)配存儲(chǔ)器，掉電后數(shù)據(jù)不會(huì)消失。DS18B20與MCU通過(guò)通用的I/O接口連接，由MCU的ADC端口進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)測(cè)。

圖5 DS18B20測(cè)溫模塊

3.4蓄電池電壓監(jiān)測(cè)單元

汽車(chē)停放后，仍會(huì)有部分用電器在工作耗電，正常情況下耗電不大，但隨著車(chē)輛一些功能部件的老化，電阻變大，耗電增多，俗稱“漏電”。漏電不僅會(huì)降低蓄電池的正常使用壽命，還可能會(huì)使車(chē)輛無(wú)法啟動(dòng)，特別是冬天這種現(xiàn)象更加明顯。

為解決上述問(wèn)題，系統(tǒng)設(shè)置蓄電池監(jiān)測(cè)單元對(duì)蓄電池的電壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，汽車(chē)蓄電池正常使用時(shí)的電壓大約為11.5V-13.5V，當(dāng)?shù)陀?1.5V時(shí)，屬于欠壓狀態(tài)，需要及時(shí)充電，當(dāng)?shù)陀?0.6V時(shí)，會(huì)損壞蓄電池且影響車(chē)輛正常啟動(dòng)，當(dāng)?shù)陀谠撾妷簳r(shí)進(jìn)行電壓預(yù)警。

蓄電池電壓被蓄電池監(jiān)測(cè)單元中設(shè)置的電阻分壓后，連接到MCU的ADC端口，由MCU對(duì)電瓶電壓進(jìn)行監(jiān)測(cè)[5]。

3.5 GSM通訊模塊

GSM通訊模塊通過(guò)UART與MCU相連。MCU控制GSM模塊將汽車(chē)碰撞、電壓預(yù)警、溫度預(yù)警信息以短消息的方式發(fā)送到車(chē)主手機(jī)，及時(shí)提醒車(chē)主?？紤]到價(jià)格、體積、性能等因素，模塊采用SIMCOM公司的SIM900模塊如圖6所示。SIM900模塊采用標(biāo)準(zhǔn)AT指令控制工作方式，實(shí)現(xiàn)發(fā)送短信和語(yǔ)音通話。

圖6 SIM900模塊

4.軟件設(shè)計(jì)

4.1主程序設(shè)計(jì)

為了降低功耗，系統(tǒng)設(shè)定了停用模式和定時(shí)RTC喚醒工作方式，喚醒觸發(fā)后，進(jìn)行一次系統(tǒng)監(jiān)測(cè)[6]。同時(shí)，報(bào)警功能也進(jìn)行了重復(fù)報(bào)警的設(shè)置，如短信發(fā)出后，車(chē)主未作處理，將重復(fù)短信報(bào)警，時(shí)間間隔為1小時(shí)。如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

4.2蓄電池監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在RTC喚醒或中斷喚醒后進(jìn)入蓄電池電壓監(jiān)測(cè)程序，系統(tǒng)通過(guò)ADC計(jì)數(shù)多次采樣取平均測(cè)量值[7]，判斷蓄電池電壓是否正常。如圖8所示。

圖8 蓄電池電壓監(jiān)測(cè)程序流程圖

4.3車(chē)內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)在RTC喚醒或中斷喚醒后進(jìn)入車(chē)內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)程序，系統(tǒng)通過(guò)ADC計(jì)數(shù)多次采樣取平均測(cè)量值，判斷車(chē)內(nèi)溫度是否正常。如圖9所示。

圖9 車(chē)內(nèi)溫度監(jiān)測(cè)程序流程圖

4.4碰撞監(jiān)測(cè)程序設(shè)計(jì)

碰撞監(jiān)測(cè)程序和主程序同時(shí)完成初始化，程序在中斷進(jìn)入時(shí)開(kāi)始執(zhí)行，當(dāng)車(chē)輛停放后，一旦發(fā)生碰撞刮蹭，震動(dòng)模塊將觸發(fā)中斷。如圖10所示。

圖10 碰撞監(jiān)測(cè)程序流程圖

4.5通訊子程序設(shè)計(jì)

STM32F103通過(guò)AT指令控制SIM900模塊讀取車(chē)主手機(jī)號(hào)碼和發(fā)送短信，為了降低系統(tǒng)功耗，當(dāng)短信發(fā)送完成后，應(yīng)及時(shí)將SIM900設(shè)置進(jìn)入睡眠模式。如圖11所示。

圖11 通訊子程序設(shè)計(jì)流程圖

5.結(jié)語(yǔ)

為了有效地對(duì)停放車(chē)輛進(jìn)行安全監(jiān)控，本文提出了一種停放車(chē)輛的安全預(yù)警系統(tǒng)，填補(bǔ)了市場(chǎng)空白；同時(shí)兼顧市場(chǎng)、成本等因素，對(duì)本系統(tǒng)的硬件和軟件進(jìn)行了設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，為后續(xù)進(jìn)一步的開(kāi)發(fā)應(yīng)用提供了方向依據(jù)。