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        基于4G的兒童座椅智能控制器設(shè)計(jì)

        2022-05-30 20:50:04李秋先杜運(yùn)德
        中國新通信 2022年10期
        關(guān)鍵詞:兒童座椅座椅加速度

        李秋先 杜運(yùn)德

        摘要:本文設(shè)計(jì)一種基于4G網(wǎng)絡(luò)的兒童座椅智能控制器,采用低功耗結(jié)合多路供電技術(shù)適應(yīng)產(chǎn)品應(yīng)用場合;利用4G通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)在發(fā)生車禍時(shí)能夠及時(shí)將信息主動(dòng)發(fā)送給利害相關(guān)人,為救援提供最及時(shí)信息。同時(shí)也為兒童座椅使用者和生產(chǎn)者提供直接溝通渠道,為廠家精準(zhǔn)營銷提供平臺(tái)。產(chǎn)品具有廣闊市場需求。

        關(guān)鍵詞:智能座椅;4G通訊;物聯(lián)網(wǎng);精準(zhǔn)營銷

        一、概述

        兒童座椅是用于行車時(shí)對(duì)兒童的保護(hù)。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)在有兒童座椅保護(hù)的情況下,由于汽車碰撞造成兒童死亡的概率會(huì)大大減小,造成兒童死亡的往往是因?yàn)閮和瘺]有得到第一時(shí)間的救助,延遲的急救時(shí)間造成死亡的。當(dāng)前兒童座椅主要還是純機(jī)械機(jī)構(gòu),不具有智能化特點(diǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展,越來越多設(shè)備進(jìn)入互聯(lián)時(shí)代。智能兒童座椅應(yīng)運(yùn)而生。設(shè)計(jì)一款智能型的兒童座椅,能夠?qū)④囕v碰撞事故第一時(shí)間主動(dòng)發(fā)送給兒童監(jiān)護(hù)人或重要親人,以獲得第一時(shí)間的救援,顯得非常有必要且也可以低成本的實(shí)現(xiàn)。

        NB-IoT一經(jīng)推出就受到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注,作為未來長距離物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向,具有諸多優(yōu)勢,但是其推廣受其網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的基站布局的影響,目前還處于推廣階段,網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)還并不普及。Lora作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺(tái)其功能和NB-IoT沒有太明顯的優(yōu)缺點(diǎn),雖然其在國外已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化階段,但對(duì)于國內(nèi)來說還是不普及。相對(duì)于前面兩種技術(shù)平臺(tái),4G技術(shù)在國內(nèi)非常成熟,不足的地方主要體現(xiàn)在其低功耗和流量資費(fèi)沒有前面兩種有優(yōu)勢,但是其網(wǎng)絡(luò)非常成熟穩(wěn)定是商業(yè)開發(fā)重要條件,同時(shí)在本項(xiàng)目中,智能座椅是用于汽車環(huán)境,本身就有電源,所以低功耗不是主要問題,由于4G模塊公司已經(jīng)和運(yùn)營商進(jìn)行了很好的合作,使得4G的流量費(fèi)也比較低,用戶是可以接受的。綜上所述,本項(xiàng)目采用4G作為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺(tái)。

        二、智能座椅功能設(shè)計(jì)

        本項(xiàng)目是一款智能兒童安全座椅控制系統(tǒng),利用傳感器檢測座椅上是否有人落座、環(huán)境 溫度及加速度,當(dāng)檢測到高溫、電池低電量或過大加速度時(shí),通過 GPRS 向后臺(tái)報(bào)警。主要功能包括加速度檢測、環(huán)境溫度檢測、定位檢測、座椅落座檢測、電池電量檢測、支持 9V 6LR61堿性電池、支持12V車載電源、支持 5V USB 電源相互切換。雙色狀態(tài)指示 LED等功能。項(xiàng)目的硬件框圖如圖1所示。

        整個(gè)硬件部分分為主控、傳感器、電源、通訊等部分。出于對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行速度、存儲(chǔ)容量、外設(shè)接口數(shù)量和類型及低功耗等方面的考慮,選用HC32L110C6PA 作為主控制器。

        (一)電源設(shè)計(jì)

        采用 3.3V 作為系統(tǒng)電源,內(nèi)核電源管腳 VCAP 外接 4.7uF 電容濾波。 使用 MCU 內(nèi)部低速時(shí)鐘,用以降低成本、減小 PCB 空間和留出外接管腳。本方案支持 12V、5V 和 9V 堿性電池三種供電方式,有一路或多路電源有效時(shí),系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。其中,車載 12V 電源穩(wěn)定性較差;電池為不可充電類型,最大輸 出電流為 200mA;車載 5V 電源穩(wěn)定性較好,輸出電流最小為 500mA。 系統(tǒng)最大工作電流發(fā)生在 GPRS 模塊和后臺(tái)通訊時(shí),最大功耗 2W,即電流 500mA@4V 。根據(jù)不同電源的特性及系統(tǒng)功耗特性,電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)以下功能:各路電源對(duì)系統(tǒng)只能輸出,不能輸入。單獨(dú)一路電源供電,須能滿足系統(tǒng)功耗要求。只有電池和 12V 電源共存時(shí),系統(tǒng)由 12V 電源供電。當(dāng)5V電源和其他兩種電源共存時(shí),系統(tǒng)由5V電源供電。為實(shí)現(xiàn)這些功能,電源輸入部分電路做如下設(shè)計(jì):在每路電源輸入口,串接一個(gè)二極管。12V 電源和電池經(jīng)過二極管后連接在一起,且并聯(lián)一個(gè) 470uF 電解電容,再經(jīng) 過信號(hào)繼電器后給系統(tǒng)供電,在信號(hào)繼電器輸出端也并聯(lián)一個(gè) 470uF 電解電容。上述信號(hào)繼電器默認(rèn)導(dǎo)通,并由 5V 電源控制其使能管腳。 系統(tǒng)共有三部分耗電電路:MCU 部分、GPRS 模塊部分和加速度傳感器部分。其中MCU 部分電源電壓 3.3V,最大工作電流 4.3mA;GPRS 模塊最大工作電流 500mA@4V (瞬間最大 1.5A);加速度傳感器部分電源電壓 3.3V,最大工作電流 15uA 左右。為保障 MCU 穩(wěn)定工作,使用 LDO 輸出 3.3V 電源給其供電。GPRS 模塊功耗較大,為了提高電源轉(zhuǎn)換效率,使用DCDC 輸出4V電源給其供電。根據(jù)項(xiàng)目特性,加速 度部分,只有在座椅有人落座時(shí)才開始工作,直接由 MCU 的 IO口通過倒灌電流方 式(正極為給 MCU 供電的 3.3V)控制其電源。 由于系統(tǒng)可能由電池單獨(dú)供電,電路必須做到低功耗。所有外設(shè)上下拉電阻或 ADC 檢測分壓電阻,均使用兆歐姆級(jí)的阻值。

        (二)通訊設(shè)計(jì)

        從通訊方案成熟度、成本及更重要的基站定位功能需求方面考慮,本方案采用 GPRS 作為無線通訊方式。GPRS 模塊和管理平臺(tái)之間使用較成熟的 TCP 協(xié)議連接。 本方案采用基站定位方式獲取位置坐標(biāo),GPRS 模塊使用TCP協(xié)議和基站數(shù)據(jù)庫服務(wù)器連接。為了方便更換SIM卡,并從成本和電路板空間方面考慮,使用標(biāo)準(zhǔn)的 Micro SIM卡座。 從天線性能的實(shí)現(xiàn)難度和安裝便利性方面考慮,使用帶 cable 線的FPC天線,cable 線和主板通過 I 代射頻端子連接。

        (三)傳感器設(shè)計(jì)

        除了使用 GPRS 模塊實(shí)現(xiàn)定位功能外,本方案還有加速度傳感器、溫度傳感器、座 椅壓力傳感器等檢測部分。加速度傳感器使用 ST 的 LIS3DH,該傳感器性能成熟穩(wěn)定,最大可檢測±16g 的加速度。它由 MCU 通過 I2C 設(shè)置加速度門限值,當(dāng)加速度達(dá)到該值時(shí),通過中斷信號(hào)向 MCU 報(bào)警。本方案使用 MCU 內(nèi)部溫度傳感器方案,實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境溫度的檢測功能。座椅壓力傳感器用于檢測座椅是否有人落座,由于兒童體重較輕,且在座椅上位置不確定,本方案使用 15 觸點(diǎn)高靈敏度的薄膜開關(guān)檢測座椅承受的壓力。壓力傳感器 通過 5557 接口和主板連接。

        (四)EMC設(shè)計(jì)

        為了使電路板可以穩(wěn)定、可靠地工作,在 12V 電源、USB、SIM 卡、壓力傳感器等 各對(duì)外接口信號(hào)線上,使用穩(wěn)壓二極管或 TVS 管,以保護(hù)和與這些接口連接的各個(gè) 器件。

        三、系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

        系統(tǒng)軟件包含兩部分,一部分為嵌入式單片機(jī)軟件,單片機(jī)程序主要完成設(shè)備端的傳感器信息的檢查以及向4G模塊發(fā)送報(bào)警信息。其軟件的流程圖如圖2所示:單片機(jī)上電后檢測供電來源、座椅壓力傳感器有沒有壓力信號(hào)、其他座位壓力傳感器有沒有型號(hào)、ISOFIX有沒有信號(hào)、溫度傳感器有沒有信號(hào)、加速度傳感器有沒有信號(hào)之后設(shè)置為初始休眠狀態(tài)。當(dāng)傳感器有信號(hào)時(shí)喚醒單片機(jī),啟動(dòng)正常模式開關(guān)并判斷其是否有效,如果有效進(jìn)一步判斷ISOFIX有沒有松動(dòng);否則延時(shí)10分鐘在判斷ISOFIX有沒有送動(dòng)。

        本系統(tǒng)通訊單元用的部分函數(shù)簡介如下:

        /*************************************************

        ** 函數(shù)名稱: ATcmd_Transmit

        ** 函數(shù)描述: 發(fā)送AT指令,并檢測返回值

        ** 輸入?yún)?shù): *AT_str發(fā)送數(shù)據(jù) *Repl_str期待返回值 ? ?等待時(shí)間Wait_ms

        ** 輸出參數(shù): false發(fā)送失敗 true發(fā)送成功

        *************************************************/

        u8 ATcmd_ack(char *AT_str, char *Repl_str, u8 Wait_s)

        {

        static u8? ?step=0;

        u8 ack=0;

        static u8? sec_delay;

        switch(step)

        {case 0:

        strcpy(drv_comm_tx,AT_str);

        strcat(drv_comm_tx,"\r\n");

        if(true==send_nbyte_gprs(drv_comm_tx,strlen(drv_comm_tx)))

        {

        sec_delay=run_para_sec_cou();

        step++;

        }

        break;

        case 1:

        ack=gprs_ack_Receive(Repl_str);

        if(true==ack)

        {

        step=0;

        return true;

        }

        else if(ACK_ERROR==ack)

        {step=0;

        return ACK_ERROR;

        }

        break;

        if(tb_sec_cou(sec_delay)>=Wait_s)

        {

        step=0;

        sec_delay=run_para_sec_cou();

        return TIMEOUT;

        }

        return false;

        }

        項(xiàng)目測試 :圖3為系統(tǒng)的實(shí)物圖,1為9V電池接口,6為車載12V電源接口,5為USB的5V電源接口,2為4G通訊模塊,3為內(nèi)置天線,4為定制流量卡。將系統(tǒng)裝入兒童座椅,通過給定一定壓力、加速度和溫度物理信息,系統(tǒng)可以將信息準(zhǔn)確發(fā)送至特定人手機(jī)APP中并進(jìn)行準(zhǔn)確定位。完全能夠滿足實(shí)際需求。

        四、結(jié)束語

        本系統(tǒng)是上海闞訊電子科技有限公司為安徽嬰童智能有限公司獨(dú)家開發(fā)的兒童智能座椅控制系統(tǒng)。采用4G模塊作為通訊手段,重力加速度以及溫度傳感器為感知實(shí)現(xiàn)兒童座椅的智能化,系統(tǒng)滿足市場需要,2020年在網(wǎng)絡(luò)銷售平臺(tái)天貓一經(jīng)推出,就獲得市場認(rèn)可。產(chǎn)品銷售良好。

        作者單位:李秋先? ? 杜運(yùn)德? ? 上海闞訊電子科技有限公司

        作者簡介:

        李秋先(1979-),上海浦東人,從事于智能算法研究。

        杜運(yùn)德(1979-),廣東清遠(yuǎn)人,從事于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究。

        參? 考? 文? 獻(xiàn)

        [1]鄭婷婷,黨樂,任景龍,劉實(shí)秋.基于風(fēng)光功率動(dòng)態(tài)尋優(yōu)的風(fēng)光儲(chǔ)發(fā)電系統(tǒng)智能控制器設(shè)計(jì)[J].農(nóng)村電氣化,2022,(01):65-68.

        [2]陳啟鋒,崔清雅.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在車輛內(nèi)環(huán)境監(jiān)測報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化,2022,12(01):35-37.

        [3]陳世雄.基于單片機(jī)的殺蟲燈智能控制器設(shè)計(jì)[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué),2021,49(13):186-191.

        [4]楊果仁,鄭超,楊躍.基于51單片機(jī)的智能座椅設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].電腦迷,2018,(12):249-250.

        [5]田元青.智能兒童汽車座椅控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].山東:煙臺(tái)大學(xué),2021.

        [6]劉雅濃,潘振華,馬浩然,王杰,于群.動(dòng)車組智能座椅系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2021,11(32):76-79.

        [7]曹學(xué)晨,閆龍,張鴻,任森麗,王迎嵩.基于人因工程學(xué)的智能座椅設(shè)計(jì)[J].科技與創(chuàng)新,2019,(03):21-24.

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