摘 要：為了在家長因疏忽把兒童遺忘在車內(nèi)時(shí)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸安全報(bào)警信息并實(shí)時(shí)監(jiān)控汽車內(nèi)部環(huán)境，設(shè)計(jì)了一種基于云平臺的車聯(lián)網(wǎng)安全傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)采用STM32單片機(jī)作為核心控制器，實(shí)現(xiàn)環(huán)境參數(shù)檢測及遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和安全報(bào)警。當(dāng)紅外模塊檢測到車廂存在兒童，且車內(nèi)環(huán)境可能會威脅兒童正常生命活動時(shí)，系統(tǒng)通過蜂鳴器發(fā)出蜂鳴，并采用ATK-SIM800C通信模塊發(fā)短信通知車主，同時(shí)把車內(nèi)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸?shù)紸ndroid客戶端，實(shí)時(shí)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)變化。系統(tǒng)的長時(shí)間運(yùn)行結(jié)果表明：該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程傳輸安全報(bào)警信息和遠(yuǎn)程監(jiān)控車內(nèi)環(huán)境參數(shù)的功能。

關(guān)鍵詞：云平臺；車聯(lián)網(wǎng)；環(huán)境參數(shù)檢測；遠(yuǎn)程傳輸；ATK-SIM800C；Android客戶端

中圖分類號：TP27；TN92 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）11-00-04

0 引 言

汽車在給人們帶來便捷的同時(shí)，也存在著一些安全隱患。例如，因家長的疏忽把缺乏自主能力的兒童遺忘在車內(nèi)，在生命受到威脅時(shí)，兒童無法獨(dú)自解除危險(xiǎn)[1]。因此車聯(lián)網(wǎng)安全信息傳輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)尤其必要。

雖然國內(nèi)對車聯(lián)網(wǎng)安全信息傳輸系統(tǒng)的研究很多。但在監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)多樣性、實(shí)時(shí)性方面仍有不足[2-4]。本文設(shè)計(jì)的車聯(lián)網(wǎng)安全傳輸系統(tǒng)結(jié)合了阿里云技術(shù)、4G移動通信技術(shù)[5-6]，可檢測車廂溫度、CO體積分?jǐn)?shù)、CO2體積分?jǐn)?shù)及是否有兒童存在[4]，并實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸安全信息至云平臺，同時(shí)發(fā)送至手機(jī)客戶端實(shí)時(shí)顯示當(dāng)前車廂的環(huán)境數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)主要分為監(jiān)測系統(tǒng)、安全信息遠(yuǎn)程傳輸系統(tǒng)2部分，解決了汽車護(hù)童系統(tǒng)檢測的車廂環(huán)境數(shù)據(jù)單一、響應(yīng)不及時(shí)以及無法實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程監(jiān)控的問題。

1 系統(tǒng)總體方案

車聯(lián)網(wǎng)安全傳輸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，系統(tǒng)由感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層構(gòu)成。感知層即為車載終端，由環(huán)境參數(shù)檢測模塊、GPS模塊等組成；網(wǎng)絡(luò)層通過4G移動網(wǎng)絡(luò)、Internet網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行安全數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸；應(yīng)用層由監(jiān)控中心、數(shù)據(jù)庫、Web服務(wù)器組成，部署于OneNET云服務(wù)器[5-6]。車主即為管理員，可以通過移動智能終端設(shè)備對車輛進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控。

2 車載終端

2.1 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)以STM32F103系列單片機(jī)為控制核心，系統(tǒng)終端結(jié)構(gòu)如圖2所示，分別通過CO檢測模塊、CO2檢測模塊、溫度檢測模塊檢測車廂的CO體積分?jǐn)?shù)、CO2體積分?jǐn)?shù)、溫度，液晶顯示模塊實(shí)時(shí)顯示車廂環(huán)境的最新數(shù)據(jù)[7-8]。當(dāng)數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，兒童檢測模塊檢測車廂內(nèi)是否有兒童存在，當(dāng)車廂內(nèi)存在兒童時(shí)，蜂鳴器工作，GSM通信模塊通過打電話、語音通信及將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸?shù)绞謾C(jī)客戶端進(jìn)行報(bào)警。GSM通信模塊采用ATK-SIM800C，其外圍電路主要包括電源電路、串口通信電路、SIM卡接口電路與GSM天線接口電路等多個(gè)子電路，如圖3所示。

2.2 程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸2大部分。數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)對車廂內(nèi)存在的威脅兒童生命活動的數(shù)據(jù)進(jìn)行采集；數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸實(shí)現(xiàn)在車廂數(shù)據(jù)采集完成后，將數(shù)據(jù)傳送到手機(jī)客戶端實(shí)時(shí)顯示。

2.2.1 主控程序設(shè)計(jì)

圖4為STM32主控程序設(shè)計(jì)流程，功能為匯總分析車廂內(nèi)各模塊獲取的數(shù)據(jù)。存在危險(xiǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，以蜂鳴器蜂鳴、發(fā)短信及語音通話形式報(bào)警；同時(shí)，在獲取車廂完整的環(huán)境數(shù)據(jù)后，以TCP/IP協(xié)議的方式，將數(shù)據(jù)上傳至云平臺。

2.2.2 遠(yuǎn)程通信程序設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)中ATK-SIM800C GSM模塊主要實(shí)現(xiàn)的功能為語音通話、發(fā)短信及數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳。GSM通過串行口方式通信，在通信前需要綁定用戶號碼才能實(shí)現(xiàn)語音通話與發(fā)短信功能。為實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)遠(yuǎn)傳，還需綁定指定服務(wù)器的IP。

GMS模塊的工作方式分為報(bào)警和數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳2部分。如圖5所示，GSM模塊初始化后進(jìn)入等待狀態(tài)；當(dāng)車廂數(shù)據(jù)達(dá)到設(shè)定值時(shí)，單片機(jī)將數(shù)據(jù)打包并以短信形式通過GSM模塊發(fā)送給用戶進(jìn)行警示；同時(shí)定時(shí)計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)，當(dāng)定時(shí)器計(jì)數(shù)達(dá)到一定值時(shí)，改發(fā)短信警示為語音通話報(bào)警。當(dāng)車廂內(nèi)所有模塊完成一次數(shù)據(jù)采集后，單片機(jī)會通過GSM模塊將數(shù)據(jù)打包發(fā)給指定的服務(wù)器，安卓客戶端通過訂閱主題監(jiān)聽主題內(nèi)數(shù)據(jù)，進(jìn)而獲取車廂內(nèi)最新數(shù)據(jù)。

3 OneNET云端物聯(lián)網(wǎng)平臺

OneNET云平臺擁有強(qiáng)大的云計(jì)算、數(shù)據(jù)存儲和轉(zhuǎn)發(fā)的能力，可以在云平臺直接設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)軟件的監(jiān)控界面，為開發(fā)人員提供了極大的便利。這是目前國內(nèi)其他的物聯(lián)網(wǎng)云計(jì)算平臺所沒有的優(yōu)勢[9-10]。

3.1 數(shù)據(jù)監(jiān)控界面設(shè)計(jì)

當(dāng)SIM800C GSM模塊通過TCP/IP協(xié)議與云平臺連接成功后，根據(jù)各模塊數(shù)據(jù)對應(yīng)的云平臺設(shè)備號，將數(shù)據(jù)上傳到云平臺。OneNET云平臺接收到數(shù)據(jù)后，在設(shè)備應(yīng)用管理界面通過OneNET應(yīng)用編輯器實(shí)現(xiàn)OneNET中設(shè)備數(shù)據(jù)的可視化。

在監(jiān)控界面設(shè)計(jì)區(qū)，通過儀表盤顯示溫度、CO體積分?jǐn)?shù)、CO2體積分?jǐn)?shù)的數(shù)據(jù)流，以折線圖的方式顯示車廂內(nèi)是否存在兒童。各模塊的測量范圍不同，可通過屬性與樣式調(diào)節(jié)表盤與折線圖的數(shù)值范圍和數(shù)據(jù)格式。車聯(lián)網(wǎng)安全傳輸系統(tǒng)的UI監(jiān)控界面設(shè)計(jì)如圖6所示。

3.2 安卓客戶端設(shè)計(jì)

APP Inventor軟件支持使用圖形化編程語言來開發(fā)Android應(yīng)用程序，并含有多功能的手機(jī)仿真模塊。開發(fā)Android應(yīng)用程序需要2個(gè)主要模塊：APP Inventor Designer編程模塊、APP Inventor Blocks Editor編程邏輯模塊。利用APP Inventor設(shè)計(jì)的車聯(lián)網(wǎng)安全信息傳輸系統(tǒng)客戶端如圖7所示。

4 測 試

4.1 車載終端數(shù)據(jù)采集測試

設(shè)計(jì)制作的車載終端如圖8所示。將車載終端放在封閉的車廂里，打開系統(tǒng)的電源，當(dāng)氣體數(shù)據(jù)穩(wěn)定后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)記錄。共記錄了16組有效數(shù)據(jù)，見表1。取前10組數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值作為標(biāo)準(zhǔn)值，見表2。將后6組數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)值進(jìn)行比較。

設(shè)計(jì)過程中需要注意的是：國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定CO體積分?jǐn)?shù)的測量誤差不應(yīng)大于真實(shí)值的5%，CO2體積分?jǐn)?shù)的測量誤差為±0.1%。

4.2 安卓客戶端與OneNET云平臺數(shù)據(jù)測試

本系統(tǒng)中APP獲取車廂數(shù)據(jù)是通過訂閱云平臺下對應(yīng)設(shè)備的ID實(shí)現(xiàn)的，即當(dāng)車廂內(nèi)數(shù)據(jù)上傳平臺后，APP訂閱的各數(shù)據(jù)流也會隨之改變。為方便測試APP訂閱的數(shù)據(jù)流是否與云平臺數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)同步，在云平臺上搭建各種數(shù)據(jù)對應(yīng)的應(yīng)用，如圖9所示，這些應(yīng)用會在每次車廂數(shù)據(jù)上傳到云平臺時(shí)對其進(jìn)行顯示。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)的車聯(lián)網(wǎng)安全傳輸系統(tǒng)，能夠有效避免兒童獨(dú)處于車內(nèi)時(shí)發(fā)生窒息、CO中毒等事故。系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)蜂鳴器、短信和語音通話報(bào)警，還能通過安卓客戶端APP對車廂數(shù)據(jù)進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控，方便用戶實(shí)時(shí)查看車廂情況，也能檢測系統(tǒng)是否正常工作。通過將APP數(shù)據(jù)與實(shí)際數(shù)據(jù)對比，檢測所有模塊是否都處于正常工作狀態(tài)。該系統(tǒng)監(jiān)測范圍廣、精度高、使用壽命長、安裝及使用便捷，使用價(jià)格便宜、功能擴(kuò)展性較好的傳感器，能較好地彌補(bǔ)現(xiàn)有車聯(lián)網(wǎng)安全信息傳輸系統(tǒng)的不足。

參考文獻(xiàn)

[1]劉瓊瓊，游專，張永生，等.基于STM32與GSM的車載兒童安全智能報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].價(jià)值工程，2017，36（33）：76-77.

[2]李芯怡，孫夢茹，郭思薔，等.基于STM32F103型單片機(jī)的新型車載護(hù)童報(bào)警裝置設(shè)計(jì)[J].電子設(shè)計(jì)工程，2021，29（10）：101-104.

[3]周文海，李光輝，楊琳.滯留車內(nèi)兒童報(bào)警裝置控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2015，15（2）：72-74.

[4]徐平，陶云亮，王士龍，等.車內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)[J].石河子科技，2019（6）：17-21.

[5]趙耕云，王佳，李萬敏，等.基于云平臺的汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2023，49（1）：87-93.

[6]趙耕云，王佳，李萬敏，等.基于OBDⅡ和GPS的汽車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].公路與汽運(yùn)，2022（2）：12-17.

[7]劉文哲.車聯(lián)網(wǎng)智能終端監(jiān)控平臺的研究與實(shí)現(xiàn)[D].成都：電子科技大學(xué)，2021.

[8]張郭健.車載終端安全監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2022.

[9]邢恩輝.基于互聯(lián)網(wǎng)和智能終端的車聯(lián)網(wǎng)服務(wù)平臺研發(fā)[D]. 煙臺：煙臺大學(xué)，2021.

[10]劉彤彤.基于嵌入式Linux的車載智能終端的軟件設(shè)計(jì)與開發(fā)[D].西安：長安大學(xué)，2020.

作者簡介：王晴晴（1986—），女，江蘇徐州人，碩士，副教授，主要研究方向?yàn)檐嚶?lián)網(wǎng)、無線通信。

收稿日期：2023-11-13 修回日期：2023-12-15

基金項(xiàng)目：2020年度貴州省科學(xué)技術(shù)基金基礎(chǔ)研究項(xiàng)目（黔科合基礎(chǔ)【2020】1Y258）；貴州省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（黔教技〔2022〕029號）；貴州省教育廳自然科學(xué)研究項(xiàng)目（黔教合KY字[2021]022）；貴州省省級重點(diǎn)學(xué)科“計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)”（ZDXK[2018]007號）