基于ZigBee的防兒童誤鎖車內(nèi)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

關(guān)鍵詞：車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)；兒童安全；ZigBee

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0 引言

隨著汽車普及率的不斷提高，兒童被誤鎖車內(nèi)的事件時(shí)有發(fā)生，這可能導(dǎo)致兒童在車內(nèi)面臨高溫、缺氧等危險(xiǎn)[1]。在目前的汽車市場(chǎng)上，因?yàn)槭艿窖邪l(fā)成本和投入產(chǎn)出比等各項(xiàng)因素的影響，汽車生產(chǎn)企業(yè)并未將防兒童誤鎖車內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)作為汽車的重要功能進(jìn)行研發(fā)，現(xiàn)有監(jiān)測(cè)系統(tǒng)存在數(shù)據(jù)采集不準(zhǔn)確、無(wú)法進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等問(wèn)題。例如，現(xiàn)有的車輛后座提醒系統(tǒng)是當(dāng)車主關(guān)閉車輛電源后在顯示屏上顯示提醒信息，提醒車主檢查后排座位情況，但這種提醒方式較為溫和，特別是當(dāng)車主急于離開(kāi)車輛時(shí)，其容易被車主忽略。一些車輛的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)僅使用熱紅外傳感器監(jiān)測(cè)車內(nèi)的人體活動(dòng)跡象，監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)不全面、不準(zhǔn)確。為了解決上述問(wèn)題，本文設(shè)計(jì)一種數(shù)據(jù)采集準(zhǔn)確全面且能進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的防兒童誤鎖車內(nèi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的防兒童誤鎖車內(nèi)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由車輛行駛狀態(tài)檢測(cè)系統(tǒng)、車內(nèi)信息采集系統(tǒng)和STM32 單片機(jī)組成，圖1 為基于ZigBee 的防兒童誤鎖車內(nèi)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。其中，車輛狀態(tài)檢測(cè)主要負(fù)責(zé)判斷車輛處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)還是靜止?fàn)顟B(tài)，全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）模塊通過(guò)檢測(cè)某一時(shí)間段車輛的位置變化來(lái)判斷車輛是否處于移動(dòng)狀態(tài)；加速度檢測(cè)模塊通過(guò)檢測(cè)車輛加速度的變化判斷車輛是否處于行駛中；霍爾開(kāi)關(guān)模塊負(fù)責(zé)檢測(cè)車門的打開(kāi)或關(guān)閉。當(dāng)STM32 單片機(jī)檢測(cè)到車輛停止移動(dòng)并且車門由打開(kāi)轉(zhuǎn)為關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，車內(nèi)信息采集系統(tǒng)才開(kāi)始采集車內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，即利用CO 濃度檢測(cè)模塊和溫度檢測(cè)模塊分別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車內(nèi)的CO濃度和溫度數(shù)據(jù)，由微波雷達(dá)模塊和震動(dòng)檢測(cè)模塊負(fù)責(zé)判斷車內(nèi)有無(wú)人員活動(dòng)，由攝像頭實(shí)時(shí)抓拍車內(nèi)的圖像數(shù)據(jù)，并將采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)傳輸至STM32 單片機(jī)。采用STM32 單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析和處理，判斷是否有兒童滯留車內(nèi)，如果監(jiān)測(cè)到有兒童滯留車內(nèi)則觸發(fā)蜂鳴器報(bào)警（模擬汽車?guó)Q笛）以便吸引旁人的注意，同時(shí)將采集的車內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)和分析結(jié)果通過(guò)ZigBee 通信模塊和Wi-Fi 模塊（Wi-Fi 模塊采用ESP8266 作為控制器）的消息隊(duì)列遙測(cè)傳輸（message queuing telemetry transport，MQTT）協(xié)議上傳到云端，最終傳輸?shù)绞謾C(jī)APP，用戶可通過(guò)手機(jī)APP 遠(yuǎn)程查看是否存在車內(nèi)兒童滯留的情況。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 溫度檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用DS18B20 數(shù)字溫度傳感器進(jìn)行溫度檢測(cè)[2]。該傳感器采用單總線接口方式，與單片機(jī)的接口連接簡(jiǎn)單。圖2 為溫度檢測(cè)模塊電路，其中OUT 引腳為DS18B20 傳感器的溫度值輸出引腳，該引腳與STM32 單片機(jī)的PA11 相連，負(fù)責(zé)將檢測(cè)的溫度數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32 單片機(jī)進(jìn)行分析和處理。STM32 單片機(jī)接收到DS18B20 傳感器傳來(lái)的溫度數(shù)據(jù)后會(huì)立即將其顯示在液晶顯示器（liquid crystaldisplay，LCD）屏幕上，供用戶實(shí)時(shí)查看。同時(shí)，當(dāng)檢測(cè)的溫度值超過(guò)提前設(shè)定的溫度閾值時(shí)，系統(tǒng)會(huì)觸發(fā)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警。在電路設(shè)計(jì)中，VCC接+5 V 電源，為溫度CILM0k0UXziMql/csCWBGB6VP15/ju5GEX8M/4L2y14=傳感器提供穩(wěn)定的工作電壓；GND 接地，確保整個(gè)電路的穩(wěn)定性和安全性。

2.2 CO濃度檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用SGP30 氣體傳感器檢測(cè)車內(nèi)的CO濃度。SGP30 氣體傳感器是一款結(jié)合電化學(xué)氣體傳感技術(shù)和光學(xué)測(cè)量技術(shù)的先進(jìn)傳感器，主要用于檢測(cè)CO 和揮發(fā)性有機(jī)化合物的濃度[3]。圖3 為CO濃度檢測(cè)模塊電路。在模塊通電后，首先進(jìn)行初始化，然后開(kāi)始檢測(cè)車內(nèi)的CO 濃度并通過(guò)TX_B引腳輸出，該引腳與STM32單片機(jī)的PA3引腳相連，并且將檢測(cè)的車內(nèi)CO 濃度數(shù)據(jù)傳送給STM32 單片機(jī)進(jìn)行分析和處理。此外，VCC 接+5 V電源，GND接地。

2.3 ZigBee 通信模塊電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)選用CC2530 ZigBee 模塊[4]，支持ZigBee2007/Pro 協(xié)議規(guī)范，工作頻段為2.4 GHz，其具有功耗低、傳輸距離遠(yuǎn)、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，能有效降低車內(nèi)各種信號(hào)的干擾，提高系統(tǒng)可靠性。在本設(shè)計(jì)中ZigBee 起到協(xié)調(diào)器的作用。圖4 為ZigBee 通信模塊電路，其中RXD 引腳與單片機(jī)的TXD 引腳相連，負(fù)責(zé)接收STM32 單片機(jī)實(shí)時(shí)采集的車內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)，而TXD 引腳與Wi-Fi 模塊的RXD 引腳相連，用于將采集的車內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)發(fā)送給Wi-Fi 模塊。此外，VCC 接+5 V 電源，GND 接地。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 采集端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

圖5 為采集端主程序流程，當(dāng)系統(tǒng)檢測(cè)到車輛停止后，首先進(jìn)行軟件和硬件的初始化，并將ESP8266 Wi-Fi 模塊配置為終端站點(diǎn)（Station，STA） 模式， 當(dāng)配置完成后連接Wi-Fi 模塊和MQTT 服務(wù)器，連接成功后利用多種類型的傳感器采集車內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32單片機(jī)進(jìn)行分析和處理。最后，利用ZigBee 模塊作為協(xié)調(diào)器，將采集的數(shù)據(jù)發(fā)送給ESP8266 Wi-Fi模塊[5]，并且將數(shù)據(jù)上傳到MQTT 服務(wù)端和手機(jī)APP 上供用戶遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看車內(nèi)的狀況。

3.2 客戶端軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)采用ZigBee 技術(shù)和Wi-Fi 模塊將各種類型傳感器采集的車內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至云端和手機(jī)APP 上。該系統(tǒng)以ZigBee 協(xié)調(diào)器為核心，負(fù)責(zé)接收來(lái)自各種傳感器采集的數(shù)據(jù)，采用ESP8266 芯片作為Wi-Fi 模塊連接至互聯(lián)網(wǎng)，Wi-Fi 模塊利用MQTT 協(xié)議將采集的車內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)上傳至云端，實(shí)現(xiàn)與客戶端手機(jī)APP 的通信。圖6 為手機(jī)APP 監(jiān)測(cè)界面，連接和斷開(kāi)按鈕分別控制網(wǎng)絡(luò)的連接與斷開(kāi)，滯留框用于顯示是否有兒童滯留車內(nèi)，布防與撤防用于控制開(kāi)啟和關(guān)閉車內(nèi)兒童滯留監(jiān)測(cè)系統(tǒng)功能，界面的最下方用于顯示攝像頭采集并上傳的車內(nèi)現(xiàn)場(chǎng)圖像。

4 結(jié)論

本文以STM32 單片機(jī)為控制核心，設(shè)計(jì)一個(gè)基于ZigBee 的防兒童誤鎖車內(nèi)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，利用DS18B20、SGP30 等多種類型傳感器對(duì)車內(nèi)環(huán)境狀況進(jìn)行全面和準(zhǔn)確的信息采集，利用ZigBee 技術(shù)、Wi-Fi 通信模塊和MQTT 通信協(xié)議將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)傳送至手機(jī)APP，用戶可通過(guò)手機(jī)APP 遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看是否存在兒童誤鎖車內(nèi)的情況。本研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。