基于CAN總線和GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊的大客車座椅安全帶實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

鄭小瑀 袁月峰 顧奇梁

（中國計量學(xué)院質(zhì)量與安全工程學(xué)院，浙江 杭州310018）

0 引言

陸上客運的安全性已成為當(dāng)今社會焦點話題，基于CAN總線和GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊的大客車座椅安全帶實時監(jiān)控系統(tǒng)，能將每一位乘客的安全帶系帶情況反映到前方司機的觸摸屏上，以便司機隨時了解每一位乘客是否系好了安全帶并作出相應(yīng)舉措，從而對車內(nèi)乘客起到保護作用［1］。此外，系統(tǒng)還可以將大客車上的乘客上座率自動發(fā)送給汽車營運公司，以便公司人員實時了解客車上座率。主要設(shè)計工作是開發(fā)一套單片機數(shù)據(jù)采集和計算機數(shù)據(jù)處理程序，目標(biāo)是提供一套成本低、功能全面的大客車座椅安全帶實時監(jiān)控系統(tǒng)。

本文對大客車安全帶監(jiān)控的必要性和當(dāng)前存在的問題進行了分析，提出了基于CAN總線和GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊的系統(tǒng)總體方案，并對各單元功能進行了描述，分析了CAN主機和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信協(xié)議設(shè)計和技術(shù)特點等［2］。

1 基于CAN總線和GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊的系統(tǒng)總體方案

1.1 大客車座椅安全帶實時監(jiān)控系統(tǒng)方案架構(gòu)

基于CAN總線和GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊的大客車座椅安全帶實時監(jiān)控系統(tǒng)主要由主機系統(tǒng)（數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)）、從機系統(tǒng)（座椅檢測系統(tǒng)）和上位機系統(tǒng)（信息監(jiān)控系統(tǒng)）3個子系統(tǒng)組成，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體構(gòu)架

其中，從機系統(tǒng)主要由單片機（包括主控制芯片、外設(shè)模塊和電源模塊）和傳感器構(gòu)成，能實現(xiàn)座椅狀態(tài)的檢測以及通過CAN總線向主機傳輸數(shù)據(jù)。主機系統(tǒng)主要由單片機（包括主控制芯片、外設(shè)模塊和電源模塊）、GPS模塊、SIM300模塊和DGUS串口顯示屏構(gòu)成，能實現(xiàn)CAN總線以及GPRS網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送，DGUS串口屏的顯示與人機交互。上位機系統(tǒng)由連接有外網(wǎng)IP的計算機構(gòu)成［3］。車載終端軟件的設(shè)計任務(wù)主要有以下5個部分：CAN總線驅(qū)動、GPRS驅(qū)動、DES數(shù)據(jù)加密算法、人機交互、SD卡數(shù)據(jù)存取。

1.2 大客車座椅安全帶實時監(jiān)控系統(tǒng)工作原理

從機負責(zé)監(jiān)測大客車內(nèi)1～3個座椅的4種狀態(tài)：有人已扣安全帶、有人未扣安全帶、無人已扣安全帶、無人未扣安全帶。多個從機通過CAN總線構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測客車內(nèi)所有座椅的狀態(tài)。主機通過CAN總線輪詢從機，獲得所有座椅的狀態(tài)，并將狀態(tài)信息在DGUS串口顯示屏上顯示：無人已扣安全帶、無人未扣安全帶顯示為黃色；有人已扣安全帶顯示為綠色；有人未扣安全帶顯示為紅色，并發(fā)出警告。

主機通過SIM900A模塊獲得客車的位置信息，并控制SIM900A模塊通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與上位機進行信息交互，發(fā)送車內(nèi)安全帶佩戴情況以及客車位置信息數(shù)據(jù)。其中，從機MCU控制器通過檢測傳感器，獲得座椅是否有人以及安全帶是否佩戴的信息。主機MCU控制器通過CAN總線輪詢每個從機，并獲取從機發(fā)送的數(shù)據(jù)包，從而獲得大客車每個座椅的狀態(tài)。上位機通過SocketAPI監(jiān)聽固定IP地址，主機MCU控制器通過控制SIM900A模塊，使其連接上述IP地址，以此實現(xiàn)GPRS網(wǎng)絡(luò)通信［4］。

2 CAN主機和網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的通信協(xié)議設(shè)計及技術(shù)特點

2.1 微控制器電路設(shè)計分析

座椅檢測系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司型號為STM8S208的MCU作為主控芯片，其具有可靠性高、成本低等優(yōu)點。STM8S208芯片的主要特性為：工作電壓2.95～5.5V；CPU工作頻率24MHz；多達128kB的Flash，6kB的RAM，2kB的EEPROM；beCAN2.0B的傳輸速率高達1Mb／s；較為靈活的時鐘選擇；2個UART和1個SPI接口；1個I2C接口。系統(tǒng)的外界晶振為24MHz，芯片的PG1、PG0管腳為系統(tǒng)引出的CAN接口，用于CAN總線通信［5］。

2.2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)硬件設(shè)計分析

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)采用意法半導(dǎo)體公司型號為STM32F103的32位MCU作為主控芯片。STM32F103的主要特性如下：工作電壓2.0～3.6V；工作頻率最高72MHz；閃存程序存儲器128kB；SRAM高達20kB；DMA控制器為7通道，支持的外設(shè)有定時器、ADC、SPI、I2C和 USART；I／O端口多達80個；定時器多達8個；通信接口多達9個，包括2個I2C接口、3個USART接口、2個SPI接口、1個CAN接口和1個USB接口［6］。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主控芯片及其外圍電路如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主控芯片及其外圍電路

2.3 GPS+GPRS模塊信息的傳輸

本系統(tǒng)的GPS＋GPRS模塊采SIMCOM公司生產(chǎn)的SIM900A模塊，它是一個雙頻的GSM／GPRS模塊，工作頻段為EGSM 900MHz和 DCS 1 800MHz，供電電壓為 3.2～4.8V。SIM900A 支持 GPRS multiple－slot class10／class8（可選）和 GPRS編碼格式CS－1、CS－2、CS－3和CS－4。其工作方式為通過TCP／IP協(xié)議連接到指定的IP地址，與GPS模塊進行通信，獲得位置信息［6］。系統(tǒng)與SIM900A模塊使用串口通信，系統(tǒng)通過發(fā)送串口指令，控制SIM900A模塊完成短信的發(fā)送、電話的撥打接聽、GPRS網(wǎng)絡(luò)的連接以及數(shù)據(jù)的接收與發(fā)送等功能，使系統(tǒng)實現(xiàn)無線發(fā)送、接收數(shù)據(jù)，令系統(tǒng)更加靈活易用［7］。為完成數(shù)據(jù)打包與解析，傳統(tǒng)的方式是：用1個字節(jié)存儲ID信息，1個字節(jié)存儲起始的座位號，1個字節(jié)存儲檢測的座位數(shù)量N，再用N個字節(jié)表示對應(yīng)的每個座椅的狀態(tài)信息，再給這段數(shù)據(jù)加上幀頭幀尾以及CRC校驗等，保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴?/p>

2.4 顯示模塊

系統(tǒng)的顯示模塊采用北京迪文科技有限公司生產(chǎn)的DMT80480T070＿18WT工業(yè)串口屏，該顯示屏規(guī)格為7.0英寸、800×480圖形點陣、K600＋內(nèi)核和65K（65 536）色。輸入電壓為6～42V，支持SD卡配置，并可通過SD卡下載。該顯示屏與數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)主控芯片的通信采用串口通信協(xié)議，串口波特率為1 200～921 600（可調(diào)節(jié)）。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件由主程序、CAN總線通信子程序、定時器子程序、延時子程序等組成。主程序流程圖如圖3所示。主程序上電復(fù)位后，完成系統(tǒng)時鐘、EEPROM以及CAN、GPIO等的初始化，隨后配置CAN的接收中斷，完成所有準(zhǔn)備工作。為保證座椅安全帶實時監(jiān)控系統(tǒng)能夠正確接收需要的信息，即能接收數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)送的指定為自身接收的數(shù)據(jù)，自動過濾數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)送給CAN總線中其他節(jié)點的信息以及CAN總線中其他節(jié)點發(fā)送給數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的信息，系統(tǒng)配置CAN報文的過濾機制為標(biāo)識符模式。

圖3 主程序流程圖

4 結(jié)語

在大客車安全事故頻發(fā)的背景下，設(shè)計一套基于CAN總線和GPRS網(wǎng)絡(luò)模塊的大客車座椅安全帶實時監(jiān)控系統(tǒng)十分必要，它能將每一位乘客的安全帶系帶情況反映到前方司機的觸摸屏上，從而對車內(nèi)乘客起到保護作用。根據(jù)研究內(nèi)容制定了總體設(shè)計方案，搭建了車載終端硬件系統(tǒng)及軟件架構(gòu)，構(gòu)建了監(jiān)控中心平臺軟件。通過測試，系統(tǒng)運行狀況良好。

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［2］劉玉光，張曉龍，王存，等.乘用車安全帶提醒裝置適應(yīng)性研究［J］.汽車技術(shù)，2006（21）

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［4］趙春明，喬旭彤，馬寧，等.基于CAN總線的電動汽車分布式控制系統(tǒng)的故障診斷研究［J］.車輛與動力技術(shù)，2005（2）

［5］熊杰.汽車車身CAN網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)［D］.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2008

［6］谷宗冉，孟立凡，楊艷軍.數(shù)據(jù)采集及無線收發(fā)系統(tǒng)設(shè)計［J］.電子測試，2011（2）

［7］張新紅，吳金強.基于GPRS的遠程數(shù)據(jù)采集及監(jiān)控系統(tǒng)［J］.機械管理開發(fā)，2008（1）