盧 勇, 盧會(huì)國, 曼世超
(成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院,四川 成都 610225)
基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的車輛安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)
盧 勇, 盧會(huì)國, 曼世超
(成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院,四川 成都 610225)
為了滿足車輛安全監(jiān)測的需要,設(shè)計(jì)了一種基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的車輛安全監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)使用以Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103單片機(jī)控制GSM模塊和各個(gè)傳感器,利用GPS模塊實(shí)現(xiàn)對車輛的位置定位,并采用OV7670攝像頭進(jìn)行圖像拍攝,實(shí)現(xiàn)對特定狀況下車輛的監(jiān)視取證。手機(jī)用戶和電腦用戶可分別通過手機(jī)APP與電腦Web頁面實(shí)現(xiàn)對車輛信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測。此外,該系統(tǒng)還具備煙霧火焰監(jiān)測以及語音警告提醒功能。該車輛安全監(jiān)測系統(tǒng)的定位精度和監(jiān)測靈敏度高,通信實(shí)時(shí)性和可靠性強(qiáng)。
監(jiān)測系統(tǒng);STM32F103單片機(jī);GSM模塊;GPS模塊
隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展以及道路交通等基礎(chǔ)設(shè)施的不斷提高,中國汽車市場高速發(fā)展,車輛的數(shù)量急劇增加。然而,車輛的增加帶來了一系列嚴(yán)重問題。車輛起火沒有自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)而造成不必要的經(jīng)濟(jì)損失,同時(shí)利用車輛作案和以車輛作為犯罪對象的案件日益增多,由于車輛的機(jī)動(dòng)性,犯罪分子快速作案、逃離現(xiàn)場、藏匿贓物,這為公安民警破案、取證帶來了極大的困難[1]。另外,對物流車、公務(wù)車、運(yùn)鈔車等特定車輛的安全監(jiān)測要求也越來越高。尤其是近年來隨著家庭私人用中高檔車輛數(shù)量的急劇攀升,私家車主對自己愛車尋求安全保護(hù),以及要求提供必要服務(wù)的愿望日益強(qiáng)烈[2]。針對這些問題,本文從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā),提出了一種基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的車輛安全監(jiān)測系統(tǒng),能更有效地監(jiān)測到車輛的運(yùn)行情況,為人們的生活提供保障。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個(gè)系統(tǒng)包括以ARM Cortex-M3為內(nèi)核的STM32F103單片機(jī)模塊、GPS模塊、GSM模塊、語音模塊、電源模塊、火焰檢測模塊、煙霧檢測模塊、觸摸顯示屏模塊以及OV7670攝像頭[3]。當(dāng)車輛起火自燃或車輛被犯罪分子盜用時(shí),該系統(tǒng)就會(huì)發(fā)揮作用。具體原理為:當(dāng)檢測到車輛起火或車輛周圍可燃性氣體濃度較高時(shí),各傳感器將采集到的數(shù)據(jù)首先通過STM32F103 模塊進(jìn)行處理,經(jīng)識(shí)別后通過語音模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)報(bào)警。如有車輛被移動(dòng)盜竊時(shí),GPS模塊會(huì)進(jìn)行定位跟蹤,車輛的狀態(tài)數(shù)據(jù)可動(dòng)態(tài)地顯示在彩色觸摸屏上,相應(yīng)的數(shù)據(jù)還會(huì)通過STM32F103 模塊進(jìn)行處理,然后通過串口發(fā)送到GSM模塊,最后以短信的方式通過GSM移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶手機(jī)上。與此同時(shí),STM32F103單片機(jī)會(huì)從GPS接收模塊中讀取車輛的位置狀態(tài),用戶可以登錄手機(jī)APP和Web網(wǎng)頁實(shí)時(shí)查詢車輛的位置。此外,攝像頭模塊還可以在車輛被盜時(shí)自動(dòng)開啟拍照功能,方便取證。這樣,用戶就可以第一時(shí)間了解車輛的安全狀況,從而避免不必要的損失,保證了人民財(cái)產(chǎn)安全。
作為系統(tǒng)的核心部分,主控制器需要對整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行控制與通信。本設(shè)計(jì)中包含的OV7670攝像頭模塊以及觸摸液晶顯示器需要處理器具有高速運(yùn)算和處理能力,該系統(tǒng)中的語音模塊、GSM模塊、GPS模塊又要求處理器應(yīng)具有多串口通信功能,經(jīng)過各方面分析,最終選擇意法半導(dǎo)體的STM32F103ZET6作為系統(tǒng)微處理器,該處理器具有最高72 MHz的工作頻率,內(nèi)部RAM大、低功耗、多串口、內(nèi)部集成多通道DMA等優(yōu)點(diǎn)[4]。
2.2 電源模塊
由于本系統(tǒng)的特殊性,在不影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的情況下,減小系統(tǒng)體積的同時(shí),還應(yīng)該考慮系統(tǒng)電源問題。由于系統(tǒng)中涉及到GSM模塊,該模塊在工作時(shí)需要瞬間電流達(dá)到2 A以上,但絕大部分的穩(wěn)壓芯片不能滿足此要求,所以本系統(tǒng)中采用5 V直流作為各模塊電源(GPS模塊、語音模塊、煙霧傳感器、火焰?zhèn)鞲衅鞯?,通過AMS1117-3.3穩(wěn)壓之后用于處理器供電,通過二極管SS34降壓至4.3 V作為GSM模塊電源。具體電路如圖2所示。
圖2 電源電路
2.3 GPS定位模塊
為了提高系統(tǒng)定位的準(zhǔn)確性,系統(tǒng)采用的GPS模塊為UBLOX公司生產(chǎn)的NEO-6M,該模塊具有高達(dá)50個(gè)通道,追蹤定位靈敏度可達(dá)-161 dBm,輸出頻率最高為5 Hz[5]。UBLOX-NEO-6M模塊自帶陶瓷天線、體積小、隱秘性強(qiáng),模塊通過串口輸出定位數(shù)據(jù)可直接與單片機(jī)串口連接,節(jié)約了單片機(jī)I/O口,不需外加電路,只需配置單片機(jī)串口便可實(shí)現(xiàn)模塊與處理器通信。模塊集成了可充電備用電池,能夠維持定位數(shù)據(jù)約半小時(shí)。其與STM32控制器的接口電路如圖3所示。
2.4 GSM模塊
系統(tǒng)中采用的GSM模塊為SIM900A,模塊內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議,支持GSM、GPRS通信,其通信方式為串口,可直接與STM32串口I/O連接。該模塊支持移動(dòng)2G、移動(dòng)3G、移動(dòng)4G、聯(lián)通2G,通過AT指令實(shí)現(xiàn)短信發(fā)送和讀取以及網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)連接收發(fā)等[6]。其中網(wǎng)絡(luò)通信有別于傳統(tǒng)的GSM模塊只能進(jìn)行短信收發(fā)的弊端,通過網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳輸,提高系統(tǒng)實(shí)時(shí)性、減小系統(tǒng)成本,且模塊支持串口波特率自適應(yīng),有別于市面上絕大多數(shù)GSM模塊。本設(shè)計(jì)中GSM模塊的串口波特率采用的是9 600 b/s。其與STM32的接口電路如圖4所示。
另外,在同一位置采用不同補(bǔ)償度的串補(bǔ)裝置,調(diào)壓結(jié)果也不同,線路長度越大,串聯(lián)電容容抗越大,補(bǔ)償電壓值就越大。若串入電容容抗較大,可能造成調(diào)節(jié)后電壓超過額定電壓的上限范圍。
圖3 STM32模塊與GPS的接口電路
圖4 STM32模塊與GSM的接口電路
2.5 OV7670攝像頭
圖5 STM32與OV7670的接口電路
由于攝像頭對于處理器主頻以及處理能力要求較高,通過STM32直接連接攝像頭需要耗費(fèi)單片機(jī)大部分資源,以至于影響其他模塊的數(shù)據(jù)處理。為解決該問題,本系統(tǒng)攝像頭部分增加一片AL422B FIFO芯片,攝像頭將拍攝的圖像以幀的方式存儲(chǔ)起來,通過配置單片機(jī)內(nèi)部DMA讀取圖片數(shù)據(jù)以減小STM32資源耗費(fèi),最后將圖片數(shù)據(jù)通過LCD進(jìn)行顯示,由于處理速度很快,看起來就是連續(xù)的視頻了。其與STM32的接口電路如圖5所示。
2.6 觸摸顯示屏
系統(tǒng)采用分辨率為240×320 的2.4英寸TFT液晶顯示器,該顯示器集成了觸摸功能,是一塊電阻觸摸屏。采用彩屏主要考慮到顯示信息量大,可同時(shí)顯示經(jīng)度緯度、時(shí)間日期、TF卡使用情況、系統(tǒng)模式等。彩屏能夠顯示彩色圖片,可以和攝像頭OV7670配合使用。系統(tǒng)的設(shè)置和查看等可通過觸摸功能實(shí)現(xiàn),不需要外加物理按鍵。
2.7 語音模塊
在不斷完善系統(tǒng)準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性的同時(shí),為體現(xiàn)系統(tǒng)的人性化,系統(tǒng)增加了SYN6288中文語音合成芯片,該芯片能夠?qū)崿F(xiàn)中文播放,只需要將播報(bào)的中文保存在STM32中,通過串口發(fā)送給語音芯片便可實(shí)現(xiàn)播放,不需要進(jìn)行文字的編碼解碼。芯片內(nèi)部集成功放,可省掉外部功放電路,直接驅(qū)動(dòng)0.5 W喇叭,操作簡單。其與單片機(jī)之間通過串口通信。與STM32的接口電路如圖6所示。
2.8 煙霧傳感器模塊
作為系統(tǒng)重要組成部分,該模塊可實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛內(nèi)部可燃?xì)怏w,本設(shè)計(jì)采用MQ-2傳感器。當(dāng)采用5 V供電時(shí),MQ-2傳感器輸出的電壓范圍在0~5 V之間,模塊上電位器調(diào)節(jié)出一個(gè)參考電壓,兩個(gè)電壓通過LM393電壓比較器后,可直接輸出TTL電平,與單片機(jī)連接時(shí),只需要設(shè)置STM32的I/O輸入模式,判斷輸入電平高低即可實(shí)現(xiàn)對可燃?xì)怏w的檢測。其與STM32的接口電路如圖7所示。
圖6 STM32與SYN63288的接口電路
圖7 STM32與MQ-2的接口電路
2.9 火焰檢測傳感器模塊
圖8 STM32與火焰?zhèn)鞲衅鞯慕涌陔娐?/p>
火焰檢測與可燃?xì)怏w傳感器結(jié)合在一起使用,能夠?qū)崿F(xiàn)功能的互補(bǔ),火焰檢測模塊通過檢測波長在特定長度范圍內(nèi)的光源,以實(shí)現(xiàn)對火焰的檢測,其實(shí)現(xiàn)電路與可燃?xì)怏w檢測一樣,與單片機(jī)通過I/O端口直接連接,檢測I/O電平即可。其與STM32的接口電路如圖8所示。
3.1 系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)流程
本系統(tǒng)主要以STM32微處理器為控制核心,當(dāng)系統(tǒng)初始化后,觸摸顯示屏可以顯示經(jīng)緯度以及內(nèi)存卡使用時(shí)間、日期等,還可以把實(shí)時(shí)記錄的定位數(shù)據(jù)保存到網(wǎng)絡(luò)和TF卡中。如果檢測到車輛周圍有火焰、煙霧或是車輛被移動(dòng)時(shí),語音模塊將會(huì)報(bào)警,并且還會(huì)編碼短信,讀取GPS數(shù)據(jù),然后通過GSM模塊把相應(yīng)數(shù)據(jù)傳到用戶手中,用戶可以通過手機(jī)APP和網(wǎng)頁Web定位車輛的具體位置。在車輛被移動(dòng)時(shí),系統(tǒng)內(nèi)置的攝像頭將會(huì)自行啟動(dòng),便于拍照取證。具體流程如圖9所示。
圖9 系統(tǒng)功能流程圖
3.2 GPS定位模塊程序設(shè)計(jì)
該定位程序設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)完成GPS模塊的相關(guān)驅(qū)動(dòng)、數(shù)據(jù)接收和數(shù)據(jù)處理,從接收的定位數(shù)據(jù)中解析出經(jīng)度、緯度、地面速率等定位跟蹤信息,并將這些信息存入相應(yīng)的寄存器中。GPS定位模塊程序設(shè)計(jì)的流程圖如圖10所示。
圖10 GPS定位模塊程序流程圖
3.3 GSM通信模塊程序設(shè)計(jì)
GSM通信模塊程序設(shè)計(jì)主要負(fù)責(zé)完成無線通信模塊的相關(guān)驅(qū)動(dòng),負(fù)責(zé)車輛信息與手機(jī)或電腦用戶的無線通信與數(shù)據(jù)傳輸。GSM通信模塊的程序流程圖如圖11所示。
圖11 GSM通信模塊程序流程圖
圖12 某一時(shí)刻觸摸屏上的數(shù)據(jù)
系統(tǒng)經(jīng)過軟硬件調(diào)試后,能正常收發(fā)數(shù)據(jù),可實(shí)現(xiàn)對車輛信息的安全監(jiān)控并且能有效地對車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。圖12為某一時(shí)刻監(jiān)測系統(tǒng)測到的各項(xiàng)數(shù)據(jù),從觸摸顯示屏上可以看出TF卡的容量還剩余1 111 MB,經(jīng)度為103.989 51°,緯度為30.579 71°,速度為0.2 km/h,煙霧、火焰?zhèn)鞲衅鳈z測到的數(shù)據(jù)為0,表示一切正常。通過登錄Web網(wǎng)頁和手機(jī)APP,可以在Google地圖上定位到車輛的具體位置,具體定位如圖13所示。
圖13 車輛在Google地圖上的具體位置
為了保障車輛的安全,減少人民的財(cái)產(chǎn)損失,本系統(tǒng)為移動(dòng)車輛安全監(jiān)測提供了一種新的解決方案。與傳統(tǒng)方式相比,本系統(tǒng)在穩(wěn)定性、實(shí)時(shí)性、處理速度、功能、可擴(kuò)展性等方面優(yōu)勢突出,而且安裝攜帶方便、成本低,能在惡
劣環(huán)境下使用。同時(shí)引入當(dāng)今較為廣泛應(yīng)用的手機(jī)APP功能,實(shí)現(xiàn)對車輛信息的便捷有效查詢,以及輔助使用計(jì)算機(jī)網(wǎng)頁界面訪問查詢監(jiān)測,實(shí)現(xiàn)了對車輛安全信息的全方位多功能監(jiān)測。本系統(tǒng)在車輛被盜取證和對車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控中有很好的實(shí)用價(jià)值和社會(huì)價(jià)值,應(yīng)該得到大力發(fā)展與推廣。
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Design of vehicle safety monitoring system based on remote communication technology
Lu Yong,Lu Huiguo,Man Shichao
(Electronic Engineering College, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)
In order to meet the needs of vehicle safety monitoring, a kind of vehicle safety monitoring system based on remote communication technology is designed in this paper. The system uses STM32F103 microcontroller which uses Cortex-M3 as the core to control GSM module and each sensors, uses GPS module to achieve the location of the vehicle, and uses OV7670 camera for image capture to achieve the specific situation of vehicle monitoring and evidence. Mobile phone users and computer users can achieve real-time monitoring of vehicle information through the mobile phone APP and Web pages. In addition, the system also has a smoke flame monitoring, as well as voice warning reminder function. The vehicle safety monitoring system has the advantages of high accuracy, high sensitivity, strong real-time performance and reliability.
monitoring system; STM32F407 MCU; GSM module; GPS module
TP273
A
1674-7720(2016)05-0071-04
盧勇,盧會(huì)國,曼世超. 基于遠(yuǎn)程通信技術(shù)的車輛安全監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用,2016,35(5):71-74.
2015-11-06)
盧勇(1989-),男,碩士研究生,主要研究方向:大氣探測。