基于物聯(lián)網(wǎng)的多層次車載監(jiān)測救援系統(tǒng)的設計

穆向陽，周思迪，張嘉偉，劉浩，王博通，李磊

（1.西安石油大學大學電子工程學院學院，西安710065；2.西安石油大學大學，陜西省油氣井測控技術重點實驗室，西安710065）

0 引言

汽車作為日常生活出行的重要交通工具，與車內(nèi)人員的安全緊密聯(lián)系在一起，當有人員發(fā)生交通事故（尤其是在郊外）無法自救以及被困或長時間滯留車內(nèi)，在無代理人施救以及車內(nèi)環(huán)境（尤其是溫濕度）超過人體承受范圍的情況下，容易因未能及時施救而造成危及生命安全的嚴重后果。尤其是對行動不便、缺乏基本判別能力的弱勢群體，對于他們，更需要采取周到的監(jiān)測與救援保護措施。

由劉元提出的通過無線蜂窩網(wǎng)絡GSM與GPS對車輛進行定位與報警[1]，解決了對車輛進行定位的問題，但其報警的通道僅僅是發(fā)送短信，并未真正意義上達到“物”連“網(wǎng)”，且形式很單一。凱迪拉克推出的SRX系列，其前排車頂后視鏡后方帶有乘客偵測功能，當該功能啟動時，如果車主關閉門窗離開，而此時車內(nèi)仍留有可移動的物體（例如小孩），車輛便會發(fā)出鳴笛和亮燈警告，提醒車主注意[2]。但這種報警方式比較傳統(tǒng)，在車內(nèi)小孩睡著情況下，并不會觸發(fā)報警，即使最后小孩醒了也被偵測到了，而此時車主已不在車附近，根本聽不到報警，車外人員即使聽到報警也無法聯(lián)系車主，所以施救就相當困難。

針對于此，本設計是一款集報警救援于一體的車載裝置，并與物聯(lián)網(wǎng)、手機移動端實現(xiàn)互聯(lián)，以Wi-Fi控制模塊作為裝置的數(shù)據(jù)傳輸模塊與單片機相連，使用開源硬件Arduino單片機作為控制器，并使用中國移動公司旗下的OneNet作為物聯(lián)網(wǎng)平臺來實現(xiàn)數(shù)據(jù)與手機移動端二者共享，以GPRS模塊作為手機通信模塊。

1 系統(tǒng)總體結構設計

本文設計了一種基于物聯(lián)網(wǎng)的車輛監(jiān)控系統(tǒng)。設計分為以下幾個部分：

（1）車載終端（下位機）。車載終端設備包括：微處理器（MCU）、熱釋電紅外和溫濕度傳感器、GPS、GPRS模塊等。主要有定位、通信等功能。

（2）無線數(shù)據(jù)上傳。無線數(shù)據(jù)通信作為控制中心與各監(jiān)測模塊進行信息交換的樞紐，在本次設計中選用GPRS無線數(shù)據(jù)網(wǎng)通信系統(tǒng)。

（3）監(jiān)控中心（上位機）。監(jiān)控中心采用一臺普通的計算機或者手機。本次設計采用OneNet平臺作為監(jiān)控中心平臺，計算機或手機App（設備云），采用這些模塊的好處是可以利用其上網(wǎng)功能，在平臺界面上可以進行簡單的信息查詢并帶有地圖的操作界面，可顯示車輛實時位置，包括經(jīng)緯度等。最終實現(xiàn)上下位機之間的通訊。監(jiān)控系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)示意圖

2 硬件介紹及設計

本研究硬件部分主要包括：本地監(jiān)測單元、SIM900A通信模塊、Arduino UNO主控器、報警單元。預設傳感器報警條件（超過設定閾值）和碰撞條件（模擬開關打開），且和GPS通過數(shù)字串口連接來實現(xiàn)主控器與其之間的數(shù)據(jù)傳輸；SIM900A和手機端分別通過HTTP（POST）協(xié)議和HTTP（GET）協(xié)議與OneNet云實現(xiàn)數(shù)據(jù)透傳和獲取；一旦系統(tǒng)確認發(fā)生碰撞或有人滯留車內(nèi)，就會觸發(fā)GPRS模塊向家人手機發(fā)送求救電話/信息以及本地聲光報警，從而告知家人和周邊人員前去救援，最終實現(xiàn)多層次的報警救援。硬件系統(tǒng)結構如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件結構

2.1 監(jiān)測層次設計

本研究監(jiān)測單元由DHT11溫濕度及HC-SR501紅外熱釋電傳感器組成。DHT11溫濕度傳感器具有體積小、功耗低，信號傳輸距離遠（可達20米以上）等優(yōu)點[3]，它是一款含有已校準數(shù)字信號輸出的單線制串行接口復合傳感器。將DHT11溫濕度傳感器與一個高性能8位單片機相連接，在濕度校驗室中進行精確校準，可以有效地監(jiān)測車內(nèi)高溫或低溫環(huán)境因素，具有品質(zhì)卓越、超快響應、抗干擾能力強等優(yōu)點。

2號引腳用于微處理器與DHT11之間的通訊和同步，通信一次時間4ms左右，由MCU發(fā)送一次開始信號后，DHT11接收到開始信號并發(fā)送響應信號，送出數(shù)據(jù)并觸發(fā)一次信號采集，如果沒有接收到主機的開始信號，DHT11不進行濕溫度采集。

圖4為熱釋電傳感器的內(nèi)部結構，由濾光片、熱釋電探測元和前置放大器組成，HC-SR501的原理圖如圖3所示，由LHI778采集紅外信號，OP1將信號放大，再由C3耦合至運放OP2進行第二級放大，將輸出信號V2由COP1和COP2構成的雙向鑒幅器處理，檢出有效觸發(fā)信號Vs去啟動延遲時間定時器，最終得到輸出信號Vo。

輸出延遲時間Tx為：

Tx≈24×103VR9C6

觸發(fā)封鎖時間Ti為：

Ti≈40×R10C7

由于默認靈敏度達7m，與實際設計不符，故調(diào)節(jié)VR6改變第二級運放的放大倍數(shù)來調(diào)整傳感器的靈敏度。調(diào)節(jié)VR9改變延遲輸出時間，通過多次測試，當A=2.5時，檢測靈敏度最低，約為3m，且延遲時間為5s時可將傳感器調(diào)整達到最佳符合狀態(tài)。

圖3 HC-SR501原理圖

2.2 GPRS通信模塊

GPRS通信模塊在車載監(jiān)測救援系統(tǒng)中的主要作用是與監(jiān)控中心進行通訊。本研究采用U-BLOX NEO-6M模組，通過MCU把車輛相關數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS通信模塊，通過無線通信方式將定位信息發(fā)往監(jiān)控中心，監(jiān)控中心可以準確地對目標車輛進行跟蹤和監(jiān)控。

GPS定位基本原理如圖5，根據(jù)高空衛(wèi)星的瞬間位置作為起算數(shù)據(jù)，通過在地面安置GPS接收器，計算從某一t時刻開始，GPS信號從衛(wèi)星到達接收器的時間Δt（i=1，2，3，4）確定以下四個方程式：

圖4 GPS定位基本原理圖

其中，x、y、z和Vt0為未知參數(shù)，di=cΔti（i=1，2，3，4），di（i=1，2，3，4）表示衛(wèi)星到地面接收器的距離；c為GPS信號的傳播速度（即光速）；Vti（i=1，2，3，4）分別為衛(wèi)星1～衛(wèi)星4的衛(wèi)星鐘的鐘差，（衛(wèi)星星歷提供）；Vt0為接收機的鐘差。由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x、y、z和接收機的鐘差Vt0。

2.3 報警單元

SIM900A與U-BLOX系列GPS配套工作，實現(xiàn)室內(nèi)百度APIIP定位與室外GPS定位雙定位模式與短信電話報警功能，保證系統(tǒng)高可靠性。SIM900A與UBLOX GPS統(tǒng)一使用TTL電平的串行協(xié)議與MCU之間進行數(shù)據(jù)通信傳輸。Arduino UNO實時接收通信模塊傳回的定位信息，并打包存儲，在安全氣囊或者監(jiān)測到車內(nèi)有人滯留的情況下，通過AT指令集控制SIM900A模塊，以短信模式加載GPS信息并撥打報警短信電話到家人手機上，同時LED燈與有源蜂鳴器實現(xiàn)系統(tǒng)及時提醒使用者的預防性與引起周圍群眾注意的警示性，保證報警的可靠性、信息的準確性。

3 軟件設計與測試

3.1 系統(tǒng)程序簡介

系統(tǒng)主程序設計流程圖如圖5所示。程序運行開始，進行波特率、Arduino I/O端口及GPRS的初始化?？紤]到定位信息的重要性，故首先對讀取GPS幀數(shù)據(jù)進行循環(huán)判斷，當成功定位后（非INVALID），對經(jīng)緯度數(shù)據(jù)進行解析；再執(zhí)行獲取溫濕度和熱釋電數(shù)據(jù)等其他數(shù)字口數(shù)據(jù)信息；之后GPRS模塊連接OneNet平臺，完成數(shù)據(jù)上傳；當熱釋電傳感器檢測到車內(nèi)有人，立即退出檢測循環(huán)并執(zhí)行聲光報警和短信電話提示；同樣，當車輛的安全氣囊模擬開關打開后同樣會觸發(fā)電話短息報警。最終完成系統(tǒng)的自動監(jiān)測報警求助。由于本次設計的關鍵在于GPS與GPRS能否及時響應觸發(fā)事件，功能分析如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)主程序設計流程圖

3.2 GPS數(shù)據(jù)的獲取和解析

通過NMEA-0183協(xié)議獲取需要的幀數(shù)據(jù)GPRMC，并從中將經(jīng)緯度信息解析出來。其主要程序流程如圖6所示，在對GPS初始化后首先對其進行數(shù)據(jù)有效性的判斷，當確定數(shù)據(jù)為有效后需要對獲取的信息進行GPMRC幀數(shù)據(jù)判斷和解析，由于GPMRC句型基本格式為：$GPRMC（1），（2），（3），（4），（5），（6），（7），（8），（9），（10），（11），（12）*hh（CR）（LF），其中需要獲取的經(jīng)緯度信息為（3）～（6），通過采用函數(shù)strstr（），memcpy（）來從該語句中提取兩個逗號地址間的數(shù)據(jù)信息，并將相應數(shù)據(jù)存放于Save_Data結構體下[4]。

將獲取的經(jīng)緯度及傳感器數(shù)據(jù)通過通信模塊上傳至OneNet物聯(lián)網(wǎng)平臺，等待報警處理。

圖6 GPS幀數(shù)據(jù)解析流程圖

3.3 GPRS與OneNet平臺連接及短信電話發(fā)送

完成數(shù)據(jù)采集、處理后，通過平臺支持的HTTP協(xié)議進行車載裝置與平臺的連接將數(shù)據(jù)以POST（透傳）的方式發(fā)送到OneNet云服務端，根據(jù)JSON格式，在建立通信后，上下位機通過數(shù)據(jù)流（stream）的方式進行通信[5]，將車內(nèi)采集到的GPS參數(shù)及溫濕度參數(shù)分為三條數(shù)據(jù)流（streams）與三個數(shù)據(jù)點（datapoints），并在子函數(shù)中將輸入的參數(shù)封裝成JSON格式。

其中，sensor_id_temp為數(shù)據(jù)流名稱（溫濕度、經(jīng)緯度），value_str為實測數(shù)據(jù)。并準備HTTP報頭，完成主體發(fā)送，部分程序如下：

strcat（send_buf，"POST/devices/"）;

strcat（send_buf，device_id_temp）;

strcat（send_buf，"/datapoints HTTP/1.1 "）;

strcat（send_buf，"api-key:"）;

strcat（send_buf，API_VALUE_temp）;

strcat（send_buf，" "）;

strcat（send_buf，"Host:"）;

strcat（send_buf，OneNetServer）;

strcat（send_buf，" "）;

sprintf（tmp，"Content-Length:%d "，strlen（text））;//計算JSON串長度

然后在上述基礎上構建完成JSON格式的數(shù)據(jù)流和HTTP報頭，利用終端設備與PC應用之間的連接與通信的AT指令：CIPSTART、CIPSEND、CIPCLOSE、CIPSHUT，實現(xiàn)與平臺服務器的連接與數(shù)據(jù)發(fā)送。本次設計中所用到的關于SIM900A模塊的AT命令如下面的代碼所示。每條AT命令執(zhí)行后都要有相應的狀態(tài)返回。

經(jīng)調(diào)試，成功實現(xiàn)網(wǎng)絡附著、與服務器平臺的連接及數(shù)據(jù)發(fā)送，同樣利用AT指令集實現(xiàn)報警短信發(fā)送及電話撥打，考慮到短信內(nèi)容為中英文且字符數(shù)多，因此采用短信的PDU模式，實現(xiàn)的關鍵步驟如下：

Serial.println（"AT+CMGF=0"）;//PDU模式

Serial.println（"AT+CMGS=34"）;//PDU模式下短信內(nèi)容字符數(shù)

Serial.print（"0891***FF01"）;//第一條短信內(nèi)容為車內(nèi)有人，請求救援！

Serial.write（0x1A）;//將短信發(fā)送出去

Serial.println（"ATD137***9535;"）;//電話撥打

3.4 測試結果

完成了系統(tǒng)軟硬件的搭建后，對系統(tǒng)進行調(diào)試，設置好家人手機號碼并在SIM900A卡槽插入SIM卡，讓測試者使用車載裝置進行了功能測試。當將測試者被鎖在車內(nèi)，經(jīng)熱釋電傳感器檢測后，首先會觸發(fā)蜂鳴器和LED燈發(fā)出10次的聲光報警，隨后設定的家人手機會收到發(fā)出的帶有OneNet的URL鏈接報警短信和求救電話；當打開安全氣囊的模擬開關后，同樣會收到求救電話和短信；如圖7-9所示，在收到報警短信后，打開地址鏈接進入OneNet的頁面可以直接在百度地圖上查看測試者的位置、時間及車內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)[6]，此時，家人可根據(jù)這些信息及時選擇合適的營救措施，及時地避免了不必要的人員和財產(chǎn)損失。

圖7 發(fā)生滯留與碰撞短信

圖8 報警電話

圖9 OneNet云端 手機頁面

4 結語

基于車載監(jiān)測報警救援的客觀需求以及結合物聯(lián)網(wǎng)技術，系統(tǒng)通過車載裝置、OneNet云平臺和移動端相結合實現(xiàn)了多層次的監(jiān)測報警救援，針對車主的安全保護采取多重監(jiān)測措施，同時避免了對車體的影響，提高了監(jiān)測報警的針對性，克服了傳統(tǒng)車載報警裝置單一的局限性。實驗證明，系統(tǒng)可實現(xiàn)車輛精確定位、對人員滯留及車輛碰撞情況自動報警、救援通信等功能，該設計成本不高，性能較好，符合現(xiàn)實需求，可為汽車用戶提供安全出行保障，具有較高的市場價值。