公交車載環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

朱海元

（南京康尼機(jī)電股份有限公司，江蘇 南京 210013）

0 引言

隨著公交綠色出行理念的不斷普及，以及公交本身地面運(yùn)行方式的便捷性，選擇公交出行的人們越來越多，導(dǎo)致公交車內(nèi)環(huán)境更加復(fù)雜與多樣化。怎樣提高公交乘坐環(huán)境的舒適度、與安全性變得愈加重要。

本文設(shè)計(jì)的公交車載環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可有效監(jiān)測車內(nèi)環(huán)境，通過分布在車箱內(nèi)不同部位的低功耗傳感器，實(shí)時無線采集車箱內(nèi)的溫度、濕度、PM2.5等環(huán)境信息。同時對車輛內(nèi)的煙霧進(jìn)行監(jiān)測與報(bào)警。通過相應(yīng)的通訊方式，可將此信息傳輸至車輛儀表、車輛屏幕以及遠(yuǎn)程服務(wù)器端，以此提醒駕乘人員進(jìn)行相應(yīng)操作，從而提高人們乘坐公共交通的舒適性與安全性。

1 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)主要由兩部分組成，環(huán)境監(jiān)控集中裝置與環(huán)境采集裝置，兩者之間通過433M無線模塊進(jìn)行無線連接，以此傳輸數(shù)據(jù)。環(huán)境監(jiān)控集中裝置負(fù)責(zé)邏輯控制功能，主要將分布在車箱內(nèi)的環(huán)境采集裝置采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行收集集中，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)的處理，通過CAN總線及4G傳輸至車輛儀表與遠(yuǎn)程服務(wù)器，進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控[1]。環(huán)境采集裝置主要對車輛環(huán)境進(jìn)行采集，它可分布在車箱內(nèi)不同位置。圖1為環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖。

圖1 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)組成框圖

環(huán)境監(jiān)控集中裝置主要由電源模塊、處理器模塊、CAN模塊、485模塊、4G模塊以及433M通訊模塊組成。其中電源模塊采用車輛24V供電，并經(jīng)過EMI濾波，增強(qiáng)自身抗干擾性以及對外界的輻射。處理器模塊采用基于M3內(nèi)核的STM32F103，主頻可達(dá)72M，可勝任相關(guān)數(shù)據(jù)的處理及數(shù)據(jù)的通訊發(fā)送。

環(huán)境采集裝置主要由電源模塊、處理器模塊、溫濕度采集模塊、PM2.5采集模塊、煙霧采集模塊以及433M通訊模塊組成[2]。

2 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)將主要對其電源電路、433M通訊電路、處理器電路以及傳感器采集電路進(jìn)行闡述，而常規(guī)的CAN通訊、4G通訊、RS485通訊、串口通訊不再詳細(xì)描述。

2.1 電源電路

公交車輛一般提供24V供電，將車輛24V供電經(jīng)過EMI電路濾波，再通過金升陽的電源模塊直接降為3.3V供給相關(guān)模塊進(jìn)行使用，其電路原理圖見圖2。圖中VR2、VR3為壓敏電阻，可有效防止車輛電源通斷產(chǎn)生的的浪涌電壓，降低設(shè)備損壞的風(fēng)險(xiǎn)。LP1為共模電感，可有效減少車輛電源的共模電感與差模電感。同時與X電容C15、C14，Y電容C12與C18形成LC濾波器，降低電磁干擾的風(fēng)險(xiǎn)。圖中二極管D3可防止設(shè)備由于電源反接導(dǎo)致的人為接線損壞。PTC1為自恢復(fù)保險(xiǎn)絲，可防止由于元器件損壞而導(dǎo)致短路過流等故障的發(fā)生。

圖2 EMI濾波電路

24V轉(zhuǎn)3.3V電路如圖3所示，采用金升陽的電源模塊，可將車載電壓直接降為可供其它電路芯片使用的3.3V。

圖3 24V轉(zhuǎn)3.3V電路

2.2 433M無線通訊電路

433M電路主要實(shí)現(xiàn)環(huán)境監(jiān)控集中裝置與環(huán)境采集裝置之間進(jìn)行無線傳輸數(shù)據(jù)的功能。433M通訊芯片采用TI的CC1101，電路圖見圖4。CC1101具有高穩(wěn)定性，繞射及穿墻能力優(yōu)秀，集無線收發(fā)于一體等優(yōu)點(diǎn)。

圖4 CC1101電路圖

CC1101通過SPI接口與主控芯片進(jìn)行通訊，對其內(nèi)部寄存器稍加修改，便可實(shí)現(xiàn)設(shè)備之間的互相通訊。CC1101在滿發(fā)射功率情況下，空曠地帶可傳輸500～800m，傳輸距離完全滿足車輛內(nèi)環(huán)境監(jiān)控的需求。

2.3 處理器電路

環(huán)境監(jiān)控集中裝置采用主控芯片為STM32F103C8T6，它是基于M3內(nèi)核32位處理器，它具備SPI接口、CAN接口以及USART接口，可完全滿足多種通訊方式設(shè)備的需求。

環(huán)境采集裝置實(shí)現(xiàn)的功能較為簡單，因此該裝置主控芯片選型為東軟載波ES7P1391單片機(jī)。此款芯片供電電壓為2.3～5.5V，在低功耗模式下，工作電流為6μA。因此環(huán)境采集裝置當(dāng)只采集溫濕度時，電源可采用2節(jié)干電池直接供電，安裝空間將不再受電源的制約。同時它內(nèi)部具有16M RC振蕩時鐘源，無需外部時鐘，大大簡化了電路。

2.4 環(huán)境采集裝置傳感器電路

環(huán)境采集裝置傳感器主要分為溫濕度傳感器、PM2.5傳感器、煙霧傳感器。溫濕度傳感型號為GXHT30，它是中科銀河研發(fā)的一體化傳感器，封裝大小只有（2.5×2.5）mm，通過I2C便可讀取其溫濕度的值，見圖5。

圖5 溫濕度傳感器電路圖

煙霧傳感器為集成傳感器，它采用多層厚膜制造工藝，在傳感器表面的陶瓷基片上分別放有加熱裝置與金屬半導(dǎo)體氣敏傳感器。當(dāng)空氣中的氣體濃度增大時，傳感器的電導(dǎo)率也隨之增大，更改不同金屬氣敏傳感器，就可感知不同屬性的煙霧濃度，例如二氧化錫就可對可燃?xì)怏w進(jìn)行檢測[3]。當(dāng)煙霧濃度超過集成煙霧傳感器的安全閥值時，便會輸出高電平，其檢測電路如圖6所示。該電路為光耦隔離輸入電路，當(dāng)煙霧傳感器報(bào)警時，DI1輸入高電平，光耦導(dǎo)通，則Di_inp1為低電平，主控芯片檢測到該腳為低電平時，說明煙霧報(bào)警器報(bào)警。同時亦可通過主控芯片ADC檢測傳感器具體數(shù)值。

圖6 煙霧傳感器輸入口采集電路圖

PM2.5傳感器與煙霧傳感器同為一體化模塊傳感器，此處不再描述。

3 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 環(huán)境監(jiān)控集中裝置軟件設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)控集中裝置主要通過無線芯片CC1101集中溫濕度、煙霧等傳感器的數(shù)據(jù)，進(jìn)行濾波處理，并通過各種通訊方式，傳輸至各個平臺。包括車輛儀表、車輛顯示屏裝置、遠(yuǎn)端服務(wù)器，可實(shí)時顯示車內(nèi)環(huán)境、并對車內(nèi)危險(xiǎn)環(huán)境進(jìn)行報(bào)警。車內(nèi)環(huán)境報(bào)警可以對車內(nèi)可燃?xì)怏w進(jìn)行報(bào)警、也可對車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行綜合判斷報(bào)警，例如當(dāng)溫度傳感器達(dá)到一定溫度且煙霧傳感器同時報(bào)警時，則進(jìn)行緊急報(bào)警。軟件流程圖見圖7，RS485主要跟車內(nèi)顯示屏進(jìn)行通訊。

圖7 環(huán)境監(jiān)控集中裝置軟件流程圖

3.2 環(huán)境采集裝置軟件設(shè)計(jì)

環(huán)境監(jiān)控采集裝置主要通過I2C采集車箱內(nèi)溫濕度、輸入口與ADC采集煙霧傳感器值、串口采集PM2.5值。對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理，并通過CC1101傳輸至環(huán)境監(jiān)控集中裝置。軟件流程圖見圖8。

圖8 環(huán)境監(jiān)控采集裝置軟件流程圖

3.3 通訊協(xié)議設(shè)計(jì)

公交環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)通訊協(xié)議主要包括集中裝置與采集裝置之間的433M通訊協(xié)議、集中裝置與遠(yuǎn)端服務(wù)器的TCP協(xié)議、集中裝置與車輛儀表的CAN通訊協(xié)議、集中裝置與車輛顯示屏幕的RS485協(xié)議。其中CAN通訊協(xié)議參考J1939標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議，RS485協(xié)議采用ModbusRTU協(xié)議，此處不再詳細(xì)描述。

3.3.1 集中裝置與采集裝置協(xié)議

集中裝置與采集裝置通訊協(xié)議主要為環(huán)境監(jiān)控集中裝置與環(huán)境采集裝置之間的通訊協(xié)議，方便快速、安全、準(zhǔn)確的傳輸相應(yīng)數(shù)據(jù)。其傳感器數(shù)據(jù)上報(bào)通訊協(xié)議見表1。

表1 環(huán)境采集裝置傳感器數(shù)據(jù)上報(bào)協(xié)議

幀頭為固定碼0XAB，此碼為識別一幀數(shù)據(jù)的起始。功能碼0X01為傳感器上報(bào)數(shù)據(jù)，無需應(yīng)答。ID為區(qū)分車輛中不同位置的環(huán)境采集裝置，環(huán)境監(jiān)控集中裝置ID為0X01，環(huán)境采集裝置可按順序進(jìn)行設(shè)置，但要確保環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)ID的唯一性。數(shù)據(jù)長度為溫度、濕度、煙霧傳感器、PM2.5傳感器數(shù)據(jù)長度，每種傳感器數(shù)據(jù)占2個字節(jié)。Data為具體數(shù)據(jù)值。校驗(yàn)為幀頭、功能碼、ID、數(shù)據(jù)累加和的低八位。上報(bào)協(xié)議的傳輸頻率為1s一幀數(shù)據(jù)，若環(huán)境監(jiān)控集中裝置計(jì)算的校驗(yàn)與接收校驗(yàn)不同時，舍棄數(shù)據(jù)。對功能碼為0X01數(shù)據(jù)，環(huán)境監(jiān)控集中裝置不進(jìn)行應(yīng)答處理。

功能碼為0X02時，說明上傳為緊急傳感器數(shù)據(jù)，當(dāng)傳感器數(shù)據(jù)出現(xiàn)報(bào)警時，立刻上傳數(shù)據(jù)，傳輸格式按照表1進(jìn)行上傳。當(dāng)環(huán)境監(jiān)控集中裝置收到緊急數(shù)據(jù)時，需對其進(jìn)行應(yīng)答，應(yīng)答功能碼為0X03。若環(huán)境采集裝置無法接收到應(yīng)答，將建立重發(fā)機(jī)制，重新發(fā)送緊急數(shù)據(jù)。環(huán)境監(jiān)控采集裝置發(fā)送緊急傳感器數(shù)據(jù)軟件流程圖見圖9。

圖9 環(huán)境監(jiān)控采集裝置軟件緊急數(shù)據(jù)發(fā)送流程圖

環(huán)境監(jiān)控集中裝置可根據(jù)功能碼為0X01的幀數(shù)據(jù)判斷環(huán)境采集裝置是否在線，采集數(shù)據(jù)每秒上傳一次，可視為各個采集設(shè)備的心跳。若集中裝置在5S內(nèi)未收到某一采集設(shè)備的上傳數(shù)據(jù)，則認(rèn)為通訊異常，環(huán)境監(jiān)控集中裝置將在服務(wù)器端報(bào)出采集設(shè)備離線故障。

3.3.2 集中裝置與遠(yuǎn)程服務(wù)端協(xié)議

環(huán)境監(jiān)控集中裝置與遠(yuǎn)程服務(wù)器之間使用基于IP協(xié)議的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，在傳輸層使用TCP協(xié)議。環(huán)境監(jiān)控集中裝置對公交系統(tǒng)的遠(yuǎn)程服務(wù)器建立TCP連接，建立相應(yīng)連接后保持連接狀態(tài)，并定時向服務(wù)器端發(fā)送心跳，以便告知其連接狀態(tài)。

為了簡便協(xié)議，其心跳即為環(huán)境監(jiān)控集中裝置30s一次的傳感器數(shù)據(jù)，若在2min內(nèi)無法收到數(shù)據(jù)，則認(rèn)為該車輛的環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)離線。其協(xié)議幀見表2。

表2 集中裝置與遠(yuǎn)程服務(wù)端協(xié)議

協(xié)議主要由幀頭與數(shù)據(jù)兩部分組成，幀頭主要對設(shè)備進(jìn)行描述，數(shù)據(jù)為車內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)。幀頭中功能碼0X01為集中裝置采集的傳感器數(shù)據(jù)，同時也為其心跳數(shù)據(jù)；功能碼0X02為服務(wù)器對采集裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行應(yīng)答，采集裝置若長時間接收不到應(yīng)答數(shù)據(jù)，將對4G模塊進(jìn)行復(fù)位后重新發(fā)送；0X03為公交車載環(huán)境系統(tǒng)故障信息上傳，0X04為服務(wù)器故障應(yīng)答數(shù)據(jù)。長度為一幀數(shù)據(jù)的總字節(jié)長度。ID 8個字節(jié)中1與2字節(jié)表示城市所在地，3與4字節(jié)表示公交線路，5與6字節(jié)表示車輛編號，7與8字節(jié)表示環(huán)境監(jiān)控集中裝置編號。通過上述協(xié)議來確保環(huán)境監(jiān)控集中裝置的唯一性。

4 環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)測試與分析

環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)在封閉房間內(nèi)模擬車輛環(huán)境，并進(jìn)行了相關(guān)測試，在房間內(nèi)布置多款以干電池供電或車載供電的環(huán)境采集裝置。干電池供電只采集溫濕度，車載供電的采集裝置可采集不同傳感器數(shù)據(jù)。環(huán)境監(jiān)控集中裝置通過433M無線通訊可成功接收采集裝置數(shù)據(jù)，并進(jìn)行相應(yīng)處理，將車內(nèi)環(huán)境數(shù)據(jù)通過CAN通訊反饋至車輛儀表、通過RS485通訊反饋至車輛屏幕以及通過4G通訊反饋至遠(yuǎn)程服務(wù)器。該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確可靠的讀取車內(nèi)環(huán)境，包括溫濕度、PM2.5以及氣體成分，并進(jìn)行相應(yīng)的提示報(bào)警。

功能測試內(nèi)容包括：多設(shè)備無線通訊功能試驗(yàn)、溫度采集試驗(yàn)、濕度采集試驗(yàn)、可燃?xì)怏w采集試驗(yàn)、PM2.5采集試驗(yàn)、服務(wù)器通訊測試等。同時對部分傳感器數(shù)據(jù)與計(jì)量后的傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行比對，并進(jìn)行了相關(guān)采集數(shù)據(jù)的校正處理。

在功能測試的基礎(chǔ)上，對公交車載環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了EMC試驗(yàn)與相關(guān)環(huán)境試驗(yàn)的驗(yàn)證。試驗(yàn)證明，本文設(shè)計(jì)的公交車載環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)達(dá)到了預(yù)期的效果，滿足設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)的公交車載環(huán)境監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)時監(jiān)控車內(nèi)環(huán)境，并對車內(nèi)環(huán)境進(jìn)行多重方式的上報(bào)顯示報(bào)警，可有效監(jiān)測車內(nèi)環(huán)境，提高乘客乘坐舒適度與安全性。