基于物聯(lián)網(wǎng)的智能監(jiān)測(cè)破窗系統(tǒng)設(shè)計(jì)

岳聚欣，劉景哲，李春輝，黃浪塵，鐘鈞丞，肖晨宇

（湖南工業(yè)大學(xué) 電氣與信息工程學(xué)院，湖南 株洲 412007）

汽車智能化是汽車領(lǐng)域的重要發(fā)展方向，在此發(fā)展大背景下，國(guó)家也多次出臺(tái)配套政策標(biāo)準(zhǔn)推動(dòng)汽車智能化行業(yè)發(fā)展，尤其是智能化載運(yùn)工具和關(guān)鍵專用設(shè)備的研發(fā)對(duì)我國(guó)汽車智能網(wǎng)聯(lián)行業(yè)的發(fā)展起到推動(dòng)作用。一方面汽車行業(yè)轉(zhuǎn)型處在轉(zhuǎn)折關(guān)鍵點(diǎn)——“十四五”規(guī)劃中提及聚焦智能化汽車等戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)及在自動(dòng)駕駛等產(chǎn)業(yè)組織實(shí)施未來產(chǎn)業(yè)孵化與加速計(jì)劃等，表明了中央層面對(duì)智能化全汽車產(chǎn)業(yè)的支持。另一方面，智能網(wǎng)聯(lián)汽車安全越發(fā)受到重視，國(guó)家與各級(jí)單位的監(jiān)管加大力度——工業(yè)和信息化部、公安部、交通運(yùn)輸部于2021 年7 月聯(lián)合發(fā)布了《智能網(wǎng)聯(lián)汽車道路測(cè)試與示范應(yīng)用管理規(guī)范（試行）》，這代表汽車安全包括數(shù)據(jù)安全、車輛設(shè)備安全和平臺(tái)安全的閉環(huán)體系[1]。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)概述

本系統(tǒng)可應(yīng)用于現(xiàn)有汽車行業(yè)，致力于開發(fā)1 套能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車內(nèi)溫度、煙霧及車內(nèi)外壓力失衡等環(huán)境因素，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析后判斷車輛是否發(fā)生事故，可實(shí)施應(yīng)急破窗、精準(zhǔn)破窗，具有實(shí)時(shí)定位、遠(yuǎn)程報(bào)警救援等功能于一體的智能裝置。該系統(tǒng)能自動(dòng)檢測(cè)車輛行駛中遇到的意外事件，并在必要情況下實(shí)施破窗，從而實(shí)現(xiàn)了破窗智能化，可使人員迅速逃離危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)，從而降低被困在汽車內(nèi)無法逃生的死傷人數(shù)。

汽車智能破窗裝置系統(tǒng)項(xiàng)目是集智能檢測(cè)與智能破窗系統(tǒng)、智慧云平臺(tái)、BDS 定位系統(tǒng)、智慧云平臺(tái)于一體的汽車安全智能化系統(tǒng)，整體方案架構(gòu)如圖1所示。

圖1 整體方案架構(gòu)圖

智能汽車破窗裝置具體由網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，控制模塊，觸發(fā)點(diǎn)火器，氣體發(fā)生器和車窗玻璃擊碎器組成。當(dāng)汽車著火或溺水時(shí)，汽車上的溫度與壓力傳感器能夠接收到溫度或水壓信號(hào)，并把其傳輸?shù)娇刂茊卧刂茊卧拥叫盘?hào)向云服務(wù)器發(fā)送數(shù)據(jù)并與其內(nèi)存儲(chǔ)的設(shè)定值比較，一旦達(dá)到閾值就會(huì)觸發(fā)點(diǎn)火，氣體發(fā)生器瞬間產(chǎn)生氣體，氣體快速進(jìn)入玻璃擊碎器的充氣室，極大的氣壓差將擊碎器里的彈頭迅速推出，從而實(shí)現(xiàn)擊碎玻璃的作用。與此同時(shí)，由于數(shù)據(jù)超出閾值，通過對(duì)多項(xiàng)數(shù)據(jù)的算法分析，網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控發(fā)出報(bào)警，BDS 根據(jù)所上傳數(shù)據(jù)鎖定汽車位置，當(dāng)?shù)亟煌ú块T和120 依據(jù)數(shù)據(jù)中心反饋情況即時(shí)趕往現(xiàn)場(chǎng)處理，縮短救援時(shí)間[2]。

1.2 系統(tǒng)組成

本系統(tǒng)硬件部分采用STM32 芯片、Air800 模塊、APDS-9330、ETA6002 充電模塊、HT7333 穩(wěn)壓芯片進(jìn)行搭建；軟件部分運(yùn)用基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能監(jiān)控云平臺(tái)，其主要用于汽車公司對(duì)車輛的管理以及數(shù)據(jù)分析等，包含底層傳感器數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)雙向發(fā)送、信息接入、框架、組件和模板等一整套的技術(shù)支撐，同時(shí)結(jié)合了大數(shù)據(jù)、智能化、云存儲(chǔ)和融合應(yīng)用，為解決道路汽車發(fā)生車禍、火災(zāi)和汽車落水等事故后汽車車門無法打開，不能及時(shí)自救及救援難度大的問題，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、通訊、電子、智能檢測(cè)和BDS 等技術(shù)與傳統(tǒng)的物理破窗，致力于開發(fā)1 套能實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)車內(nèi)溫度、煙霧及車內(nèi)外壓力失衡等環(huán)境因素，經(jīng)數(shù)據(jù)處理分析后判斷車輛是否發(fā)生事故，可實(shí)施應(yīng)急破窗、精準(zhǔn)破窗，具有實(shí)時(shí)定位、遠(yuǎn)程報(bào)警救援等功能的智能裝置[3]。

1.3 系統(tǒng)功能

1.3.1 智能監(jiān)測(cè)功能

監(jiān)測(cè)汽車狀況，并能分析汽車行駛是否安全，在發(fā)生事故時(shí)能及時(shí)報(bào)警，及時(shí)進(jìn)行破窗，使乘車人可以快速逃生。

1.3.2 實(shí)時(shí)定位功能

安裝無線終端設(shè)備，通過該設(shè)備的BDS 定位功能、GPRS 無線通信功能，可以對(duì)汽車實(shí)時(shí)定位，防止發(fā)生事故無法及時(shí)鎖定車輛方位進(jìn)行救援等問題，從而提高客戶滿意度。

1.3.3 實(shí)時(shí)反饋功能

本系統(tǒng)具備報(bào)警信息發(fā)送、設(shè)備故障狀態(tài)的信息反饋功能，使顧客的安全得到充分的保障。

2 硬件模塊

STM32 擁有出色的運(yùn)算與控制能力和豐富的外設(shè)資源，其低功耗、高性能，符合本項(xiàng)目中定位通信與監(jiān)控系統(tǒng)需求，所以本方案選擇STM32 作為主控芯片，STM32 主控電路如圖2 所示。STM32 主控制器通過定位通信模塊Air800 與云平臺(tái)、用戶APP 通信進(jìn)行數(shù)據(jù)收發(fā)。當(dāng)STM32 檢測(cè)到外界環(huán)境異常數(shù)字傳感器APDS-9930 發(fā)生動(dòng)作時(shí)，將通過Air800 把數(shù)據(jù)信息發(fā)送至云平臺(tái)和用戶APP。

圖2 STM32 主控電路

2.1 通信傳輸系統(tǒng)

Air800 模塊支持GPRS 與BDS 技術(shù)，且具有穩(wěn)定、專業(yè)、高效的特點(diǎn)。使用時(shí)，僅需將Micro USB 數(shù)據(jù)線正確連接到開發(fā)板，系統(tǒng)便可運(yùn)行。同時(shí)，Air800 還提供了豐富的接口，可用于擴(kuò)展其他功能的外接設(shè)備。另外，Air800 支持AT 指令，可通過AT 指令修改Air800 的配置與功能。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)在空閑時(shí)處于低功耗模式，延長(zhǎng)工作時(shí)間，在接收到工作指令時(shí)再喚醒[4]。通訊定位模塊電路如圖3 所示。

圖3 通訊定位模塊電路

2.2 報(bào)警模塊

APDS-9930 環(huán)境異常傳感器與STM32 是通過1個(gè)快速（高達(dá)400 kHz）的2 線I2C 串行總線相連。與模擬接口相比，APDS-9930 模塊的數(shù)字輸出更不受噪聲影響，更適合本項(xiàng)目中的溫度、壓力、角度與水位檢測(cè)。液位與角度傳感器電路如圖4、圖5 所示。當(dāng)檢測(cè)到車輛行駛數(shù)據(jù)與預(yù)先設(shè)計(jì)的范圍不符時(shí)，STM32 控制器立即驅(qū)動(dòng)蜂鳴器進(jìn)行報(bào)警，并將此報(bào)警信息通過Air800模塊通信發(fā)送至云平臺(tái)和客戶端。

圖4 液位傳感器電路

圖5 角度傳感器電路

2.3 電源模塊

電源部分采用ETA6002 充電模塊和HT7333 穩(wěn)壓芯片進(jìn)行設(shè)計(jì)，ETA6002 是1 款充電電流可達(dá)2.5 A的單節(jié)鋰電開關(guān)型充電。其集成了動(dòng)態(tài)路徑管理（無線充電）功能，可以允許系統(tǒng)在沒有電池適配器的情況下，仍維持系統(tǒng)正常工作。終端設(shè)備硬件部分還預(yù)留部分接口，可擴(kuò)展其他傳感器或者監(jiān)測(cè)模塊，例如溫濕度傳感器、壓力傳感器等，便于滿足不同客戶的特殊需求。前期已完成終端設(shè)備硬件原理圖的設(shè)計(jì)，其功能包含了郵件開啟監(jiān)測(cè)模塊、郵件即時(shí)定位追蹤模塊，主要利用STM32、Air800、APDS-9930 完成。電源模塊如圖6 所示。

圖6 電源電路

3 軟件模塊

3.1 數(shù)據(jù)融合技術(shù)

采用數(shù)據(jù)融合技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛智能化，因?yàn)橥ㄟ^攝像頭、雷達(dá)和BDS 等采集的數(shù)據(jù)并不能直接用于對(duì)車輛的控制，而是通過數(shù)據(jù)融合技術(shù)將不同的數(shù)據(jù)類型修改整合，分析后融合為具有真正價(jià)值的，可用于智能車輛控制的指令。傳感器所采集的數(shù)據(jù)只是其中一方面，而且不能保證數(shù)據(jù)的完全正確可使用。因此，需要通過對(duì)大量數(shù)據(jù)的分析比對(duì)，自動(dòng)排除掉偏離正常范圍的數(shù)據(jù)信息。

3.2 監(jiān)測(cè)云平臺(tái)

利用接近與環(huán)境異常傳感器APDS-9930，通過對(duì)車輛信息的采集與處理，檢測(cè)車輛行駛中遇到的意外事件，并在必要情況下實(shí)施破窗，實(shí)現(xiàn)了破窗智能化。

云平臺(tái)采用華為云軟件開發(fā)服務(wù)構(gòu)建智能破窗控制平臺(tái)，結(jié)合AI 技術(shù)，主要實(shí)現(xiàn)通過系統(tǒng)控制軟件對(duì)汽車駕駛狀態(tài)數(shù)據(jù)訪問，包括控制指令發(fā)送、事故發(fā)生報(bào)警和精確破窗等。能實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)讀取、事件監(jiān)控、報(bào)警應(yīng)答和時(shí)序調(diào)度等操作[5]。

3.3 用戶端小程序

本系統(tǒng)軟件在Android Studio 環(huán)境上使用Kotlin進(jìn)行開發(fā)，共有登錄、注冊(cè)、個(gè)人中心和物流消息等界面，實(shí)現(xiàn)了用戶登錄、注冊(cè)和查找歷史物流信息等功能。

本軟件采用MVVM 架構(gòu)，將整個(gè)前端頁面分成View、Controller（控件）、Modal（數(shù)據(jù)源），視圖上發(fā)生變化，通過Controller 將響應(yīng)傳入到Modal，由數(shù)據(jù)源改變View 上面的數(shù)據(jù)。本項(xiàng)目軟件設(shè)計(jì)破窗消息界面采用的MVVM 框架，將破窗消息封裝在Modal 里面。

3.4 車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

如圖7 所示，安裝無線終端設(shè)備，通過該設(shè)備的BDS 定位功能，可以對(duì)汽車實(shí)時(shí)定位，防止發(fā)生事故無法及時(shí)鎖定車輛方位進(jìn)行救援等問題，從而提高客戶滿意度。

圖7 BDS 定位方案

隨著車聯(lián)網(wǎng)的不斷發(fā)展，應(yīng)用范圍不斷擴(kuò)大，目前許多車輛已經(jīng)加裝了車載無線通信模塊，而5G 將為車聯(lián)網(wǎng)的應(yīng)用與發(fā)展打開新的空間，使得車輛能支持提供基于意圖共享、協(xié)同決策的高級(jí)別主動(dòng)安全預(yù)警、交通出行效率提升類服務(wù)。同時(shí)通過5G 與5G 基站的連接，結(jié)合北斗衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)與5G 通信帶內(nèi)定位技術(shù)，可彌補(bǔ)北斗在室內(nèi)及遮擋條件下定位性能的不足，實(shí)現(xiàn)各環(huán)境定位的全覆蓋[6]。

4 結(jié)束語

本系統(tǒng)通過對(duì)車輛信息的采集與處理，檢測(cè)車輛行駛中遇到的意外事件，并在必要情況下實(shí)施破窗。系統(tǒng)具有穩(wěn)定、可靠和安全等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了破窗智能化。能夠自動(dòng)、迅速擊破玻璃，有助于人員迅速逃離危險(xiǎn)現(xiàn)場(chǎng)。系統(tǒng)不但具有智能破窗、精準(zhǔn)定位和實(shí)時(shí)報(bào)警等功能，而且通過數(shù)據(jù)挖掘，后續(xù)可分析事故地點(diǎn)與發(fā)生原因，找出易發(fā)生事故路段，為以后的道路交通修建提供數(shù)字支撐，加快我國(guó)道路數(shù)字化轉(zhuǎn)型。