盧勇，盧會(huì)國，曼世超

　?。ǔ啥夹畔⒐こ檀髮W(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225）

　　摘要：為了滿足車輛安全監(jiān)測(cè)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(cè)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(duì)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(duì)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(duì)車輛信息的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。此外，該系統(tǒng)還具備煙霧火焰監(jiān)測(cè)以及語音警告提醒功能。該車輛安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的定位精度和監(jiān)測(cè)靈敏度高，通信實(shí)時(shí)性和可靠性強(qiáng)。

　　關(guān)鍵詞：監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；STM32F103單片機(jī)；GSM模塊；GPS模塊

0引言

　　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(chǎng)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(duì)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(chǎng)、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(duì)物流車、公務(wù)車、運(yùn)鈔車等特定車輛的安全監(jiān)測(cè)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(duì)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(duì)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(cè)系統(tǒng)，能更有效地監(jiān)測(cè)到車輛的運(yùn)行情況，為人們的生活提供保障。

1系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及工作原理

　　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(cè)模塊、煙霧檢測(cè)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(cè)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。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1主控制器

　　作為系統(tǒng)的核心部分，主控制器需要對(duì)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)鞲衅鞯龋ㄟ^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。

　　2.3GPS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。

　　2.4GSM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。

　　由于攝像頭對(duì)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圖5STM32與OV7670的接口電路

　　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(cè)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(duì)可燃?xì)怏w的檢測(cè)。其與STM32的接口電路如圖7所示。

　　2.9火焰檢測(cè)傳感器模塊

　　的接口電路火焰檢測(cè)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(cè)模塊通過檢測(cè)波長在特定長度范圍內(nèi)的光源，以實(shí)現(xiàn)對(duì)火焰的檢測(cè)，其實(shí)現(xiàn)電路與可燃?xì)怏w檢測(cè)一樣，與單片機(jī)通過I/O端口直接連接，檢測(cè)I/O電平即可。其與STM32的接口電路如圖8所示。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　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(cè)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。

　　3.2GPS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。

　　3.3GSM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。

4系統(tǒng)調(diào)試及其結(jié)果

　　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(duì)車輛信息的安全監(jiān)控并且能有效地對(duì)車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤。

　　為某一時(shí)刻監(jiān)測(cè)系統(tǒng)測(cè)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(cè)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。

5結(jié)束語

　　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(cè)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(shì)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(duì)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(cè)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車輛安全信息的全方位多功能監(jiān)測(cè)。本系統(tǒng)在車輛被盜取證和對(duì)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。

　　參考文獻(xiàn)

　?。?］ 宋清昆,劉小磊.GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)車載終端的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.自動(dòng)化技術(shù)與應(yīng)用,2009,28(12):4246.

　?。?］ 王國慶,朱峰,楊華冰. 基于ARM的遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)現(xiàn)［J］. 電腦知識(shí)與技術(shù), 2011, 7(23)：57715772，5775.

　?。?］ 陳致遠(yuǎn),朱葉承,周桌泉,等.一種基于STM32的智能家居控制系統(tǒng)［J］.電子技術(shù)應(yīng)用,2012,38(9):138140.

　?。?］ 蒙博宇. STM32 自學(xué)筆記［M］.北京:北京航空航天大學(xué)出版社， 2012.

　?。?］ 張鳳傳,苗玉彬,劉印鋒,等.基于GPS/GPRS/GIS的智能公交監(jiān)控系統(tǒng)［J］.計(jì)算機(jī)工程,2008，34(22):277279.

　?。?］ 劉世俊.基于GSM的遠(yuǎn)程呼叫系統(tǒng)［J］.電腦與電信,2008(8):4143.