盧勇，盧會國，曼世超

　　（成都信息工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，四川 成都 610225）

　　摘要：為了滿足車輛安全監(jiān)測的需要，設(shè)計了一種基于遠(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單片機控制GSM模塊和各個傳感器，利用GPS模塊實現(xiàn)對車輛的位置定位，并采用OV7670攝像頭進行圖像拍攝，實現(xiàn)對特定狀況下車輛的監(jiān)視取證。手機用戶和電腦用戶可分別通過手機APP與電腦Web頁面實現(xiàn)對車輛信息的實時監(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，通信實時性和可靠性強。

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

0引言

　　隨著我國經(jīng)濟的發(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。車輛起火沒有自動報警系統(tǒng)而造成不必要的經(jīng)濟損失，同時利用車輛作案和以車輛作為犯罪對象的案件日益增多，由于車輛的機動性，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，以及要求提供必要服務(wù)的愿望日益強烈［2］。針對這些問題，本文從實際應(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)測到車輛的運行情況，為人們的生活提供保障。

1系統(tǒng)總體設(shè)計及工作原理

　　系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。整個系統(tǒng)包括以ARM CortexM3為內(nèi)核的STM32F103單片機模塊、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，該系統(tǒng)就會發(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，各傳感器將采集到的數(shù)據(jù)首先通過STM32F103 模塊進行處理，經(jīng)識別后通過語音模塊進行實時報警。如有車輛被移動盜竊時，GPS模塊會進行定位跟蹤，車輛的狀態(tài)數(shù)據(jù)可動態(tài)地顯示在彩色觸摸屏上，相應(yīng)的數(shù)據(jù)還會通過STM32F103 模塊進行處理，然后通過串口發(fā)送到GSM模塊，最后以短信的方式通過GSM移動網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到用戶手機上。與此同時，STM32F103單片機會從GPS接收模塊中讀取車輛的位置狀態(tài)，用戶可以登錄手機APP和Web網(wǎng)頁實時查詢車輛的位置。此外，攝像頭模塊還可以在車輛被盜時自動開啟拍照功能，方便取證。這樣，用戶就可以第一時間了解車輛的安全狀況，從而避免不必要的損失，保證了人民財產(chǎn)安全。

2系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　2.1主控制器

　　作為系統(tǒng)的核心部分，主控制器需要對整個系統(tǒng)進行控制與通信。本設(shè)計中包含的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［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，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，該模塊在工作時需要瞬間電流達到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?，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。

　　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50個通道，追蹤定位靈敏度可達-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，模塊通過串口輸出定位數(shù)據(jù)可直接與單片機串口連接，節(jié)約了單片機I/O口，不需外加電路，只需配置單片機串口便可實現(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。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2G、移動3G、移動4G、聯(lián)通2G，通過AT指令實現(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)實時性、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單片機大部分資源，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

　　存儲起來，通過配置單片機內(nèi)部DMA讀取圖片數(shù)據(jù)以減小STM32資源耗費，最后將圖片數(shù)據(jù)通過LCD進行顯示，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，可同時顯示經(jīng)度緯度、時間日期、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，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，只需要將播報的中文保存在STM32中，通過串口發(fā)送給語音芯片便可實現(xiàn)播放，不需要進行文字的編碼解碼。芯片內(nèi)部集成功放，可省掉外部功放電路，直接驅(qū)動0.5 W喇叭，操作簡單。其與單片機之間通過串口通信。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，該模塊可實時監(jiān)測車輛內(nèi)部可燃?xì)怏w，本設(shè)計采用MQ2傳感器。當(dāng)采用5 V供電時，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)出一個參考電壓，兩個電壓通過LM393電壓比較器后，可直接輸出TTL電平，與單片機連接時，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現(xiàn)對可燃?xì)怏w的檢測。其與STM32的接口電路如圖7所示。

　　2.9火焰檢測傳感器模塊

　　的接口電路火焰檢測與可燃?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，火焰檢測模塊通過檢測波長在特定長度范圍內(nèi)的光源，以實現(xiàn)對火焰的檢測，其實現(xiàn)電路與可燃?xì)怏w檢測一樣，與單片機通過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系統(tǒng)軟件設(shè)計

　　3.1系統(tǒng)功能實現(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)存卡使用時間、日期等，還可以把實時記錄的定位數(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時，語音模塊將會報警，并且還會編碼短信，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APP和網(wǎng)頁Web定位車輛的具體位置。在車輛被移動時，系統(tǒng)內(nèi)置的攝像頭將會自行啟動，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

　　該定位程序設(shè)計主要負(fù)責(zé)完成GPS模塊的相關(guān)驅(qū)動、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)計的流程圖如圖10所示。

　　3.3GSM通信模塊程序設(shè)計

　　GSM通信模塊程序設(shè)計主要負(fù)責(zé)完成無線通信模塊的相關(guān)驅(qū)動，負(fù)責(zé)車輛信息與手機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)，可實現(xiàn)對車輛信息的安全監(jiān)控并且能有效地對車輛進行實時跟蹤。

　　為某一時刻監(jiān)測系統(tǒng)測到的各項數(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，減少人民的財產(chǎn)損失，本系統(tǒng)為移動車輛安全監(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、實時性、處理速度、功能、可擴展性等方面優(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。同時引入當(dāng)今較為廣泛應(yīng)用的手機APP功能，實現(xiàn)對車輛信息的便捷有效查詢，以及輔助使用計算機網(wǎng)頁界面訪問查詢監(jiān)測，實現(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時監(jiān)控中有很好的實用價值和社會價值，應(yīng)該得到大力發(fā)展與推廣。

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