基于Arm 單片機的車載兒童報警系統(tǒng)設(shè)計

朱? 琳，蔣美琪，楊? 興，曾? 誠
摘? 要：本設(shè)計是一種基于STM32單片機和GSM通訊模塊的車載兒童安全報警系統(tǒng)，主要是由信號采集模塊、 單片機STM32F103為核心的控制模塊、SIM900A為核心的GSM/GPRS通訊定位模塊和客戶端組成。能夠?qū)崿F(xiàn)對 私家車內(nèi)是否滯留兒童進行監(jiān)控，由控制器控制GSM模塊向車主或駕駛員發(fā)出短信報警，提醒車主或駕駛員及 時關(guān)注和發(fā)現(xiàn)兒童的生存環(huán)境狀態(tài)，避免安全事故的發(fā)生。 

關(guān)鍵詞：車載；兒童安全；全球移動通信系統(tǒng)；短信報警

0  引言 

根據(jù)道路交通公共管理局的數(shù)據(jù)顯示，截止至2016 年底，中國的汽車數(shù)量達到2.9億輛，私家車的數(shù)量高 達1.46億輛，占小型汽車的92.60%^[1]。國內(nèi)私家車擁有 量和駕駛?cè)藬?shù)量在2011—2016年迅速增長。它再為人們 的生產(chǎn)和生活提供便利的同時，也造成了不可大意的安 全隱患。如果你長時間被關(guān)在一輛封閉的汽車里，你的 孩子很難自救，比如呼救或敲打車窗等。時間越長，越 有可能造成恐懼甚至絕望，而加速悲劇則更容易，即使 獲救，發(fā)生也很容易在以后的生活中造成身心傷害。并 且汽車零部件和車內(nèi)裝飾物質(zhì)，含有一些有害物質(zhì)， 這些物質(zhì)往往會散發(fā)出有害氣體^[2]。在這些致命的悲劇 中，幼年的比例相對較大，由于兒童這個特殊群體的身 體功能還未完全的開發(fā)或者沒有開發(fā)完全，與成人不 同，對外部環(huán)境的適應(yīng)度“較弱”，當外部環(huán)境相對較 差(例如當溫度非常高或者低溫)時，孩子的身體機能不 能及時調(diào)整，以適應(yīng)溫度變化，細氧等環(huán)境的突然變 化。溫度高時容易發(fā)生脫水和昏迷，不及時補充水分， 后果是嚴重的。

1  系統(tǒng)總體方案 

系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。該系統(tǒng)是由檢測模塊、 單片機STM32控制模塊、GSM由通訊模塊和客戶端組 成。通過對系統(tǒng)的控制原理進行分析，可以對系統(tǒng)的主 要程序進行分析。當系統(tǒng)啟動后，首先進行系統(tǒng)初始 化。當車輛被停放或被鎖住后，通過點煙器手機的鎖定 信號被發(fā)送到單片機中，如果檢測到這個信號，系統(tǒng)就 開始工作。熱釋電紅外傳感器用于檢測駕駛員和后部駕 駛員的信號。如果在驅(qū)動位置檢測到信號，就可以證明 駕駛位上有人，則系統(tǒng)會假定沒有小孩離開，系統(tǒng)會自 行關(guān)閉，無論車輛后座位置是否檢測到有信號；如果在 駕駛位置沒有檢測到信號，并且在車輛的后座中檢測到 信號，系統(tǒng)將認為兒童被困在車輛中。傳感器將信號發(fā) 送到單片機控制器。信號經(jīng)過單片機處理后，向GSM模 塊發(fā)送指令，并發(fā)送無線報警信號至車主的手機內(nèi)。

2  本文研究內(nèi)容 

本文設(shè)計了一種為實現(xiàn)兒童安全以STM32F103單 片機為核心模塊配合GSM通信模塊的車載報警系統(tǒng)。 該系統(tǒng)主要的模塊有核心控制模塊、信號接收模塊、由 SIM900A控制的通信模塊和客戶端部分。但是伴隨現(xiàn) 在汽車防盜和智能技術(shù)的進步，這種通過控制車輛起動 后啟動空調(diào)系統(tǒng)、自動控制車窗已經(jīng)無法實現(xiàn)，所以目 前通過車載報警系統(tǒng)對車主進行短信或電話報警的方 法是非?？尚械?sup>[7]。當該設(shè)備的監(jiān)控模塊識別到車內(nèi)有 兒童時，就會通過控制模塊向車主發(fā)送報警信號。該設(shè) 備的使用可以有效換地車內(nèi)信息來避免兒童安全事故的 發(fā)生。 

此次期望達到的測試成果性能量化指標主要有：① 紅外探測器探測波長：(8~1 400) μm；②SIM900A運行 傳輸速率：(1.2~1 152) kbit/s；③顯示功能：上位機顯 示界面；④電源工作電壓指標：5 V；⑤GPRS上行傳輸 速度最大42.8 kbit/s，下行傳輸速度85.6 kbit/s。 

2.1 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計 

通過對SIM900A和SIM800A的對比，這兩種模塊都 可用作通信模塊，在軟件方面編譯器和下載方式有很大 差別。在硬件方面，如果SIM800A不使用USB和藍牙功 能的情況下兩者的差別并不是很大。通過綜合的對比和 考慮SIM900A更符合本設(shè)計，所以選用SIM900A作為通 信模塊。 

通過單片機的比較，STC89C52單片機成本低廉， 有8 kB的FLASH，但是性能過低，STM32F103C8T6單 片機性能要更強，運算處理速度也更快，因此通過綜合 考慮該系統(tǒng)的主控單片機選擇STM32F103C8T6型。 

2.2 GSM模塊電路設(shè)計 

GSM模塊所用的是SIMCOM與之配對使用的 SIM900A模塊。它擁有符合國際標準的AT命令接口， 不僅可以提供GSM語音、而且還能夠作GPRS傳輸、同 時也可以做短消息等多種服務(wù)。SIM900模塊系統(tǒng)具體 的結(jié)構(gòu)如圖2所示。

SIM900A所支持的是標準8線，連接方式是串行接 口，其運行傳輸速率在(1.2~1 152) kbit/s范圍內(nèi)；所提 供的對象是2個非對稱的異步串行接口，其中一個被我 們用以日常通信，而余下另一個根據(jù)SIM900A需求被用 來做軟件的調(diào)試工作。SIM900A模塊的TXD根據(jù)需要 將數(shù)據(jù)第一時間輸送到處理器的RXD信號線，RXD接 收到信號，信號都是來自處理器的TXD信號線的各種不 同數(shù)據(jù)。SIM900A和STM32兩者之間的傳輸控制我們 能夠通過AT命令根據(jù)我們的需求來完成。模塊擁有標 準SIM卡接口。其結(jié)構(gòu)接口連接如下圖3所示。圖3就是 SIM900A連接圖。

2.3 STM32與GSM模塊的連接方式 

利用STM32的串口來控制GSM MODEM，單片機 與GSM模塊一般采用串行異步通信接口，通信速度可 設(shè)定，通常為19.2 kbit/s。GSM MODEM與單片機之間 采用串口通信的方式，MODEM的TXD、RXD分別為 發(fā)送、接收端，與單片機的PA10、PA9連接，組成串口 通信。GSM模塊通過把PWRKEY信號拉低一段時間然 后釋放來開機。當模塊開機后就可以發(fā)送AT命令來控 制模塊，用戶可以通過“AT+IPR=x”設(shè)置波特率并把參數(shù)保存。一旦配置為固定波特率，當模塊開機時將 會從串口收到字符“RDY”。這些字符在自動波特率 激活的情況下無法顯示。同樣，可以通過把PWRKEY 信號拉低一段時間然后釋放來關(guān)機?；蛘呤褂肁T命令 “AT+CPOWD=1”關(guān)閉模塊。圖4為STM32與GSM的 連接。 

2.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計 

根據(jù)以上工作原理和硬件結(jié)構(gòu)分析，可以看出系統(tǒng) 的主程序流程圖如下圖5所示。 

根據(jù)系統(tǒng)工作的控制原理，對系統(tǒng)的主要程序進行 分析。系統(tǒng)啟動后，系統(tǒng)首先初始化。當車輛停止并 鎖車時，鎖車信號被發(fā)送到單片機。如果檢測到信號， 系統(tǒng)開始啟動工作。熱釋電紅外傳感器用于檢測驅(qū)動位 置和后驅(qū)動信號。如果駕駛員座位上有信號，不管后座 上座椅位置的信號，系統(tǒng)認為沒有被滯留的兒童，系統(tǒng) 關(guān)閉。如果在駕駛位置沒有信號，但是后排座椅上有信 號發(fā)出時，這時系統(tǒng)就會認為是有兒童被滯留在座椅上 方，同時把信號輸送到單片機控制器上，最后由控制器將信號處理之后再轉(zhuǎn)而發(fā)送到GSM模塊。最終一環(huán)節(jié)就 是發(fā)送無線報警信號到與車主所連接的手機上。

3  系統(tǒng)調(diào)試 

3.1 系統(tǒng)硬件調(diào)試 

SIM900A模塊所采用的通信方式為串聯(lián)接口，并且 所有的SIM900A開發(fā)板都包含著TTL接口，一般情況下 都使用標準的AT指令來對SIM900A模塊進行控制，以 完成打電話發(fā)短信等基本功能。當操作控制器被用來 連接到SIM900A模塊上時，TTL接口大多都是RS232接 口。在硬件連接相應(yīng)完成之后，便能夠通過串口來發(fā)送 一系列的AT指令了。在進行電腦調(diào)試時我們通常是用 SIM900A模塊與電腦連接，一般情況下我們經(jīng)常使用的 調(diào)試設(shè)備有USB—TTL模塊與USB—232串口線。在實 際生活中這些USB設(shè)備都是需要配合驅(qū)動使用，并且不 同的操作系統(tǒng)所對應(yīng)的驅(qū)動程序也都是不同的。所以， 在使用這些USB設(shè)備來調(diào)試模塊時，一定先確定您所安 裝的驅(qū)動是可以的。安裝完成驅(qū)動后檢測是否可行。方 法就是，打開我的電腦→屬性→找到硬件管理器，然后 再找到COM口→USB設(shè)備安裝完成之后，系統(tǒng)會自動 生成1個COM口。通常用串口助手檢測驅(qū)動是否能夠正 常運行。方法就是把USB設(shè)備的換成TTL接口或者換成 RS232接口并且將它們的收發(fā)線連接在一起，例如：把 USB—TTL設(shè)備的TTl端的TXD與 RXD通過線對應(yīng)連接 起來，還可以將USB—232串口線的RS232端的23針（接 線端口里面所標注的TTL23針）連接起來。最后再完善 對應(yīng)配置，下一步就是發(fā)送隨意的數(shù)據(jù)，然后看是否能 同樣接受到您發(fā)送的數(shù)據(jù)。連接方式如圖6所示。

在確定好電路沒有問題后，將程序燒入單片機中。 基于STM32的車載兒童報警系統(tǒng)實物如圖7所示。

4  測試結(jié)果分析 

通過對基于STM32的車載兒童報警系統(tǒng)的軟件調(diào) 試、硬件調(diào)試、通過對整個系統(tǒng)和各個模塊的測試和觀 察，控制模塊、通信模塊、傳感器模塊分別進行了功能 驗證，采用萬用表對整個電路進行測量后，無元器件正 負極接反和虛焊現(xiàn)象，整個電路無斷開現(xiàn)象，整個實物 的功能都能實現(xiàn)，系統(tǒng)測試完成，程序編寫后燒錄進單 片機，硬件連接好后，硬件功能正常。通過調(diào)試后系統(tǒng) 實現(xiàn)功能如下:當駕駛室有人或者汽車在啟動狀態(tài)下， 蜂鳴器不響，GSM模塊不發(fā)送報警短信。當駕駛室無人 并且車不在啟動狀態(tài)下，蜂鳴器報警，GSM模塊發(fā)送報 警短信至車主的手機。實驗結(jié)果如圖8所示。

5  結(jié)語 

本設(shè)計從自身生活經(jīng)歷開始，為了解決和改善生活 中發(fā)現(xiàn)的一些問題，經(jīng)過我上網(wǎng)翻閱資料和自己考察調(diào) 研，因此最終設(shè)計出來了該系統(tǒng)。比較詳細的論述了相 關(guān)原理及技術(shù)，總體設(shè)計的分析和具體各個模塊的設(shè)計 實現(xiàn)過程。經(jīng)過對基于STM32的車載兒童系統(tǒng)的軟件調(diào) 試、硬件調(diào)試后，系統(tǒng)實現(xiàn)了所要求的功能可以供應(yīng)于 市場，體現(xiàn)出本設(shè)計真正的價值，給人們帶來更多更好 的便利。

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