基于STM32的無線車載監(jiān)控終端的設計與實現(xiàn)

無錫機電高等職業(yè)技術學校 方 菁

1.引言

出租車已經成為市民生活的必要交通工具，為了提升出租車駕駛員的服務水平和加強出租車司機的安全，除了由管理單位定期對駕駛員進行文化素質和服務水平進行培訓外，從技術手段方面在車內安裝車載監(jiān)控系統(tǒng)對也是個行之有效的辦法。車載監(jiān)控系統(tǒng)由車載終端、傳輸網(wǎng)絡和監(jiān)控中心組成三層聯(lián)網(wǎng)式綜合監(jiān)管系統(tǒng)，提供車輛防盜、反劫、行駛路線監(jiān)控、車內車外視頻圖像實時無線傳輸、事故快速響應、呼叫指揮等功能，以解決現(xiàn)有車輛的動態(tài)管理問題。

使用GPS可以對車輛位置進行24小時實時跟蹤，對歷史行駛軌跡進行查詢，使用視頻錄像或者拍照監(jiān)控，可以遠程實時監(jiān)控車輛，了解車輛的情況。當前市面上使用的車載監(jiān)控系統(tǒng)大都體積較大、功耗高、價格高，對于出租車等小型車輛的應用不太適合。本文針對市場的這個需求，設計了低功耗多功能的無線監(jiān)車載終端。

2.系統(tǒng)總體設計

該車載終端的系統(tǒng)總體結構圖如圖1所示。為了減少系統(tǒng)的復雜性，攝像頭只支持拍照功能，GPS為系統(tǒng)提供定位信息；G-Sensor是重力傳感器為觸發(fā)拍照提供觸發(fā)信號；TF卡作為本地存儲介質可以大大減小存儲器的體積同時又可以提供大容量存儲空間；GPRS模塊作為本終端使用的無線傳輸模塊負責和控制中心通訊，既可以把照片數(shù)據(jù)和位置信息上傳到控制中心，又可以從控制中心接收指令，進行遠程控制攝像頭立刻拍照上傳；USB Device接口與電腦通訊，可以把TF卡虛擬成U盤，從而可以方便的通過電腦直接搜索、查看和拷貝本地的備份照片。

3.硬件設計

為了降低系統(tǒng)功耗同時增強系統(tǒng)性能，綜合考慮后本系統(tǒng)的MCU選用STM32103VET6理器作為核心控制器，以西門子公司的MC52i模塊作為GPRS通信模塊，采用Telit（泰利特）的SE880為GPS功能模塊用于定位追蹤器位置，采用OV7670攝像頭用于拍攝照片，使用MCU自帶的SDIO接口擴展TF卡存儲功能，使用MCU自帶的USB Device接口擴展USB接口。

圖1 系統(tǒng)結構原理圖

圖2 MCU模塊原理圖

圖3 MC52i核心電路圖

圖4 GPS模塊電路

3.1 MCU核心電路設計

本設計采用的STM32103VET6為ST公司的增強型Cortex-M3內核系列單片機，最高允許頻率可達72M，64K RAM，512K Flash，100引腳LQFP封裝，速度可達72MHz，其ROM和RAM也是目前同類型板載主芯片中容量最大的。自帶SDIO、USB Device、5個串口、SPI接口和IIC接口，可以滿足本系統(tǒng)豐富外設的接口需求，同時系統(tǒng)自帶RTC、看門狗等實用模塊，RTC可以為系統(tǒng)的數(shù)據(jù)運行提供時間標記，看門狗可以保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。系統(tǒng)MCU部分硬件原理圖如圖2所示。圖2中8M晶振為系統(tǒng)主晶振，可以經過MCU內部倍頻到72M為其它外設提供時鐘頻率，32.768K的晶振為RTC模塊專用晶振，SW1為單片機提供啟動方式選擇，當BOOT0為高時，從片內ISP區(qū)域開始運行，當BOOT0為低時從應用程序區(qū)域開始運行，只要用于前期調試下載應用程序使用。

3.2 MC52i模塊電路

MC52i是Cinterion公司（原西門子）生產的內部帶有TCP/IP協(xié)議棧的模塊，可以通過串口對其進行控制。該模塊是工業(yè)級別，可在-40度和+80度的環(huán)境下正常工作，功耗低、可靠性高、性價比高，目前廣泛運用于智能公交、無線數(shù)傳（DTU)、遠程無線抄表等系統(tǒng)應用中。MC52i的接口為50芯雙排接口，由于系統(tǒng)采用串口方式與MC52i通信并且僅僅GPRS功能，所以系統(tǒng)僅使用串口的RXD0和TXD0與MCU的PA9和PA10相連，本系統(tǒng)的應用接口如圖3所示。圖3中D16和D17為串口通信指示燈，當MCU和MC52i有數(shù)據(jù)通信時，通過該指示燈可以監(jiān)控通信狀態(tài)是否正常。U10為SIM卡插座。

3.3 GPS接口電路

SE880是一個擁有最大靈敏度的單星座GPS芯片，該芯片可減少首次定位時間(TTFF)，冷啟動最多可提速200多秒。在它的微耗電準備模式中，SE880可維持50到500μAmps的極低耗電率，而這種準備模式僅需要數(shù)秒便能被啟動。此外，其工作溫度范圍廣闊，特別是在零下40到85攝氏度的極端環(huán)境下，仍具有業(yè)內領先的靈敏度及穩(wěn)定度，這個特性對于低功耗同時要求高精度的定位系統(tǒng)非常重要，這這使得它非常適合應用于本設計。SE880接收器的設計包含了可運作的接收器所需具備的全部組件，僅需要一個產品時基和溫度補償晶體振蕩器所需的32千赫茲的晶體，天線、電源和數(shù)據(jù)連接就可以了。該模塊整合星基增強系統(tǒng)(SBAS)的先進設計，可以將衛(wèi)星采集的星歷數(shù)據(jù)存儲到SPI閃存中，這可有效地降低成本并改進終端設備。SE880的應用原理圖如圖4所示。

GPS模塊SE880采用1.8V供電，ON_OFF上拉可以使SE880進入工作狀態(tài)，以1Hz的脈沖控制ON_OFF可以使GPS進入休眠狀態(tài)。SYSTEM_ON信號為低電平表示當前GPS模塊是處于休眠狀態(tài)，為高電平表示當前GPS模塊是處于工作狀態(tài)。R32和R33的接法規(guī)定了GPS模塊和MCU通訊波特率為9600。

圖5 系統(tǒng)其它主要模塊接口電路圖

圖6 軟件流程框圖

3.4 其它部分接口電路

本設計的其它部分主要的接口電路如下圖5所示。TF卡接口直接利用了MCU自帶的4位SDIO接口擴展，USB也是使用MCU自帶的USB device接口擴展，既有利于充分利用MCU的自身資源，又可以降低系統(tǒng)的復雜性和成本。

圖5所示的加速度傳感器（G-sensor）為I2C接口，直接與MCU的I2C1總線接口相連，由于GPS的工作功耗較大，不宜進行持續(xù)工作，加速度傳感器可以保證只有車輛移動時才進行GPS定位，減少不必要的功耗，同時也可以為拍照系統(tǒng)提供觸發(fā)信號。

圖5所示的攝像頭接口用于和OV7670攝像頭模塊相連，OV767適合高靈敏度適合低照度、低電壓要求的嵌入式應用，最高支持640*480分辨率，可以滿足基本的監(jiān)控需求。

4.軟件設計

為了使系統(tǒng)支持USB讀取SD卡內容，SD卡的文件格式必須為系統(tǒng)所支持的FAT或者FAT32格式文件系統(tǒng)，考慮到MCU的程序空間，本設計采用了fatfs作為該設計的文件系統(tǒng)。同時為了增強系統(tǒng)的實時性，本設計以UCOS-ii嵌入式實時操作系統(tǒng)實現(xiàn)任務調度，任務管理，時間管理，內存管理和任務間的通信和同步等基本功能。軟件流程圖如圖6所示。

在上述流程框圖中，拍照任務使用OSSemPend函數(shù)請求拍照信號量PhotoSem，如果請求成功則立刻拍照并生成GIF格式圖片數(shù)據(jù)，然后執(zhí)行OSSemPost(TFSaveSem)和OSSemPost(GPRSSendSem)，通知TF卡存儲任務按照拍照時間信息為文件名保存當前照片，通知GPRS通訊任務進行無線數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心。

加速度傳感器任務定時1秒讀取一下加速度傳感器數(shù)據(jù)，當檢測到車輛移動時，立刻執(zhí)行OSSemPost(PhotoSem)和OSSemPost(GPSSem)，通知拍照任務進行拍照，并通知GPS定位任務執(zhí)行一次定位。

GPS定位任務通過OSSemPend(GPSSem)函數(shù)判斷是否執(zhí)行定位和任務掛起。

GPRS通訊任務通過OSSemPost(GPRSSendSem)執(zhí)行是否發(fā)送照片數(shù)據(jù)，同時通過讀取GPRS模塊的接收指令判斷是否收到遠程控制指令，如果有遠程控 制指令則立刻執(zhí)行，否則把當前任務掛起。當收到遠程拍照指令時，立刻執(zhí)行OSSemPost(PhotoSem)和OSSemPost(GPSSem)，進行拍照和定位。

TF卡存儲任務通過OSSemPend(TFSave-Sem)函數(shù)判斷是否執(zhí)行照片數(shù)據(jù)存儲和任務掛起。

虛擬U盤任務等待通過USB中斷觸發(fā)OSSemPost(USBSem)，當接收到USBSem信號量時，掛起TF卡存儲任務，進入虛擬U盤任務，從而可以保證TF卡在多個任務操作時不會沖突。

系統(tǒng)監(jiān)控任務主要用于監(jiān)控其它各個任務的執(zhí)行時間是否超時并進行喂狗處理，如果超時則任務系統(tǒng)程序跑飛，此時就會觸發(fā)看門狗，復位系統(tǒng)。同時該任務還管理實時時鐘RTC，為GPRS通訊和TF卡存儲任務的運行提供準確可靠的時間。

5.應用和發(fā)展前景

該設計把拍照監(jiān)控、本地大容量存儲、虛擬U盤讀取、實時定位、無線通訊、加速度傳感器控制和STM32單片機的豐富功能集成在一起，使車載監(jiān)控終端在具有豐富可靠的功能的同時，保持較低功耗、低成本、高實時性的優(yōu)點。該車載監(jiān)控終端可以廣泛應用于出租車監(jiān)控領域和其它營運車輛監(jiān)控領域，具有廣闊的市場前景。

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[4]ST,data sheet:RM0091 Reference manual stm32105XXX advanced ARM-based 32-bit MCUs.pdf.

[5]Telit,data sheet:Telit_Jupiter_SE880_HW_User_Guide_r0.pdf.