基于CAN總線和GPRS網絡模塊的大客車座椅安全帶實時監控系統設計

鄭小瑀 袁月峰 顧奇梁

（中國計量學院質量與安全工程學院，浙江 杭州310018）

0 引言

陸上客運的安全性已成為當今社會焦點話題，基于CAN總線和GPRS網絡模塊的大客車座椅安全帶實時監控系統，能將每一位乘客的安全帶系帶情況反映到前方司機的觸摸屏上，以便司機隨時了解每一位乘客是否系好了安全帶并作出相應舉措，從而對車內乘客起到保護作用［1］。此外，系統還可以將大客車上的乘客上座率自動發送給汽車營運公司，以便公司人員實時了解客車上座率。主要設計工作是開發一套單片機數據采集和計算機數據處理程序，目標是提供一套成本低、功能全面的大客車座椅安全帶實時監控系統。

本文對大客車安全帶監控的必要性和當前存在的問題進行了分析，提出了基于CAN總線和GPRS網絡模塊的系統總體方案，并對各單元功能進行了描述，分析了CAN主機和網絡節點的通信協議設計和技術特點等［2］。

1 基于CAN總線和GPRS網絡模塊的系統總體方案

1.1 大客車座椅安全帶實時監控系統方案架構

基于CAN總線和GPRS網絡模塊的大客車座椅安全帶實時監控系統主要由主機系統（數據處理系統）、從機系統（座椅檢測系統）和上位機系統（信息監控系統）3個子系統組成，其結構如圖1所示。

圖1 系統整體構架

其中，從機系統主要由單片機（包括主控制芯片、外設模塊和電源模塊）和傳感器構成，能實現座椅狀態的檢測以及通過CAN總線向主機傳輸數據。主機系統主要由單片機（包括主控制芯片、外設模塊和電源模塊）、GPS模塊、SIM300模塊和DGUS串口顯示屏構成，能實現CAN總線以及GPRS網絡數據的接收與發送，DGUS串口屏的顯示與人機交互。上位機系統由連接有外網IP的計算機構成［3］。車載終端軟件的設計任務主要有以下5個部分：CAN總線驅動、GPRS驅動、DES數據加密算法、人機交互、SD卡數據存取。

1.2 大客車座椅安全帶實時監控系統工作原理

從機負責監測大客車內1～3個座椅的4種狀態：有人已扣安全帶、有人未扣安全帶、無人已扣安全帶、無人未扣安全帶。多個從機通過CAN總線構成網絡，監測客車內所有座椅的狀態。主機通過CAN總線輪詢從機，獲得所有座椅的狀態，并將狀態信息在DGUS串口顯示屏上顯示：無人已扣安全帶、無人未扣安全帶顯示為黃色；有人已扣安全帶顯示為綠色；有人未扣安全帶顯示為紅色，并發出警告。

主機通過SIM900A模塊獲得客車的位置信息，并控制SIM900A模塊通過GPRS網絡與上位機進行信息交互，發送車內安全帶佩戴情況以及客車位置信息數據。其中，從機MCU控制器通過檢測傳感器，獲得座椅是否有人以及安全帶是否佩戴的信息。主機MCU控制器通過CAN總線輪詢每個從機，并獲取從機發送的數據包，從而獲得大客車每個座椅的狀態。上位機通過SocketAPI監聽固定IP地址，主機MCU控制器通過控制SIM900A模塊，使其連接上述IP地址，以此實現GPRS網絡通信［4］。

2 CAN主機和網絡節點的通信協議設計及技術特點

2.1 微控制器電路設計分析

座椅檢測系統采用意法半導體公司型號為STM8S208的MCU作為主控芯片，其具有可靠性高、成本低等優點。STM8S208芯片的主要特性為：工作電壓2.95～5.5V；CPU工作頻率24MHz；多達128kB的Flash，6kB的RAM，2kB的EEPROM；beCAN2.0B的傳輸速率高達1Mb／s；較為靈活的時鐘選擇；2個UART和1個SPI接口；1個I2C接口。系統的外界晶振為24MHz，芯片的PG1、PG0管腳為系統引出的CAN接口，用于CAN總線通信［5］。

2.2 數據處理系統硬件設計分析

數據處理系統采用意法半導體公司型號為STM32F103的32位MCU作為主控芯片。STM32F103的主要特性如下：工作電壓2.0～3.6V；工作頻率最高72MHz；閃存程序存儲器128kB；SRAM高達20kB；DMA控制器為7通道，支持的外設有定時器、ADC、SPI、I2C和 USART；I／O端口多達80個；定時器多達8個；通信接口多達9個，包括2個I2C接口、3個USART接口、2個SPI接口、1個CAN接口和1個USB接口［6］。數據處理系統主控芯片及其外圍電路如圖2所示。

圖2 數據處理系統主控芯片及其外圍電路

2.3 GPS+GPRS模塊信息的傳輸

本系統的GPS＋GPRS模塊采SIMCOM公司生產的SIM900A模塊，它是一個雙頻的GSM／GPRS模塊，工作頻段為EGSM 900MHz和 DCS 1 800MHz，供電電壓為 3.2～4.8V。SIM900A 支持 GPRS multiple－slot class10／class8（可選）和 GPRS編碼格式CS－1、CS－2、CS－3和CS－4。其工作方式為通過TCP／IP協議連接到指定的IP地址，與GPS模塊進行通信，獲得位置信息［6］。系統與SIM900A模塊使用串口通信，系統通過發送串口指令，控制SIM900A模塊完成短信的發送、電話的撥打接聽、GPRS網絡的連接以及數據的接收與發送等功能，使系統實現無線發送、接收數據，令系統更加靈活易用［7］。為完成數據打包與解析，傳統的方式是：用1個字節存儲ID信息，1個字節存儲起始的座位號，1個字節存儲檢測的座位數量N，再用N個字節表示對應的每個座椅的狀態信息，再給這段數據加上幀頭幀尾以及CRC校驗等，保證數據傳輸的可靠性。

2.4 顯示模塊

系統的顯示模塊采用北京迪文科技有限公司生產的DMT80480T070＿18WT工業串口屏，該顯示屏規格為7.0英寸、800×480圖形點陣、K600＋內核和65K（65 536）色。輸入電壓為6～42V，支持SD卡配置，并可通過SD卡下載。該顯示屏與數據處理系統主控芯片的通信采用串口通信協議，串口波特率為1 200～921 600（可調節）。

3 系統軟件設計

系統軟件由主程序、CAN總線通信子程序、定時器子程序、延時子程序等組成。主程序流程圖如圖3所示。主程序上電復位后，完成系統時鐘、EEPROM以及CAN、GPIO等的初始化，隨后配置CAN的接收中斷，完成所有準備工作。為保證座椅安全帶實時監控系統能夠正確接收需要的信息，即能接收數據處理系統發送的指定為自身接收的數據，自動過濾數據處理系統發送給CAN總線中其他節點的信息以及CAN總線中其他節點發送給數據處理系統的信息，系統配置CAN報文的過濾機制為標識符模式。

圖3 主程序流程圖

4 結語

在大客車安全事故頻發的背景下，設計一套基于CAN總線和GPRS網絡模塊的大客車座椅安全帶實時監控系統十分必要，它能將每一位乘客的安全帶系帶情況反映到前方司機的觸摸屏上，從而對車內乘客起到保護作用。根據研究內容制定了總體設計方案，搭建了車載終端硬件系統及軟件架構，構建了監控中心平臺軟件。通過測試，系統運行狀況良好。

［1］駱玉榮.安全帶識別系統的研究與實現［D］.北京工業大學，2008

［2］劉玉光，張曉龍，王存，等.乘用車安全帶提醒裝置適應性研究［J］.汽車技術，2006（21）

［3］彭劍，葉楓，辛兢澤.汽車遠程監控診斷系統的功能設計和應用研究［J］.上海汽車，2011（3）

［4］趙春明，喬旭彤，馬寧，等.基于CAN總線的電動汽車分布式控制系統的故障診斷研究［J］.車輛與動力技術，2005（2）

［5］熊杰.汽車車身CAN網絡系統的設計與實現［D］.哈爾濱工業大學，2008

［6］谷宗冉，孟立凡，楊艷軍.數據采集及無線收發系統設計［J］.電子測試，2011（2）

［7］張新紅，吳金強.基于GPRS的遠程數據采集及監控系統［J］.機械管理開發，2008（1）