基于遠程通信技術的車輛安全監測系統設計

盧 勇， 盧會國， 曼世超

(成都信息工程大學 電子工程學院，四川 成都 610225)

基于遠程通信技術的車輛安全監測系統設計

盧 勇， 盧會國， 曼世超

(成都信息工程大學 電子工程學院，四川 成都 610225)

為了滿足車輛安全監測的需要，設計了一種基于遠程通信技術的車輛安全監測系統。該系統使用以Cortex-M3為內核的STM32F103單片機控制GSM模塊和各個傳感器，利用GPS模塊實現對車輛的位置定位，并采用OV7670攝像頭進行圖像拍攝，實現對特定狀況下車輛的監視取證。手機用戶和電腦用戶可分別通過手機APP與電腦Web頁面實現對車輛信息的實時監測。此外，該系統還具備煙霧火焰監測以及語音警告提醒功能。該車輛安全監測系統的定位精度和監測靈敏度高，通信實時性和可靠性強。

監測系統；STM32F103單片機；GSM模塊；GPS模塊

0 引言

隨著我國經濟的發展以及道路交通等基礎設施的不斷提高，中國汽車市場高速發展，車輛的數量急劇增加。然而，車輛的增加帶來了一系列嚴重問題。車輛起火沒有自動報警系統而造成不必要的經濟損失，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、公務車、運鈔車等特定車輛的安全監測要求也越來越高。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的愿望日益強烈[2]。針對這些問題，本文從實際應用角度出發，提出了一種基于遠程通信技術的車輛安全監測系統，能更有效地監測到車輛的運行情況，為人們的生活提供保障。

圖1 系統結構框圖

1 系統總體設計及工作原理

系統的結構框圖如圖1所示。整個系統包括以ARM Cortex-M3為內核的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]。當車輛起火自燃或車輛被犯罪分子盜用時，該系統就會發揮作用。具體原理為：當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據首先通過STM32F103 模塊進行處理，經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，車輛的狀態數據可動態地顯示在彩色觸摸屏上，相應的數據還會通過STM32F103 模塊進行處理，然后通過串口發送到GSM模塊，最后以短信的方式通過GSM移動網絡發送到用戶手機上。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，用戶可以登錄手機APP和Web網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，保證了人民財產安全。

2 系統硬件設計

作為系統的核心部分，主控制器需要對整個系統進行控制與通信。本設計中包含的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，該系統中的語音模塊、GSM模塊、GPS模塊又要求處理器應具有多串口通信功能，經過各方面分析，最終選擇意法半導體的STM32F103ZET6作為系統微處理器，該處理器具有最高72 MHz的工作頻率，內部RAM大、低功耗、多串口、內部集成多通道DMA等優點[4]。

2.2 電源模塊

由于本系統的特殊性，在不影響系統穩定性的情況下，減小系統體積的同時，還應該考慮系統電源問題。由于系統中涉及到GSM模塊，該模塊在工作時需要瞬間電流達到2 A以上，但絕大部分的穩壓芯片不能滿足此要求，所以本系統中采用5 V直流作為各模塊電源(GPS模塊、語音模塊、煙霧傳感器、火焰傳感器等)，通過AMS1117-3.3穩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。

圖2 電源電路

2.3 GPS定位模塊

為了提高系統定位的準確性，系統采用的GPS模塊為UBLOX公司生產的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據可直接與單片機串口連接，節約了單片機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，能夠維持定位數據約半小時。其與STM32控制器的接口電路如圖3所示。

2.4 GSM模塊

系統中采用的GSM模塊為SIM900A，模塊內部集成TCP/IP協議，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、聯通2G，通過AT指令實現短信發送和讀取以及網絡數據連接收發等[6]。其中網絡通信有別于傳統的GSM模塊只能進行短信收發的弊端，通過網絡數據的傳輸，提高系統實時性、減小系統成本，且模塊支持串口波特率自適應，有別于市面上絕大多數GSM模塊。本設計中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。

另外，在同一位置采用不同補償度的串補裝置，調壓結果也不同，線路長度越大，串聯電容容抗越大，補償電壓值就越大。若串入電容容抗較大，可能造成調節后電壓超過額定電壓的上限范圍。

圖3 STM32模塊與GPS的接口電路

圖4 STM32模塊與GSM的接口電路

2.5 OV7670攝像頭

圖5 STM32與OV7670的接口電路

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據處理。為解決該問題，本系統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存儲起來，通過配置單片機內部DMA讀取圖片數據以減小STM32資源耗費，最后將圖片數據通過LCD進行顯示，由于處理速度很快，看起來就是連續的視頻了。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，可同時顯示經度緯度、時間日期、TF卡使用情況、系統模式等。彩屏能夠顯示彩色圖片，可以和攝像頭OV7670配合使用。系統的設置和查看等可通過觸摸功能實現，不需要外加物理按鍵。

2.7 語音模塊

在不斷完善系統準確性和穩定性的同時，為體現系統的人性化，系統增加了SYN6288中文語音合成芯片，該芯片能夠實現中文播放，只需要將播報的中文保存在STM32中，通過串口發送給語音芯片便可實現播放，不需要進行文字的編碼解碼。芯片內部集成功放，可省掉外部功放電路，直接驅動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

作為系統重要組成部分，該模塊可實時監測車輛內部可燃氣體，本設計采用MQ-2傳感器。當采用5 V供電時，MQ-2傳感器輸出的電壓范圍在0～5 V之間，模塊上電位器調節出一個參考電壓，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，只需要設置STM32的I/O輸入模式，判斷輸入電平高低即可實現對可燃氣體的檢測。其與STM32的接口電路如圖7所示。

圖6 STM32與SYN63288的接口電路

圖7 STM32與MQ-2的接口電路

2.9 火焰檢測傳感器模塊

圖8 STM32與火焰傳感器的接口電路

火焰檢測與可燃氣體傳感器結合在一起使用，能夠實現功能的互補，火焰檢測模塊通過檢測波長在特定長度范圍內的光源，以實現對火焰的檢測，其實現電路與可燃氣體檢測一樣，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 系統軟件設計

3.1 系統功能實現流程

本系統主要以STM32微處理器為控制核心，當系統初始化后，觸摸顯示屏可以顯示經緯度以及內存卡使用時間、日期等，還可以把實時記錄的定位數據保存到網絡和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數據，然后通過GSM模塊把相應數據傳到用戶手中，用戶可以通過手機APP和網頁Web定位車輛的具體位置。在車輛被移動時，系統內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。

圖9 系統功能流程圖

3.2 GPS定位模塊程序設計

該定位程序設計主要負責完成GPS模塊的相關驅動、數據接收和數據處理，從接收的定位數據中解析出經度、緯度、地面速率等定位跟蹤信息，并將這些信息存入相應的寄存器中。GPS定位模塊程序設計的流程圖如圖10所示。

圖10 GPS定位模塊程序流程圖

3.3 GSM通信模塊程序設計

GSM通信模塊程序設計主要負責完成無線通信模塊的相關驅動，負責車輛信息與手機或電腦用戶的無線通信與數據傳輸。GSM通信模塊的程序流程圖如圖11所示。

圖11 GSM通信模塊程序流程圖

4 系統調試及其結果

圖12 某一時刻觸摸屏上的數據

系統經過軟硬件調試后，能正常收發數據，可實現對車輛信息的安全監控并且能有效地對車輛進行實時跟蹤。圖12為某一時刻監測系統測到的各項數據，從觸摸顯示屏上可以看出TF卡的容量還剩余1 111 MB，經度為103.989 51°，緯度為30.579 71°，速度為0.2 km/h，煙霧、火焰傳感器檢測到的數據為0，表示一切正常。通過登錄Web網頁和手機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。

圖13 車輛在Google地圖上的具體位置

5 結束語

為了保障車輛的安全，減少人民的財產損失，本系統為移動車輛安全監測提供了一種新的解決方案。與傳統方式相比，本系統在穩定性、實時性、處理速度、功能、可擴展性等方面優勢突出，而且安裝攜帶方便、成本低，能在惡

劣環境下使用。同時引入當今較為廣泛應用的手機APP功能，實現對車輛信息的便捷有效查詢，以及輔助使用計算機網頁界面訪問查詢監測，實現了對車輛安全信息的全方位多功能監測。本系統在車輛被盜取證和對車輛的實時監控中有很好的實用價值和社會價值，應該得到大力發展與推廣。

[1] 宋清昆,劉小磊.GPS車輛監控系統車載終端的設計與實現[J].自動化技術與應用,2009,28(12):42-46.

[2] 王國慶,朱峰,楊華冰. 基于ARM的遠程監控系統的設計及實現[J]. 電腦知識與技術, 2011, 7(23)：5771-5772，5775.

[3] 陳致遠,朱葉承,周桌泉,等.一種基于STM32的智能家居控制系統[J].電子技術應用,2012,38(9):138-140.

[4] 蒙博宇. STM32 自學筆記[M].北京:北京航空航天大學出版社， 2012.

[5] 張鳳傳,苗玉彬,劉印鋒,等.基于GPS/GPRS/GIS的智能公交監控系統[J].計算機工程,2008，34(22):277-279.

[6] 劉世俊.基于GSM的遠程呼叫系統[J].電腦與電信,2008(8):41-43.

Design of vehicle safety monitoring system based on remote communication technology

Lu Yong，Lu Huiguo，Man Shichao

(Electronic Engineering College, Chengdu University of Information Technology, Chengdu 610225, China)

In order to meet the needs of vehicle safety monitoring, a kind of vehicle safety monitoring system based on remote communication technology is designed in this paper. The system uses STM32F103 microcontroller which uses Cortex-M3 as the core to control GSM module and each sensors, uses GPS module to achieve the location of the vehicle, and uses OV7670 camera for image capture to achieve the specific situation of vehicle monitoring and evidence. Mobile phone users and computer users can achieve real-time monitoring of vehicle information through the mobile phone APP and Web pages. In addition, the system also has a smoke flame monitoring, as well as voice warning reminder function. The vehicle safety monitoring system has the advantages of high accuracy, high sensitivity, strong real-time performance and reliability.

monitoring system; STM32F407 MCU; GSM module; GPS module

TP273

A

1674-7720(2016)05-0071-04

盧勇，盧會國，曼世超. 基于遠程通信技術的車輛安全監測系統設計[J].微型機與應用，2016,35(5)：71-74.

2015-11-06)

盧勇(1989-)，男，碩士研究生，主要研究方向：大氣探測。