基于STM32的停放車輛安全預警系統研究

張 迎，劉樹臣，任寧寧

(山東商業職業技術學院，山東 濟南 250103)

1.引言

據公安部交管局統計，截至2020年6月底，全國汽車保有量達2.7億輛。汽車給人們的生活帶來了越來越多的便利，同時人們也需要對汽車的行車狀態實時關注和定期維護，否則，汽車可能會出現不可預知的異常，給車主帶來損失和不便。

為了保障車輛的正常行駛，不同品牌的汽車均設計了警告電路，當某系統出現異常時，會以警告燈的形式顯示在儀表板上，便于及時發現維修。然而對于停放后的車輛的狀態卻不能很好地監控反饋。以某合資品牌某地區的汽車故障維修類型進行統計分析，各類故障的統計比例如圖1所示。

圖1 某合資品牌維修統計比例

從圖1中可以看到，停放汽車的故障主要有汽車電瓶電量低造成無法啟動、停放的車輛被外物碰撞或刮蹭、線路老化車輛自燃及部分輪胎故障等，約占維修統計數的一半以上，因此，停放車輛的安全實時監控非常有必要。當前，停放車輛的監控形式主要以汽車行駛記錄儀為主，而記錄儀也只能拍攝車輛振動時的正面圖像，一段時間后該圖像還會被自動覆蓋，全面性、時效性非常受限。

針對市場現狀及需求，本文設計了一種停放車輛的安全實時監控系統，有效地實現對蓄電池電瓶電壓、車輛碰撞、是否自燃進行實時監控并及時通知車主，避免出現車輛虧電無法啟動、碰撞后逃逸等情況，實時預防減少不必要的麻煩和損失。

2.總體設計

本系統實現對汽車停放狀態下有可能出現的汽車蓄電池異常、汽車刮蹭碰撞、自燃等情況，進行實時監控預警，監控的數據信息由中央處理器MCU進行分析處理，并通過通訊模塊發送給車主進行預警，如圖2所示。

圖2 總體設計框圖

2.1 通訊方式

實現車輛狀態和車主間的通訊有兩種不同的方式，4G網絡下的無線數據傳輸及短信息方式。4G無限網絡具有傳輸速率快、大數據量傳輸等特點，但需架設單獨服務器，投入成本高、實現復雜，不適合本系統。短信息通訊方式傳輸數據小、成本低廉、實現方便、部署簡單；本系統正常監控時，也只是在監控數據異常時才進行短信息通訊，傳輸頻次很低、信息內容較小，較符合本系統所需的通訊方式。通訊方式如圖3所示。

圖3 短信息通訊路徑

2.2實現方式

相對于傳統單片機，ARM處理器價格同樣不高，但它主頻更高、外設和資源更豐富，以STM32為例，Cortex-M3內核，最高工作頻率72MHz，同樣具備開發簡單、快速開發的優點，結合系統功能、兼顧成本功耗，本系統采用STM32系列作為系統MCU。

3.硬件設計

根據系統設計的功能，硬件部分包括中央處理器MCU、停放車輛安全監控模塊、短消息通訊模塊及電源電路[1]。

3.1MCU模塊

STM32系列單片機是由意法半導體公司開發的內核為Cortex-M3的應用型MCU[2]，由于其擁有強可操作性和高性能的特點，在MCU市場上極受歡迎。STM32包含增強型、基本型、互聯型三個系列，STM32F103RB屬于增強型MCU，功耗低，僅有35mA，最高工作頻率72MHz，另外STM32F103RB資源豐富，擁有256KB的FLASH，3個SPI接口、5個串口、3個12位ADC、48個通用IO接口等。

由于系統需要控制多個模塊，需要的接口較多，為了穩定有效地控制外圍電路，采用STM32F103RB作為系統MCU[3]。

3.2車輛碰撞監測模塊

正常情況下，車輛處于靜止狀態，而當車輛被碰撞時，車輛會發生振動，故采用振動傳感器模塊實現碰撞的實時監測[4]。

本系統采用震動傳感器模塊SW-18010P，如圖4所示，SW-18010P的內部是一個電阻應變片，當振動達到一定程度后，電阻應變片阻值改變，從而改變輸出電壓，超過域值后實現報警，SW-18010P通過GPIO與MCU進行連接，采用中斷方式進行工作。

圖4 震動傳感器模塊SW-18010P

3.3 溫度傳感器模塊

溫度傳感器模塊用于監測判斷車輛是否發生了自燃，正常情況下車內最高溫度在夏天可以達到60-70攝氏度，系統將溫度預警值設置為80攝氏度，如果高于此溫度，可判定車輛高溫異常，可能發生了自燃。溫度傳感器模塊采用DS18B20測溫模塊，如圖5所示，DS18B20測溫模塊是美國DALLAS公司生產的單總線數字溫度傳感器，測溫范圍-50度～+200度，內配存儲器，掉電后數據不會消失。DS18B20與MCU通過通用的I/O接口連接，由MCU的ADC端口進行數據采集和監測。

圖5 DS18B20測溫模塊

3.4蓄電池電壓監測單元

汽車停放后，仍會有部分用電器在工作耗電，正常情況下耗電不大，但隨著車輛一些功能部件的老化，電阻變大，耗電增多，俗稱“漏電”。漏電不僅會降低蓄電池的正常使用壽命，還可能會使車輛無法啟動，特別是冬天這種現象更加明顯。

為解決上述問題，系統設置蓄電池監測單元對蓄電池的電壓進行實時監測，汽車蓄電池正常使用時的電壓大約為11.5V-13.5V，當低于11.5V時，屬于欠壓狀態，需要及時充電，當低于10.6V時，會損壞蓄電池且影響車輛正常啟動，當低于該電壓時進行電壓預警。

蓄電池電壓被蓄電池監測單元中設置的電阻分壓后，連接到MCU的ADC端口，由MCU對電瓶電壓進行監測[5]。

3.5 GSM通訊模塊

GSM通訊模塊通過UART與MCU相連。MCU控制GSM模塊將汽車碰撞、電壓預警、溫度預警信息以短消息的方式發送到車主手機，及時提醒車主。考慮到價格、體積、性能等因素，模塊采用SIMCOM公司的SIM900模塊如圖6所示。SIM900模塊采用標準AT指令控制工作方式，實現發送短信和語音通話。

圖6 SIM900模塊

4.軟件設計

4.1主程序設計

為了降低功耗，系統設定了停用模式和定時RTC喚醒工作方式，喚醒觸發后，進行一次系統監測[6]。同時，報警功能也進行了重復報警的設置，如短信發出后，車主未作處理，將重復短信報警，時間間隔為1小時。如圖7所示。

圖7 主程序流程圖

4.2蓄電池監測程序設計

系統在RTC喚醒或中斷喚醒后進入蓄電池電壓監測程序，系統通過ADC計數多次采樣取平均測量值[7]，判斷蓄電池電壓是否正常。如圖8所示。

圖8 蓄電池電壓監測程序流程圖

4.3車內溫度監測程序設計

系統在RTC喚醒或中斷喚醒后進入車內溫度監測程序，系統通過ADC計數多次采樣取平均測量值，判斷車內溫度是否正常。如圖9所示。

圖9 車內溫度監測程序流程圖

4.4碰撞監測程序設計

碰撞監測程序和主程序同時完成初始化，程序在中斷進入時開始執行，當車輛停放后，一旦發生碰撞刮蹭，震動模塊將觸發中斷。如圖10所示。

圖10 碰撞監測程序流程圖

4.5通訊子程序設計

STM32F103通過AT指令控制SIM900模塊讀取車主手機號碼和發送短信，為了降低系統功耗，當短信發送完成后，應及時將SIM900設置進入睡眠模式。如圖11所示。

圖11 通訊子程序設計流程圖

5.結語

為了有效地對停放車輛進行安全監控，本文提出了一種停放車輛的安全預警系統，填補了市場空白；同時兼顧市場、成本等因素，對本系統的硬件和軟件進行了設計開發，為后續進一步的開發應用提供了方向依據。