基于FPGA的智能車內安全監(jiān)測系統(tǒng)

王泓淇， 陳守滿， 文雅宏， 周超凡， 宋佳豪

(安康學院，電子與信息工程學院，陜西，安康 725000)

0 引言

伴隨著智慧城市的快速發(fā)展，大型客車等工具已經(jīng)成為重要的交通工具[1]。截至2020年9月，全國機動車保有量達3.65億輛，汽車2.75億輛，機動車駕駛人4.5億人，汽車駕駛人4.1億人，中國已經(jīng)成為名副其實的汽車大國[2]。汽車數(shù)量的快速增長使得環(huán)境安全監(jiān)測成為必要。與此同時，隨著我國汽車行業(yè)迅猛發(fā)展，道路交通事故造成的人員傷亡和財產(chǎn)損失也在增加[3-4]。2016年，我國道路交通事故死亡人數(shù)為63 093人，10萬人死亡率為18.2%，遠超過重要發(fā)達國家，達到其數(shù)倍。因此，客車所帶來的各種安全隱患成為全民關注的焦點。客車內部也存在較多安全隱患。例如：車內溫度過高、車內是否留有人員、車內酒精濃度過高、車內明火檢測等[5-7]。

基于上述原因，本文提出一種智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，它利用FPGA(field programmable gate array)并行處理的特點，實現(xiàn)對客車內部環(huán)境的監(jiān)測。該系統(tǒng)將會為客車安全問題提供很強的實用價值和現(xiàn)實意義。

1 車內智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)總體方案

基于以FPGA為核心的智能車內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)的基本要求，采用FPGA設計中自頂向下的設計思想，將該系統(tǒng)大致分為四大模塊：信息采集模塊、信息處理模塊、信息傳輸模塊、終端顯示模塊。其中，信息采集模塊主要采集車內的溫濕度、CO2濃度、酒精濃度以及車內人數(shù)，獲取對應的環(huán)境信息，經(jīng)過A/D信息處理模塊后，將數(shù)據(jù)送入系統(tǒng)控制中心FPGA。FPGA通過數(shù)據(jù)總線IIC(inter-integrated circuit)向各個環(huán)境傳感器發(fā)出指令，控制其對環(huán)境信息進行監(jiān)測，最終監(jiān)測結果分別在OLED屏幕上顯示和通過GPRS傳輸模塊進入手機終端顯示，并對超出預設值的信息進行報警，實現(xiàn)對各個狀態(tài)下汽車安全問題的預測性。總體的框圖如圖1所示。

圖1 車內安全監(jiān)測系統(tǒng)框圖

2 系統(tǒng)硬件模塊設計

2.1 信息處理模塊

2.1.1 中心處理單元FPGA

FPGA是在PAL、GAL等可編程器件基礎上進一步發(fā)展的產(chǎn)物，它不僅解決了定制電路的缺點，而且克服了原有可編程器件有限的門電路數(shù)缺點[8]。本設計使用的是EP4CE6E22C8N芯片，其基本結構由6部分組成，分別是可編程I/O單元、基本可編程邏輯單元、嵌入式塊RAM、豐富的布線資源、底層嵌入功能單元和嵌入式專用硬核。基本結構如圖2所示。

圖2 FPGA基本結構

2.1.2 A/D轉換模塊

由于各傳感器通過內部電路的電壓值變化來采集環(huán)境信息，系統(tǒng)需將得到的電壓信息(模擬量)轉換為數(shù)字量，再通過GPRS通信模組將信息發(fā)送至手機終端顯示。采用型號為PCF8591的芯片作為模數(shù)轉換模塊，具有4個模擬輸入、1個模擬輸出和1個串行IIC總線接口。其中，A0、A1和A2地址引腳用于硬件地址編程，PCF8591上的輸入輸出地址、控制和數(shù)據(jù)信號都可以使用雙向IIC總線進行傳輸。PCF8591原理圖如圖3所示。

圖3 PCF8591原理圖

2.2 信息采集模塊

2.2.1 酒精采集模塊

TGS-822傳感器與常規(guī)的MQ-3系列傳感器相比，其突出特點：對乙醇等有機溶劑有著極高的靈敏度，其在復雜氣體的環(huán)境中對與酒精檢測敏感，有著非常廣泛的使用以及優(yōu)勢[9]。

TGS-822采用串口與FPGA進行通信，系統(tǒng)上電后，F(xiàn)PGA通過串口向TGS-822模塊發(fā)送AT指令驅動其進入工作狀態(tài)，完成對環(huán)境中的酒精濃度檢測。本次設計所需要的AT指令集如表1所示。

表1 AT指令說明

2.2.2 溫濕度檢測模塊

所采用的溫度傳感器是DS18B20，即與FPGA接口僅需占用1個I/O端口，無須任何外部元件。其內部結構主要由8個部分組成：64位ROM和單線接口、存儲器和控制邏輯、高速緩沖器、溫度傳感器、配置寄存器、高溫觸發(fā)器TH、低溫觸發(fā)器TL、8位CRC生成器。溫度范圍為-55～+125 ℃，精度為±0.5 ℃。它的工作電壓范圍為3.0～5.5 V，采用多種封裝形式，使系統(tǒng)設計靈活、方便，設置的分辨率和用戶設置的報警溫度存儲在EEPROM中，斷電后仍然保存[10-11]。其內部結構如圖4所示。

圖4 DS18B20內部結構

濕度采集采用DHT11數(shù)字溫濕度傳感器，它是一種具有校準數(shù)字信號輸出的溫濕度復合傳感器。

該傳感器由電阻式感濕元件、負溫度系數(shù)熱敏電阻器(NTC)和高性能8位MCU組成。DHT11與DS18B20一樣采用單總線結構，通過IIC協(xié)議與FPGA通信，將數(shù)據(jù)上傳至FPGA。其內部原理圖如圖5所示。

圖5 DHT11內部原理圖

2.2.3 CO2采集模塊

車內環(huán)境經(jīng)常以CO2含量作為空氣質量好壞的評判。采用GY-SGP30氣體傳感器，SGP30是一種單個芯片上集成多個傳感元件的氣體傳感器，與FPGA采用IIC總線進行通信。其引腳說明如表2所示。

表2 SGP30引腳說明

2.3 信息傳輸模塊

采用GPRS SIM800C芯片連接移動網(wǎng)絡進行通信。SIM800C采用串口和FPGA進行通信，系統(tǒng)上電后，需要通過RS232協(xié)議將AT指令發(fā)送至SIM800C芯片。當SIM800C接收到AT指令后，逐個執(zhí)行進行服務器網(wǎng)絡的連接，幫助整個系統(tǒng)完成數(shù)據(jù)的顯示及發(fā)送。SIM800C在本次設計中所用到AT指令集及說明如表3所示[12]。

表3 AT指令說明

2.4 終端顯示模塊

數(shù)據(jù)顯示采用0.96寸的OLED(7針)屏幕。它的顯示技術不同于傳統(tǒng)的LCD顯示方式，不需要背光，采用極薄有機材料涂層和玻璃基板(或柔性有機基板)。當有電流通過時，這些有機的材料就會發(fā)光。OLED顯示屏可以做得更輕更薄，視角更大，并且可以顯著地節(jié)省功耗。

3 車內智能環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)軟件設計

3.1 IIC通信設計模塊

IIC總線是飛利浦公司開發(fā)的一種用于連接微控制器及其外圍設備的兩線式串行總線。它是由數(shù)據(jù)線SDA和時鐘線SCL組成的串行總線，可以收發(fā)數(shù)據(jù)。高速IIC總線通過CPU與被控IIC之間、IIC與IIC之間進行雙向傳輸，一般可達400 kibit/s以上[12-13]。IIC總線在數(shù)據(jù)傳輸過程中使用開始、結束和應答這3種類型信號。

配置IIC總線的目的在于使得FPGA與各個傳感器進行通信，以用來控制各個傳感器采集環(huán)境信息。IIC的配置流程框圖如圖6所示。

圖6 IIC配置流程框圖

3.2 服務器及App設計模塊

云服務器(ECS, Elastic Computer Serice)是一種簡單高效、安全可靠的計算服務，具有靈活的處理能力[14-15]。其管理模式比物理服務器簡單高效[15-16]。本設計選擇阿里云服務器，其IP地址為116.62.46.237。

App專注于移動應用軟件的開發(fā)和服務，其具有社交性、本地性、移動性的特點，在多領域范圍有著極其廣泛的應用[17-18]。App開發(fā)流程框圖如圖7所示。

圖7 App開發(fā)流程

3.3 車內智能環(huán)境監(jiān)測軟件處理設計模塊

車內安全監(jiān)測系統(tǒng)各個模塊設計成功后，對各模塊進行初始化；初始化成功后，系統(tǒng)中的傳感器開始采集環(huán)境數(shù)據(jù)并上傳至服務器暫存。如果GPRS接收到有數(shù)據(jù)發(fā)送時，將數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器并且顯示至手機終端和OLED屏幕。軟件處理流程框圖如圖8所示。

圖8 軟件處理流程框圖

4 車內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)硬件測試

通過綜合編譯之后，將工程下載至FPGA開發(fā)板進行系統(tǒng)測試，測試結果如圖9所示。與此同時，通過服務器可以在手機終端App上顯示，便于監(jiān)測。

圖9 車內安全監(jiān)測硬件測試結果

手機終端App顯示如圖10所示。

圖10 手機終端App顯示

由圖9可知，系統(tǒng)運行正常，OLED屏可以正常顯示所測量車內環(huán)境值，分別測量的有二氧化碳(CO2)含量、溫度(T)、酒精濃度(Alc)、濕度(H)、區(qū)域人數(shù)(Number of People)以及網(wǎng)絡顯示狀態(tài)(Network State Code)。從圖10可以看出，手機終端App可以正常顯示車內環(huán)境值。

5 總結

本文主要設計了一種以FPGA為核心的車內環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)，利用FPGA并行結構的特點，提高了計算速度。結合物聯(lián)網(wǎng)和FPGA技術，在OLED和手機終端顯示環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)。該系統(tǒng)有較好的實用價值，為車內創(chuàng)造更好的環(huán)境和駕車體檢提供了較好的保障。