基于物聯網的智能監測破窗系統設計

岳聚欣，劉景哲，李春輝，黃浪塵，鐘鈞丞，肖晨宇

（湖南工業大學 電氣與信息工程學院，湖南 株洲 412007）

汽車智能化是汽車領域的重要發展方向，在此發展大背景下，國家也多次出臺配套政策標準推動汽車智能化行業發展，尤其是智能化載運工具和關鍵專用設備的研發對我國汽車智能網聯行業的發展起到推動作用。一方面汽車行業轉型處在轉折關鍵點——“十四五”規劃中提及聚焦智能化汽車等戰略性新興產業及在自動駕駛等產業組織實施未來產業孵化與加速計劃等，表明了中央層面對智能化全汽車產業的支持。另一方面，智能網聯汽車安全越發受到重視，國家與各級單位的監管加大力度——工業和信息化部、公安部、交通運輸部于2021 年7 月聯合發布了《智能網聯汽車道路測試與示范應用管理規范（試行）》，這代表汽車安全包括數據安全、車輛設備安全和平臺安全的閉環體系[1]。

1 系統設計

1.1 系統概述

本系統可應用于現有汽車行業，致力于開發1 套能實時監測車內溫度、煙霧及車內外壓力失衡等環境因素，經數據處理分析后判斷車輛是否發生事故，可實施應急破窗、精準破窗，具有實時定位、遠程報警救援等功能于一體的智能裝置。該系統能自動檢測車輛行駛中遇到的意外事件，并在必要情況下實施破窗，從而實現了破窗智能化，可使人員迅速逃離危險現場，從而降低被困在汽車內無法逃生的死傷人數。

汽車智能破窗裝置系統項目是集智能檢測與智能破窗系統、智慧云平臺、BDS 定位系統、智慧云平臺于一體的汽車安全智能化系統，整體方案架構如圖1所示。

圖1 整體方案架構圖

智能汽車破窗裝置具體由網絡監控，控制模塊，觸發點火器，氣體發生器和車窗玻璃擊碎器組成。當汽車著火或溺水時，汽車上的溫度與壓力傳感器能夠接收到溫度或水壓信號，并把其傳輸到控制單元，控制單元接到信號向云服務器發送數據并與其內存儲的設定值比較，一旦達到閾值就會觸發點火，氣體發生器瞬間產生氣體，氣體快速進入玻璃擊碎器的充氣室，極大的氣壓差將擊碎器里的彈頭迅速推出，從而實現擊碎玻璃的作用。與此同時，由于數據超出閾值，通過對多項數據的算法分析，網絡監控發出報警，BDS 根據所上傳數據鎖定汽車位置，當地交通部門和120 依據數據中心反饋情況即時趕往現場處理，縮短救援時間[2]。

1.2 系統組成

本系統硬件部分采用STM32 芯片、Air800 模塊、APDS-9330、ETA6002 充電模塊、HT7333 穩壓芯片進行搭建；軟件部分運用基于互聯網技術的智能監控云平臺，其主要用于汽車公司對車輛的管理以及數據分析等，包含底層傳感器數據采集、數據雙向發送、信息接入、框架、組件和模板等一整套的技術支撐，同時結合了大數據、智能化、云存儲和融合應用，為解決道路汽車發生車禍、火災和汽車落水等事故后汽車車門無法打開，不能及時自救及救援難度大的問題，結合物聯網、通訊、電子、智能檢測和BDS 等技術與傳統的物理破窗，致力于開發1 套能實時監測車內溫度、煙霧及車內外壓力失衡等環境因素，經數據處理分析后判斷車輛是否發生事故，可實施應急破窗、精準破窗，具有實時定位、遠程報警救援等功能的智能裝置[3]。

1.3 系統功能

1.3.1 智能監測功能

監測汽車狀況，并能分析汽車行駛是否安全，在發生事故時能及時報警，及時進行破窗，使乘車人可以快速逃生。

1.3.2 實時定位功能

安裝無線終端設備，通過該設備的BDS 定位功能、GPRS 無線通信功能，可以對汽車實時定位，防止發生事故無法及時鎖定車輛方位進行救援等問題，從而提高客戶滿意度。

1.3.3 實時反饋功能

本系統具備報警信息發送、設備故障狀態的信息反饋功能，使顧客的安全得到充分的保障。

2 硬件模塊

STM32 擁有出色的運算與控制能力和豐富的外設資源，其低功耗、高性能，符合本項目中定位通信與監控系統需求，所以本方案選擇STM32 作為主控芯片，STM32 主控電路如圖2 所示。STM32 主控制器通過定位通信模塊Air800 與云平臺、用戶APP 通信進行數據收發。當STM32 檢測到外界環境異常數字傳感器APDS-9930 發生動作時，將通過Air800 把數據信息發送至云平臺和用戶APP。

圖2 STM32 主控電路

2.1 通信傳輸系統

Air800 模塊支持GPRS 與BDS 技術，且具有穩定、專業、高效的特點。使用時，僅需將Micro USB 數據線正確連接到開發板，系統便可運行。同時，Air800 還提供了豐富的接口，可用于擴展其他功能的外接設備。另外，Air800 支持AT 指令，可通過AT 指令修改Air800 的配置與功能。實現系統在空閑時處于低功耗模式，延長工作時間，在接收到工作指令時再喚醒[4]。通訊定位模塊電路如圖3 所示。

圖3 通訊定位模塊電路

2.2 報警模塊

APDS-9930 環境異常傳感器與STM32 是通過1個快速（高達400 kHz）的2 線I2C 串行總線相連。與模擬接口相比，APDS-9930 模塊的數字輸出更不受噪聲影響，更適合本項目中的溫度、壓力、角度與水位檢測。液位與角度傳感器電路如圖4、圖5 所示。當檢測到車輛行駛數據與預先設計的范圍不符時，STM32 控制器立即驅動蜂鳴器進行報警，并將此報警信息通過Air800模塊通信發送至云平臺和客戶端。

圖4 液位傳感器電路

圖5 角度傳感器電路

2.3 電源模塊

電源部分采用ETA6002 充電模塊和HT7333 穩壓芯片進行設計，ETA6002 是1 款充電電流可達2.5 A的單節鋰電開關型充電。其集成了動態路徑管理（無線充電）功能，可以允許系統在沒有電池適配器的情況下，仍維持系統正常工作。終端設備硬件部分還預留部分接口，可擴展其他傳感器或者監測模塊，例如溫濕度傳感器、壓力傳感器等，便于滿足不同客戶的特殊需求。前期已完成終端設備硬件原理圖的設計，其功能包含了郵件開啟監測模塊、郵件即時定位追蹤模塊，主要利用STM32、Air800、APDS-9930 完成。電源模塊如圖6 所示。

圖6 電源電路

3 軟件模塊

3.1 數據融合技術

采用數據融合技術實現車輛智能化，因為通過攝像頭、雷達和BDS 等采集的數據并不能直接用于對車輛的控制，而是通過數據融合技術將不同的數據類型修改整合，分析后融合為具有真正價值的，可用于智能車輛控制的指令。傳感器所采集的數據只是其中一方面，而且不能保證數據的完全正確可使用。因此，需要通過對大量數據的分析比對，自動排除掉偏離正常范圍的數據信息。

3.2 監測云平臺

利用接近與環境異常傳感器APDS-9930，通過對車輛信息的采集與處理，檢測車輛行駛中遇到的意外事件，并在必要情況下實施破窗，實現了破窗智能化。

云平臺采用華為云軟件開發服務構建智能破窗控制平臺，結合AI 技術，主要實現通過系統控制軟件對汽車駕駛狀態數據訪問，包括控制指令發送、事故發生報警和精確破窗等。能實現數據讀取、事件監控、報警應答和時序調度等操作[5]。

3.3 用戶端小程序

本系統軟件在Android Studio 環境上使用Kotlin進行開發，共有登錄、注冊、個人中心和物流消息等界面，實現了用戶登錄、注冊和查找歷史物流信息等功能。

本軟件采用MVVM 架構，將整個前端頁面分成View、Controller（控件）、Modal（數據源），視圖上發生變化，通過Controller 將響應傳入到Modal，由數據源改變View 上面的數據。本項目軟件設計破窗消息界面采用的MVVM 框架，將破窗消息封裝在Modal 里面。

3.4 車聯網技術

如圖7 所示，安裝無線終端設備，通過該設備的BDS 定位功能，可以對汽車實時定位，防止發生事故無法及時鎖定車輛方位進行救援等問題，從而提高客戶滿意度。

圖7 BDS 定位方案

隨著車聯網的不斷發展，應用范圍不斷擴大，目前許多車輛已經加裝了車載無線通信模塊，而5G 將為車聯網的應用與發展打開新的空間，使得車輛能支持提供基于意圖共享、協同決策的高級別主動安全預警、交通出行效率提升類服務。同時通過5G 與5G 基站的連接，結合北斗衛星導航技術與5G 通信帶內定位技術，可彌補北斗在室內及遮擋條件下定位性能的不足，實現各環境定位的全覆蓋[6]。

4 結束語

本系統通過對車輛信息的采集與處理，檢測車輛行駛中遇到的意外事件，并在必要情況下實施破窗。系統具有穩定、可靠和安全等特點，實現了破窗智能化。能夠自動、迅速擊破玻璃，有助于人員迅速逃離危險現場。系統不但具有智能破窗、精準定位和實時報警等功能，而且通過數據挖掘，后續可分析事故地點與發生原因，找出易發生事故路段，為以后的道路交通修建提供數字支撐，加快我國道路數字化轉型。