基于Arm 单片机的车载儿童报警系统设计

  作者:朱 琳,蒋美琪, 杨 兴,等 时间:2020-03-30来源:电子产品世界

朱  琳,蒋美琪,杨  兴,曾  诚
摘  要:本设计是一种基于STM32单片机和GSM通讯模块的车载儿童安全报警系统,主要是由信号采集模块、 单片机STM32F103为核心的控制模块、SIM900A为核心的GSM/GPRS通讯定位模块和客户端组成。能够实现对 私家车内是否滞留儿童进行监控,由控制器控制GSM模块向车主或驾驶员发出短信报警,提醒车主或驾驶员及 时关注和发现儿童的生存环境状态,避免安全事故的发生。 

关键词:车载;儿童安全;全球移动通信系统;短信报警

0  引言 

根据道路交通公共管理局的数据显示,截止至2016 年底,中国的汽车数量达到2.9亿辆,私家车的数量高 达1.46亿辆,占小型汽车的92.60%[1]。国内私家车拥有 量和驾驶人数量在2011—2016年迅速增长。它再为人们 的生产和生活提供便利的同时,也造成了不可大意的安 全隐患。如果你长时间被关在一辆封闭的汽车里,你的 孩子很难自救,比如呼救或敲打车窗等。时间越长,越 有可能造成恐惧甚至绝望,而加速悲剧则更容易,即使 获救,发生也很容易在以后的生活中造成身心伤害。并 且汽车零部件和车内装饰物质,含有一些有害物质, 这些物质往往会散发出有害气体[2]。在这些致命的悲剧 中,幼年的比例相对较大,由于儿童这个特殊群体的身 体功能还未完全的开发或者没有开发完全,与成人不 同,对外部环境的适应度“较弱”,当外部环境相对较 差(例如当温度非常高或者低温)时,孩子的身体机能不 能及时调整,以适应温度变化,细氧等环境的突然变 化。温度高时容易发生脱水和昏迷,不及时补充水分, 后果是严重的。

1  系统总体方案 

系统组成框图如图1所示。该系统是由检测模块、 单片机STM32控制模块、GSM由通讯模块和客户端组 成。通过对系统的控制原理进行分析,可以对系统的主 要程序进行分析。当系统启动后,首先进行系统初始 化。当车辆被停放或被锁住后,通过点烟器手机的锁定 信号被发送到单片机中,如果检测到这个信号,系统就 开始工作。热释电红外传感器用于检测驾驶员和后部驾 驶员的信号。如果在驱动位置检测到信号,就可以证明 驾驶位上有人,则系统会假定没有小孩离开,系统会自 行关闭,无论车辆后座位置是否检测到有信号;如果在 驾驶位置没有检测到信号,并且在车辆的后座中检测到 信号,系统将认为儿童被困在车辆中。传感器将信号发 送到单片机控制器。信号经过单片机处理后,向GSM模 块发送指令,并发送无线报警信号至车主的手机内。

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2  本文研究内容 

本文设计了一种为实现儿童安全以STM32F103单 片机为核心模块配合GSM通信模块的车载报警系统。 该系统主要的模块有核心控制模块、信号接收模块、由 SIM900A控制的通信模块和客户端部分。但是伴随现 在汽车防盗和智能技术的进步,这种通过控制车辆起动 后启动空调系统、自动控制车窗已经无法实现,所以目 前通过车载报警系统对车主进行短信或电话报警的方 法是非常可行的[7]。当该设备的监控模块识别到车内有 儿童时,就会通过控制模块向车主发送报警信号。该设 备的使用可以有效换地车内信息来避免儿童安全事故的 发生。 

此次期望达到的测试成果性能量化指标主要有:① 红外探测器探测波长:(8~1 400) μm;②SIM900A运行 传输速率:(1.2~1 152) kbit/s;③显示功能:上位机显 示界面;④电源工作电压指标:5 V;⑤GPRS上行传输 速度最大42.8 kbit/s,下行传输速度85.6 kbit/s。 

2.1 系统硬件电路设计 

通过对SIM900A和SIM800A的对比,这两种模块都 可用作通信模块,在软件方面编译器和下载方式有很大 差别。在硬件方面,如果SIM800A不使用USB和蓝牙功 能的情况下两者的差别并不是很大。通过综合的对比和 考虑SIM900A更符合本设计,所以选用SIM900A作为通 信模块。 

通过单片机的比较,STC89C52单片机成本低廉, 有8 kB的FLASH,但是性能过低,STM32F103C8T6单 片机性能要更强,运算处理速度也更快,因此通过综合 考虑该系统的主控单片机选择STM32F103C8T6型。 

2.2 GSM模块电路设计 

GSM模块所用的是SIMCOM与之配对使用的 SIM900A模块。它拥有符合国际标准的AT命令接口, 不仅可以提供GSM语音、而且还能够作GPRS传输、同 时也可以做短消息等多种服务。SIM900模块系统具体 的结构如图2所示。

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SIM900A所支持的是标准8线,连接方式是串行接 口,其运行传输速率在(1.2~1 152) kbit/s范围内;所提 供的对象是2个非对称的异步串行接口,其中一个被我 们用以日常通信,而余下另一个根据SIM900A需求被用 来做软件的调试工作。SIM900A模块的TXD根据需要 将数据第一时间输送到处理器的RXD信号线,RXD接 收到信号,信号都是来自处理器的TXD信号线的各种不 同数据。SIM900A和STM32两者之间的传输控制我们 能够通过AT命令根据我们的需求来完成。模块拥有标 准SIM卡接口。其结构接口连接如下图3所示。图3就是 SIM900A连接图。

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2.3 STM32与GSM模块的连接方式 

利用STM32的串口来控制GSM MODEM,单片机 与GSM模块一般采用串行异步通信接口,通信速度可 设定,通常为19.2 kbit/s。GSM MODEM与单片机之间 采用串口通信的方式,MODEM的TXD、RXD分别为 发送、接收端,与单片机的PA10、PA9连接,组成串口 通信。GSM模块通过把PWRKEY信号拉低一段时间然 后释放来开机。当模块开机后就可以发送AT命令来控 制模块,用户可以通过“AT+IPR=x”设置波特率并把参数保存。一旦配置为固定波特率,当模块开机时将 会从串口收到字符“RDY”。这些字符在自动波特率 激活的情况下无法显示。同样,可以通过把PWRKEY 信号拉低一段时间然后释放来关机。或者使用AT命令 “AT+CPOWD=1”关闭模块。图4为STM32与GSM的 连接。 

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2.4 系统软件设计 

根据以上工作原理和硬件结构分析,可以看出系统 的主程序流程图如下图5所示。 

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根据系统工作的控制原理,对系统的主要程序进行 分析。系统启动后,系统首先初始化。当车辆停止并 锁车时,锁车信号被发送到单片机。如果检测到信号, 系统开始启动工作。热释电红外传感器用于检测驱动位 置和后驱动信号。如果驾驶员座位上有信号,不管后座 上座椅位置的信号,系统认为没有被滞留的儿童,系统 关闭。如果在驾驶位置没有信号,但是后排座椅上有信 号发出时,这时系统就会认为是有儿童被滞留在座椅上 方,同时把信号输送到单片机控制器上,最后由控制器将信号处理之后再转而发送到GSM模块。最终一环节就 是发送无线报警信号到与车主所连接的手机上。

3  系统调试 

3.1 系统硬件调试 

SIM900A模块所采用的通信方式为串联接口,并且 所有的SIM900A开发板都包含着TTL接口,一般情况下 都使用标准的AT指令来对SIM900A模块进行控制,以 完成打电话发短信等基本功能。当操作控制器被用来 连接到SIM900A模块上时,TTL接口大多都是RS232接 口。在硬件连接相应完成之后,便能够通过串口来发送 一系列的AT指令了。在进行电脑调试时我们通常是用 SIM900A模块与电脑连接,一般情况下我们经常使用的 调试设备有USB—TTL模块与USB—232串口线。在实 际生活中这些USB设备都是需要配合驱动使用,并且不 同的操作系统所对应的驱动程序也都是不同的。所以, 在使用这些USB设备来调试模块时,一定先确定您所安 装的驱动是可以的。安装完成驱动后检测是否可行。方 法就是,打开我的电脑→属性→找到硬件管理器,然后 再找到COM口→USB设备安装完成之后,系统会自动 生成1个COM口。通常用串口助手检测驱动是否能够正 常运行。方法就是把USB设备的换成TTL接口或者换成 RS232接口并且将它们的收发线连接在一起,例如:把 USB—TTL设备的TTl端的TXD与 RXD通过线对应连接 起来,还可以将USB—232串口线的RS232端的23针(接 线端口里面所标注的TTL23针)连接起来。最后再完善 对应配置,下一步就是发送随意的数据,然后看是否能 同样接受到您发送的数据。连接方式如图6所示。

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在确定好电路没有问题后,将程序烧入单片机中。 基于STM32的车载儿童报警系统实物如图7所示。

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4  测试结果分析 

通过对基于STM32的车载儿童报警系统的软件调 试、硬件调试、通过对整个系统和各个模块的测试和观 察,控制模块、通信模块、传感器模块分别进行了功能 验证,采用万用表对整个电路进行测量后,无元器件正 负极接反和虚焊现象,整个电路无断开现象,整个实物 的功能都能实现,系统测试完成,程序编写后烧录进单 片机,硬件连接好后,硬件功能正常。通过调试后系统 实现功能如下:当驾驶室有人或者汽车在启动状态下, 蜂鸣器不响,GSM模块不发送报警短信。当驾驶室无人 并且车不在启动状态下,蜂鸣器报警,GSM模块发送报 警短信至车主的手机。实验结果如图8所示。

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5  结语 

本设计从自身生活经历开始,为了解决和改善生活 中发现的一些问题,经过我上网翻阅资料和自己考察调 研,因此最终设计出来了该系统。比较详细的论述了相 关原理及技术,总体设计的分析和具体各个模块的设计 实现过程。经过对基于STM32的车载儿童系统的软件调 试、硬件调试后,系统实现了所要求的功能可以供应于 市场,体现出本设计真正的价值,给人们带来更多更好 的便利。

参考文献: 

[1]刘琼琼,游专,张永生,等.基于STM32与GSM的车载儿童安全智 能报警系统的设计[J].价值工程,2017,36(33):76-77. 

[2]李济民,刘英炎.幼童滞留车内风险分析[J].山东化工,2015,44(22):106-107. 

[3]Remote car alarm detection system. The car owners key fob will vibrate if they are away from their car but the car alarm has gone off [P].GB201512655,2015-08-26. 

[4] ACHMAD B,AJI S W,PANINGAL W. SMS Based Car Alarm System Utilizing AT89S52 Microcontroller[J].Telkomnika,2008,6(1). 

[5]杨程程.驾驶疲劳检测研究[D].大连:辽宁师范大学,2014. 

[6]申玉宏.基于AT89C52和GSM的汽车防盗报警系统的研究[J]. 民营科技,2015(10):14. 

[7]张永生,张梦杰,范金鑫,等.基于STM32F103 的车载儿童防滞留报警系统[J].内燃机与配件, 2017(12):132-133.

关键词: 202004 车载 儿童安全 全球移动通信系统 短信报警

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