基于A(yíng)rm 單片機的車(chē)載兒童報警系統設計

朱? 琳，蔣美琪，楊? 興，曾? 誠
摘? 要：本設計是一種基于STM32單片機和GSM通訊模塊的車(chē)載兒童安全報警系統，主要是由信號采集模塊、 單片機STM32F103為核心的控制模塊、SIM900A為核心的GSM/GPRS通訊定位模塊和客戶(hù)端組成。能夠實(shí)現對 私家車(chē)內是否滯留兒童進(jìn)行監控，由控制器控制GSM模塊向車(chē)主或駕駛員發(fā)出短信報警，提醒車(chē)主或駕駛員及 時(shí)關(guān)注和發(fā)現兒童的生存環(huán)境狀態(tài)，避免安全事故的發(fā)生。 

關(guān)鍵詞：車(chē)載；兒童安全；全球移動(dòng)通信系統；短信報警

0  引言 

根據道路交通公共管理局的數據顯示，截止至2016 年底，中國的汽車(chē)數量達到2.9億輛，私家車(chē)的數量高 達1.46億輛，占小型汽車(chē)的92.60%^[1]。國內私家車(chē)擁有 量和駕駛人數量在2011—2016年迅速增長(cháng)。它再為人們 的生產(chǎn)和生活提供便利的同時(shí)，也造成了不可大意的安 全隱患。如果你長(cháng)時(shí)間被關(guān)在一輛封閉的汽車(chē)里，你的 孩子很難自救，比如呼救或敲打車(chē)窗等。時(shí)間越長(cháng)，越 有可能造成恐懼甚至絕望，而加速悲劇則更容易，即使 獲救，發(fā)生也很容易在以后的生活中造成身心傷害。并 且汽車(chē)零部件和車(chē)內裝飾物質(zhì)，含有一些有害物質(zhì)， 這些物質(zhì)往往會(huì )散發(fā)出有害氣體^[2]。在這些致命的悲劇 中，幼年的比例相對較大，由于兒童這個(gè)特殊群體的身 體功能還未完全的開(kāi)發(fā)或者沒(méi)有開(kāi)發(fā)完全，與成人不 同，對外部環(huán)境的適應度“較弱”，當外部環(huán)境相對較 差(例如當溫度非常高或者低溫)時(shí)，孩子的身體機能不 能及時(shí)調整，以適應溫度變化，細氧等環(huán)境的突然變 化。溫度高時(shí)容易發(fā)生脫水和昏迷，不及時(shí)補充水分， 后果是嚴重的。

1  系統總體方案 

系統組成框圖如圖1所示。該系統是由檢測模塊、 單片機STM32控制模塊、GSM由通訊模塊和客戶(hù)端組 成。通過(guò)對系統的控制原理進(jìn)行分析，可以對系統的主 要程序進(jìn)行分析。當系統啟動(dòng)后，首先進(jìn)行系統初始 化。當車(chē)輛被停放或被鎖住后，通過(guò)點(diǎn)煙器手機的鎖定 信號被發(fā)送到單片機中，如果檢測到這個(gè)信號，系統就 開(kāi)始工作。熱釋電紅外傳感器用于檢測駕駛員和后部駕 駛員的信號。如果在驅動(dòng)位置檢測到信號，就可以證明 駕駛位上有人，則系統會(huì )假定沒(méi)有小孩離開(kāi)，系統會(huì )自 行關(guān)閉，無(wú)論車(chē)輛后座位置是否檢測到有信號；如果在 駕駛位置沒(méi)有檢測到信號，并且在車(chē)輛的后座中檢測到 信號，系統將認為兒童被困在車(chē)輛中。傳感器將信號發(fā) 送到單片機控制器。信號經(jīng)過(guò)單片機處理后，向GSM模 塊發(fā)送指令，并發(fā)送無(wú)線(xiàn)報警信號至車(chē)主的手機內。

2  本文研究?jì)热?nbsp;

本文設計了一種為實(shí)現兒童安全以STM32F103單 片機為核心模塊配合GSM通信模塊的車(chē)載報警系統。 該系統主要的模塊有核心控制模塊、信號接收模塊、由 SIM900A控制的通信模塊和客戶(hù)端部分。但是伴隨現 在汽車(chē)防盜和智能技術(shù)的進(jìn)步，這種通過(guò)控制車(chē)輛起動(dòng) 后啟動(dòng)空調系統、自動(dòng)控制車(chē)窗已經(jīng)無(wú)法實(shí)現，所以目 前通過(guò)車(chē)載報警系統對車(chē)主進(jìn)行短信或電話(huà)報警的方 法是非?？尚械?sup>[7]。當該設備的監控模塊識別到車(chē)內有 兒童時(shí)，就會(huì )通過(guò)控制模塊向車(chē)主發(fā)送報警信號。該設 備的使用可以有效換地車(chē)內信息來(lái)避免兒童安全事故的 發(fā)生。 

此次期望達到的測試成果性能量化指標主要有：① 紅外探測器探測波長(cháng)：(8~1 400) μm；②SIM900A運行 傳輸速率：(1.2~1 152) kbit/s；③顯示功能：上位機顯 示界面；④電源工作電壓指標：5 V；⑤GPRS上行傳輸 速度最大42.8 kbit/s，下行傳輸速度85.6 kbit/s。 

2.1 系統硬件電路設計 

通過(guò)對SIM900A和SIM800A的對比，這兩種模塊都 可用作通信模塊，在軟件方面編譯器和下載方式有很大 差別。在硬件方面，如果SIM800A不使用USB和藍牙功 能的情況下兩者的差別并不是很大。通過(guò)綜合的對比和 考慮SIM900A更符合本設計，所以選用SIM900A作為通 信模塊。 

通過(guò)單片機的比較，STC89C52單片機成本低廉， 有8 kB的FLASH，但是性能過(guò)低，STM32F103C8T6單 片機性能要更強，運算處理速度也更快，因此通過(guò)綜合 考慮該系統的主控單片機選擇STM32F103C8T6型。 

2.2 GSM模塊電路設計 

GSM模塊所用的是SIMCOM與之配對使用的 SIM900A模塊。它擁有符合國際標準的AT命令接口， 不僅可以提供GSM語(yǔ)音、而且還能夠作GPRS傳輸、同 時(shí)也可以做短消息等多種服務(wù)。SIM900模塊系統具體 的結構如圖2所示。

SIM900A所支持的是標準8線(xiàn)，連接方式是串行接 口，其運行傳輸速率在(1.2~1 152) kbit/s范圍內；所提 供的對象是2個(gè)非對稱(chēng)的異步串行接口，其中一個(gè)被我 們用以日常通信，而余下另一個(gè)根據SIM900A需求被用 來(lái)做軟件的調試工作。SIM900A模塊的TXD根據需要 將數據第一時(shí)間輸送到處理器的RXD信號線(xiàn)，RXD接 收到信號，信號都是來(lái)自處理器的TXD信號線(xiàn)的各種不 同數據。SIM900A和STM32兩者之間的傳輸控制我們 能夠通過(guò)AT命令根據我們的需求來(lái)完成。模塊擁有標 準SIM卡接口。其結構接口連接如下圖3所示。圖3就是 SIM900A連接圖。

2.3 STM32與GSM模塊的連接方式 

利用STM32的串口來(lái)控制GSM MODEM，單片機 與GSM模塊一般采用串行異步通信接口，通信速度可 設定，通常為19.2 kbit/s。GSM MODEM與單片機之間 采用串口通信的方式，MODEM的TXD、RXD分別為 發(fā)送、接收端，與單片機的PA10、PA9連接，組成串口 通信。GSM模塊通過(guò)把PWRKEY信號拉低一段時(shí)間然 后釋放來(lái)開(kāi)機。當模塊開(kāi)機后就可以發(fā)送AT命令來(lái)控 制模塊，用戶(hù)可以通過(guò)“AT+IPR=x”設置波特率并把參數保存。一旦配置為固定波特率，當模塊開(kāi)機時(shí)將 會(huì )從串口收到字符“RDY”。這些字符在自動(dòng)波特率 激活的情況下無(wú)法顯示。同樣，可以通過(guò)把PWRKEY 信號拉低一段時(shí)間然后釋放來(lái)關(guān)機?；蛘呤褂肁T命令 “AT+CPOWD=1”關(guān)閉模塊。圖4為STM32與GSM的 連接。 

2.4 系統軟件設計 

根據以上工作原理和硬件結構分析，可以看出系統 的主程序流程圖如下圖5所示。 

根據系統工作的控制原理，對系統的主要程序進(jìn)行 分析。系統啟動(dòng)后，系統首先初始化。當車(chē)輛停止并 鎖車(chē)時(shí)，鎖車(chē)信號被發(fā)送到單片機。如果檢測到信號， 系統開(kāi)始啟動(dòng)工作。熱釋電紅外傳感器用于檢測驅動(dòng)位 置和后驅動(dòng)信號。如果駕駛員座位上有信號，不管后座 上座椅位置的信號，系統認為沒(méi)有被滯留的兒童，系統 關(guān)閉。如果在駕駛位置沒(méi)有信號，但是后排座椅上有信 號發(fā)出時(shí)，這時(shí)系統就會(huì )認為是有兒童被滯留在座椅上 方，同時(shí)把信號輸送到單片機控制器上，最后由控制器將信號處理之后再轉而發(fā)送到GSM模塊。最終一環(huán)節就 是發(fā)送無(wú)線(xiàn)報警信號到與車(chē)主所連接的手機上。

3  系統調試 

3.1 系統硬件調試 

SIM900A模塊所采用的通信方式為串聯(lián)接口，并且 所有的SIM900A開(kāi)發(fā)板都包含著(zhù)TTL接口，一般情況下 都使用標準的AT指令來(lái)對SIM900A模塊進(jìn)行控制，以 完成打電話(huà)發(fā)短信等基本功能。當操作控制器被用來(lái) 連接到SIM900A模塊上時(shí)，TTL接口大多都是RS232接 口。在硬件連接相應完成之后，便能夠通過(guò)串口來(lái)發(fā)送 一系列的AT指令了。在進(jìn)行電腦調試時(shí)我們通常是用 SIM900A模塊與電腦連接，一般情況下我們經(jīng)常使用的 調試設備有USB—TTL模塊與USB—232串口線(xiàn)。在實(shí) 際生活中這些USB設備都是需要配合驅動(dòng)使用，并且不 同的操作系統所對應的驅動(dòng)程序也都是不同的。所以， 在使用這些USB設備來(lái)調試模塊時(shí)，一定先確定您所安 裝的驅動(dòng)是可以的。安裝完成驅動(dòng)后檢測是否可行。方 法就是，打開(kāi)我的電腦→屬性→找到硬件管理器，然后 再找到COM口→USB設備安裝完成之后，系統會(huì )自動(dòng) 生成1個(gè)COM口。通常用串口助手檢測驅動(dòng)是否能夠正 常運行。方法就是把USB設備的換成TTL接口或者換成 RS232接口并且將它們的收發(fā)線(xiàn)連接在一起，例如：把 USB—TTL設備的TTl端的TXD與 RXD通過(guò)線(xiàn)對應連接 起來(lái)，還可以將USB—232串口線(xiàn)的RS232端的23針（接 線(xiàn)端口里面所標注的TTL23針）連接起來(lái)。最后再完善 對應配置，下一步就是發(fā)送隨意的數據，然后看是否能 同樣接受到您發(fā)送的數據。連接方式如圖6所示。

在確定好電路沒(méi)有問(wèn)題后，將程序燒入單片機中。 基于STM32的車(chē)載兒童報警系統實(shí)物如圖7所示。

4  測試結果分析 

通過(guò)對基于STM32的車(chē)載兒童報警系統的軟件調 試、硬件調試、通過(guò)對整個(gè)系統和各個(gè)模塊的測試和觀(guān) 察，控制模塊、通信模塊、傳感器模塊分別進(jìn)行了功能 驗證，采用萬(wàn)用表對整個(gè)電路進(jìn)行測量后，無(wú)元器件正 負極接反和虛焊現象，整個(gè)電路無(wú)斷開(kāi)現象，整個(gè)實(shí)物 的功能都能實(shí)現，系統測試完成，程序編寫(xiě)后燒錄進(jìn)單 片機，硬件連接好后，硬件功能正常。通過(guò)調試后系統 實(shí)現功能如下:當駕駛室有人或者汽車(chē)在啟動(dòng)狀態(tài)下， 蜂鳴器不響，GSM模塊不發(fā)送報警短信。當駕駛室無(wú)人 并且車(chē)不在啟動(dòng)狀態(tài)下，蜂鳴器報警，GSM模塊發(fā)送報 警短信至車(chē)主的手機。實(shí)驗結果如圖8所示。

5  結語(yǔ) 

本設計從自身生活經(jīng)歷開(kāi)始，為了解決和改善生活 中發(fā)現的一些問(wèn)題，經(jīng)過(guò)我上網(wǎng)翻閱資料和自己考察調 研，因此最終設計出來(lái)了該系統。比較詳細的論述了相 關(guān)原理及技術(shù)，總體設計的分析和具體各個(gè)模塊的設計 實(shí)現過(guò)程。經(jīng)過(guò)對基于STM32的車(chē)載兒童系統的軟件調 試、硬件調試后，系統實(shí)現了所要求的功能可以供應于 市場(chǎng)，體現出本設計真正的價(jià)值，給人們帶來(lái)更多更好 的便利。

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