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智能车载监控系统

参赛单位：邯郸学院

参赛人员：潘立富 刘鹏浩 许树军

指导老师：姜韶军 郝永常

摘要

智能车载监控由车载终端、传输网络和监控中心组成三层联网式综合监控系统，提供车辆车厢温湿度监控、有害气体(烟雾、煤气等)监控、行驶路线监控、防盗监控、驾驶员酒精含量监控、车速监控等，车内数据通过GPRS实时无线传输到监控中心，从而实现对车辆环境的实时监控、事故快速响应、呼叫指挥等功能，以解决现有车辆的动态管理问题。本系统可以应用于各种运输车辆(药品运输车、易燃易爆物品运输车、蔬菜水果运输车等)。

关键词：车载监控、车联网、GPS、GPRS数据传输、Zigbee

第一章 引言

经济的发展，社会的进步，人民生活水平的提高，为运输行业发展创造了有利条件。城市运输数量近年来增长迅速，但是行业管理的相对落后带来了种种弊病：效率低，费用高，实时性差，调度分散，资源浪费，行业发展受阻。加上近年来运输行业偷盗、抢劫案件显著增加，给驾驶员人身安全和财产造成严重威胁。为了适应城市交通的不断发展和社会治安的改善，运输车辆的现代化管理已提上议事日程，建立一个统一、高效、通畅、覆盖范围广、带有普遍性的运输车辆车载监控系统就显得非常有必要。

第二章 系统方案设计

    智能车载监控系统由车载终端、传输网络和监控中心三部分组成。车载终端采用STC公司的15F2K61S2为主控芯片，该单片机是一款比较强大的单片机，本身具有两路独立串口，串口1可分时复用为三路串口，足以满足系统的需求。本套系统通过串口1的分时复用来接收Zigbee协调器数据和GPS卫星定位信息，通过串口2连接的GPRS模块将处理后的数据网络传输至服务器。监控中心实时接收服务器通过网络传输的数据，进行数据实时更新，便于监测人员对车载终端的实时监控，避免了传统方案效率低，费用高，实时性差，调度分散，资源浪费等种种弊病。方案原理框图如下：

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第三章 电路设计与分析

  智能车载监控系统主要功能有车厢内温湿度监控、有害气体(烟雾、煤气等)监控、GPS定位信息采集、车速监控、车辆安全监控、驾驶员酒精含量监控，在超过限值或有危险信号时会通过语音报警模块实时报警，并通过GPRS模块将信息传输到监控中心，方便监控人员对车辆的管理调度。

3.1 车载终端

3.1.1 主控芯片

本系统主控芯片采用STC公司的15F2K61S2，接收Zigbee和GPS数据进行处理，实现温湿度、经纬度实时显示，温湿度上下限报警显示，酒精含量、烟雾浓度超标显示，车速及车辆安全性的监控，并能在报警时控制语音输出实现语音报警功能。主控部分原理图如下：

   

 

 

 

 

 

 

3.1.2 GPRS模块

GPRS经常被描述成“2.5G”，也就是说这项技术位于第二代（2G）和第三代（3G）移动通讯技术之间。它通过利用GSM网络中未使用的TDMA信道，提供中速的数据传递。GPRS模块根据传输的数据量(如：网上下载信息时)来计费，而不是按上网时间计费也就是说，只要不进行数据传输，哪怕您一直“在线”，也无需付费。

本系统通过STC15F2K61S2单片机串口2控制GPRS与服务器进行数据网络传输。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

下面介绍一下GPRS(GTM900-C)模块：

(1)AT 指令集

GPRS(GTM900-C)模块使用AT命令集，通过UART接口与外部CPU通信，主要实现数据的无线发送和接收、基带处理等功能。本系统用到的AT命令主要有：

设置APN无线接入点：AT+CGDCONT=1,"IP","CMNET"

进行PPP拨号：AT%ETCPIP="",""

进行域名解析：AT%DNSR="blmcu.3322.org"

连接服务器：AT%IPOPEN="TCP","27.188.124.242",1234

发送指令：AT%IPSEND="616263313233"

3.1.3 GPS模块

GPS导航系统是以全球24颗定位人造卫星为基础，向全球各地全天候地提供三维位置、三维速度等信息的一种无线电导航定位系统。它由三部分构成，一是地面控制部分，由主控站、地面天线、监测站及通讯辅助系统组成。二是空间部分，由24颗卫星组成，分布在6个轨道平面。三是用户装置部分，由GPS接收机和卫星天线组成。民用的定位精度可达10米内。本系统通过STC15F2K61S2单片机串口1接收GPS数据，对数据进行解析获取经纬度、车速等有用信息。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

GPS接收数据如下：

$GPRMC,080655.00,A,4546.40891,N,12639.65641,E,1.045,328.42,170809,,,A*60

GPRMC数据详解：

$GPRMC,<1>,<2>,<3>,<4>,<5>,<6>,<7>,<8>,<9>,<10>,<11>,<12>*hh

<1> UTC时间，hhmmss(时分秒)格式 

<2> 定位状态，A=有效定位，V=无效定位 

<3> 纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输) 

<4> 纬度半球N(北半球)或S(南半球) 

<5> 经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输) 

<6> 经度半球E(东经)或W(西经) 

<7> 地面速率(000.0~999.9节，前面的0也将被传输) 

<8> 地面航向(000.0~359.9度，以真北为参考基准，前面的0也将被传输) 

<9> UTC日期，ddmmyy(日月年)格式 

<10> 磁偏角(000.0~180.0度，前面的0也将被传输) 

<11> 磁偏角方向，E(东)或W(西) 

<12> 模式指示(仅NMEA0183 3.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效)

3.1.4 语音模块

语音报警模块采用的是WT588D，该芯片内嵌DSP高速音频处理器，处理速度快；内置13Bit/DA 转换器，以及12Bit/PWM 输出，音质好；PWM 输出可直接推动 0.5W/8Ω扬声器，推挽电流充沛；10种按键控制模式，任意一个按键可设定任意一种控制模式，可通过专业上位机操作软件，随意组合语音，可插入静音。

本系统采用语音模块实现开机语音播报、温湿度上下限报警、驾驶员酒精含量超标报警、烟雾浓度超标报警、防盗报警、车速过高提示等功能。其电路图如下：

3.1.5  Zigbee模块

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。ZigBee协定层从下到上分别为实体层（PHY）、媒体存取层（MAC）、网络层（NWK）、应用层（APL）等。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.1.5.1  Zigbee协调器

ZigBee协调模块由串口与单片机进行连接通讯，它的主要功能是对终端设备进行组网通讯，把单片机发出的指令转发给终端设备，把终端设备发来的数据通过串口发送给单片机。其电路原理图如下：

3.1.5.2  Zigbee终端

Zigbee终端由两部分组成：温湿度采集终端和烟雾浓度采集终端。温湿度采集终端通过温湿度传感器DHT11采集温湿度，通过Zigbee将其发送到协调器。

烟雾浓度采集终端通过烟雾传感器MQ-2采集烟雾浓度，通过Zigbee将其发送到协调器。

3.1.6  酒精浓度检测、防盗功能检测

酒精浓度检测采用MQ-3传感器实时检测驾驶舱内驾驶员酒精含量，在其含量超标时发出报警信号并传回监控中心，从而有效减少酒驾醉驾的事故。防盗功能通过采集振动传感器信号，当防盗功能开启时并发生车辆被盗时，发出报警铃声并发送信息，有效的增加了车辆的安全性。此部分电路图如下所示：

3.2 监控中心

监控中心上位机采用Qt开发，通过Socket编程，实现了对车厢温湿度、烟雾浓度、车辆位置、车速、驾驶员酒精含量及车辆安全的实时监测。本监控软件功能强大，拓展性好，最多可同时监测32辆车，可由监控人员随意设定车辆数。本监控软件还具有温湿度实时曲线查询、历史记录查询、报警记录查询及曲线打印、数据导出等功能。温湿度上下限可以和监控终端同步，实现同步报警。监控人员可通过本监控软件对车辆进行集中监控管理，具有高效率，实时性好，调度集中，节省资源等优点。

本监控软件各界面如下所示：

车厢温湿度监控界面：

车厢温湿度实时曲线界面：

车厢温湿度历史记录界面：

车辆地理位置监控界面：

车厢温湿度报警记录界面：

车辆地理位置监控界面：

车辆具体地理位置界面：

第四章 成果展示

4.1 功能

智能车载监控系统具有车厢温湿度监控、有害气体(烟雾、煤气等)监控、行驶路线监控、防盗监控、驾驶员酒精含量监控、车速监控等，车内数据通过GPRS实时无线传输到监控中心，从而实现对车辆环境的实时监控、事故快速响应、呼叫指挥等功能，以解决现有车辆的动态管理问题。本系统可以应用于各种运输车辆(药品运输车、易燃易爆物品运输车、蔬菜水果运输车等)。作品成果如下图所示：

4.2 使用说明

第一步，打开终端电源，显示启动画面，并播报语音“欢迎使用智能车载监控系统”。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第二步、终端进入系统初始化界面。

第三步、进入显示界面，三个界面间隔5秒交替显示。

                                                                                                                 

第四步、按下设置按键，首先进入时间、车辆编号设置界面，按调整按键可改变光标闪动位置，进行相应设置。再次按下设置按键进入温

湿度上下限设置界面，按调整按键可改变光标闪动位置，进行相应设

置。第三次按下设置键，即可退出并保存设置返回正常显示界面。

第五步、打开监控中心上位机软件，设置好服务器IP地址与端口号，点击连接服务器按钮，提示连接服务器成功。

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

第六步、返回监控中心主界面，即可实时监控车辆温湿度、烟雾等信息。

第七步、点击工具栏GPS地图，即可显示车辆位置、车速等信息，便于实时监控车辆、查看车速，监督驾驶员是否安全驾驶。

第八步、点击工具栏实时曲线，可以对车舱内温湿度进行实时分析，监控温湿度走势，以便控制运输货物所需的最适温湿度。

第九步、点击工具栏历史记录，可以对车舱内任一天的温湿度进行分析，查看温湿度走势，便于分析、管理。

 

第十步、点击工具栏报警记录，可以对车舱内所有报警记录进行查看，便于分析、改善，达到最好的运输条件。

第十一步、点击工具栏退出系统，即可关闭此监控软件。

第五章  结论

通过对智能车载监控系统的探索，提出并论证了设计方案，详细地阐述了通过GPRS无线数据传输对车辆实现远程监控的实现方法、以及相关电路的设计原理，设计中充分利用了系统的硬件和软件资源，实现了各个模块的协调控制，提高了系统的可靠性和易用性。

本系统利用GPRS无线数据传输、GPS定位、Zigbee数据采集，并结合电脑客户端监控软件，实现了人机交互，在意外情况下还能智能处理并将信息反馈到电脑客户端上，实现智能报警。具有成本低、可靠性高、方便易用等优点，还具有良好可扩展性，符合了未来车载监控的智能化、网络化发展方向。

实验设计先经过PC机上的串口调试助手实现PC机和主控制器之间的通信，验证了串口控制的可能性，然后再用PC机串口和GPS、GPRS之间的通信，验证了模块采集信息及传输数据的可能性。并能通过互联网进行数据传输，可以连接多个客户端，足以满足的大中型公司对车辆的监控。结果表明，此次探索的正确性和可行性，该系统能够达到设计初期的各项要求。相信将在智能车载监控系统，车联网等方面得到广泛应用。