集合GPS/防盜/酒精檢測三合一功能 用MCU打造車用黑盒子

汽車竊案頻傳,，如果能知道汽車被偷后的位置，就能更容易找回,；此外,，為了避免酒后駕車，若直接將酒精感應(yīng)裝置安裝在車上,，或許也能避免意外事故發(fā)生,。飛機(jī)的黑盒子可記錄飛機(jī)的聲音與相關(guān)資料，協(xié)助澄清失事原因,，本文提出車用「e化黑盒子」系統(tǒng),，是一款整合酒精檢測、行車安全信息系統(tǒng)以及GPS的汽車防盜器,，讓駕駛?cè)丝呻S時掌握汽車狀況,。 

為了將「黑盒子」概念實(shí)現(xiàn)于汽車，以提升駕車安全性,，本文提出以微控制器為核心的車用黑盒子系統(tǒng)設(shè)計,，整合酒精測量、行車安全信息系統(tǒng)以及GPS定位防盜等功能,，并結(jié)合GSM模塊,，可實(shí)時回報汽車位置或是否遭入侵與破壞。   

在酒精探測方面,，主要目的是避免駕駛?cè)司坪篑{車,，希望在駕駛?cè)松形磫悠嚽芭袛喑鼍凭珴舛仁欠穹蠘?biāo)準(zhǔn)，而傳感器測量空氣中的酒精濃度的高低是用模糊理論的知識規(guī)則庫來判斷,。 

在行車安全信息系統(tǒng)方面,，則是將傳感器裝置在汽車的四周。前后傳感器用來提醒車主保持安全車距,；左右兩邊的傳感器則搭配左右方向燈使用,，主要功能是在轉(zhuǎn)彎或變換車道時提醒車主，避免后照鏡看不到附近有車輛或障礙物的死角,，而發(fā)生碰撞,。 

在汽車防盜器，除了有基本的門窗防盜與震動感應(yīng)外,，并加入GPS定位防盜,。如果汽車遭受破壞或門窗被開啟，系統(tǒng)會立即發(fā)送簡訊給車主,，告知目前狀況,；倘若汽車被偷,，系統(tǒng)就可發(fā)揮GPS功能，持續(xù)將汽車所在坐標(biāo)透過GSM系統(tǒng)發(fā)送簡訊給車主,，并撥打電話告知車主或通知警局,。 

本系統(tǒng)采用單芯片微控制器，包括C語言軟件程序與電子電路硬件兩大部分,。圖1為系統(tǒng)架構(gòu)圖,，主要利用單芯片微控制器為中央處理模塊，配合傳感器部分有酒精感應(yīng),、超音波感應(yīng),、震動與磁簧開關(guān)感應(yīng)；訊息顯示部分有液晶顯示與語音模塊,，再搭配GPS與GSM模塊,，以下說明各部分動作原理。 

采用較多內(nèi)存與接腳之MCU主控微控制器采用由盛群半導(dǎo)體(Holtek) 

HT46R24,，此款微控制器具備較大內(nèi)存,，程序設(shè)計者在設(shè)計較大及較復(fù)雜數(shù)據(jù)處理時有更大的彈性空間。配備40支I/O接腳可供設(shè)計者應(yīng)用于多輸入及輸出控制裝置,，如外部按鍵輸入控制,、直接驅(qū)動液晶顯示，或控制外部開關(guān)組件如雙向硅控整流體(Triac)與繼電器等,。 

此款微控制器具備脈波寬度調(diào)變(PWM),、模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換(ADC)、I2C序列接口,，此外,，程序分頻器(PFD)可產(chǎn)生精確頻率輸出，應(yīng)用于音訊產(chǎn)生,，可直接驅(qū)動蜂鳴器等發(fā)聲組件,；低電壓重置(LVR)則用于偵測系統(tǒng)電壓，若系統(tǒng)電壓低于LVR值時系統(tǒng)將產(chǎn)生重置,，以避免系統(tǒng)工作電壓低于操作電壓可能造成的不穩(wěn)定狀態(tài),。 

本系統(tǒng)包含射頻遙控器，利用無線通訊模塊來完成解鎖,、啟動防盜與解除防盜,，最大優(yōu)點(diǎn)是體積小、穩(wěn)定與成本低,。而在無線通訊發(fā)射與接收電路方面,，使用TWS-433(圖2)與RWS-433(圖3)，并透過編譯碼芯片(HT-12E與HT-12D)與指撥開關(guān)的配合,，比對傳送端設(shè)定的編碼是否與接收端相同,。 

本系統(tǒng)的遙控用編/譯碼芯片采用HT-12系列編碼器與譯碼器(圖4、表1～2),，具有4,096種編碼,，傳送媒介可為紅外線或無線電。在12位信息中,，高8位作為地址信號,，低4位為數(shù)據(jù)信號，地址信號是用來比對數(shù)據(jù)傳送是否正確,。HT-12D能夠接收12位信息,，本身也有8位地址信號線與4位數(shù)據(jù)線，當(dāng)接收到的地址信號線與設(shè)定值相同時,，才會將低4位數(shù)據(jù)輸出,。因地址線只有8位，因此HT-12系列作為遙控器時只能編出256組密碼,。 

本系統(tǒng)具有門窗防盜功能,，作為第一道防盜判斷，搭配震動傳感器,，當(dāng)歹徒使用遙控器打開車門并關(guān)閉防盜功能,，立即發(fā)出警報聲驅(qū)走歹徒。當(dāng)汽車遭受到外力撞擊破壞或車門被開啟,，立即啟動防盜功能,，主控微控制器會將目前狀況透過GSM系統(tǒng)傳送簡訊給車主。藉由在門窗加裝磁簧開關(guān),，當(dāng)防盜開啟時,，門未在安全解鎖下打開，磁簧開關(guān)由常閉變常開,，控制系統(tǒng)將會簡訊傳送至使用者告知,，并且車內(nèi)有一蜂鳴器會響數(shù)聲。 

當(dāng)震動或位移時,，震動傳感器則會發(fā)出一連串正向脈沖信號,，經(jīng)由D1送達(dá)Q1，B極此時得到極大的順向偏壓后CE間短路導(dǎo)通,，大量正電壓通過Q1向C2充電,，LM358系一比較器第2接腳已經(jīng)被固定約為0.6伏特，C2電壓充滿時LM358第3接腳約到達(dá)6伏特,，所以輸出第1接腳已呈H電位,，IC555是振蕩器當(dāng)IC555第4接腳由L轉(zhuǎn)H時即刻被啟動，IC555第3接腳一連串脈沖輸出,，再由晶體管放大推動蜂鳴器,，產(chǎn)生一連串警報聲響,。 

車體四周裝設(shè)超音波感應(yīng)電路 

本系統(tǒng)在汽車前后裝設(shè)的超音波感應(yīng)電路，主要目的是防止車距過于接近,，如果感應(yīng)到物體,，則提示「請保持安全車距」字樣。在汽車左右的超音波感應(yīng)電路的主要功能則是當(dāng)汽車左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)時,，感應(yīng)汽車死角是否有障礙物,，并以語音提示，以確保行車安全,。 

超音波發(fā)射電路是用555振蕩器產(chǎn)生不穩(wěn)態(tài)多諧振蕩,，發(fā)出40kHz脈波，由SQ-4T超音波發(fā)射器將信號傳送出去,。接收電路放大器是采用非反相放大電路,，SVR 50K可調(diào)整其靈敏度。LM567是音訊譯碼鎖相回路,，SVR 200可調(diào)整其接收頻率,。LM567的第8接腳接收到40kHz的脈波是「Low」，沒接收到是「Hi」,。 

本系統(tǒng)并使用8分鐘分段錄音芯片模塊(圖5),，將所要播放的警告及提醒語音預(yù)錄在芯片中，每一段分別存入不同語音,，再由程序判斷在適當(dāng)時機(jī)播放警告聲或語音片段,。 

單芯片采集NMEA封包 

GPS數(shù)據(jù)封包的讀取采用8051單芯片，此芯片內(nèi)建UART異步序列接口,，使用11.0592石英振蕩器,，并將鮑率設(shè)定在4,800bit/s。為將緩沖區(qū)數(shù)據(jù)讀出,，須在主程序循環(huán)里測試RI是否等于1,，如果等于1則把SBUF的數(shù)據(jù)讀出，最后再把RI重設(shè)為0,，回到主程序循環(huán)即可,。當(dāng)GPS啟動后開始抓取坐標(biāo)，并將采集到的坐標(biāo)儲存(原坐標(biāo)),，隨即開始判斷坐標(biāo)變化,，如果偵測到的坐標(biāo)差超設(shè)定距離100公尺時，此時就會利用手機(jī)將最近一次坐標(biāo)(新坐標(biāo))傳送到使用者的手機(jī)(圖6),，并且每隔一段時間發(fā)送最新坐標(biāo)給使用者,，以便掌握汽車位置。 

當(dāng)震動傳感器因震動而觸發(fā)信號,，或磁簧開關(guān)被開啟,，則手機(jī)自動傳簡訊或撥號給車主,，讓車主在最短時間內(nèi)得知汽車遭受破壞，并將汽車位置坐標(biāo)傳送給車主,。手機(jī)部分使用回收的諾基亞3210,，將其按鍵接腳測量出來，然后接至電路板(圖7),，利用芯片接收到傳感器信號，傳送高電位信號到手機(jī)撥號芯片,，利用磁簧繼電器來使手機(jī)撥號,。GPS部分則使用手機(jī)傳送位置坐標(biāo)，讓車主在短時間內(nèi)得知汽車位置(圖8),。 

結(jié)合GPS與GSM傳送車輛坐標(biāo) 

本系統(tǒng)并裝設(shè)GPS,，用以得知汽車位置，當(dāng)汽車遭竊時能在最短時間通知車主相關(guān)位置坐標(biāo),。本文采用的GPS接收模塊是瑞聯(lián)科技(Formax)FXE2S V1.0,，此模塊支持標(biāo)準(zhǔn)NMEA-0183(2.20版)協(xié)議，序列傳輸速率9,600bit/s,，并提供GGA,、GLL、GSA,、GSV,、RMC、VTG等封包格式,，可獲得經(jīng)緯度,、高度、速度,、標(biāo)準(zhǔn)時間等信息,。 

GPS數(shù)據(jù)格式形態(tài)依循美國國家海洋電子協(xié)會(NMEA)制定的格式標(biāo)準(zhǔn)，NMEA的格式有0180,、0182及0183,，本文采用的規(guī)格為MNEA-0183，一般NMEA封包以「$」起始,，接著是各種封包的訊息(GGA,、GLL、GSA,、GSV,、RMC、VTG),，以及各封包種類所對應(yīng)的封包內(nèi)容及偵錯字節(jié),，最后再以CR,、LF信號結(jié)束，每個字段都以逗號分隔,。 

智能型酒精傳感器防止酒駕 

為了防止酒后駕車,，本系統(tǒng)包含智能型酒精傳感器，當(dāng)車主啟動中控鎖時,，立即啟動酒精傳感器,，如偵測到駕駛?cè)松砩嫌芯凭珰馕斗磻?yīng)，則啟用語音模塊發(fā)出警告,，請求停止駕駛車輛,，并對汽車斷電。本系統(tǒng)采用TGS-822氣體傳感器作為酒精傳感器,，主架構(gòu)是二氧化錫(SnO2)和加熱器,。這種傳感器為使所有待測氣體揮發(fā)而設(shè)有加熱器，所以正常使用時傳感器有溫?zé)崆樾?。二氧化錫是氣體溫度傳感器的主要組件,，當(dāng)待測氣體接觸到二氧化錫的時候，其發(fā)揮燃燒作用,，將造成二氧化錫本身電阻值改變,，并且電阻值會隨著氣體濃度的增加而下降，圖9是酒精傳感器的偏壓電路,，表3是酒精濃度與電壓的對照表,。 

在酒精感應(yīng)方面，本系統(tǒng)使用模糊(Fuzzy)控制,，本質(zhì)上模糊控制是智能型控制系統(tǒng)的一種典型,，是一種具有仿人智能的工程控制與信息處理系統(tǒng)，基本特點(diǎn)是不依賴受控對象的數(shù)學(xué)模型,，主要是利用人類的操作經(jīng)驗(yàn),、知識和推理技術(shù)，以及控制系統(tǒng)的某些訊息和性能得出對應(yīng)的控制動作,。模糊控制系統(tǒng)與專家控制系統(tǒng)(Expert Control System)很相似,，都是以推論機(jī)為核心，并把熟練操作員的知識和經(jīng)驗(yàn),，建構(gòu)成以「若...則…」規(guī)則表示的知識庫,，然后根據(jù)受控對象的現(xiàn)狀推論出對應(yīng)操控策略。圖10是本系統(tǒng)酒精濃度的歸屬函數(shù),。 

本系統(tǒng)的電源供應(yīng)電路是將汽車電池12伏特直流電經(jīng)由穩(wěn)壓芯片轉(zhuǎn)換為5伏特以供應(yīng)電路所需電源,。本系統(tǒng)的行車信息等訊息，除了語音告知外，均以液晶面板顯示,，如圖11是GPS時間與坐標(biāo)的顯示,。 

本系統(tǒng)主要目的在于希望偵測駕駛?cè)耸欠耧嬀啤⑻嵝疡{駛?cè)诵熊嚑顩r,，以及在車輛失竊之后協(xié)尋,。經(jīng)過多次實(shí)際測試與修正，所有功能動作皆能正常使用,，達(dá)成預(yù)期規(guī)畫的成效,。至于未來開發(fā)方向，在傳感器方面應(yīng)投入更多研究,，以使傳感器更精準(zhǔn)并且人性化,；在GPS方面可紀(jì)錄多個拖吊管理場坐標(biāo)，以便駕駛?cè)酥榔囀潜煌系醵窃飧`,；在行車安全方面希望能感應(yīng)出實(shí)際距離，并以語音提醒與障礙物之間的距離,，以便在無人協(xié)助下能了解汽車附近狀況,；在整體架構(gòu)上，則必須研究如何將本系統(tǒng)裝置于車內(nèi),，發(fā)揮應(yīng)有功效,。