集合GPS/防盜/酒精檢測(cè)三合一功能 用MCU打造車(chē)用黑盒子

汽車(chē)竊案頻傳，如果能知道汽車(chē)被偷后的位置，就能更容易找回；此外，為了避免酒后駕車(chē)，若直接將酒精感應(yīng)裝置安裝在車(chē)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(chē)用「e化黑盒子」系統(tǒng)，是一款整合酒精檢測(cè)、行車(chē)安全信息系統(tǒng)以及GPS的汽車(chē)防盜器，讓駕駛?cè)丝呻S時(shí)掌握汽車(chē)狀況。 

為了將「黑盒子」概念實(shí)現(xiàn)于汽車(chē)，以提升駕車(chē)安全性，本文提出以微控制器為核心的車(chē)用黑盒子系統(tǒng)設(shè)計(jì)，整合酒精測(cè)量、行車(chē)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(shí)回報(bào)汽車(chē)位置或是否遭入侵與破壞。   

在酒精探測(cè)方面，主要目的是避免駕駛?cè)司坪篑{車(chē)，希望在駕駛?cè)松形磫?dòng)汽車(chē)前判斷出酒精濃度是否符合標(biāo)準(zhǔn)，而傳感器測(cè)量空氣中的酒精濃度的高低是用模糊理論的知識(shí)規(guī)則庫(kù)來(lái)判斷。 

在行車(chē)安全信息系統(tǒng)方面，則是將傳感器裝置在汽車(chē)的四周。前后傳感器用來(lái)提醒車(chē)主保持安全車(chē)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(chē)道時(shí)提醒車(chē)主，避免后照鏡看不到附近有車(chē)輛或障礙物的死角，而發(fā)生碰撞。 

在汽車(chē)防盜器，除了有基本的門(mén)窗防盜與震動(dòng)感應(yīng)外，并加入GPS定位防盜。如果汽車(chē)遭受破壞或門(mén)窗被開(kāi)啟，系統(tǒng)會(huì)立即發(fā)送簡(jiǎn)訊給車(chē)主，告知目前狀況；倘若汽車(chē)被偷，系統(tǒng)就可發(fā)揮GPS功能，持續(xù)將汽車(chē)所在坐標(biāo)透過(guò)GSM系統(tǒng)發(fā)送簡(jiǎn)訊給車(chē)主，并撥打電話(huà)告知車(chē)主或通知警局。 

本系統(tǒng)采用單芯片微控制器，包括C語(yǔ)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(dòng)與磁簧開(kāi)關(guān)感應(yīng)；訊息顯示部分有液晶顯示與語(yǔ)音模塊，再搭配GPS與GSM模塊，以下說(shuō)明各部分動(dòng)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(jì)者在設(shè)計(jì)較大及較復(fù)雜數(shù)據(jù)處理時(shí)有更大的彈性空間。配備40支I/O接腳可供設(shè)計(jì)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(dòng)液晶顯示，或控制外部開(kāi)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(dòng)蜂鳴器等發(fā)聲組件；低電壓重置(LVR)則用于偵測(cè)系統(tǒng)電壓，若系統(tǒng)電壓低于LVR值時(shí)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(wú)線通訊模塊來(lái)完成解鎖、啟動(dòng)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(wú)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(guò)編譯碼芯片(HT-12E與HT-12D)與指撥開(kāi)關(guān)的配合，比對(duì)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(wú)線電。在12位信息中，高8位作為地址信號(hào)，低4位為數(shù)據(jù)信號(hào)，地址信號(hào)是用來(lái)比對(duì)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(hào)線與4位數(shù)據(jù)線，當(dāng)接收到的地址信號(hào)線與設(shè)定值相同時(shí)，才會(huì)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(shí)只能編出256組密碼。 

本系統(tǒng)具有門(mén)窗防盜功能，作為第一道防盜判斷，搭配震動(dòng)傳感器，當(dāng)歹徒使用遙控器打開(kāi)車(chē)門(mén)并關(guān)閉防盜功能，立即發(fā)出警報(bào)聲驅(qū)走歹徒。當(dāng)汽車(chē)遭受到外力撞擊破壞或車(chē)門(mén)被開(kāi)啟，立即啟動(dòng)防盜功能，主控微控制器會(huì)將目前狀況透過(guò)GSM系統(tǒng)傳送簡(jiǎn)訊給車(chē)主。藉由在門(mén)窗加裝磁簧開(kāi)關(guān)，當(dāng)防盜開(kāi)啟時(shí)，門(mén)未在安全解鎖下打開(kāi)，磁簧開(kāi)關(guān)由常閉變常開(kāi)，控制系統(tǒng)將會(huì)簡(jiǎn)訊傳送至使用者告知，并且車(chē)內(nèi)有一蜂鳴器會(huì)響數(shù)聲。 

當(dāng)震動(dòng)或位移時(shí)，震動(dòng)傳感器則會(huì)發(fā)出一連串正向脈沖信號(hào)，經(jīng)由D1送達(dá)Q1，B極此時(shí)得到極大的順向偏壓后CE間短路導(dǎo)通，大量正電壓通過(guò)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(mǎn)時(shí)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(shí)即刻被啟動(dòng)，IC555第3接腳一連串脈沖輸出，再由晶體管放大推動(dòng)蜂鳴器，產(chǎn)生一連串警報(bào)聲響。 

車(chē)體四周裝設(shè)超音波感應(yīng)電路 

本系統(tǒng)在汽車(chē)前后裝設(shè)的超音波感應(yīng)電路，主要目的是防止車(chē)距過(guò)于接近，如果感應(yīng)到物體，則提示「請(qǐng)保持安全車(chē)距」字樣。在汽車(chē)左右的超音波感應(yīng)電路的主要功能則是當(dāng)汽車(chē)左轉(zhuǎn)或右轉(zhuǎn)時(shí)，感應(yīng)汽車(chē)死角是否有障礙物，并以語(yǔ)音提示，以確保行車(chē)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(hào)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(méi)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(yǔ)音預(yù)錄在芯片中，每一段分別存入不同語(yǔ)音，再由程序判斷在適當(dāng)時(shí)機(jī)播放警告聲或語(yǔ)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(cè)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(dòng)后開(kāi)始抓取坐標(biāo)，并將采集到的坐標(biāo)儲(chǔ)存(原坐標(biāo))，隨即開(kāi)始判斷坐標(biāo)變化，如果偵測(cè)到的坐標(biāo)差超設(shè)定距離100公尺時(shí)，此時(shí)就會(huì)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(shí)間發(fā)送最新坐標(biāo)給使用者，以便掌握汽車(chē)位置。 

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

結(jié)合GPS與GSM傳送車(chē)輛坐標(biāo) 

本系統(tǒng)并裝設(shè)GPS，用以得知汽車(chē)位置，當(dāng)汽車(chē)遭竊時(shí)能在最短時(shí)間通知車(chē)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(shí)間等信息。 

GPS數(shù)據(jù)格式形態(tài)依循美國(guó)國(guó)家海洋電子協(xié)會(huì)(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(lèi)所對(duì)應(yīng)的封包內(nèi)容及偵錯(cuò)字節(jié)，最后再以CR、LF信號(hào)結(jié)束，每個(gè)字段都以逗號(hào)分隔。 

智能型酒精傳感器防止酒駕 

為了防止酒后駕車(chē)，本系統(tǒng)包含智能型酒精傳感器，當(dāng)車(chē)主啟動(dòng)中控鎖時(shí)，立即啟動(dòng)酒精傳感器，如偵測(cè)到駕駛?cè)松砩嫌芯凭珰馕斗磻?yīng)，則啟用語(yǔ)音模塊發(fā)出警告，請(qǐng)求停止駕駛車(chē)輛，并對(duì)汽車(chē)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(cè)氣體揮發(fā)而設(shè)有加熱器，所以正常使用時(shí)傳感器有溫?zé)崆樾巍６趸a是氣體溫度傳感器的主要組件，當(dāng)待測(cè)氣體接觸到二氧化錫的時(shí)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(huì)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(duì)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(lài)受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，主要是利用人類(lèi)的操作經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)和推理技術(shù)，以及控制系統(tǒng)的某些訊息和性能得出對(duì)應(yīng)的控制動(dòng)作。模糊控制系統(tǒng)與專(zhuān)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(shí)和經(jīng)驗(yàn)，建構(gòu)成以「若...則…」規(guī)則表示的知識(shí)庫(kù)，然后根據(jù)受控對(duì)象的現(xiàn)狀推論出對(duì)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(chē)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(chē)信息等訊息，除了語(yǔ)音告知外，均以液晶面板顯示，如圖11是GPS時(shí)間與坐標(biāo)的顯示。 

本系統(tǒng)主要目的在于希望偵測(cè)駕駛?cè)耸欠耧嬀啤⑻嵝疡{駛?cè)诵熊?chē)狀況，以及在車(chē)輛失竊之后協(xié)尋。經(jīng)過(guò)多次實(shí)際測(cè)試與修正，所有功能動(dòng)作皆能正常使用，達(dá)成預(yù)期規(guī)畫(huà)的成效。至于未來(lái)開(kāi)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(gè)拖吊管理場(chǎng)坐標(biāo)，以便駕駛?cè)酥榔?chē)是被拖吊而非遭竊；在行車(chē)安全方面希望能感應(yīng)出實(shí)際距離，并以語(yǔ)音提醒與障礙物之間的距離，以便在無(wú)人協(xié)助下能了解汽車(chē)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(chē)內(nèi)，發(fā)揮應(yīng)有功效。