基于4G的兒童座椅智能控制器設(shè)計

李秋先　杜運(yùn)德

摘要：本文設(shè)計一種基于4G網(wǎng)絡(luò)的兒童座椅智能控制器，采用低功耗結(jié)合多路供電技術(shù)適應(yīng)產(chǎn)品應(yīng)用場合;利用4G通信技術(shù)實現(xiàn)在發(fā)生車禍時能夠及時將信息主動發(fā)送給利害相關(guān)人，為救援提供最及時信息。同時也為兒童座椅使用者和生產(chǎn)者提供直接溝通渠道，為廠家精準(zhǔn)營銷提供平臺。產(chǎn)品具有廣闊市場需求。

關(guān)鍵詞：智能座椅;4G通訊;物聯(lián)網(wǎng);精準(zhǔn)營銷

一、概述

兒童座椅是用于行車時對兒童的保護(hù)。有數(shù)據(jù)統(tǒng)計在有兒童座椅保護(hù)的情況下，由于汽車碰撞造成兒童死亡的概率會大大減小，造成兒童死亡的往往是因為兒童沒有得到第一時間的救助，延遲的急救時間造成死亡的。當(dāng)前兒童座椅主要還是純機(jī)械機(jī)構(gòu)，不具有智能化特點(diǎn)。隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展，越來越多設(shè)備進(jìn)入互聯(lián)時代。智能兒童座椅應(yīng)運(yùn)而生。設(shè)計一款智能型的兒童座椅，能夠?qū)④囕v碰撞事故第一時間主動發(fā)送給兒童監(jiān)護(hù)人或重要親人，以獲得第一時間的救援，顯得非常有必要且也可以低成本的實現(xiàn)。

NB-IoT一經(jīng)推出就受到了業(yè)內(nèi)的廣泛關(guān)注，作為未來長距離物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展方向，具有諸多優(yōu)勢，但是其推廣受其網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商的基站布局的影響，目前還處于推廣階段，網(wǎng)絡(luò)在國內(nèi)還并不普及。Lora作為物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)平臺其功能和NB-IoT沒有太明顯的優(yōu)缺點(diǎn)，雖然其在國外已經(jīng)進(jìn)入商業(yè)化階段，但對于國內(nèi)來說還是不普及。相對于前面兩種技術(shù)平臺，4G技術(shù)在國內(nèi)非常成熟，不足的地方主要體現(xiàn)在其低功耗和流量資費(fèi)沒有前面兩種有優(yōu)勢，但是其網(wǎng)絡(luò)非常成熟穩(wěn)定是商業(yè)開發(fā)重要條件，同時在本項目中，智能座椅是用于汽車環(huán)境，本身就有電源，所以低功耗不是主要問題，由于4G模塊公司已經(jīng)和運(yùn)營商進(jìn)行了很好的合作，使得4G的流量費(fèi)也比較低，用戶是可以接受的。綜上所述，本項目采用4G作為網(wǎng)絡(luò)技術(shù)平臺。

二、智能座椅功能設(shè)計

本項目是一款智能兒童安全座椅控制系統(tǒng)，利用傳感器檢測座椅上是否有人落座、環(huán)境 溫度及加速度，當(dāng)檢測到高溫、電池低電量或過大加速度時，通過 GPRS 向后臺報警。主要功能包括加速度檢測、環(huán)境溫度檢測、定位檢測、座椅落座檢測、電池電量檢測、支持 9V 6LR61堿性電池、支持12V車載電源、支持 5V USB 電源相互切換。雙色狀態(tài)指示 LED等功能。項目的硬件框圖如圖1所示。

整個硬件部分分為主控、傳感器、電源、通訊等部分。出于對系統(tǒng)運(yùn)行速度、存儲容量、外設(shè)接口數(shù)量和類型及低功耗等方面的考慮，選用HC32L110C6PA 作為主控制器。

（一）電源設(shè)計

采用 3.3V 作為系統(tǒng)電源，內(nèi)核電源管腳 VCAP 外接 4.7uF 電容濾波。 使用 MCU 內(nèi)部低速時鐘，用以降低成本、減小 PCB 空間和留出外接管腳。本方案支持 12V、5V 和 9V 堿性電池三種供電方式，有一路或多路電源有效時，系統(tǒng)可以正常運(yùn)行。其中，車載 12V 電源穩(wěn)定性較差;電池為不可充電類型，最大輸 出電流為 200mA;車載 5V 電源穩(wěn)定性較好，輸出電流最小為 500mA。 系統(tǒng)最大工作電流發(fā)生在 GPRS 模塊和后臺通訊時，最大功耗 2W，即電流 500mA@4V 。根據(jù)不同電源的特性及系統(tǒng)功耗特性，電路設(shè)計實現(xiàn)以下功能：各路電源對系統(tǒng)只能輸出，不能輸入。單獨(dú)一路電源供電，須能滿足系統(tǒng)功耗要求。只有電池和 12V 電源共存時，系統(tǒng)由 12V 電源供電。當(dāng)5V電源和其他兩種電源共存時，系統(tǒng)由5V電源供電。為實現(xiàn)這些功能，電源輸入部分電路做如下設(shè)計：在每路電源輸入口，串接一個二極管。12V 電源和電池經(jīng)過二極管后連接在一起，且并聯(lián)一個 470uF 電解電容，再經(jīng) 過信號繼電器后給系統(tǒng)供電，在信號繼電器輸出端也并聯(lián)一個 470uF 電解電容。上述信號繼電器默認(rèn)導(dǎo)通，并由 5V 電源控制其使能管腳。 系統(tǒng)共有三部分耗電電路：MCU 部分、GPRS 模塊部分和加速度傳感器部分。其中MCU 部分電源電壓 3.3V，最大工作電流 4.3mA;GPRS 模塊最大工作電流 500mA@4V （瞬間最大 1.5A）;加速度傳感器部分電源電壓 3.3V，最大工作電流 15uA 左右。為保障 MCU 穩(wěn)定工作，使用 LDO 輸出 3.3V 電源給其供電。GPRS 模塊功耗較大，為了提高電源轉(zhuǎn)換效率，使用DCDC 輸出4V電源給其供電。根據(jù)項目特性，加速 度部分，只有在座椅有人落座時才開始工作，直接由 MCU 的 IO口通過倒灌電流方 式（正極為給 MCU 供電的 3.3V）控制其電源。 由于系統(tǒng)可能由電池單獨(dú)供電，電路必須做到低功耗。所有外設(shè)上下拉電阻或 ADC 檢測分壓電阻，均使用兆歐姆級的阻值。

（二）通訊設(shè)計

從通訊方案成熟度、成本及更重要的基站定位功能需求方面考慮，本方案采用 GPRS 作為無線通訊方式。GPRS 模塊和管理平臺之間使用較成熟的 TCP 協(xié)議連接。 本方案采用基站定位方式獲取位置坐標(biāo)，GPRS 模塊使用TCP協(xié)議和基站數(shù)據(jù)庫服務(wù)器連接。為了方便更換SIM卡，并從成本和電路板空間方面考慮，使用標(biāo)準(zhǔn)的 Micro SIM卡座。 從天線性能的實現(xiàn)難度和安裝便利性方面考慮，使用帶 cable 線的FPC天線，cable 線和主板通過 I 代射頻端子連接。

（三）傳感器設(shè)計

除了使用 GPRS 模塊實現(xiàn)定位功能外，本方案還有加速度傳感器、溫度傳感器、座 椅壓力傳感器等檢測部分。加速度傳感器使用 ST 的 LIS3DH，該傳感器性能成熟穩(wěn)定，最大可檢測±16g 的加速度。它由 MCU 通過 I2C 設(shè)置加速度門限值，當(dāng)加速度達(dá)到該值時，通過中斷信號向 MCU 報警。本方案使用 MCU 內(nèi)部溫度傳感器方案，實現(xiàn)對環(huán)境溫度的檢測功能。座椅壓力傳感器用于檢測座椅是否有人落座，由于兒童體重較輕，且在座椅上位置不確定，本方案使用 15 觸點(diǎn)高靈敏度的薄膜開關(guān)檢測座椅承受的壓力。壓力傳感器 通過 5557 接口和主板連接。

（四）EMC設(shè)計

為了使電路板可以穩(wěn)定、可靠地工作，在 12V 電源、USB、SIM 卡、壓力傳感器等 各對外接口信號線上，使用穩(wěn)壓二極管或 TVS 管，以保護(hù)和與這些接口連接的各個 器件。

三、系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件包含兩部分，一部分為嵌入式單片機(jī)軟件，單片機(jī)程序主要完成設(shè)備端的傳感器信息的檢查以及向4G模塊發(fā)送報警信息。其軟件的流程圖如圖2所示：單片機(jī)上電后檢測供電來源、座椅壓力傳感器有沒有壓力信號、其他座位壓力傳感器有沒有型號、ISOFIX有沒有信號、溫度傳感器有沒有信號、加速度傳感器有沒有信號之后設(shè)置為初始休眠狀態(tài)。當(dāng)傳感器有信號時喚醒單片機(jī)，啟動正常模式開關(guān)并判斷其是否有效，如果有效進(jìn)一步判斷ISOFIX有沒有松動;否則延時10分鐘在判斷ISOFIX有沒有送動。

本系統(tǒng)通訊單元用的部分函數(shù)簡介如下：

/*************************************************

** 函數(shù)名稱： ATcmd_Transmit

** 函數(shù)描述： 發(fā)送AT指令，并檢測返回值

** 輸入?yún)?shù)： *AT_str發(fā)送數(shù)據(jù) *Repl_str期待返回值 ? ?等待時間Wait_ms

** 輸出參數(shù)： false發(fā)送失敗 true發(fā)送成功

*************************************************/

u8 ATcmd_ack（char *AT_str， char *Repl_str， u8 Wait_s）

{

static u8? ?step=0;

u8 ack=0;

static u8? sec_delay;

switch（step）

{case 0：

strcpy（drv_comm_tx，AT_str）;

strcat（drv_comm_tx，"＼r＼n"）;

if（true==send_nbyte_gprs（drv_comm_tx，strlen（drv_comm_tx）））

{

sec_delay=run_para_sec_cou（）;

step++;

}

break;

case 1：

ack=gprs_ack_Receive（Repl_str）;

if（true==ack）

{

step=0;

return true;

}

else if（ACK_ERROR==ack）

{step=0;

return ACK_ERROR;

}

break;

if（tb_sec_cou（sec_delay）>=Wait_s）

{

step=0;

sec_delay=run_para_sec_cou（）;

return TIMEOUT;

}

return false;

}

項目測試 ：圖3為系統(tǒng)的實物圖，1為9V電池接口，6為車載12V電源接口，5為USB的5V電源接口，2為4G通訊模塊，3為內(nèi)置天線，4為定制流量卡。將系統(tǒng)裝入兒童座椅，通過給定一定壓力、加速度和溫度物理信息，系統(tǒng)可以將信息準(zhǔn)確發(fā)送至特定人手機(jī)APP中并進(jìn)行準(zhǔn)確定位。完全能夠滿足實際需求。

四、結(jié)束語

本系統(tǒng)是上海闞訊電子科技有限公司為安徽嬰童智能有限公司獨(dú)家開發(fā)的兒童智能座椅控制系統(tǒng)。采用4G模塊作為通訊手段，重力加速度以及溫度傳感器為感知實現(xiàn)兒童座椅的智能化，系統(tǒng)滿足市場需要，2020年在網(wǎng)絡(luò)銷售平臺天貓一經(jīng)推出，就獲得市場認(rèn)可。產(chǎn)品銷售良好。

作者單位：李秋先? ? 杜運(yùn)德? ? 上海闞訊電子科技有限公司

作者簡介：

李秋先（1979-），上海浦東人，從事于智能算法研究。

杜運(yùn)德（1979-），廣東清遠(yuǎn)人，從事于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究。

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1]鄭婷婷，黨樂，任景龍，劉實秋.基于風(fēng)光功率動態(tài)尋優(yōu)的風(fēng)光儲發(fā)電系統(tǒng)智能控制器設(shè)計[J].農(nóng)村電氣化，2022，（01）：65-68.

[2]陳啟鋒，崔清雅.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在車輛內(nèi)環(huán)境監(jiān)測報警系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代工業(yè)經(jīng)濟(jì)和信息化，2022，12（01）：35-37.

[3]陳世雄.基于單片機(jī)的殺蟲燈智能控制器設(shè)計[J].江蘇農(nóng)業(yè)科學(xué)，2021，49（13）：186-191.

[4]楊果仁，鄭超，楊躍.基于51單片機(jī)的智能座椅設(shè)計與實現(xiàn)[J].電腦迷，2018，（12）：249-250.

[5]田元青.智能兒童汽車座椅控制系統(tǒng)的設(shè)計[D].山東：煙臺大學(xué)，2021.

[6]劉雅濃，潘振華，馬浩然，王杰，于群.動車組智能座椅系統(tǒng)設(shè)計[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2021，11（32）：76-79.

[7]曹學(xué)晨，閆龍，張鴻，任森麗，王迎嵩.基于人因工程學(xué)的智能座椅設(shè)計[J].科技與創(chuàng)新，2019，（03）：21-24.