共享单车车速检测报警系统的设计

彭井花

(阳光学院人工智能学院，福建福州 350015)

0 引言

共享单车的出现既方便了人们的日常出行，也符合国家节能减排的政策.但有些人为了赶时间就会加快行驶速度，刹车不及时很容易出现交通事故，对自己和他人的生命安全都会造成影响.解决这一问题最行之有效的方式就是在共享单车上加一测速报警装置，超过一定速度单车就会自动发出警报声及时提醒骑车人减速，降低因共享单车超速引发的交通事故的频率[1-2].因此，本文提出一套共享单车车速检测报警系统的设计方法，一方面能够在共享单车超速时发出报警提示，提醒骑车人降速保证骑车人的安全；另一方面可以在骑车人因超速出现交通安全问题时，给共享单车运营方的监控中心提供责任划分和相应赔偿所需的参考依据.该系统可以将共享单车一段时间内的行驶里程、瞬时速度和平均速度在共享单车固定的LCD上显示出来.若出现超速则报警系统给骑车人发出语音报警，提醒骑车人减速；并把超过阀值的数据、超速时间和共享单车的编号通过短信发送给共享单车运营方的监管中心，而且该系统能去除或保留原先的里程数.

1 系统设计

图1 系统框图Fig.1 Diagram of System

共享单车车速检测报警系统采用STC12C5A60S2单片机担任核心控制器件，主要有主控芯片、霍尔测速模块、语音播报模块、SIM800C模块、LCD显示器、数据存储等电路；霍尔传感器实时采集转速信息并发送至单片机进行处理，单片机控制LCD1602液晶屏显示单车时速、报警速度、平均速度和行驶总里程、单车编号.单车行驶速度超过设定的报警数值时，系统自动触发报警：语音播报模块播放报警语音、SIM800C模块向指定手机发送报警短信提示.系统主要框图如图1所示.

2 系统硬件电路设计

2.1 霍尔传感器测速接口电路设计

图2 霍尔测速接口电路Fig.2 Diagram of hall speed measurement interface circuit

霍尔测速原理：霍尔效应是电磁效应中的一种，它反映的是磁场和电压之间的关系，当磁场中的导体有电流经过时，会产生一个作用力，该作用力会使载流子发生偏移，与此同时会产生一个附加电场，使导体两端的电压发生变化，从而产生电势差，这就是所谓的霍尔效应[3].霍尔电压的大小和所在环境中磁场的变化成正比.在信号的接收端要求所接收的信号应大于一定值，小于该值时接收不到信号.霍尔效应产生的电压比较小，需要经过放大电路将该信号进行放大处理后再使用.系统采用的霍尔传感器模块内置LM393比较器，可以直接输出高低电平，具有较强的驱动能力[4].

霍尔测速电路如图2所示.霍尔传感器的信号引脚SP与单片机P3.4连接.在单车轮胎上安装霍尔传感器，单车行驶，轮胎转动，这时轮轴会发出连续的脉冲信号，经放大电路将信号放大，最后输出可用的计数脉冲.在单片机输入端接收到这些脉冲，统计相邻脉冲间发出的时间间隔，便可以计算出该转速值并在显示器上显示.

图3 语音播报电路Fig.3 Diagram of voice broadcast circuit

2.2 超速报警电路设计

采用两种报警模式：语音播报、SIM800C短信发送提示.

2.2.1 语音播报电路 本文采用HSC-U007模块完成语音播报功能.该模块是一个提供串口的MP3芯片，具有支持串口点播指定歌曲、文件列表、ID3、EQ、全文件名、A/D按键和串口控制I/O口等功能.可对MP3、WMA和WAV三种语音格式进行解码操作[5].

语音播报电路如图3所示.MP3模块的SP+和SP-引脚连接扩音器，串口RX和TX分别与单片机的P1.3和P1.2端口连接.触发报警时，语音播报模块自动播放“超速报警，请减速”的语音提示.

图4 SIM800C模块接口电路Fig.4 Diagram of SIM800C module interface circuit

2.2.2 SIM800C模块接口电路 短信发送提示警报模式由SIMCOM公司的GSM/GPRS模块SIM800C实现，单片机与SIM800C模块连接接口电路如图4所示.单片机的TxD引脚(P3.1)与模块的RxD连接，RxD引脚(P3.0)与模块的TxD连接，二者的GND共在一起，单片机经串口对SIM800C模块通过AT命令控制操作就可实现单片机与该模块的通讯[6].

3 系统软件设计

图5 系统主程序流程图Fig.5 Flowchart of System

3.1 系统主程序设计

系统主程序在上电后会首先初始化单片机UART、SPI和中断等硬件资源.初始化结束之后，主程序循环扫描调用各个功能子程序，如速度检测、LCD显示以及是否调用报警子程序等，完成单车行驶过程中速度和里程检测、数据显示和超速报警提示等功能.系统主程序流程图如图5所示.

3.2 系统子程序设计

3.2.1 速度检测子程序 车轮旋转一周，霍尔传感器将给单片机输送两个脉冲信号(车轮上安装了两个钢磁，两个钢磁有利于减少误差)，每获得两个脉冲信号，便对系统进行一次中断，每次中断代表共享单车车轮旋转一周，中断数n与共享单车车轮周长L的乘积即为共享单车行驶的里程S.通过对单位时间内里程的计算，便可以得出共享单车行驶的平均速度V，如公式(1)、(2)所示.瞬时速度是周长L与每中断一次所需时间的比值，若共享单车超过限定速度，系统会发出报警信号，提醒骑车人减速.速度检测流程图如图6所示.

S=L*n

公式(1)

V=S/t

公式(2)

3.2.2 报警子程序 系统每隔30 s将检测结果与报警阈值进行比较，当检测值大于设定值时，自动触发语音播报和通过短信发送实时报警信息模式，持续关注此辆单车的动态.报警子程序如图7所示.

图6 速度检测子程序流程图Fig.6 Flowchart of speed detection subprogram图7 报警子程序流程图Fig.7 Flowchart of alarm subprogram

图8 发送短信子程序流程图Fig.8 Flowchart of send message subprogram

3.2.3 发送短信子程序 SIM800C GSM/GPRS 模块可以通过AT指令AT+CMGS=“+86手机号码”来设置接收端的手机号码，通过指令AT+CMGF=0(AT+CMGF Select SMS message formate)可以将GSM/GPRS 模块短信工作模式设置为PDU格式，如采用文本格式发送则设置指令AT+CMGF=1[7].

初始报警信息内容已经通过编码存放于存储器中，当需要发送时，可以从存储器中直接调用发送.发送报警信息的信息发送流程图如图8所示.

4 结论

本文应用霍尔测速模块、语音播报模块和GSM/GPRS等模块设计并实现了共享单车车速检测报警系统，并把超过阀值的数据、超速时间和共享单车的编号通过短信发送给共享单车运营方的监管中心.本设计系统性能稳定、成本低，能够满足人们日常对共享单车超速报警的基本需求，而且此测速报警系统可以在很多速度监控的场合使用，具有广泛的应用前景.