基于太阳能与超外差的无线车载应急逃生装置

胡 振，胡成祥，张嘉烽

(1.中电科技扬州宝军电子有限公司，江苏 扬州 225003；2.南京邮电大学，江苏 南京 210046；3.扬州大学 信息工程学院，江苏 扬州 225000)

0 引言

近年来意外公共交通事故频发[1]，如何在发生意外的情况下第一时间打开应急逃生通道具有重要意义。

目前，公共交通系统比较常用的打开应急通道方法有手动击玻[2]、有线电子击玻和无线火药击玻。手动击玻是通过使用逃生锤砸开车窗玻璃逃生，当发生车祸、火灾等意外情况导致乘客无法通过车门顺利离开客车时，乘客在慌乱中可能会失去冷静处理问题的能力，导致无法及时找到逃生锤或无法准确快速地使用逃生锤砸开车窗逃生[3]。 有线电子击玻是在遇到紧急情况时，通过采用有线电子通信技术控制机械装置将车窗击碎逃生，具有实时性，但有线电子击玻布线繁琐，且容易受到汽车复杂电磁环境干扰，可靠性低。无线火药击玻是在遇到紧急情况时，通过无线遥控控制火药爆破打开应急通道逃生，具有实时性、易安装的特点，但危险性高。

针对上述问题，本文提出基于太阳能[4-5]与超外差的无线车载应急逃生装置研究、实现方法，经过工程实现及电磁兼容性[6-7]试验、可靠性试验和振动试验验证，本研究方法非常可靠，具有现实意义。

1 无线车载应急逃生装置总体设计

1.1 无线车载应急逃生装置组成

无线车载应急逃生装置系统由太阳能击玻设备、遥控器及DC-DC模块3部分组成，如图1所示。其中，太阳能击玻设备安装在车辆逃生窗口玻璃上，其数量的多少可根据车辆的大小调整，遥控器安装在驾驶室中控台，并通过对车载供电进行DC转换后给遥控器供电。

图1 无线车载应急逃生装置系统组成Fig.1 Composition of wireless vehicular emergencyescape device

1.2 无线车载应急逃生装置工作原理

太阳能击玻设备中安装有锂电池，正常日照情况下，太阳能板可给锂电池充电。遥控器上有检测按键和击玻按键2个控制键，按下检测按键，如果击玻设备正常，太阳能击玻设备收到检测信号后工作状态指示灯会闪亮，同时太阳能击玻设备发出滴的声音。出现意外情况时，按下击玻按键，太阳能击玻设备收到击玻信号后可在3 s内控制减速马达转动顶出击玻头将玻璃击碎，同时太阳能击玻设备工作状态指示灯会闪亮，发出报警声。

2 无线车载应急逃生装置硬件设计

2.1 供电

太阳能击玻设备采用18650锂电池供电，其标称容量为3 000 mAh，考虑低温下锂电池实际容量会降低，取锂电池的容量为2 400 mAh，太阳能击玻设备控制板实测待机电流为0.1 mA，每日太阳能击玻设备控制板待机所需电量为：

W=SA×24(mAh)，

(1)

式中，W为每日耗电量记；SA为待机电流，计算结果2.4 mAh。

由上述计算结果可知，锂电池充满后在无充电情况下，可待机时间为100 d。实测中午强光下充电电流能达到10 mA，在平均强光日照2 h的情况下，每日的充电电量为20 mAh，远大于太阳能击玻设备控制板每日的耗电量，因此，在正常日照情况下，太阳能板充电能满足太阳能击玻设备控制板的耗电量，并将多余电量冲入锂电池蓄能，即便出现连续无光照情况，仍可持续待机100 d。

2.2 太阳能击玻控制电路硬件设计

太阳能击玻设备控制电路主要由充电电路、CPU中断控制电路、超外差接收电路和升压电路组成，如图2所示。

图2 太阳能击玻设备控制电路组成框图Fig.2 Composition diagram of control circuit of solar glassblasting equipment

2.2.1 USB充电电路

USB充电选用充电管理芯片TP4056，这是一款单节锂离子电池恒流/恒压线性充电器，采用底部带散热片的SOP8封装以及简单的外部应用电路，非常适合便携式设备应用，适合USB电源和适配器电源工作，内部采用防倒充电路，不需要外部隔离二极管。热反馈可对充电电流进行自动调节，以便在大功率操作或高环境温度条件下对芯片温度加以限制。TP4056充电截止电压为4.2 V，充电电流可通过外部电阻进行设置。当充电电流降至设定值的1/10时，TP4056将自动结束充电过程。当输入电压被移掉后，TP4056自动进入超低功耗待机状态，将待机电流降至1 μA以下。USB充电电路设计方案如图3所示[8-9]。

图3 USB充电电路设计Fig.3 USB charging circuit design

2.2.2 太阳能充电电路

太阳能充电选用充电管理芯片PL4054[10]，这是一款完整的单节锂离子电池，采用恒定电流/恒定电压线性充电器。其SOT封装与较少的外部元器件数目使得PL4054成为便携式应用的理想选择。PL4054可以适合太阳能电源工作。由于采用了内部PMOSFET架构，加上防倒充电路，所以不需要外部检测电阻和隔离二极管。热反馈可对充电电流进行调节，以便在大功率操作或高温环境温度条件下对芯片温度加以限制。充电电压固定于4.2 V，而充电电流可通过一个电阻进行外部设置。当充电电流在达到最终浮充电压之后降至设定值1/10时，PL4054将自动终止充电循环。当无太阳能时，PL4054自动进入低电流状态，将电池漏电电流降至2 μA以下。太阳能充电电路设计如图4所示。

图4 太阳能充电电路设计Fig.4 Solar charging circuit design

2.2.3 CPU中断控制电路

为降低系统功耗，CPU选用STM8L051F3[11]，有5种低功耗模式，分别为：

(1)WAIT mode

在等待模式，CPU的时钟是停止的，被选择的外设继续运行。WAIT mode分为2种方式：WFE和WFI。WFE是等待事件发生，才从等待模式中唤醒。WFI是等待中断发生，才从等待模式中唤醒。

(2)Low power run mode

在低功耗运行模式下，CPU和被选择的外设在工作，程序执行在LSI或者LSE下，从RAM中执行程序，Flash和EEPROM都要停止运行。电压被配置成Ultra Low Power模式。进入此模式可以通过软件配置，退出此模式可以软件配置或者是复位。

(3)Low power wait mode

这种模式是在Low power run mode下，执行WFE。在此模式下CPU时钟会被停止，其他外设的运行情况和Low power run mode类似。在此模式下可以被内部或外部事件中断和复位唤醒，当事件被唤醒后，系统恢复到Low power run mode。

(4)Active-Halt mode

在此模式下，除了RTC外，CPU和其他外设的时钟被停止。系统唤醒通过RTC中断、外部中断或复位。

(5)Halt mode

在此模式下，CPU和外设的时钟都被停止。系统唤醒通过外部中断或复位。关闭内部的参考电压可以进一步降低功耗。通过配置ULP位和FWU位，也可以6 μs的快速唤醒，不用等待内部的参考电压启动。

CPU控制电路输入为4路中断信号，分别为设备保护罩脱离中断信号、按压检测中断信号、无线检测中断信号以及无线击玻中断信号，因CPU所有的后续控制都由中断信号发起，故选择Halt mode低功耗模式。

2.2.4 超低功耗无线接收模块设计

接收模块采用高速接收芯片及高速低功耗单片机编程，快速唤醒扫描处理编码信号，解码后输出4路高电平，模块具有对码接口，实际应用中，只需要一个按键即可以学习需要配套的遥控器，同时具有清码功能。主要技术参数如下：

① 工作电压：2～5.5 V；

② 工作频率：433.92 MHz；

③ 接收电流：平均0.05 mA；

④ 调制方式：ASK/OOK[12-13]；

⑤ 接收灵敏度：-112 dBm；

⑥ 数据数率：最高10 kb/s；

⑦ 每个IO口的输出驱动能力：≤20 mA；

⑧ 工作温度范围：-20°～70°。

接收模块上电后处于低功耗待机模式，按照程序设定775：8 ms扫描是否有发射信号，待机电流记为SA，工作电流记为WA，则平均待机电流为：

(2)

接收模块的工作电流为4.9 mA，带入式(2)计算的平均待机电流为0.05 mA。

因为接收模块平时处于低功耗待机模式，是模块内部MCU控制接收芯片定时休眠与唤醒扫描是否有发射信号来降低接收芯片的工作电流，以牺牲速度换取低功耗，遥控器按键时间必须大于1 s才能保证接收芯片每次唤醒后MCU检测到一次发射信号。

3 无线车载应急逃生装置软件设计

3.1 MCU控制软件设计

太阳能击玻设备控制电路MCU软件主要任务是收到相应的中断信号后做相应的后续控制处理，软件流程如图5所示。

图5 太阳能击玻控制电路软件流程Fig.5 Flow chart of solar glassblasting control circuit software

当MCU收到中断信号后，判断其是否是保护罩脱离中断信号，是否是按压检测中断信号，是否是无线检测中断信号，是否是无线击玻中断信号，如果是其中的一种中断信号，按照流程图进行相应的控制处理；如果不是，则正常待机。

3.2 编码软件设计

传统加密方式一般是采用固定码(编码长度为固定值)，其缺点是编码长度有限，而且在发射、传送编码字时保持不变，容易通过扫描、截获等手段对其进行破解，从而获取密码信息，因此固定码的保密性比较低[14]。

Keeloq 滚动码技术与固定码相比具有以下特点[15]：

① 发送编码字时每次都不相同，且同一操作发送的数据也不相同；

② 每次滚动码发送的信息具有唯一性，不重复；

③ 多变化性、抗截获能力强、安全性高；

④ 采用非线性加密算法。

在对安全性要求不高的情况下(比如家电、玩具)可采用固定码加密技术，但固定码不适用于太阳能击玻设备。无线太阳能击玻设备只有在发生紧急情况下才会控制击玻，正常状态时如受到干扰误触发击打玻璃将会带来经济损失、同时给乘客带来心理伤害，通过采用Keeloq 滚动码技术保证无线太阳能击玻设备具有较高的可靠性。

4 实验结果与分析

在对太阳能与超外差的无线车载应急逃生装置完成设计开发后分别对装置的作用距离、待机时间以及电磁兼容性进行了测试、试验。装置的作用距离测试数据如表1所示。根据表1可知，装置在车内环境下遥控器作用距离可达到46.9 m，能满足实际应用要求(实际应用要求为作用距离不小于30 m)。

表1 平均作用距离Tab.1 Average operating distance

2020年3月在杭州远方检测校准技术有限公司对设备进行了电磁兼容试验，试验项目包括静电放电抗扰度试验、射频电磁场辐射抗扰度试验和工频磁场抗扰度试验，试验结果均满足要求。

现已完成1 000套太阳能与超外差的无线车载应急逃生装置的生产、交付，在使用过程中要求客户每周对设备进行检测，暂未发现设备电池用尽情况。

目前，太阳能与超外差的无线车载应急逃生装置技术状态已经固化，太阳能与超外差的无线车载应急逃生装置实物图(正面)如图6所示。

图6 应急逃生装置实物图(正面)Fig.6 Picture of emergency escape device (front)

太阳能与超外差的无线车载应急逃生装置实物图(后面)如图7所示。

图7 应急逃生装置实物图(反面)Fig.7 Picture of emergency escape device (back)

5 结束语

经过试验、生产、使用验证太阳能与超外差的无线车载应急逃生装置具有较高可靠性、抗干扰性(无误击打)，但其在受到同频率信号干扰的情况下，接收模块无法正常接收发射信号，如何解决同频干扰问题[16]是下一步研究、改进的重点。