公交车载环境监控系统的设计与应用

朱海元

（南京康尼机电股份有限公司，江苏 南京 210013）

0 引言

随着公交绿色出行理念的不断普及，以及公交本身地面运行方式的便捷性，选择公交出行的人们越来越多，导致公交车内环境更加复杂与多样化。怎样提高公交乘坐环境的舒适度、与安全性变得愈加重要。

本文设计的公交车载环境监控系统可有效监测车内环境，通过分布在车箱内不同部位的低功耗传感器，实时无线采集车箱内的温度、湿度、PM2.5等环境信息。同时对车辆内的烟雾进行监测与报警。通过相应的通讯方式，可将此信息传输至车辆仪表、车辆屏幕以及远程服务器端，以此提醒驾乘人员进行相应操作，从而提高人们乘坐公共交通的舒适性与安全性。

1 环境监控系统方案设计

环境监控系统主要由两部分组成，环境监控集中装置与环境采集装置，两者之间通过433M无线模块进行无线连接，以此传输数据。环境监控集中装置负责逻辑控制功能，主要将分布在车箱内的环境采集装置采集的数据进行收集集中，并对数据进行相应的处理，通过CAN总线及4G传输至车辆仪表与远程服务器，进行实时监控[1]。环境采集装置主要对车辆环境进行采集，它可分布在车箱内不同位置。图1为环境监控系统组成框图。

图1 环境监控系统组成框图

环境监控集中装置主要由电源模块、处理器模块、CAN模块、485模块、4G模块以及433M通讯模块组成。其中电源模块采用车辆24V供电，并经过EMI滤波，增强自身抗干扰性以及对外界的辐射。处理器模块采用基于M3内核的STM32F103，主频可达72M，可胜任相关数据的处理及数据的通讯发送。

环境采集装置主要由电源模块、处理器模块、温湿度采集模块、PM2.5采集模块、烟雾采集模块以及433M通讯模块组成[2]。

2 环境监控系统硬件设计

环境监控系统将主要对其电源电路、433M通讯电路、处理器电路以及传感器采集电路进行阐述，而常规的CAN通讯、4G通讯、RS485通讯、串口通讯不再详细描述。

2.1 电源电路

公交车辆一般提供24V供电，将车辆24V供电经过EMI电路滤波，再通过金升阳的电源模块直接降为3.3V供给相关模块进行使用，其电路原理图见图2。图中VR2、VR3为压敏电阻，可有效防止车辆电源通断产生的的浪涌电压，降低设备损坏的风险。LP1为共模电感，可有效减少车辆电源的共模电感与差模电感。同时与X电容C15、C14，Y电容C12与C18形成LC滤波器，降低电磁干扰的风险。图中二极管D3可防止设备由于电源反接导致的人为接线损坏。PTC1为自恢复保险丝，可防止由于元器件损坏而导致短路过流等故障的发生。

图2 EMI滤波电路

24V转3.3V电路如图3所示，采用金升阳的电源模块，可将车载电压直接降为可供其它电路芯片使用的3.3V。

图3 24V转3.3V电路

2.2 433M无线通讯电路

433M电路主要实现环境监控集中装置与环境采集装置之间进行无线传输数据的功能。433M通讯芯片采用TI的CC1101，电路图见图4。CC1101具有高稳定性，绕射及穿墙能力优秀，集无线收发于一体等优点。

图4 CC1101电路图

CC1101通过SPI接口与主控芯片进行通讯，对其内部寄存器稍加修改，便可实现设备之间的互相通讯。CC1101在满发射功率情况下，空旷地带可传输500～800m，传输距离完全满足车辆内环境监控的需求。

2.3 处理器电路

环境监控集中装置采用主控芯片为STM32F103C8T6，它是基于M3内核32位处理器，它具备SPI接口、CAN接口以及USART接口，可完全满足多种通讯方式设备的需求。

环境采集装置实现的功能较为简单，因此该装置主控芯片选型为东软载波ES7P1391单片机。此款芯片供电电压为2.3～5.5V，在低功耗模式下，工作电流为6μA。因此环境采集装置当只采集温湿度时，电源可采用2节干电池直接供电，安装空间将不再受电源的制约。同时它内部具有16M RC振荡时钟源，无需外部时钟，大大简化了电路。

2.4 环境采集装置传感器电路

环境采集装置传感器主要分为温湿度传感器、PM2.5传感器、烟雾传感器。温湿度传感型号为GXHT30，它是中科银河研发的一体化传感器，封装大小只有（2.5×2.5）mm，通过I2C便可读取其温湿度的值，见图5。

图5 温湿度传感器电路图

烟雾传感器为集成传感器，它采用多层厚膜制造工艺，在传感器表面的陶瓷基片上分别放有加热装置与金属半导体气敏传感器。当空气中的气体浓度增大时，传感器的电导率也随之增大，更改不同金属气敏传感器，就可感知不同属性的烟雾浓度，例如二氧化锡就可对可燃气体进行检测[3]。当烟雾浓度超过集成烟雾传感器的安全阀值时，便会输出高电平，其检测电路如图6所示。该电路为光耦隔离输入电路，当烟雾传感器报警时，DI1输入高电平，光耦导通，则Di_inp1为低电平，主控芯片检测到该脚为低电平时，说明烟雾报警器报警。同时亦可通过主控芯片ADC检测传感器具体数值。

图6 烟雾传感器输入口采集电路图

PM2.5传感器与烟雾传感器同为一体化模块传感器，此处不再描述。

3 环境监控系统软件设计

3.1 环境监控集中装置软件设计

环境监控集中装置主要通过无线芯片CC1101集中温湿度、烟雾等传感器的数据，进行滤波处理，并通过各种通讯方式，传输至各个平台。包括车辆仪表、车辆显示屏装置、远端服务器，可实时显示车内环境、并对车内危险环境进行报警。车内环境报警可以对车内可燃气体进行报警、也可对车内环境进行综合判断报警，例如当温度传感器达到一定温度且烟雾传感器同时报警时，则进行紧急报警。软件流程图见图7，RS485主要跟车内显示屏进行通讯。

图7 环境监控集中装置软件流程图

3.2 环境采集装置软件设计

环境监控采集装置主要通过I2C采集车箱内温湿度、输入口与ADC采集烟雾传感器值、串口采集PM2.5值。对采集的数据进行滤波处理，并通过CC1101传输至环境监控集中装置。软件流程图见图8。

图8 环境监控采集装置软件流程图

3.3 通讯协议设计

公交环境监控系统通讯协议主要包括集中装置与采集装置之间的433M通讯协议、集中装置与远端服务器的TCP协议、集中装置与车辆仪表的CAN通讯协议、集中装置与车辆显示屏幕的RS485协议。其中CAN通讯协议参考J1939标准协议，RS485协议采用ModbusRTU协议，此处不再详细描述。

3.3.1 集中装置与采集装置协议

集中装置与采集装置通讯协议主要为环境监控集中装置与环境采集装置之间的通讯协议，方便快速、安全、准确的传输相应数据。其传感器数据上报通讯协议见表1。

表1 环境采集装置传感器数据上报协议

帧头为固定码0XAB，此码为识别一帧数据的起始。功能码0X01为传感器上报数据，无需应答。ID为区分车辆中不同位置的环境采集装置，环境监控集中装置ID为0X01，环境采集装置可按顺序进行设置，但要确保环境监控系统ID的唯一性。数据长度为温度、湿度、烟雾传感器、PM2.5传感器数据长度，每种传感器数据占2个字节。Data为具体数据值。校验为帧头、功能码、ID、数据累加和的低八位。上报协议的传输频率为1s一帧数据，若环境监控集中装置计算的校验与接收校验不同时，舍弃数据。对功能码为0X01数据，环境监控集中装置不进行应答处理。

功能码为0X02时，说明上传为紧急传感器数据，当传感器数据出现报警时，立刻上传数据，传输格式按照表1进行上传。当环境监控集中装置收到紧急数据时，需对其进行应答，应答功能码为0X03。若环境采集装置无法接收到应答，将建立重发机制，重新发送紧急数据。环境监控采集装置发送紧急传感器数据软件流程图见图9。

图9 环境监控采集装置软件紧急数据发送流程图

环境监控集中装置可根据功能码为0X01的帧数据判断环境采集装置是否在线，采集数据每秒上传一次，可视为各个采集设备的心跳。若集中装置在5S内未收到某一采集设备的上传数据，则认为通讯异常，环境监控集中装置将在服务器端报出采集设备离线故障。

3.3.2 集中装置与远程服务端协议

环境监控集中装置与远程服务器之间使用基于IP协议的数据网络，在传输层使用TCP协议。环境监控集中装置对公交系统的远程服务器建立TCP连接，建立相应连接后保持连接状态，并定时向服务器端发送心跳，以便告知其连接状态。

为了简便协议，其心跳即为环境监控集中装置30s一次的传感器数据，若在2min内无法收到数据，则认为该车辆的环境监控系统离线。其协议帧见表2。

表2 集中装置与远程服务端协议

协议主要由帧头与数据两部分组成，帧头主要对设备进行描述，数据为车内环境数据。帧头中功能码0X01为集中装置采集的传感器数据，同时也为其心跳数据；功能码0X02为服务器对采集装置发送的数据进行应答，采集装置若长时间接收不到应答数据，将对4G模块进行复位后重新发送；0X03为公交车载环境系统故障信息上传，0X04为服务器故障应答数据。长度为一帧数据的总字节长度。ID 8个字节中1与2字节表示城市所在地，3与4字节表示公交线路，5与6字节表示车辆编号，7与8字节表示环境监控集中装置编号。通过上述协议来确保环境监控集中装置的唯一性。

4 环境监控系统测试与分析

环境监控系统在封闭房间内模拟车辆环境，并进行了相关测试，在房间内布置多款以干电池供电或车载供电的环境采集装置。干电池供电只采集温湿度，车载供电的采集装置可采集不同传感器数据。环境监控集中装置通过433M无线通讯可成功接收采集装置数据，并进行相应处理，将车内环境数据通过CAN通讯反馈至车辆仪表、通过RS485通讯反馈至车辆屏幕以及通过4G通讯反馈至远程服务器。该系统可以准确可靠的读取车内环境，包括温湿度、PM2.5以及气体成分，并进行相应的提示报警。

功能测试内容包括：多设备无线通讯功能试验、温度采集试验、湿度采集试验、可燃气体采集试验、PM2.5采集试验、服务器通讯测试等。同时对部分传感器数据与计量后的传感器数据进行比对，并进行了相关采集数据的校正处理。

在功能测试的基础上，对公交车载环境监控系统按照相应的标准进行了EMC试验与相关环境试验的验证。试验证明，本文设计的公交车载环境监控系统达到了预期的效果，满足设计的相关要求。

5 结束语

本文设计的公交车载环境监控系统可实时监控车内环境，并对车内环境进行多重方式的上报显示报警，可有效监测车内环境，提高乘客乘坐舒适度与安全性。