基于物联网的智能监测破窗系统设计

岳聚欣，刘景哲，李春辉，黄浪尘，钟钧丞，肖晨宇

（湖南工业大学 电气与信息工程学院，湖南 株洲 412007）

汽车智能化是汽车领域的重要发展方向，在此发展大背景下，国家也多次出台配套政策标准推动汽车智能化行业发展，尤其是智能化载运工具和关键专用设备的研发对我国汽车智能网联行业的发展起到推动作用。一方面汽车行业转型处在转折关键点——“十四五”规划中提及聚焦智能化汽车等战略性新兴产业及在自动驾驶等产业组织实施未来产业孵化与加速计划等，表明了中央层面对智能化全汽车产业的支持。另一方面，智能网联汽车安全越发受到重视，国家与各级单位的监管加大力度——工业和信息化部、公安部、交通运输部于2021 年7 月联合发布了《智能网联汽车道路测试与示范应用管理规范（试行）》，这代表汽车安全包括数据安全、车辆设备安全和平台安全的闭环体系[1]。

1 系统设计

1.1 系统概述

本系统可应用于现有汽车行业，致力于开发1 套能实时监测车内温度、烟雾及车内外压力失衡等环境因素，经数据处理分析后判断车辆是否发生事故，可实施应急破窗、精准破窗，具有实时定位、远程报警救援等功能于一体的智能装置。该系统能自动检测车辆行驶中遇到的意外事件，并在必要情况下实施破窗，从而实现了破窗智能化，可使人员迅速逃离危险现场，从而降低被困在汽车内无法逃生的死伤人数。

汽车智能破窗装置系统项目是集智能检测与智能破窗系统、智慧云平台、BDS 定位系统、智慧云平台于一体的汽车安全智能化系统，整体方案架构如图1所示。

图1 整体方案架构图

智能汽车破窗装置具体由网络监控，控制模块，触发点火器，气体发生器和车窗玻璃击碎器组成。当汽车着火或溺水时，汽车上的温度与压力传感器能够接收到温度或水压信号，并把其传输到控制单元，控制单元接到信号向云服务器发送数据并与其内存储的设定值比较，一旦达到阈值就会触发点火，气体发生器瞬间产生气体，气体快速进入玻璃击碎器的充气室，极大的气压差将击碎器里的弹头迅速推出，从而实现击碎玻璃的作用。与此同时，由于数据超出阈值，通过对多项数据的算法分析，网络监控发出报警，BDS 根据所上传数据锁定汽车位置，当地交通部门和120 依据数据中心反馈情况即时赶往现场处理，缩短救援时间[2]。

1.2 系统组成

本系统硬件部分采用STM32 芯片、Air800 模块、APDS-9330、ETA6002 充电模块、HT7333 稳压芯片进行搭建；软件部分运用基于互联网技术的智能监控云平台，其主要用于汽车公司对车辆的管理以及数据分析等，包含底层传感器数据采集、数据双向发送、信息接入、框架、组件和模板等一整套的技术支撑，同时结合了大数据、智能化、云存储和融合应用，为解决道路汽车发生车祸、火灾和汽车落水等事故后汽车车门无法打开，不能及时自救及救援难度大的问题，结合物联网、通讯、电子、智能检测和BDS 等技术与传统的物理破窗，致力于开发1 套能实时监测车内温度、烟雾及车内外压力失衡等环境因素，经数据处理分析后判断车辆是否发生事故，可实施应急破窗、精准破窗，具有实时定位、远程报警救援等功能的智能装置[3]。

1.3 系统功能

1.3.1 智能监测功能

监测汽车状况，并能分析汽车行驶是否安全，在发生事故时能及时报警，及时进行破窗，使乘车人可以快速逃生。

1.3.2 实时定位功能

安装无线终端设备，通过该设备的BDS 定位功能、GPRS 无线通信功能，可以对汽车实时定位，防止发生事故无法及时锁定车辆方位进行救援等问题，从而提高客户满意度。

1.3.3 实时反馈功能

本系统具备报警信息发送、设备故障状态的信息反馈功能，使顾客的安全得到充分的保障。

2 硬件模块

STM32 拥有出色的运算与控制能力和丰富的外设资源，其低功耗、高性能，符合本项目中定位通信与监控系统需求，所以本方案选择STM32 作为主控芯片，STM32 主控电路如图2 所示。STM32 主控制器通过定位通信模块Air800 与云平台、用户APP 通信进行数据收发。当STM32 检测到外界环境异常数字传感器APDS-9930 发生动作时，将通过Air800 把数据信息发送至云平台和用户APP。

图2 STM32 主控电路

2.1 通信传输系统

Air800 模块支持GPRS 与BDS 技术，且具有稳定、专业、高效的特点。使用时，仅需将Micro USB 数据线正确连接到开发板，系统便可运行。同时，Air800 还提供了丰富的接口，可用于扩展其他功能的外接设备。另外，Air800 支持AT 指令，可通过AT 指令修改Air800 的配置与功能。实现系统在空闲时处于低功耗模式，延长工作时间，在接收到工作指令时再唤醒[4]。通讯定位模块电路如图3 所示。

图3 通讯定位模块电路

2.2 报警模块

APDS-9930 环境异常传感器与STM32 是通过1个快速（高达400 kHz）的2 线I2C 串行总线相连。与模拟接口相比，APDS-9930 模块的数字输出更不受噪声影响，更适合本项目中的温度、压力、角度与水位检测。液位与角度传感器电路如图4、图5 所示。当检测到车辆行驶数据与预先设计的范围不符时，STM32 控制器立即驱动蜂鸣器进行报警，并将此报警信息通过Air800模块通信发送至云平台和客户端。

图4 液位传感器电路

图5 角度传感器电路

2.3 电源模块

电源部分采用ETA6002 充电模块和HT7333 稳压芯片进行设计，ETA6002 是1 款充电电流可达2.5 A的单节锂电开关型充电。其集成了动态路径管理（无线充电）功能，可以允许系统在没有电池适配器的情况下，仍维持系统正常工作。终端设备硬件部分还预留部分接口，可扩展其他传感器或者监测模块，例如温湿度传感器、压力传感器等，便于满足不同客户的特殊需求。前期已完成终端设备硬件原理图的设计，其功能包含了邮件开启监测模块、邮件即时定位追踪模块，主要利用STM32、Air800、APDS-9930 完成。电源模块如图6 所示。

图6 电源电路

3 软件模块

3.1 数据融合技术

采用数据融合技术实现车辆智能化，因为通过摄像头、雷达和BDS 等采集的数据并不能直接用于对车辆的控制，而是通过数据融合技术将不同的数据类型修改整合，分析后融合为具有真正价值的，可用于智能车辆控制的指令。传感器所采集的数据只是其中一方面，而且不能保证数据的完全正确可使用。因此，需要通过对大量数据的分析比对，自动排除掉偏离正常范围的数据信息。

3.2 监测云平台

利用接近与环境异常传感器APDS-9930，通过对车辆信息的采集与处理，检测车辆行驶中遇到的意外事件，并在必要情况下实施破窗，实现了破窗智能化。

云平台采用华为云软件开发服务构建智能破窗控制平台，结合AI 技术，主要实现通过系统控制软件对汽车驾驶状态数据访问，包括控制指令发送、事故发生报警和精确破窗等。能实现数据读取、事件监控、报警应答和时序调度等操作[5]。

3.3 用户端小程序

本系统软件在Android Studio 环境上使用Kotlin进行开发，共有登录、注册、个人中心和物流消息等界面，实现了用户登录、注册和查找历史物流信息等功能。

本软件采用MVVM 架构，将整个前端页面分成View、Controller（控件）、Modal（数据源），视图上发生变化，通过Controller 将响应传入到Modal，由数据源改变View 上面的数据。本项目软件设计破窗消息界面采用的MVVM 框架，将破窗消息封装在Modal 里面。

3.4 车联网技术

如图7 所示，安装无线终端设备，通过该设备的BDS 定位功能，可以对汽车实时定位，防止发生事故无法及时锁定车辆方位进行救援等问题，从而提高客户满意度。

图7 BDS 定位方案

随着车联网的不断发展，应用范围不断扩大，目前许多车辆已经加装了车载无线通信模块，而5G 将为车联网的应用与发展打开新的空间，使得车辆能支持提供基于意图共享、协同决策的高级别主动安全预警、交通出行效率提升类服务。同时通过5G 与5G 基站的连接，结合北斗卫星导航技术与5G 通信带内定位技术，可弥补北斗在室内及遮挡条件下定位性能的不足，实现各环境定位的全覆盖[6]。

4 结束语

本系统通过对车辆信息的采集与处理，检测车辆行驶中遇到的意外事件，并在必要情况下实施破窗。系统具有稳定、可靠和安全等特点，实现了破窗智能化。能够自动、迅速击破玻璃，有助于人员迅速逃离危险现场。系统不但具有智能破窗、精准定位和实时报警等功能，而且通过数据挖掘，后续可分析事故地点与发生原因，找出易发生事故路段，为以后的道路交通修建提供数字支撑，加快我国道路数字化转型。