基于北斗导航的校车监控系统的设计.docx

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基于北斗导航的校车监控系统的设计

学号1410*******

毕业设计（论文）

题目:

基于北斗导航的校车监控系统的设计

作者刘洪波届别2014

院别信息与通信工程学院专业电子信息工程

指导教师袁帅职称讲师

完成时间2014年5月10日

摘要

近年来，我国发生了多起校车交通事故，给社会带来了不良的影响。

为了防止这类悲剧的发生，设计了基于北斗导航的校车监控系统的设计，该系统可以识别校车司机身份、检测校车内的人数和校车的速度，对车内空气质量检测、北斗卫星定位。

以STM32F4为控制核心的下位机一旦检测到校车运行异常，将进行语音报警提醒并将信息通过GPRS模块发送给后台校车监控中心，在上位机Labview平台上实时显示校车运行状况和监控，从而有效的避免了财产损失和人员伤亡。

关键词：

校车；GPRS；监控；北斗

Abstract

Inrecentyears,therewerenumeroustrafficaccidentsrelatingwithschoolbuswhichhasbeenadverselyeffectsonsociety.Inordertopreventsuchtragediesfromoccurring,weputforwardakindofschoolbusmonitoringsystembasedonbeidounavigationsystemwhichhasdriveridentifyrecognition,peoplecounting,speeddetection,airqualitymonitoringandtheCOMPASSposition.Oncedetectingtheschoolbusworksabnormal,theslavecomputerthatregardsSTM32F4asitscontrollerwillconductsvoicealarmtoremindthedriverandsendtheinformationtotheschoolbusmonitoringcenterthrougtheGPRSmodule.Onthelabviewplatformofthemastercomputer,itcanachievesthereal-timedisplayofthepresentrunningsituationoftheschoolbusandmonitoringit.Thus,thepropertyandcasualtiesoftheschoolbuscanbeaviodedeffectively.

Keywords:

Theschoolbus;GPRS;Monitoring;beidou

第一章绪论

1.1课题研究背景

2011年11月16日，甘肃省一台载有学生的车子在榆林子镇发生车祸，导致64人伤亡。

2011年12月12日，江苏洪某因操作不当，导致载有首羡镇中心小学学生的苏CR1836号大型客车翻倒在西边水沟里，结果使得乘坐在车内23人死伤。

2012年12月24日，江西省一辆接送幼儿园学生的校车侧翻进水塘。

当场造成石童家村3名学生不幸去世，另有8名儿童经抢救无效死亡。

近些年，校车事故发生频繁，究其原因有几下几点：

1,校车司机在驾驶车辆的过程中存在不当行为。

比如超载，超速违规行为，为了赶时间，不按规定的路线行驶，抄不安全的近道，小道行驶。

同时，有时候校车司机不在，学校临时把校车安排给没开校车经验的人开，增加了风险。

2，原先有关校车安全驾驶的法律法规不完善，没有把相关的责任具体下去，使得校车安全问题没有有效的监管起来，存在不安全的车辆充当校车使用和校车司机没有专业驾驶校车的知识等问题。

不过在2012年国务院针对校车安全问题，专门颁布了相关的法律来约束校车安全的驾驶。

3，校车安全监管难。

尽管相关的法律已经颁布，当要想真正的把校车安全监管起来，需要大量的人力和物力，在现实生活中实施起来比较困难，

从而导致了校车监管存在不到位的现象。

校车交通事故的发生，给学生们的生活带来了严重影响了，也给家长带来无法弥没的精神痛苦，给学校和社会造成了许多直接和间接的不好的影响影响。

长期以来校车超载超载成为了一个难题，以及驾驶员违章驾驶，超速行驶，尽管校车规范早已颁发，但由于很大的人力物力来监管，导致执行十分的困难，有很多漏洞存在。

因此，寻找一种有效，便捷的监控系统是当务之急。

1.2国内外研究现状

在国外：

日本一名藤井幸二的大学教授主要致力于无线传输。

目前致力于基于无线传输的校车技术研究，以便检测校车在道路上出现意想不到的情况。

位于美国的堪萨斯区域有147套无线装置安装应用于校车上面，每辆校车配备无线电按钮标签，司机和技工还配备了一个便携的射频读写器。

司机也可以通过读写器把问题直接输入，在紧急情况下能及时像指挥中心或其他车辆求帮助。

在国内：

针对校车的安全状况，各公司提出了自己的校车监控方案，例如：

无锡华夏数智信息技术有限公司主要采用的是车载视频监控，通过在车上安装车载硬盘录像机，北京保全安防科技有限公司则基于3G无线高速传感技术，结合GPS导航设计。

然而，在设计关于如何安全预警，如何合理的利用监控人员，不至于造成某些人员无事可干的现象，又防止事故发生时无人监控的现象等等方面还尚有不足，另外由于我国处于发展阶段，资金问题也是一个考虑的问题，本系统则是对以上情况设计的。

1.3本文的主要工作

STM32F4核心平台各功能模块能正常运行；对一些突发事件，如超速、空气质量、超载等情况能实时做出处理；Labview平台设计的系统能实时接收数据并处理数据，在地图上能显示校车的正确位置，且有不同的显示比例，能够更加精准的得到校车的位置，便于管理员监控管理。

本文基于北斗导航的校车监控系统的设计。

论文的主要研究内容与结构安排如下：

第1章，介绍了课题的研究背景和国内外研究现状。

第2章，系统方案设计。

第3章，系统设计与实现。

第4章，系统测试。

第5章，总结和展望。

第二章系统方案设计

2.1系统总体方案

本设计系统以STM32F4为控制核心，综合考虑了STM32F4的性能、系统成本及实际使用等方面的因素。

同时考虑操作简单、方便，设计了基于北斗导航的校车监控系统。

该系统由：

核心器件STM32F4、密码按键、液晶、GSM短息接发模块、GPS导航模块，测温湿度模块，测翻撞模块，后台监控系统等组成。

系统可分为上位机跟下位机。

系统总体结构如图2.1所示。

图2.1系统总体结构

下位机总体结构如图2.2所示。

图2.2下位机总体结构

上位机总体结构如图2.3所示。

图2.3上位机总体结构

2.2系统功能介绍

以STM32F4为核心，通过密码验证模块，判断驾驶员是否是这辆车的司机；若驾驶人资格检测未通过而开启了汽车，GPRS模块将发送短信给相关部门报告其位置。

以北斗模块为核心进行测速，设计超速语音报警系统。

通过3轴线性加速器了解校车不同方位的加速度，以实现对校车是否翻车进行监控等功能。

通过温度及空气质量传感器，感应车内的温度及空气质量，通过红外对管模块实现人数检测，进而了解是否超载，另外，当发生超速、超载、翻车等事件时，系统将通过GPRS模块，通过GPRS传输的形式向后台发送校车当前坐标、速度和人数等信息；后台得到GPRS模块传来的数据后，可自动显示出校车的位置，并对校车内的情况做出相关报告，从而实现管理与监控。

2.3主控芯片介绍

本系统主控芯片为STM32F4。

该芯片程序零延迟是由于先进的技术，使工作效率大大提高，从而充分发挥了cortext-m4性能。

同时它和STM32F2系列产品兼容，方便用户扩展兼容性或升级意法半导体的产品，并保持硬件兼容性。

具备了新的DSP和FPU指令，高达168MHZ的性能将数字信号控制器的应用与产品的快速开发提升到了一个新的台阶。

加强控制代码执行速度和算法的效率。

采用先进技术和自适应实时加速器，从而能够并行处理程序执行与数据传输,而数据传输速度可以达到-90nm工艺，使用ST的ART加速器使得其性能大幅提高，FLASH存储器存储能力达到1MB，硬件处理器定时器最大频率可达168MHz，拥有随机数发生器高达32位和32位RTC拥有日历功能，工作电压最低可达1.8V，最高电压可达3.6V，SPI速度可达10.5Mbits/s，高效的执行速率为本系统的实时性提供了保障，也正因为此原因我们选择了它。

其最小系统如图2.4所示：

图2.4STM32最小系统图

第三章系统设计与实现

3.1硬件电路设计

3.1.1密码按键模块

司机必须输入密码才能使用校车，开车前得在液晶随机显示出10个按键上输入密码，当连续3次输入错误密码，就只有管理员才能开启。

当处理器判断密码正确，然后通过继电器打开电磁锁，从而达到校车锁的目的。

其原理如图3.1所示。

图3.1密码按键模块示意图

3.1.2人数检测模块

采用红外对管来实现人数检测，当红外发射管发射红外线照射红外接收管时，红外接收管的电阻比无红线外线照射的时候小，与其串联的的电阻所分的电压就会变大，在接收管的内部集成了一个电压比较器与其相连，这样再通过与一个基准电压比较，电压比较器输出高电平，反之则输出低电平。

将这个外部电平信号送入CPU处理，最后在tft9320的液晶上可以看到当前的人数。

人数检测原理图如下图3.2所示，在校车门边安装两个红外对射管，通过红外对射管检测到的顺序不同来确定上下车。

图3.2人数检测

3.1.3温湿度检测模块

DHT11是种采用数字信号输出方式的，且已经校对好的的温湿度复合型数字温湿度传感器。

其拥有高可靠性和长时间稳定性得益于其专门技术。

该传感器由一个电阻传感器，湿度传感器和一个温度测量元件，并连接到一个8位的CPU，高性能。

。

从而该产品拥有优良的品质，超快速响应，高性价比和强大的抗干扰能力。

DHT11传感器在极其精准的湿度校准实验室校对好。

校准系数存储在OTP存储器中，当检测信号处理时，在传感器内部要调用校准系数来处理。

芯片采用串行单线接口，从而使得系统变得简单，快捷。

同时具备体积小、功耗低、传输信号距离可达20米的特点，进而应用的十分广泛。

其原理图如图3.3所示：

图3.3DHT11原理图

其时序图如图3.4所示：

图3.4DHT11时序图

3.1.4北斗模块

系统使用的是北京时代科技有限公司，卫星信号处理芯片mxtos2-200。

该芯片有两种接收方式一种是GPS,另一种是BD-2。

通过该芯片可以读出高精度的三维位置,速度,时间,原始数据和其他信息。

故通过北斗芯片来测量校车的当前速度和三维位置。

其原理图如图3.5所示。

该芯片的一些参数如下：

定位精度<5m

高程精度<10m

速度精确度<0.05m/s

高程精度<0.1m/s

捕捉灵敏度<-145dBmW

平均冷启动时间<34s

热启动时间<6s

温启动时间<20s

重捕获时间<1s

图3.5北斗模块原理图

3.1.5语音模块

语音芯片采用ISD1720。

芯片系统的内部由自动增益控制，振荡器，扬声器驱动电路，麦克风放大器，内存等组成。

它具有的特点如下：

最大工作电压可达到6V，最低工作电压为2.4V，低至0.5-1µA的静态电流，可实现十万次的录制和播放，最大不供电仍可保存内容的时间为一百年；控制模式和音频输出模式为两种；可以使用不超过255个信息处理；所有的丰富的工作状态，不同的采样频率对应于不同的播放时间；；具有宽电压工作范围和应用起来方便的特点，用户可以从对冲击的芯片电阻的采样频率使用，并且播放时在芯片上。

芯片的录放时间由芯片的采样频率决定，而采样频率由震荡电阻决定。

下面是语音芯片ISD1720的原理图。

图3.6ISD1700语音芯片的原理图

3.1.6GPRS模块

我们使用的GPRS模块的芯片是GTM900b，其为国产华为的GPRS模块，功能类似SIM300，但比SIM300便宜，功能又比TC35I多了GPRS。

使用GPRS模块可以实现发送中英文信息，打电话接电话，发送接收GPRS数据。

其最大供电供电电压为4.8V，最小供电供电电压为3.3V，建议使用3.8V供电。

同时它是双频工作的，发射功率最大可以达到2W，工作温度最高可达到70°C，最低可以达到-20°C。

图3.7GPRS模块

3.1.7运动传感器

系统使用的运动传感器为LIS302，它是一个具备体积小，功耗低的特点。

它包括一个传感元件和一个IC接口，可以通过I2C/SPI串行接口进行测量，以提供加速到外部。

stm32f4利用SPI端口控制运动传感器。

以下为其设计原理图。

图3.8LIS302DL原理图

以下是其两种读取时序图，本系统选用的是第二种时序图。

图3.9LIS302DL时序图

3.2软件系统设计

3.2.1上位机设计

所谓虚拟仪器是由于其能够完成现实生活中的物理器件的功能，其作用跟生活中的示波器和万用表等仪器类似。

LabVIEW它有一组完整的，可用于收集，分析，显示和保存数据，并解决了用户在写作时可能出现的代码问题的过程的工具。

包括输入控制旋钮、按钮、旋转输入装置、图形显示控制装置、光输出的显示单元。

本次我们以Labview2010为开发环境，具有其中主要采用了该集成环境VISA接口功能，VISA可用来对USB、GPIB、串口、VXI、PXI和以太网系统进行配置、编程和调试。

设计中我们主要应用了对串口的通信功能，通过串口可以与通信模块GTM900通信，得到数据后分析数据，进而可以了解到校车的状态。

以下为我们设计的上位机。

图3.10上位机Labview操作平台

3.2.2下位机设计

下位机开发环境是4.53版本的KeiluVision4，其使用起来十分的灵活，同时网上有很多的相关资料可供参考，可以方便使用者更好的开发程序，节约了时间，提高了效率。

因本次使用的是主控芯片是STM32F407VG，而4.53版本以下的集成环境不支持该芯片，故我们采用的是4.53版本开发环境。

下位机设计总框图如下图3.11所示。

图3.11下位机设计总框图

第四章系统测试

4.1系统使用说明

4.1.1下位机操作

第1步：

打开工程，点击红圈对应的选项。

图4.1下位机操作

第2步：

打开Debug项得到。

图4.2Debug选项

第3步：

设置成上图状态，单击红色圆圈所指settings得到下面窗口，单击OK。

图4.3设置Debug

第4步：

再进入（Utilities）,如图4.4所示，单击settings，设置如图4.4所示，单击OK。

图4.4下载设置

第5步：

连接jlink仿真器，单击下载完成。

4.1.2上位机操作

第1步：

打开上位机软件labview2010，PC机通过usb转串口连接，启动系统，可看到如下图4.5。

图4.5系统启动界面

第2步：

设置串口（在上图篮圈中设置），串口观察通过进入设备管理器，连接好后可以在红圈内看到串口是什么。

如图可看到com1，com2，LEPT1口被使用。

图4.6设置串口

第3步：

再回到系统界面，单击红圈指示的按键运行系统，可以运行程序。

图4.7系统运行

4.2系统测试结果与分析

首先我们开始连接电源，上位机GPRS通过USB转串口与电脑相连，上位机设置好相应的com口，下面就可以开始测试各项指标：

a．密码按键测试，使用的是tft9320的液晶，上电后您可以看到液晶上可以显示出随机按键，这时你可以通过输入13开启系统，也可以通过F1改变模式进入更改密码状态，另外还可以输入3次错误后来测试是否具有报警功能锁定的功能。

图4.8密码按键图

b．北斗定位显示测试，使用的是mxtos200为主芯片，上电之后，等待1~2分钟之后就可以看到数据地图数据改变，可以看到定位相当的精准，误差在5米以内。

在上位机上可以看到首先显示的是湖南理工学院，可以实时看到校车内的情况。

图4.9上位机监控图

c．温湿度检测，我们采用的是数字温湿度传感器，在进入系统后可以看到数据在液晶屏的右边中间位置可以显示当前的温度，当你把手放到该模块上是就可以看到湿度跟温度的改变。

d．翻车检测，可以通过翻转车辆的方式进行测试，当把模型车侧翻的时候，首先我们会听到报警声，最后就会发送报警信息汇报当前校车的状态。

e．人数检测，我们采用的是红外对管的方式来实现的，在模型车门处，通过物体遮挡的形式实现了人数检查。

通过分析以上测试结果，我们可以知道，本系统已经达到了老师所给题目的要求，各个模块能够正常工作，实现了校车监控功能。

下图4.10是测试时的系统实物图。

图4.10系统实物图

第五章总结和展望

本论文介绍了一种校车监控系统，充分利用了北斗定位，完成了对校车监控的任务。

本设计是采用现在STM32F4为核心微处理器的校车监控系统设计旨在实现校车安全管理，以推动校车交通安全。

在设计中，我遇到了不少问题，如在人数检测模块的设计中，在其方案选择上考虑过用压力传感器来检测人数，但是该器件太小，容易引入误差，也考虑过通过每个学生携带不同的二维码，通过二维码检测机器识别出学生，进而统计学生，这样人数检测出来的结果会更加准确，但考虑到没有足够的时间，最终放弃了这个方案选择了本文中红外对管检测人数的方法，在其他硬件模块的设计上也构想了很多的方案，力求更好的实现设计的要求，最后我选择了上述的方案设计。

本次毕业设计使我感到了很多，让我学会了使用很多东西，除了课本知识以外，增长了很多的见识，同时也开阔了我的视野，为我去工作奠定了基础。

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致谢

大学就这样要结束了，毕业设计是我的最后的一份答卷，在袁老师的悉心的指导下，我的毕业设计终于完成了，在这个过程中免不了遇到了一些困难，在室友、七个葫芦娃同学和老师指导下，困难一个个解决了，在这十分感谢那些帮助过我的同学和老师，同时感谢我的班主任黄老师和所有教过我的任课老师，是他们在大学期间教会了我很多东西，有些东西是在课本上学不到的，让我在具备了基本的电子技能，在此谢谢大家，陪伴我度过了美好的大学四年。