1、3.2 软件系统设计103.2.1 上位机设计103.2.2 下位机设计11第四章 系统测试124.1 系统使用说明124.1.1 下位机操作124.1.2 上位机操作134.2 系统测试结果与分析14第五章总结和展望17参考文献18致谢19III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
2、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
3、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
4、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：19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
5、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
6、。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 S
7、TM32F4 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
8、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 168 MHZ 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
9、性能大幅提高，.4 所示：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图 2.4 STM32 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
10、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。3.1.2 人数检测模块图 3.1 密码按键模块示意图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。r1 1
11、00c5 100ur4 27kP2jieshouguan1P3VCC3.3Header2r8 100C10Cap 0.1uFc9 100ur9 27kP4123jieshouguan2C6VCCU1P1uF40pFVCC3.3C122uFGNDR3 270LM1117MP-3.3VCCD1 LEout R6 4.7kQ1 2N3904Res1R219K1KC7GND 103U246RSTC4Cap8100pFGND5THR2CVOLTDISCTRIG1GND 7 R5 Res1 8KR7 270C8 102 OUT 3 outNE555ND2 LEGNDOUTTABINC2GNCD310uF
12、0.110D0outR10Q24.7k2N3904GND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、
13、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：其时序图如图 3.4 所示：图 3.3 DHT11 原理图图 3.4 DHT11 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 0.1
14、m/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*1 2415sam口口PCB Rule i*23.3V 1PPS30292827262524232221201817166791112131415*ams1117V3.3*45V 10*5 GND 22MXTOS2-200GND 3.3V P33.1.5 语音模块图 3.5 北斗模块原理图语音芯片采用 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 6
15、V，最低工作电压为 2.4 V，低至 0.5 - 1 A 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。D2Diode1N5402vccd vccavccpVCCR1Res2 100KC1CapPol1 1uFC2Cap 0.01
16、uFD1Res2vccd1U1FinLD 28vssdS1C3Cap1K 2P3 3GND VCCOsci27Osco26R3Res2VCCP2C4GND1GNDSW-SPST0.01uF4 RA05 RA16 RA27 QrA4251KA324A023A222CapPol1100pFHeader4R5Res2 1KC9CapPol1 100pFR6P5R7C14 mic+Cap 100pFC15 mic-mic+ mic- vssa8QvMC A5A1 21vccaN920N8 19C6R4Header5C8vssavccdC5vssdvccavssp211 N012 N113 N214 N
17、3MC145152N718N6 17 N5 16vssp1N4151KC7C12C13C11CapPol1Capvssp1100pF100pFGND17.1.2 GPRS 模块图 3.6 ISD1700 语音芯片的原理图我们使用的 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
18、达到 2W，工作温度最高可达到70C，最低可以达到-20C。图 3.7GPRS 模块7.1.3 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 3.9 LIS302DL 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
19、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。3.2.2 下位机设计图 3.10 上位机 Labvi
20、ew 操作平台下位机开发环境是 4.53 版本的 Keil uVision4，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 4.2 Debug 选项第 3 步：设置
21、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 US
