基于NB-IOT汽车防窒息紧急预警系统的设计

基于 NB-IOT汽车防窒息紧急预警系统的设计

张献 王弈潼 陈亚龙 张超 胡承忠

泰山学院物理与电子工程学院，山东 泰安 271000

摘要:本系统的WH-LTE-7S1是一款插针式、多频段NB-IoT模块，实现UART转NB-IOT双向透传功能；本文提出以STM32为主控，介绍了该预警系统的工作原理和功能，汽车防窒息紧急预警系统主要面向汽车等领域的日常安全防护而设计，并通过互联网的科学技术手段，达到增强汽车安全性，减少汽车意外伤害发生，保护儿童的目的。

关键词：NB-IOT;物联网;预警系统;

1 引言

夏日天气炎热,私家车带着自己的孩子出门，车内窒息的事件也屡见不鲜。粗心的家长们因为要因临时离开，而把孩子锁在车内，本以为是最安全最省事的方法，可以却造成了孩子的窒息死亡。因此,亟需设计一种安全、可靠、实时性高的车内儿童安全紧急预警系统设计，本项目提供一种将互联网、物联网、无线传输技术有效地在汽车安全上图像传输和智能预警，通过传感器，STM32微处理器，NB-IOT，云平台对数据处理，通过远程监控，发送短信，自动求助，语音等多种途径,实现对汽车室内环境的远程监控和通过紧急预警达到保护儿童，远离意外发生。

2系统电路设计

系统可分为传感器模块单元、电源管理单元、无线传输单元、紧急处理单元及主控中心五部分。每个功能单元相互独立成模块，既便于产品设计组装，也便于后期的产品维护和维修。其中，传感器模块是本自动化控制系统中的执行设备，由声音传感器单元、温度传感器单元、CO传感器单元、人体红外传感器单元、摄像头模块组成，负责检测车内的是否有人，检测有无有害气体、采集环境温度、它实现了对于信息的采集的功能，便于协助系统测算环境安全系数，并做出预警判断，最终紧急处理。

系统内部主要stm32f103为主芯片，通过传感器对车内多种数据参数进行数据采集。我们采用的可以更加高效的处理IOT技术终端设备的路由管理导入感测、数据分析、云端服务等IOT智慧技术，通过stm32进行数据包收发处理。

NB-IOT紧急预警系统整体流程示意图

2.1传感器模块

对目前我们为用户提供选择的传感器模块由声音传感器模块、温度传感器模块、一氧化碳与二氧化碳传感器模块、HC-SR501人体移动感应传感器与红外线监控摄像头模块组成。封闭的驾驶室在太阳暴晒后，室内温度持续升高，经持久高温暴晒后温度可高达60℃以上。无论是主控模块还是传感模块都是全面防高温的，最大程度的保证机械连接处的稳定运行性能。装置为通过声音、温度、一氧化碳浓度、人体红外等数据，可以分析判断出预警装置所检测驾驶室的紧急状况，

2.2电源管理与保护模块

在NB-IoT汽车防窒息紧急预警系统中，有很多对电源质量要求很高的部件，如主控单元内部的AD转换部分、无线传输单元等。电源管理内部模块提供了独立的DC-DC供电电路，有利于简化电源电路，保证电源供应的安全性与稳定性。在实际应用场合下， NB-IOT紧急预警系统的超远程、低消耗的通信能力。由车身供电系统供电。为了防止有些汽车电力系统故障，我们在电源管理单元内部加入了太阳能供电系统，可保证用电设备在停电的情况下正常工作，使的预警装置可实现双向供电方式，为其提供节能，高效率和安全可靠性。

2.3 无线传输通信模块

为了便于用户在紧急的情况下获取每个汽车具体位置，我们同时也为NB-IoT汽车防窒息紧急预警装置加入了卫星定位模块，支持GPS卫星信号。NB-IOT将接收到stm32串口数据，通过UDP协议直接上传给透传云服务器。Cat-1是4G通信LTE网络下用户终端类别的一个标准。Cat-1主要是针对物联网应用的，其下行速率最高可达10Mbps，上行速率最高可达5Mbps的链路速率，不仅支持全频段，可以更低的成本和功耗满足室内传感器信息采集速率的场景需求。

2.4紧急处理模块

将检测到的数据呈现给用户，并有警报、提醒、紧急预警等功能，当驾驶室内检测的相关数据超出预定值，将检测数据传送STM32单片机，将采集数据通过NB-IoT模块传至透传云平台，并对数据进行分析。云平台可以绑定多个手机号用户。透传云平台将NB模块与微信相连接，一旦环境变量出现异常情况，NB模块会将异常信息发送至用户微信、短信或者语音的方式通信家长，引起的注意，可以通过微信小程序进行车内画面实时显示，并也会显示相应的温度，CO浓度等指数。并可通过GPS定位，可通过手机APP端触发报警模式。同时会触发危险报警闪光灯安装于车身外部 ．可用于向路人发出求助信号。

2.5主控与云端模块

预警系统可以通过NB-IOT的方式连接到云端平台，并将所检测到的声音数据、温度数据以、CO有害气体数据并通过人体红外传感器检测车内是否有人以及人体温度。WH-LTE-7S1 是为实现串口设备与网络服务器，基于现有中国电信运营商网络，覆盖广、稳定性高，SIM卡即插即用。通过LTE Cat-1和GPRS网络相互传输数据而开发的产品，支持CoAP、UDP透传。将数据实时上传至云端，平台会通过各个传感器所收集到的数据，做出相应的判断，如果数据超过所设定的值，会做出紧急预警，同时用户也可以通过云端查看数据并实时查看车内情况。

3.设计思路

本文讲述以互联网、物联网、云端平台的防窒息紧急预警系统主要设计思路如下：

1）本系统采用STM32F103增强型系列的ＡＲＭ核３２位微控制,安全性高。汽车防窒息紧急预警系统可通过多种传感器与模块的组成，缩短监测时间IOT技术专门划分的授权频段，因此干扰相对要少很多，信号服务质量更好，安全性更有保障。

2）本系统采用模块化设计，体积小，结构简单，并可 360 度对汽车室内进行数据采集，便于全方位检测车内图像，不留死角为了适应驾驶室的空间，方便用户此装置形状大小合理化设计，并且在有相应功能的同时可用于车内装饰品，给用户带来标准化、系列化的定型产品

3）本系统适应性强，首先由于模块化设计，只要对传感器等零件加以替换便能用于不同的环境，同时我们采用太阳能板可以为NB- IOT预警设备两种供电模式，维护成本低、部署方便等诸多优点，解决了工作时长问题。

4.结语

本文所设计的基于NB-IOT汽车防窒息紧急预警系统。通过传感器进行车内信息进行全方位动态采集，无线传输连接云平台，将汽车内环境数据在线实时监测，解决了因封闭高温、氧气不足、无人抢救而致儿童窒息死亡的问题。本预警报警系统在设计功耗、传输时延、数据采集、实时性、成本等各方面都优于传统安全报警系统。

参考文献：

[1] 姜玉叶. 基于NB-IOT的智能安全报警系统设计[J]《中国电气工程学报》2020年

[2] 盛骁骏,钟文翰,王武康. 基于NB-IOT网络的物联网家具检测技术研究[J] 数字技术与应用 2019年

[3] 杨倩倩. 《基于NB-IOT智能车辆防盗系统的研究和设计》[J]《信息通信》2020年1期