基于4G的儿童座椅智能控制器设计

李秋先　杜运德

摘要：本文设计一种基于4G网络的儿童座椅智能控制器，采用低功耗结合多路供电技术适应产品应用场合;利用4G通信技术实现在发生车祸时能够及时将信息主动发送给利害相关人，为救援提供最及时信息。同时也为儿童座椅使用者和生产者提供直接沟通渠道，为厂家精准营销提供平台。产品具有广阔市场需求。

关键词：智能座椅;4G通讯;物联网;精准营销

一、概述

儿童座椅是用于行车时对儿童的保护。有数据统计在有儿童座椅保护的情况下，由于汽车碰撞造成儿童死亡的概率会大大减小，造成儿童死亡的往往是因为儿童没有得到第一时间的救助，延迟的急救时间造成死亡的。当前儿童座椅主要还是纯机械机构，不具有智能化特点。随着物联网技术发展，越来越多设备进入互联时代。智能儿童座椅应运而生。设计一款智能型的儿童座椅，能够将车辆碰撞事故第一时间主动发送给儿童监护人或重要亲人，以获得第一时间的救援，显得非常有必要且也可以低成本的实现。

NB-IoT一经推出就受到了业内的广泛关注，作为未来长距离物联网的发展方向，具有诸多优势，但是其推广受其网络运营商的基站布局的影响，目前还处于推广阶段，网络在国内还并不普及。Lora作为物联网技术平台其功能和NB-IoT没有太明显的优缺点，虽然其在国外已经进入商业化阶段，但对于国内来说还是不普及。相对于前面两种技术平台，4G技术在国内非常成熟，不足的地方主要体现在其低功耗和流量资费没有前面两种有优势，但是其网络非常成熟稳定是商业开发重要条件，同时在本项目中，智能座椅是用于汽车环境，本身就有电源，所以低功耗不是主要问题，由于4G模块公司已经和运营商进行了很好的合作，使得4G的流量费也比较低，用户是可以接受的。综上所述，本项目采用4G作为网络技术平台。

二、智能座椅功能设计

本项目是一款智能儿童安全座椅控制系统，利用传感器检测座椅上是否有人落座、环境 温度及加速度，当检测到高温、电池低电量或过大加速度时，通过 GPRS 向后台报警。主要功能包括加速度检测、环境温度检测、定位检测、座椅落座检测、电池电量检测、支持 9V 6LR61碱性电池、支持12V车载电源、支持 5V USB 电源相互切换。双色状态指示 LED等功能。项目的硬件框图如图1所示。

整个硬件部分分为主控、传感器、电源、通讯等部分。出于对系统运行速度、存储容量、外设接口数量和类型及低功耗等方面的考虑，选用HC32L110C6PA 作为主控制器。

（一）电源设计

采用 3.3V 作为系统电源，内核电源管脚 VCAP 外接 4.7uF 电容滤波。 使用 MCU 内部低速时钟，用以降低成本、减小 PCB 空间和留出外接管脚。本方案支持 12V、5V 和 9V 碱性电池三种供电方式，有一路或多路电源有效时，系统可以正常运行。其中，车载 12V 电源稳定性较差;电池为不可充电类型，最大输 出电流为 200mA;车载 5V 电源稳定性较好，输出电流最小为 500mA。 系统最大工作电流发生在 GPRS 模块和后台通讯时，最大功耗 2W，即电流 500mA@4V 。根据不同电源的特性及系统功耗特性，电路設计实现以下功能：各路电源对系统只能输出，不能输入。单独一路电源供电，须能满足系统功耗要求。只有电池和 12V 电源共存时，系统由 12V 电源供电。当5V电源和其他两种电源共存时，系统由5V电源供电。为实现这些功能，电源输入部分电路做如下设计：在每路电源输入口，串接一个二极管。12V 电源和电池经过二极管后连接在一起，且并联一个 470uF 电解电容，再经 过信号继电器后给系统供电，在信号继电器输出端也并联一个 470uF 电解电容。上述信号继电器默认导通，并由 5V 电源控制其使能管脚。 系统共有三部分耗电电路：MCU 部分、GPRS 模块部分和加速度传感器部分。其中MCU 部分电源电压 3.3V，最大工作电流 4.3mA;GPRS 模块最大工作电流 500mA@4V （瞬间最大 1.5A）;加速度传感器部分电源电压 3.3V，最大工作电流 15uA 左右。为保障 MCU 稳定工作，使用 LDO 输出 3.3V 电源给其供电。GPRS 模块功耗较大，为了提高电源转换效率，使用DCDC 输出4V电源给其供电。根据项目特性，加速 度部分，只有在座椅有人落座时才开始工作，直接由 MCU 的 IO口通过倒灌电流方 式（正极为给 MCU 供电的 3.3V）控制其电源。 由于系统可能由电池单独供电，电路必须做到低功耗。所有外设上下拉电阻或 ADC 检测分压电阻，均使用兆欧姆级的阻值。

（二）通讯设计

从通讯方案成熟度、成本及更重要的基站定位功能需求方面考虑，本方案采用 GPRS 作为无线通讯方式。GPRS 模块和管理平台之间使用较成熟的 TCP 协议连接。 本方案采用基站定位方式获取位置坐标，GPRS 模块使用TCP协议和基站数据库服务器连接。为了方便更换SIM卡，并从成本和电路板空间方面考虑，使用标准的 Micro SIM卡座。 从天线性能的实现难度和安装便利性方面考虑，使用带 cable 线的FPC天线，cable 线和主板通过 I 代射频端子连接。

（三）传感器设计

除了使用 GPRS 模块实现定位功能外，本方案还有加速度传感器、温度传感器、座 椅压力传感器等检测部分。加速度传感器使用 ST 的 LIS3DH，该传感器性能成熟稳定，最大可检测±16g 的加速度。它由 MCU 通过 I2C 设置加速度门限值，当加速度达到该值时，通过中断信号向 MCU 报警。本方案使用 MCU 内部温度传感器方案，实现对环境温度的检测功能。座椅压力传感器用于检测座椅是否有人落座，由于儿童体重较轻，且在座椅上位置不确定，本方案使用 15 触点高灵敏度的薄膜开关检测座椅承受的压力。压力传感器 通过 5557 接口和主板连接。

（四）EMC设计

为了使电路板可以稳定、可靠地工作，在 12V 电源、USB、SIM 卡、压力传感器等 各对外接口信号线上，使用稳压二极管或 TVS 管，以保护和与这些接口连接的各个 器件。

三、系统软件设计

系统软件包含两部分，一部分为嵌入式单片机软件，单片机程序主要完成设备端的传感器信息的检查以及向4G模块发送报警信息。其软件的流程图如图2所示：单片机上电后检测供电来源、座椅压力传感器有没有压力信号、其他座位压力传感器有没有型号、ISOFIX有没有信号、温度传感器有没有信号、加速度传感器有没有信号之后设置为初始休眠状态。当传感器有信号时唤醒单片机，启动正常模式开关并判断其是否有效，如果有效进一步判断ISOFIX有没有松动;否则延时10分钟在判断ISOFIX有没有送动。

本系统通讯单元用的部分函数简介如下：

/*************************************************

** 函數名称： ATcmd_Transmit

** 函数描述： 发送AT指令，并检测返回值

** 输入参数： *AT_str发送数据 *Repl_str期待返回值    等待时间Wait_ms

** 输出参数： false发送失败 true发送成功

*************************************************/

u8 ATcmd_ack（char *AT_str， char *Repl_str， u8 Wait_s）

{

static u8   step=0;

u8 ack=0;

static u8  sec_delay;

switch（step）

{case 0：

strcpy（drv_comm_tx，AT_str）;

strcat（drv_comm_tx，"＼r＼n"）;

if（true==send_nbyte_gprs（drv_comm_tx，strlen（drv_comm_tx）））

{

sec_delay=run_para_sec_cou（）;

step++;

}

break;

case 1：

ack=gprs_ack_Receive（Repl_str）;

if（true==ack）

{

step=0;

return true;

}

else if（ACK_ERROR==ack）

{step=0;

return ACK_ERROR;

}

break;

if（tb_sec_cou（sec_delay）>=Wait_s）

{

step=0;

sec_delay=run_para_sec_cou（）;

return TIMEOUT;

}

return false;

}

项目测试 ：图3为系统的实物图，1为9V电池接口，6为车载12V电源接口，5为USB的5V电源接口，2为4G通讯模块，3为内置天线，4为定制流量卡。将系统装入儿童座椅，通过给定一定压力、加速度和温度物理信息，系统可以将信息准确发送至特定人手机APP中并进行准确定位。完全能够满足实际需求。

四、结束语

本系统是上海阚讯电子科技有限公司为安徽婴童智能有限公司独家开发的儿童智能座椅控制系统。采用4G模块作为通讯手段，重力加速度以及温度传感器为感知实现儿童座椅的智能化，系统满足市场需要，2020年在网络销售平台天猫一经推出，就获得市场认可。产品销售良好。

作者单位：李秋先    杜运德    上海阚讯电子科技有限公司

作者简介：

李秋先（1979-），上海浦东人，从事于智能算法研究。

杜运德（1979-），广东清远人，从事于物联网技术研究。

参  考  文  献

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