基于FPGA的智能车内安全监测系统

王泓淇， 陈守满， 文雅宏， 周超凡， 宋佳豪

(安康学院，电子与信息工程学院，陕西，安康 725000)

0 引言

伴随着智慧城市的快速发展，大型客车等工具已经成为重要的交通工具[1]。截至2020年9月，全国机动车保有量达3.65亿辆，汽车2.75亿辆，机动车驾驶人4.5亿人，汽车驾驶人4.1亿人，中国已经成为名副其实的汽车大国[2]。汽车数量的快速增长使得环境安全监测成为必要。与此同时，随着我国汽车行业迅猛发展，道路交通事故造成的人员伤亡和财产损失也在增加[3-4]。2016年，我国道路交通事故死亡人数为63 093人，10万人死亡率为18.2%，远超过重要发达国家，达到其数倍。因此，客车所带来的各种安全隐患成为全民关注的焦点。客车内部也存在较多安全隐患。例如：车内温度过高、车内是否留有人员、车内酒精浓度过高、车内明火检测等[5-7]。

基于上述原因，本文提出一种智能环境监测系统，它利用FPGA(field programmable gate array)并行处理的特点，实现对客车内部环境的监测。该系统将会为客车安全问题提供很强的实用价值和现实意义。

1 车内智能环境监测系统总体方案

基于以FPGA为核心的智能车内环境监测系统的基本要求，采用FPGA设计中自顶向下的设计思想，将该系统大致分为四大模块：信息采集模块、信息处理模块、信息传输模块、终端显示模块。其中，信息采集模块主要采集车内的温湿度、CO2浓度、酒精浓度以及车内人数，获取对应的环境信息，经过A/D信息处理模块后，将数据送入系统控制中心FPGA。FPGA通过数据总线IIC(inter-integrated circuit)向各个环境传感器发出指令，控制其对环境信息进行监测，最终监测结果分别在OLED屏幕上显示和通过GPRS传输模块进入手机终端显示，并对超出预设值的信息进行报警，实现对各个状态下汽车安全问题的预测性。总体的框图如图1所示。

图1 车内安全监测系统框图

2 系统硬件模块设计

2.1 信息处理模块

2.1.1 中心处理单元FPGA

FPGA是在PAL、GAL等可编程器件基础上进一步发展的产物，它不仅解决了定制电路的缺点，而且克服了原有可编程器件有限的门电路数缺点[8]。本设计使用的是EP4CE6E22C8N芯片，其基本结构由6部分组成，分别是可编程I/O单元、基本可编程逻辑单元、嵌入式块RAM、丰富的布线资源、底层嵌入功能单元和嵌入式专用硬核。基本结构如图2所示。

图2 FPGA基本结构

2.1.2 A/D转换模块

由于各传感器通过内部电路的电压值变化来采集环境信息，系统需将得到的电压信息(模拟量)转换为数字量，再通过GPRS通信模组将信息发送至手机终端显示。采用型号为PCF8591的芯片作为模数转换模块，具有4个模拟输入、1个模拟输出和1个串行IIC总线接口。其中，A0、A1和A2地址引脚用于硬件地址编程，PCF8591上的输入输出地址、控制和数据信号都可以使用双向IIC总线进行传输。PCF8591原理图如图3所示。

图3 PCF8591原理图

2.2 信息采集模块

2.2.1 酒精采集模块

TGS-822传感器与常规的MQ-3系列传感器相比，其突出特点：对乙醇等有机溶剂有着极高的灵敏度，其在复杂气体的环境中对与酒精检测敏感，有着非常广泛的使用以及优势[9]。

TGS-822采用串口与FPGA进行通信，系统上电后，FPGA通过串口向TGS-822模块发送AT指令驱动其进入工作状态，完成对环境中的酒精浓度检测。本次设计所需要的AT指令集如表1所示。

表1 AT指令说明

2.2.2 温湿度检测模块

所采用的温度传感器是DS18B20，即与FPGA接口仅需占用1个I/O端口，无须任何外部元件。其内部结构主要由8个部分组成：64位ROM和单线接口、存储器和控制逻辑、高速缓冲器、温度传感器、配置寄存器、高温触发器TH、低温触发器TL、8位CRC生成器。温度范围为-55～+125 ℃，精度为±0.5 ℃。它的工作电压范围为3.0～5.5 V，采用多种封装形式，使系统设计灵活、方便，设置的分辨率和用户设置的报警温度存储在EEPROM中，断电后仍然保存[10-11]。其内部结构如图4所示。

图4 DS18B20内部结构

湿度采集采用DHT11数字温湿度传感器，它是一种具有校准数字信号输出的温湿度复合传感器。

该传感器由电阻式感湿元件、负温度系数热敏电阻器(NTC)和高性能8位MCU组成。DHT11与DS18B20一样采用单总线结构，通过IIC协议与FPGA通信，将数据上传至FPGA。其内部原理图如图5所示。

图5 DHT11内部原理图

2.2.3 CO2采集模块

车内环境经常以CO2含量作为空气质量好坏的评判。采用GY-SGP30气体传感器，SGP30是一种单个芯片上集成多个传感元件的气体传感器，与FPGA采用IIC总线进行通信。其引脚说明如表2所示。

表2 SGP30引脚说明

2.3 信息传输模块

采用GPRS SIM800C芯片连接移动网络进行通信。SIM800C采用串口和FPGA进行通信，系统上电后，需要通过RS232协议将AT指令发送至SIM800C芯片。当SIM800C接收到AT指令后，逐个执行进行服务器网络的连接，帮助整个系统完成数据的显示及发送。SIM800C在本次设计中所用到AT指令集及说明如表3所示[12]。

表3 AT指令说明

2.4 终端显示模块

数据显示采用0.96寸的OLED(7针)屏幕。它的显示技术不同于传统的LCD显示方式，不需要背光，采用极薄有机材料涂层和玻璃基板(或柔性有机基板)。当有电流通过时，这些有机的材料就会发光。OLED显示屏可以做得更轻更薄，视角更大，并且可以显著地节省功耗。

3 车内智能环境监测系统软件设计

3.1 IIC通信设计模块

IIC总线是飞利浦公司开发的一种用于连接微控制器及其外围设备的两线式串行总线。它是由数据线SDA和时钟线SCL组成的串行总线，可以收发数据。高速IIC总线通过CPU与被控IIC之间、IIC与IIC之间进行双向传输，一般可达400 kibit/s以上[12-13]。IIC总线在数据传输过程中使用开始、结束和应答这3种类型信号。

配置IIC总线的目的在于使得FPGA与各个传感器进行通信，以用来控制各个传感器采集环境信息。IIC的配置流程框图如图6所示。

图6 IIC配置流程框图

3.2 服务器及App设计模块

云服务器(ECS, Elastic Computer Serice)是一种简单高效、安全可靠的计算服务，具有灵活的处理能力[14-15]。其管理模式比物理服务器简单高效[15-16]。本设计选择阿里云服务器，其IP地址为116.62.46.237。

App专注于移动应用软件的开发和服务，其具有社交性、本地性、移动性的特点，在多领域范围有着极其广泛的应用[17-18]。App开发流程框图如图7所示。

图7 App开发流程

3.3 车内智能环境监测软件处理设计模块

车内安全监测系统各个模块设计成功后，对各模块进行初始化；初始化成功后，系统中的传感器开始采集环境数据并上传至服务器暂存。如果GPRS接收到有数据发送时，将数据发送至服务器并且显示至手机终端和OLED屏幕。软件处理流程框图如图8所示。

图8 软件处理流程框图

4 车内环境监测系统硬件测试

通过综合编译之后，将工程下载至FPGA开发板进行系统测试，测试结果如图9所示。与此同时，通过服务器可以在手机终端App上显示，便于监测。

图9 车内安全监测硬件测试结果

手机终端App显示如图10所示。

图10 手机终端App显示

由图9可知，系统运行正常，OLED屏可以正常显示所测量车内环境值，分别测量的有二氧化碳(CO2)含量、温度(T)、酒精浓度(Alc)、湿度(H)、区域人数(Number of People)以及网络显示状态(Network State Code)。从图10可以看出，手机终端App可以正常显示车内环境值。

5 总结

本文主要设计了一种以FPGA为核心的车内环境监测系统，利用FPGA并行结构的特点，提高了计算速度。结合物联网和FPGA技术，在OLED和手机终端显示环境监测数据。该系统有较好的实用价值，为车内创造更好的环境和驾车体检提供了较好的保障。