新型車載警衛系統設計

安徽博微長安電子有限公司合肥分公司 魏金久

安徽博微長安電子有限公司 陳賽賽 張 勇

新型車載警衛系統設計

安徽博微長安電子有限公司合肥分公司 魏金久

安徽博微長安電子有限公司 陳賽賽 張 勇

研究設計出一種新型車載警衛系統，闡述了其雷達模塊、藍牙模塊、短信模塊、電源模塊設計方案及工作流程，以期為該系統在車輛定位、車輛異常告警等領域的應用提供參考。

車載；天線；藍牙；定位；報警

隨著車輛的普及以及智能傳感技術的不斷發展，車載報警系統開發受到人們的普遍關注，并逐步應用于車輛破窗、破門盜竊等領域[1]。在此背景下，設計了一種新型車載警衛系統，以實現車輛定位、車內異常活動告警等功能。

1.新型車載警衛系統概述

新型車載警衛系統采用ARM M3單片機為控制核心，ARM M3單片機通過GPIO口，串口與多種傳感器和短信通知系統連接。根據模塊功能，該系統可分為雷達模塊、藍牙單元、短信模塊和電源模塊。

圖1 車載警衛系統架構圖

圖1所示的車載警衛系統包括用于確認車內情況的雷達模塊1，用于系統控制的ARM M3控制核心2，用于確認車主位置的藍牙單元3（藍牙單元由系統藍牙收發模塊4和鑰匙藍牙收發模塊5組成），用于通知車輛管理人員的短信模塊6，用于給系統供電的電源模塊7。

2.系統設計方案

2.1 雷達模塊

雷達模塊以多普勒效應為依據，當無線電波在行進過程中碰到物體時，該電波會被反射，反射波的頻率會隨碰到物體的移動狀態而改變。如果無線電波碰到物體的位置是固定的，那么反射波的頻率和發射波的頻率應該相等。如果無線電波碰到的物體是移動的，則反射波的頻率會隨之增大或者減小。

2.1.1 雷達模塊組成及功能

本系統中的雷達模塊核心采用英飛凌公司的BGT24LTR11硅鍺制成雷達收發一體芯片。用基頻24GHz VCO（壓控振蕩器）把工作頻率控制在24.0GHz到24.25GHz ISM 頻段，利用含1收1發陣元的高頻天線進行電磁波發送與接收，雷達模塊在本系統中是核心模塊，利用CW模式確認車內是否有移動物體[2]。

2.1.2 雷達模塊電路設計

圖2 雷達模塊BGT24LTR11電路設計圖

雷達收發一體芯片BGT24LTR11通過antenna_TX與天線的發送陣元連接，antenna_RX與天線接收陣元連接，采用CW模式，通過發送和接收微波可獲得多普勒頻率fd。

其中，ftx發射頻率為24GHz，c0為光速3*108m/s，v目標速度單位為m/ s，α為雷達波束和目標運動方向的夾角，單片機的頻率捕獲單元連接雷達芯片BGT24LTR11的DIV_OUT口，單片機通過該口連續讀取fd。

將發射頻率ftx=24GHz帶入公式1，可得到IF輸出的多普勒頻率fd。fd=v*160*cosα（v單位為m/s），測量的速度值與cosα相關，當物體移動時，α值就會改變，從而發生速度變化。

2.1.3 雷達天線設計

雷達模塊處于車內，車體的金屬外框可以屏蔽大多數外界因素對雷達模塊的干擾，由于該模塊處于車內環境，天線不宜太大，且無需較大的增益。

根據車內環境特點，天線設計采用微帶線中心饋電方案，微帶介質基板選擇Arlon AD255A，介電常數εr=2.55，損耗正切值為0.0015，選擇基片厚度h為0.5mm，天線設計中心頻率24GHz，駐波比不大于2。

根據理論推導和修正可得天線尺寸為：寬度W=4.69mm，長度L=3.55mm，εe=2.29，ΔL=0.24。

2.1.4 軟件仿真

使用HFSS軟件設計天線并仿真，得出天線的回波損耗和天線駐波比。

2.1.4.1 回波損耗

圖3 回波損耗仿真圖

從仿真圖可以看出天線的諧振中心點為24GHz，符合系統信號頻率24.0GHz到24.25GHz的收發要求。

2.1.4.2 天線駐波比

圖4 天線駐波比仿真圖

從仿真圖可以看出天線駐波比為1.55，不大于駐波比2，滿足系統天線輻射信號的要求。

2.2 藍牙單元

本系統中藍牙單元由系統藍牙收發模塊和鑰匙藍牙收發模塊組成，藍牙模塊核心采用TI公司的cc2541藍牙芯片，通信中心頻率為2.4GHz，模塊PCB上自帶印刷天線，無需額外增加外接獨立的天線[3]。

當需要確認車主是否在車內時，單片機通過系統藍牙收發模塊與鑰匙藍牙收發模塊進行配對，獲取車主位置。本系統中的兩個藍牙模塊全部采用市面常用的標準、低功耗、小尺寸藍牙模塊。

2.2.1 藍牙單元電路

圖5 藍牙單元CC2541電路設計圖

2.2.2 藍牙單元工作模式

本系統藍牙收發模塊是由單片機通過SPI口與藍牙芯片連接并工作在主機觀察者模式下，鑰匙藍牙收發模塊工作在從機廣播模式下。

本系統藍牙收發模塊通過不斷搜索并配對鑰匙藍牙收發模塊，如果藍牙配對成功則說明車主在車內或附近，否則說明車主離車較遠。

2.3 短信模塊

本系統中的短信模塊采用市場上通用的SIM900A模塊，SIM900A是緊湊型、高可靠性的無線模塊，采用SMT封裝的雙頻GSM/GPRS 900/1800 MHz模塊解決方案，采用功能強大的處理器ARM9216EJ-S內核，能滿足低成本、緊湊尺寸的開發要求[4]。系統中主要用到其SMS功能，天線使用的是市面普通的膠棒天線。

2.3.1 短信模塊電路

圖6 短信模塊sim卡槽電路設計圖

圖7 短信模塊sim900a電路設計圖

2.3.2 短信模塊工作模式

短信模塊SIM900A通過串口與單片機連接，平時處于休眠模式。當系統需要與用戶通信時，由單片機打開SIM900A模塊電源，SIM900A模塊通過AT命令可以返回當前所處位置服務小區或者臨近小區的交互信息，網絡號包括當前的服務小區或臨近小區號，然后根據這個號可以定位到所在位置。短信模塊將位置信息和異常信息通過短信方式發送給用戶或其他指定人員。

2.4 電源模塊

本系統通過車內閱讀燈或點煙器口取電，車內閱讀燈和點煙器為車內常開電源，因此停車后仍可正常為系統供電。

電源模塊電路主要分為12v轉5v電路、5v轉3.3v電路、輸入防反接電路、模塊電源控制電路四部分電路。其中，12v轉5v電路用于將從車內閱讀燈和點煙器接入的+12V電源降壓供整個系統使用；5v轉3.3v電路用于為單片機（ARM M3）供電；輸入防反接電路用于防止輸入正反接錯損壞系統；模塊電源控制電路用于控制雷達模塊、藍牙模塊和短信模塊的電源，讓3個模塊分時使用。

本系統設計中，電源模塊供給雷達模塊、藍牙模塊、短信模塊的部分均有單片機控制。原因如下：（1）由于整個系統中射頻部分較多，同時開啟時容易相互干擾，且各模塊不會同時運行，因此采用分時控制的方式，根據策略打開需要用到的模塊。（2）閱讀燈和點煙器供電能力有限，且電源取自車載電瓶，因此按需求打開模塊，可以節約用電，降低車載電瓶的負擔。

3.系統工作流程

(1)系統上電后單片機完成初始化（此時所有模塊電源口均為關閉狀態），然后開始系統自檢工作，單片機逐一給模塊上電檢測模塊是否正常，檢測全部正常后關閉所有模塊電源，否則進行狀態燈報告系統狀態。(2)系統自檢完成后打開系統藍牙收發模塊電源，系統藍牙收發模塊嘗試與車主鑰匙上的鑰匙藍牙收發模塊進行配對。如果配對成功說明車主在附近或車內情況處于車主控制下。(3)如果藍牙配對不成功，系統關閉藍牙，打開雷達模塊電源，然后使用雷達模塊對車內進行檢測，雷達模塊可測出物體的運動，單片機根據雷達模塊的測量參數判斷車內是否有移動的物體。如果沒有檢測到移動的物體，那么回到步驟(3)。(4)當單片機通過雷達模塊確認車內有移動物體后，單片機關閉雷達模塊電源，運行步驟(2)。(5)系統藍牙收發模塊與鑰匙藍牙收發模塊配對不成功，單片機關閉系統藍牙收發模塊電源，打開短信模塊電源，短信模塊讀取sim卡中預存的手機號碼，然后發送異常狀態給這些號碼。發送完畢后單片機關閉短信模塊電源。(6)當系統發送出異常狀態給手機后進入等待狀態，以后每10分鐘讀取系統是否被車主復位，或者重復進行(2)～(5)的步驟確認車內異常是否被排除。

圖8 車載警衛系統工作流程圖

4.結語

隨著車輛的普及與智能傳感技術的不斷發展，車輛報警系統得到人們的普遍關注。本系統在駐車后可以甄別車體振動和車內物體活動，并根據車主位置智能控制告警，而其它產品只能監測車體振動強度，且無法檢測車主位置，不能根據現場情況控制告警。當車輛丟失后，本系統檢測到車內有非車主人員駕駛車輛，可以每隔一段時間發送車輛位置信息，從而幫助定位車輛。此外，當車主遺忘小孩或寵物在車內時，本系統可以每隔一段時間發送異常信息到車主和其他關系人手機，幫助第一時間救助。電源控制方面，本系統采用智能電源控制，正常情況下只有單片機每隔一段時間打開雷達模塊進行監測，在出現異常情況時才會開啟其它功能模塊，極大減少對汽車電瓶的損耗。

[1]楊濤,韓宇光,程超,等.車載監控報警系統的設計與開發[J].裝備制造技術,2017,(3):257-258.

[2]翁麗靖,張熙昀.新型自動門系統控制器[J].電子工程師,2007,33(1): 77-80.

[3]李有文,余建華,胡琳.基于CC2541藍牙技術的雙向防丟器設計[J].機械工程與自動化,2016,(4):194-195.

[4]孔棟,鄭建宏.基于STM32和SIM900A的無線通信模塊設計與實現[J].電子設計工程,2014,22(17):106-110.

魏金久（1983－），男，工程師，主要研究方向為信號處理與汽車電子。

陳賽賽（1988－），男，碩士，工程師。