基于4G的兒童座椅智能控制器設計

李秋先　杜運德

摘要：本文設計一種基于4G網絡的兒童座椅智能控制器，采用低功耗結合多路供電技術適應產品應用場合;利用4G通信技術實現在發生車禍時能夠及時將信息主動發送給利害相關人，為救援提供最及時信息。同時也為兒童座椅使用者和生產者提供直接溝通渠道，為廠家精準營銷提供平臺。產品具有廣闊市場需求。

關鍵詞：智能座椅;4G通訊;物聯網;精準營銷

一、概述

兒童座椅是用于行車時對兒童的保護。有數據統計在有兒童座椅保護的情況下，由于汽車碰撞造成兒童死亡的概率會大大減小，造成兒童死亡的往往是因為兒童沒有得到第一時間的救助，延遲的急救時間造成死亡的。當前兒童座椅主要還是純機械機構，不具有智能化特點。隨著物聯網技術發展，越來越多設備進入互聯時代。智能兒童座椅應運而生。設計一款智能型的兒童座椅，能夠將車輛碰撞事故第一時間主動發送給兒童監護人或重要親人，以獲得第一時間的救援，顯得非常有必要且也可以低成本的實現。

NB-IoT一經推出就受到了業內的廣泛關注，作為未來長距離物聯網的發展方向，具有諸多優勢，但是其推廣受其網絡運營商的基站布局的影響，目前還處于推廣階段，網絡在國內還并不普及。Lora作為物聯網技術平臺其功能和NB-IoT沒有太明顯的優缺點，雖然其在國外已經進入商業化階段，但對于國內來說還是不普及。相對于前面兩種技術平臺，4G技術在國內非常成熟，不足的地方主要體現在其低功耗和流量資費沒有前面兩種有優勢，但是其網絡非常成熟穩定是商業開發重要條件，同時在本項目中，智能座椅是用于汽車環境，本身就有電源，所以低功耗不是主要問題，由于4G模塊公司已經和運營商進行了很好的合作，使得4G的流量費也比較低，用戶是可以接受的。綜上所述，本項目采用4G作為網絡技術平臺。

二、智能座椅功能設計

本項目是一款智能兒童安全座椅控制系統，利用傳感器檢測座椅上是否有人落座、環境 溫度及加速度，當檢測到高溫、電池低電量或過大加速度時，通過 GPRS 向后臺報警。主要功能包括加速度檢測、環境溫度檢測、定位檢測、座椅落座檢測、電池電量檢測、支持 9V 6LR61堿性電池、支持12V車載電源、支持 5V USB 電源相互切換。雙色狀態指示 LED等功能。項目的硬件框圖如圖1所示。

整個硬件部分分為主控、傳感器、電源、通訊等部分。出于對系統運行速度、存儲容量、外設接口數量和類型及低功耗等方面的考慮，選用HC32L110C6PA 作為主控制器。

（一）電源設計

采用 3.3V 作為系統電源，內核電源管腳 VCAP 外接 4.7uF 電容濾波。 使用 MCU 內部低速時鐘，用以降低成本、減小 PCB 空間和留出外接管腳。本方案支持 12V、5V 和 9V 堿性電池三種供電方式，有一路或多路電源有效時，系統可以正常運行。其中，車載 12V 電源穩定性較差;電池為不可充電類型，最大輸 出電流為 200mA;車載 5V 電源穩定性較好，輸出電流最小為 500mA。 系統最大工作電流發生在 GPRS 模塊和后臺通訊時，最大功耗 2W，即電流 500mA@4V 。根據不同電源的特性及系統功耗特性，電路設計實現以下功能：各路電源對系統只能輸出，不能輸入。單獨一路電源供電，須能滿足系統功耗要求。只有電池和 12V 電源共存時，系統由 12V 電源供電。當5V電源和其他兩種電源共存時，系統由5V電源供電。為實現這些功能，電源輸入部分電路做如下設計：在每路電源輸入口，串接一個二極管。12V 電源和電池經過二極管后連接在一起，且并聯一個 470uF 電解電容，再經 過信號繼電器后給系統供電，在信號繼電器輸出端也并聯一個 470uF 電解電容。上述信號繼電器默認導通，并由 5V 電源控制其使能管腳。 系統共有三部分耗電電路：MCU 部分、GPRS 模塊部分和加速度傳感器部分。其中MCU 部分電源電壓 3.3V，最大工作電流 4.3mA;GPRS 模塊最大工作電流 500mA@4V （瞬間最大 1.5A）;加速度傳感器部分電源電壓 3.3V，最大工作電流 15uA 左右。為保障 MCU 穩定工作，使用 LDO 輸出 3.3V 電源給其供電。GPRS 模塊功耗較大，為了提高電源轉換效率，使用DCDC 輸出4V電源給其供電。根據項目特性，加速 度部分，只有在座椅有人落座時才開始工作，直接由 MCU 的 IO口通過倒灌電流方 式（正極為給 MCU 供電的 3.3V）控制其電源。 由于系統可能由電池單獨供電，電路必須做到低功耗。所有外設上下拉電阻或 ADC 檢測分壓電阻，均使用兆歐姆級的阻值。

（二）通訊設計

從通訊方案成熟度、成本及更重要的基站定位功能需求方面考慮，本方案采用 GPRS 作為無線通訊方式。GPRS 模塊和管理平臺之間使用較成熟的 TCP 協議連接。 本方案采用基站定位方式獲取位置坐標，GPRS 模塊使用TCP協議和基站數據庫服務器連接。為了方便更換SIM卡，并從成本和電路板空間方面考慮，使用標準的 Micro SIM卡座。 從天線性能的實現難度和安裝便利性方面考慮，使用帶 cable 線的FPC天線，cable 線和主板通過 I 代射頻端子連接。

（三）傳感器設計

除了使用 GPRS 模塊實現定位功能外，本方案還有加速度傳感器、溫度傳感器、座 椅壓力傳感器等檢測部分。加速度傳感器使用 ST 的 LIS3DH，該傳感器性能成熟穩定，最大可檢測±16g 的加速度。它由 MCU 通過 I2C 設置加速度門限值，當加速度達到該值時，通過中斷信號向 MCU 報警。本方案使用 MCU 內部溫度傳感器方案，實現對環境溫度的檢測功能。座椅壓力傳感器用于檢測座椅是否有人落座，由于兒童體重較輕，且在座椅上位置不確定，本方案使用 15 觸點高靈敏度的薄膜開關檢測座椅承受的壓力。壓力傳感器 通過 5557 接口和主板連接。

（四）EMC設計

為了使電路板可以穩定、可靠地工作，在 12V 電源、USB、SIM 卡、壓力傳感器等 各對外接口信號線上，使用穩壓二極管或 TVS 管，以保護和與這些接口連接的各個 器件。

三、系統軟件設計

系統軟件包含兩部分，一部分為嵌入式單片機軟件，單片機程序主要完成設備端的傳感器信息的檢查以及向4G模塊發送報警信息。其軟件的流程圖如圖2所示：單片機上電后檢測供電來源、座椅壓力傳感器有沒有壓力信號、其他座位壓力傳感器有沒有型號、ISOFIX有沒有信號、溫度傳感器有沒有信號、加速度傳感器有沒有信號之后設置為初始休眠狀態。當傳感器有信號時喚醒單片機，啟動正常模式開關并判斷其是否有效，如果有效進一步判斷ISOFIX有沒有松動;否則延時10分鐘在判斷ISOFIX有沒有送動。

本系統通訊單元用的部分函數簡介如下：

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

** 函數名稱： ATcmd_Transmit

** 函數描述： 發送AT指令，并檢測返回值

** 輸入參數： *AT_str發送數據 *Repl_str期待返回值 ? ?等待時間Wait_ms

** 輸出參數： false發送失敗 true發送成功

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

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;

}

項目測試 ：圖3為系統的實物圖，1為9V電池接口，6為車載12V電源接口，5為USB的5V電源接口，2為4G通訊模塊，3為內置天線，4為定制流量卡。將系統裝入兒童座椅，通過給定一定壓力、加速度和溫度物理信息，系統可以將信息準確發送至特定人手機APP中并進行準確定位。完全能夠滿足實際需求。

四、結束語

本系統是上海闞訊電子科技有限公司為安徽嬰童智能有限公司獨家開發的兒童智能座椅控制系統。采用4G模塊作為通訊手段，重力加速度以及溫度傳感器為感知實現兒童座椅的智能化，系統滿足市場需要，2020年在網絡銷售平臺天貓一經推出，就獲得市場認可。產品銷售良好。

作者單位：李秋先? ? 杜運德? ? 上海闞訊電子科技有限公司

作者簡介：

李秋先（1979-），上海浦東人，從事于智能算法研究。

杜運德（1979-），廣東清遠人，從事于物聯網技術研究。

參? 考? 文? 獻

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