【《基于单片机的网约车安全报警系统设计》9100字（论文）】

．绪论1.1研究背景和意义网约车行业发展至今，已经走入了家家户户，为人们的生活带来了许许多多的便利，截至2019年年底，仅嘀嘀打车一款软件的用户就已经超过5.5亿人，每年完成的运送更是超过了110亿次。但在如此大的基数之下，也就会出现许多的安全问题，于是我们将时下流行的车联网模式与网约车的安全问题相结合，便产生了这个基于单片机的网约车报警系统。打车的行驶过程中，车内就是司机和乘客两人的封闭空间，其中发生的事情很难被外界所观察，所以不管是对乘客的安全保护，还是对司机的权益的维护都是非常有必要的，虽然我相信大多司机都是好样的，但是我们并不能将安全问题放在信任上。现在的车联网技术日益完善，此项目也就应运而生。当司机成功过接单并且在上乘客之后，该系统才会正常运作，并且实时将车辆的信息和位置上传至云端服务器，当车辆严重偏离路线或接收到乘客的求救信号后，服务器会即使根据车辆的位置通知附近的交警支队实时确认和救助。因此这对于制止或减少打车所带来的安全问题有阶段性的帮助。1.2国内外研究现状国外发达国家和地区在车联网和技术领域内是属于领头羊级别的，由于起步早于我国，不论各类相关标准的制定或是实际车联网产品的开发应用都走在世界前列。甚至在1995年，通用公司的onstar系统就已经初步问世了，当汽车发生剧烈碰撞，事故之后，该系统可以自动向通用公司的onstar系统服务中心报警，并将车辆坐标，车辆信息发送至服务中心。随着时间的累积，该系统甚至已经更新到了第七代，由此可见在车联网这方面国外还是比较领先的。2019年时，宝马就在X5车型上搭载了最新的idrive7.0系统，该系统可以为驾车人员提供蓝牙免提电话、电视、高精度卫星地图导航等多种功能。它还率先提供了智能语音助手服务，避免了驾驶员因为操作联网功能所带来的安全隐患，能够更加轻松的控制车内的各部分功能，包括空调，音乐，车载电话等等功能，又因为语音控制的原因，为这种操作方式增加了驾驶乐趣。但是单家公司的技术对于网约车的自动报警系统起到的作用仅限于借鉴。因为市场上的各种不同型号的汽车之间缺少互通的手段，所以为了实现政府对网约车行业的安全监控和保障只剩下两种方案：一是通过强制性措施命令国内市场中的各种车型将具体的位置和身份信息分享给监管机构，因为其牵扯过大所以暂且不提。二是为网约车签约司机提供监管设备，强制命令其在正常工作时间内必须在监管之下，以此来达到威慑的作用，以此来保障乘客的安全和权益，同时还能在特定情况下保障驾驶员的权益。由此可见市面上并没有准确的产品可以借鉴，但是我国车联网的进度正在不断的提高，网约车数量也会不断地增加，因此对于网约车安全的问题解决方案的探索也日益紧迫。1.3本课题研究思路和方法1.3.1系统总体设计方案本文提出的基于单片机的网约车报警系统主要由安装在网约车上的客户端以及配套人工服务系统。客户端以stm32为系统基础，由于考虑到了之后的普及问题，刻意降低了模块的成本。搭载了ESP8266做为整套系统的联网模块，LD3320d语音识别模块以及可支持北斗卫星的GPS模块。客户端负责接收客户的求救讯号，并且在确认客户的信号之后，将车辆信息和车辆的GPS信息持续的上传给服务器，再由客服人员进行实时追踪，以此来达到保护客户的效果。基于上述设计方案完成以下主要工作：（1）根据系统需求完成STM32单片机配置和服务器配置；（2）依据现实需求完成对客户端和服务器的编程和调试；（3）完成整套系统的总体调试1.3.2软件开发环境搭建C语言作为一门最为普及，最为基础的编程语言，拥有着其他语言所没有的基础性，虽然没有像python之类的简单、开源等优点，但其是一款不需要任何运行环境支持的高效率程序设计语言，拥有良好的跨平台属性。所以本系统编程语言选择的是能适配大多数单片机的c语言。软件开发平台为keil5，keil5是目前最为完善和普及的c语言工程开发软件，其编码协助和丰富的库函数功能能帮助使用者可快捷高效的完成编程以及调用操作。STM32包含了许多不同的型号，各个型号之间都有些许的差异，但是差异具体体现在一些性能和外设功能上，并没有影响到项目的开发，并且都是适配keil5的程序开发，适合作为c语言开发环境的平台。1.4本文章节安排本文主要内容分为五章，其余内容包括摘要、参考文献、附录、致谢等几个部分。第一章绪论中阐述了本课题研究背景和意义、国内外研究现状，以及本课题的主要研究内容和论文章节安排。第二章为基于单片机的网约车报警系统硬件设计，介绍客户端硬件信息，以及为满足系统需求进行的相关配置。第三章讲述系统软件设计，主要介绍了本系统所包含的三个主要模块的具体操作细节和使用方法。第四章讲述本系统的各个模块与模块之间的软件部分的调试方法和结果，至于第五部分，则是提出了车载报警装置的未来研究方向。附录包含网约车报警装置客户端、PC端的部分软件代码。由于有许多无需使用的库函数代码存在，所以此处并不会放置全部的软件代码。

2．基于单片机的网约车报警系统硬件设计2.1基于单片机的网约车报警系统客户端2.1.1客户端控制器基于单片机的网约车报警系统选用STM32单片机做为客户端控制器，负责收集客户的求救讯号，处理接收到的声音信息并像服务器发送信息。STM32系列单片机是由意大利SGS微电子公司和法国Thomson半导体公司合并形成的意法半导体集团设计开发，图2.1即为本次卡法所用到的STM32开发板，虽然体积并不大，但却包含了所需的据大多数功能，包括但不限于信息处理，数据通信，文字处理等等。图2.1STM32F103Z1T6单片机实物STM32单片机虽然没有固定的配置，但是却因为其强大的可兼容性，可以为其添加众多不同的外设。而我们使用的这一款，只配置了基础的SD卡作为存储和作为输入的USB接口，以及四个按钮和两个led指示灯，但这里我们并没有用到按钮和指示灯。STM32单片机自带了三个通信串口，大大增加了单片机的可兼容性。又因为使用的是c语言这种最基础的语言，所以十分适合成本较低的嵌入式开发项目。又因为其较低的成本，使其拥有了强大的可复制性，利于推广。作为法半导体的拳头产品，stm32系列单片机的推出已经过了很长的时间了，使其充分接受了时间的磨练，渐渐成为了一款完美的产品，在c语言领域里拥有很强的统治力。其硬件资料如图2.2所示。CPU型号为ARM32-bitCortex™-M3芯片，工作主频1.25GHz。本芯片的GPIO引脚分配如图2.3所示，引脚类型主要有TXD、RXD、GPIO、电源口等。、图2.2STM32F1单片机硬件资料通过USB转TTL模块（即CH340C芯片）即可完成对单片机程序的写入。在PC端使用keil系列软件完成了对程序的初步编写之后，就可以通过一根数据线将单片机和PC连接，之后可通过ST-Link设备完成keil软件和单片机的直连，即可在软件中使用一键下载功能之间完成对程序的写入作业，当然也可通过外部的PZ-ISP软件完成对单片机的烧录。但以上操作还需要完成CH340驱动的安装。2.1.2客户端wife模块这里我使用的是一款名为ATK-ESP8266DE的模块，作为一款已经发布了一段时间的模块，所运用的技术也已经趋于成熟。AYK-ESP8266模块采用了串口（LVTTL）与MCU通信，其中内置的TP/IP协议先栈，实现了串口与WIFI之间的转换，同时也可以通过TTL/USB转换器与PC连接，以达到使调试更加简便的目的。ATK-ESP8266的频率范围在2.412GHz-2.484GHz之间，发射功率大约为11~18dbm，配备了一根板载PCB天线，可以在绝大多数的工作环境下正常工作。其拥有6个GPIO引脚如图2.4所示，分别为两个电源引脚，两个串口接发引脚，一个复位引脚和一个固件烧写模式引脚。图2.3STM32F1GPIO口分配示意图图2.4ESP8266实物及其引脚图2.1.3GPS模块ATK1218-BD是一款性能高，体积小的GPS/北斗双模定位模块，如图2.5所示。其采用了S1216F8-BD模组，通过串口与单片机进行通讯，可将各个参数设置保存在内部的的FLASH中，时使用更加方便。该模块还自带了一个可充电的后备电池，使其可以在不接电的情况下保持星历数据。该模块拥有5个引脚，两个电源引脚，两个串口引脚以及一个时钟脉冲的输出引脚。ATK1218-BD模块采用NMEA-0183协议通过UART与外部设备相连接，控制协议为SkyTraq协议。本模块又包含了3中不同的启动方式，分别为冷启动，温启动和热启动。热启动是指该模块上次保存的接收信息和当前一致时，在这样的条件下重启，就是所谓的热启动，温启动则是指该模块保存了接收到的GPS/北斗历史信息，但是与当前可视的卫星信息不一致了，在这样的条件下重启，则称之为温启动。而剩下的冷启动，则是之前所接受到的GPS/北斗历史数据都丢失了的情况下重启，则称之为冷启动。该模块还额外配置了一个IPX接口，用来外接一个有源天线，通过这根天线，即可以早室内连接上所需要的卫星了。2.1.4语音识别模块语音模块就比较特殊了，它是由一整套围绕着LD3320芯片所组成的模块，上面集成了一块STC11L08XE单片机，将收集到的语音转换成信号，再通过串口发送到外接的其他单片机，同时集成了16路IO口，可以单独作为另一种输出模式输出信号，如图2.6所示。最为优秀的，是该模块的识别词条是以拼音的形势存在的，所以修改它的接受口令也比较简单。同时板载了一块CH340C芯片，可通过TTL/USB转换器转换之后与PC互联，可以直接在PC上对模块内的指令进行调整。该模块还自带了一块小型的电池来为模块上的单片机辅助供电，以达到稳定使用的目的。由于此块单片机上只添加了一个模块，所以模块单片机需要做的只是再接收到模块的信号之后进行分析即可，所以对于模块单片机的配置要求降到了最低，又因为要求低了，所以整块语音识别模块的成本也被压制在了一个很低的程度，利于普及。图2.5GPS模块实物图图2.6语音识别模块2.2系统整体框架和原理STM32F1单片机拥有三个通用USART串口，将其分别与三个模块相连接，ATK-ESP8266DE模块与USART2的TXD和RXD相连接，ATK1218-BD模块则与USART3的RXD与TXD相连，而剩下的语音识别模块则与单片机剩下的串口一相连接。再将三个模块的电源引脚接到单片机的电源接口上实现供电。本套系统通过一块STM32F1单片机将上述的三种模块整合至一起，通过ATK1218-BD模块实时跟踪设备的GPS定位信息，并且在车辆开始行驶之后，实时监听语音识别模块所接收的外部音频信息，如果接收到了乘客的求救讯息，便会通过通讯使单片机接收到信号将受到的实时GPS信号通过ATK-ESP8266DE模块上传至服务器，再通过人工客服完成对求救信息的追踪。整体的运算压力都集中在了主程序所在的中央单片机上，它要接收由语音识别模块，GPS模块传递来的信息再加以辨别，并且再合适的时机想WIFI模块不断的发送数据。2.3本章小结在本章的论述中，明确了本系统所运用的三个具体模块。在选择模块时，索要考虑的并不仅仅是该模块的自身性能，更需要考虑的是模块的经济性和可复制性。为了系统之后的推广和在实际中的运用，必须要控制模块的价格，在达到同等效果的条件下，所选择的GPS模块和ATK-ESP8266DE模块成本都比较低廉，在零售的价格下一套系统所需要的成本也不会超过150元，只需要向司机征收些许押金，即可将本系统快速推广。3．基于单片机的网约车报警系统软件设计3.1软件总体框架整套系统总共分为两个部分，一个是监控的维持部分，另一个是在监控到乘客的求救信号之后的信息输送阶段，两个阶段都需要持续进行，所以需要一个转换判断来改变所需要的循环模式，具体流程如图3.1所示。图3.1整套系统图流程图可以看到，为了防止司机或者乘客在行车过程中，误操作触发自动报警机制，所以在接收到求救信号之后，我增加了一个防触发判定，在第一次接收到触发信号的时候，会有一个计数器进行判定，只有在短时间内连续接收到两次或以上的触发信号时，才会正真判定为接收到信号并且开始上传数据，如果在短时间内并没有连续触发的话，在一定的时间以后计时器就会重新清零，连带着计数器也会清零。判定也就不会发生，车辆任就正常行驶。在本套系统之中，我并没有设计信号的停止程序，为了防止通过外接信号的方式使信号的发送过程中止。所以在我的设计中，需要使用乘客手机的客户端来发送信号以结束信息的发送过程。3.2软件基本逻辑展示3.2.1语音识别模块软件逻辑语音识别模块内置了一块STC11L08XE单片机，而语音识别的实现是通过该单片机来识别和分析语音信号，再通过串口与主要单片机通讯。所以我们需要通过直接对语音识别模块的编程来实现这个功能。模块与PC的连接需要一块TTL/USB模块，模块如图3.2所示。将该模块的5V和GND与语音识别模块的5V和GND相应的连接好，再将语音识别模块的TXD与RXD和TTL/USB模块的TXD和RXD反向连接即可。首先需要定义一个变量来显示整个程序的运行状态，而状态基本上分为五类，分别是空闲状态、正在识别中、识别完成后拥有一个识别结果、识别完成后并没有得出结果以及最后的故障状态。而整段程序的主体，即是一个循环，不断地检测收到的信号，在不断的和指令库内的指令对比，以此来确定是否接收到指定难过的指令，确认收到后就会通过串口向外发送一条讯息，再由外部的单片机监听即可。图3.2TTL/USB转换器图3.3串口关键词更改指令同时也可以直接通过串口来向LD模块添加关键词。所有关键词都是由拼音构成，所以识别会产生些许的误差，详细的关键词添加程序可见图3.3。但是这些误差任然在可以接受的范围之内。并且在密闭的车辆空间内，语音识别模块的触发相对于在空旷地带显得更加容易，所以该模块整体上来说符合本系统的使用要求。3.2.2ATK-ESP8266wifi模块软件逻辑Wife模块直接与外部单片机的串口相连，直接通过指令控制，亦可以通过TTL/USB与PC连接来调试模组和服务器。ATK-ESP8266有一套自己的指令体系，基本是“AT”再加上一个具体的指令，例如“RST”、“UART”等等，具体使用的指令列表如图3.4所示。图3.4ATK-ESP8266指令表在启动了单片机之后，我们首先要做的就是测试模块是否正常运行，检测正常运行的代码就是一个“AT”，正常情况下模块会返还一个“OK”，只要监听到这个“OK”就可以接下来的操作了。我们需要一个wifi，再将模块调整至Station模式，这样才能作为station接入到wifi之中。通过指令将WiFi的账号和密码发送至模块，如果返还了一个“getinwifi”就说明连接wifi成功了，接下来只需要输入待连接的服务器的ip地址以及账户的账号密码即可，这里服务器部分并不是本文的重点内容，所以使用原子云服务器代替。3.2.3GPS模块软件逻辑GPS模块使用的同样也是串口输入，接收到指令之后，再以NMEA-0183协议输出。NMEA-0183协议输出的信息采用ASCII码来表现，每一次的GPS定位信息输出的信息称之为帧，以“$”标记帧的起始位，再以一段“aabbb”的数据形式来表达接受到的地址域，“aa”代表着识别符，“ccc”代表语句名，接下来的就是所接收到的数据。而我们需要使用到的命令只有“$GNGGA”，所代表的就是接收GPS的定位信息，之后的第一个数据代表UTC时间，接下来的四个数据就是所需要的GPS信息了，以一个纬度加一个纬度半球，一个经度加一个经度半球来体现。以图3.5为例，模块会将总共八种数据全部输出至单片机，不过这会影响单片机的输出速率，可以在模块的配套软件上经行调整。收到主要信息就是第一行的“$GHGGA”，第一个数据110517所代表的就是当前所在的UTC时间，接下来的就是南纬2318.1179度，东经11319.6690度，之后的数据代表分别是GPS状态，正在使用的卫星数量，水平精度因子等等，于本系统的关系并不大，所以在此不多做赘述。接收到了数据之后，对整段数据进行适当的删减，留下所需要的GPS位置信息和时间，再通过串口将信息传输给外部单片机，再经由ATK-ESP8266模块上传至服务器即可。图3.5GPS模块接收数据实例3.3本章小结本章论述了各个模块软件部分的运行逻辑和部分软件细节。除了语音识别模块外，GPS模块和WIFI模块是直接连接在单片机的串口上的，所以只需要一套主系统代码就能完成系统的中间部分，而系统的先头部分语音识别模块则因为需要一块单独的单片机与主系统连接，所以需要一套额外系统代码。整套系统也是通过这两套软件代码之间的配合来实现具体功能的。语音识别模块部分的程序比较简单，只需要将接收到的音频信息与模块内部的拼音识别库对比，匹配之后通过串口向单片机发送一个讯号即可。而单片机部分的软件部分就比较复杂了，整套系统的整体逻辑部分都集中在这个部分，既要时刻监听语音识别模块返回的信号，在经过了防触发机制之后，就会停止对语音识别模块的监听转而开始接收GPS模块的接收到的GPS信息，在将这部分信息经过处理之后发送给服务器。4．基于单片机的网约车报警系统调试4.1ATK-ESP8266部分软件调试对与ATK-ESP8266模块的独立测试显得比较简单，只需要完成对该模块以及所运用的串口的初始化，然后连接上服务器成功发送一条信息即可。这里运用到的串口是串口2，将其所对应的IO口PA2、PA3设置成推挽输出和浮空输入，在再主函数中写入最简单的测试函数（如图4.1），点击运行即可。图4.1ATK-ESP8266WIFI模块测试函数4.2语音识别模块部分软件调试由于本套系统并没有在客户端上搭载任何显示设备，所以并没有准备可以用来显示数据的渠道，所以需要借用服务器来辅助测试语音识别模块。需要设定一个与语音识别模块通讯的识别讯号，以此来比对语音识别模块发送的串口信息。接收到正确的语音信号之后，就会启动wifi模块向服务器发送信号，具体程序如图4.2。图4.2语音识别模块软件部分测试因为语音识别模块的特殊性，需要修改的主要部分都集中在语音识别模块自带的单片机上，我们需要调整的是语音识别模块的接收程序之中的判定拼音，再在主函数之中修改在判定成功之后所需要返回的值。这里我返回的是“help”。再与单片机主函数中的判定值相匹配之后主函数就能在接收到信号之后就能执行相应的措施。4.3GPS模块软件部分调试GPS部分的测试也只需要和服务器的测试程序相结合，将接收到的实时的GPS信息发送至服务器上。需要注意的是，测试的地点选在较为开阔的区域，方便其信号的接收。需要注意的是，由于GPS模块发送的是一个数据的矩阵，所以发送时间需要延长，留足足够的间隔时间以保证服务器端数据的记录。具体的GPS测试结果如图4.3所示。图4.3GPS测试结果这里接收到的信号之所以全是0，是因为在接收时我正处在密闭空间内，所以无法连接到所需要的卫星信号。在这组信息中，我删除了绝大多数的无用的信息，只留下了一组有用的数据，当接受到这组信息之后，就说明GPS模块和单片机之间的连接正常，GPS模块的运行指示灯也正常发亮。4.4系统整体测试鉴于语音识别模块的缺失，本次测试使用了按键模块来替代语音识别的功能（通过按下指定的按键来模拟接收到了求救信号）。按下按键后指示灯亮起，信号即开始传输。如图4.4所示。图4.4单片机运行中外观图 单片机通电初始化三个模块之后，单片机将会进入监听语音模块信号的循环状态（此处为等待按键被按下后），这是按下按键，就会启动连接服务器的软件部分，单片机上的指示灯亮起，进入循环发送GPS数据状态。这时，服务器便会不断地收集到讯息。讯息接收页面如图4.3所示。

5．总结与展望5.1本文研究内容总结本文从研究背景和意义以及国内外发展现状等不同方面介绍了网约车产业所面临的问题和挑战，并提出了一种特别的解决思路与实验方法，比对了市场上的硬件选择和软件测试之后，完成了这个基于单片机的网约车报警系统。本系统在GPS模块的基础上，配合ATK-ESP8266wifi模块，完成了对网约车载客时间段内实时监控，以确保在载客过程中乘客的安全，在到达目的地之后，乘客确认到达目的地之后，即可关闭对车辆的监控，一起到保护隐私的作用。对该装置进行功能设置，测试结果如下：（1）网约车报警装置的客户端成功获取定位模块的原始数据并完成解析。（2）通过与服务器的连接，建立了一条数据上传渠道，实现了对于数据的实时上传，服务器端成功接收到了所发送的信息。（3）语音识别系统成功检测到发出的求救信号并将信号发送到外部单片机。上述测试结果表明，该系统成功达到了预期的功能，基于该系统所需的人力资源还是偏多的，所以该系统还需改进，争取减少更多社会的资源以达到便捷人们生活，保障人们自身的权益的目的。5.2未来研究方向展望本文所提出的基于单片机的网约车报警系统装置基本达到了预期的设计目的，但还有较大的上升空间，后续可以在此基础上继续改进，以达到更好的推广效果。（1）在该系统上添加一个放拆卸装置，在本系统安装完成后将禁止强行拆卸，一旦拆卸也将会自动报警，在限制司机的同时，还能起到一定的防盗效果，增加该系统的功能性。（2）完成该系统对于打车软件的双向绑定，做到在安装报警装置之后才能接单，确保了对司机的限制作用。（3）争取完成与交警系统的信息互通，进一步减少该系统报警的真正时间，完成点对点的直接交流，为事故营救争取更多的时间。使网约车的行业监管机构从公司真正的编程国家力量。（4）可以尝试将语音识别模块所收集到的音声保存下来，并且程序自动识别所需要保存的时间段，将多余的部分自动清除来保证系统容量的同时为受害者留下些宝贵的证据。参考文献[1]SonicWallUSHoldingsInc.;PatentIssuedforSecuringInternetOfThingsCommunicationsAcrossMultipleVendors(USPTO10,110,571)[J].JournalofEngineering,2018:62-92.[2]费叶琦,周徐孝,齐加胜,朱轩,杨文谦,吴晟豪.基于树莓派和云平台的平移窗智能语音控制系统设计[J]