一种基于GSM通信技术的车内污染气体监测装置的制作方法

本发明属于汽车环境安全监测领域，具体而言涉及一种能够定时自动检测车内各种污染气体浓度并在超过规定标准值时向用户手机发送浓度示警消息且支持用户实时查询的装置。

背景技术：

随着我国经济发展，汽车产销量越来越高而且增速不减。据国家统计局相关数据显示，截至2015年末全国民用汽车保有量达到17228万辆，比上年末增长11.5％，其中私人汽车保有量14399万辆，增长14.4％。民用轿车保有量9508万辆，增长14.6％，其中私人轿车8793万辆，增长15.8％。随着汽车数量越来越多，使用范围越来越广，对世界环境的负面效应也越来越大，尤其是危害城市环境，引发人类呼吸系统疾病，由以上数据也从侧面反映出更多的人将在车内度过更长的时间。空气品质关注的重点范围也逐渐由室内环境转移至车内微环境。车内污染危害人体健康的报道屡见不鲜，所谓的“驾车综合症”也为人熟知。早在2007年，国家环境保护总局就颁布了《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》，但是该检测方法目前只针对于静态检测，并不能满足现在实时监控的需求。所以，对于车内空气质量的实时检测的呼声越来越高。车内空气的污染源主要来自于以下三个方面：一是车内装饰材料中含有的有毒气体，主要指苯、甲醛、二甲苯等。由于车辆投入市场的速度很快，导致很多的配件中的有害气体没有得到充分的释放，这就导致了车内的空气污染。二是汽车发动时产生的汽车尾气进入到车内，比如一氧化碳、氮氧化物、汽油挥发成分、粉尘等。而且发动机长时间运转后，温度上升，其产生的热量会加速有害气体的挥发。三是驾驶员与乘员的不良习惯，如在车内抽烟，由于车内空间较小，如果不及时清理车内环境，车内的细菌以及烟碱等有害物质会急剧增加。

目前，国外都在采取多种措施来防治车内空气污染，首先是制定相关标准，汽车制造商生产出品的汽车只要被检测超出污染标准值就会受到重罚，这就从根源上解决了问题；另外通过先进的科学技术来清除污染气体，比如日本丰田公司推出的“除菌离子发生器”运用产生的正离子和负离子在空气中进行正负电荷中和的瞬间释放能量从而导致周围细菌结构的改变和能量转移，从而导致细菌死亡，实现杀菌的作用。

与之相比，我国在车内污染气体方面研究较为缓慢，目前我国直接有关车内空气质量的标准有两个，分别是GB/T 17729-1999《长途客车内空气质量要求》和HJ/T 400-2007《车内挥发性有机物和醛酮类物质采样测定方法》。针对上述空气污染的检测并不完善，有的检测系统只能检测常见且单一的污染物。而且很多的检测系统采用的平台也不尽相同：采用比较低廉简易的单片机平台，虽然价格比较便宜，但是处理速度达不到要求，无法适应现在复杂的车内环境变化；而采用昂贵的工控机为开发平台，相比之下软硬件容易扩充，但是体积庞大，也不适用于车内狭小环境。

由此需要一种处理速度能够达到要求，同时适合车内微环境的一种气体监测装置，并且可以实现与用户手机之间的数据通信，从而达到整套装置对车内环境的实时监测预警的目的。

全球移动通讯系统GSM是当前我国覆盖范围最广的移动通讯网络系统。短消息服务SMS(Short Message Service)作为一项基于GSM网络的增值服务，价格低廉，服务稳定，除了手机之间的短消息通信外，SMS还被广泛用于远程数据采集与监控等领域。考虑到车辆所处地域环境的网络状况，基本都处在GSM移动通信网络覆盖之下，所以采取通过GSM网络发送短消息的方式进行反馈，可以满足系统实时性和准确性的要求。

技术实现要素：
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本发明目的在于提供一种安全性高并且可以定时自动检测车内各种污染气体浓度并在超过规定标准值时向用户发送浓度示警消息且支持用户实时查询的装置。

一种基于GSM通信技术的车内污染气体监测装置，该监测装置包括微控制器模块、车内气体环境测量模块、智能报警模块、供电模块以及蓄电池。其中：

供电模块与蓄电池连接，供电模块与汽车的发电系统连接并为所述蓄电池充电；蓄电池与车内气体环境测量模块连接，车内气体环境测量模块与微控制器模块连接，微控制器模块与通信模块连接，通信模块与用户手机连接，微控制器模块与智能报警模块连接。

所述蓄电池作为备用电源在汽车的电控系统关闭后为所述控制器模块提供电源；

所述车内气体环境测量模块即为各类气体传感器，气体传感器选用的7NE系列智能传感器能感知多种气体浓度变化，而且具有电压和串口数据同时输出的特点，更加利于开发利用，同时减少采集多种气体而使用的传感器数量，节省车内空间。

所述微控制器模块包括所采用的STM32微处理器以及所连接的存储器，由于车内空气污染物检测装置采集的数据众多，采集系统选用高容量的CF卡存储数据，而STM32微处理器本身带有CF卡存储器扩展口，能够及时存储收集到的气体数据以及预存各种气体的标准值。

所述智能报警模块包括无线通讯模块及声光报警模块，智能报警模块使用SIM900A模块，以实现微控制器与用户手机之间的通信。微控制器模块将所述车内气体环境测量模块得到的参数与所述存储器内预先存储的标准值进行比较，并且基于比较结果控制所述无线通讯模块工作，将车内信息及时反馈给汽车车主，同时启动车内声光报警装置提醒车主。

整套装置在正常工作中，微控制器模块将从车内环境测量模块接收到的状态信息编制成短消息，并控制无线通讯模块连接GSM网络，发送该短信。同时，通过无线通讯模块正确接收汽车车主发来的查询短信，并给出正确应答，另外当气体浓度超标时会启动声光报警装置，将警情反馈给车主，从而实现对车内气体状况的实时监测与预警。

为达成上述目的，本发明所采取的技术方案为一种基于GSM通信技术的车内污染气体监测装置，该装置的实施包括以下步骤：

a.车内气体环境测量模块采集车内污染气体浓度信息，然后利用串口与控制器进行通信，串口通信协议采用MODBUS通讯协议，将气体浓度、气体名称、所用单位信息整合到一条数据帧并发送给微控制器模块进行处理；

b.微控制器模块按照通信协议对接收到的指令进行有效值的提取与计算，当浓度超过标准值时会启动声光报警装置，另外会将这些信息编制成短消息，通过无线通讯模块将预警信息发送到用户手机，方便在车内无人状况下进行监控；

c.无线通信模块作为智能报警模块中的一部分负责控制器模块与用户手机之间进行无线通信，用来当气体浓度超标时发送预警短消息同时接收用户手机发送的查询命令；

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明的气体监测预警装置综合一氧化碳、氮氧化物和甲醛三种因素对车内气体环境的影响，而非传统的单一因素，提高了预警信息的合理性与准确性；

(2)汽车在正常发动状态，通过USB接口连接汽车电脑系统为装置供电和为蓄电池充电，当汽车停止发动后，蓄电池能够继续为装置进行供电，使整套装置可以持续使用；

(3)本发明中气体监测结果不仅会以报警装置的鸣响与闪烁来提醒车主，另外还会以短消息方式发送到用户手机，GSM模块负责GSM网络的接入。发送短消息时，首先对短消息进行编码，然后将AT指令发送到GSM模块，得到确认回复后，再向GSM模块发送出编码好的短信。而采用短消息作为监控的方式，好处在于对于郊外无Internet网络覆盖地区也能够进行实时监控；

(4)本发明的气体检测预警装置体积小，对于汽车内部有限的可利用空间来说，是极其有利的，节省空间。

附图说明

图1为本发明所涉及的系统组成原理图；

图2为本发明所涉及的读取一氧化碳浓度方法的描述图；

图3为本发明所涉及的读取氮氧化物浓度方法的描述图；

图4为本发明所涉及的读取甲醛浓度方法的描述图；

图5为本发明所涉及的系统主程序流程图；

图6为本发明所涉及的短信接收模块流程图；

图7为本发明所涉及的数据接收模块流程图；

图8为本发明所涉及的短信发送模块流程图；

图9为本发明所涉及的系统实施流程图。

具体实施方式

下面结合附图对发明具体实施方式进一步说明:

一种基于GSM通信技术的车内污染气体监测装置，该监测装置包括微控制器模块、车内气体环境测量模块、智能报警模块以及供电模块四部分。各部分之间的连接关系以及原理图如附图1所示。

监测装置的硬件设计包含四部分，分别为微控制器最小系统的电路设计、车内气体环境测量模块电路设计、串口通信电路设计与智能报警电路设计。下面针对每一部分电路设计做详细说明：

1、控制器最小系统电路

微控制器模块是整套装置的核心，其主控芯片采用的是基于ARM Cortex-M3内核的STM32F107VCT6芯片，主频72MHz,内部含有256K字节的FLASH和64K的SRAM，具备2个RS-232/485/串口,2个USB接口及用于数据存储扩充的SD卡接口，另外处理器还拥有8个DI/DO通道，可以十分便捷的用来处理I/O端口的事件。

控制器模块所采用的32位嵌入式处理器如果想要能够正常工作，最小系统电路是必不可少，共分成4个部分：电源电路、晶振电路、复位电路与JTAG调试下载电路，以下进行逐一说明。

(1)电源电路：整套装置的电力来源于车辆蓄电池，而车辆的蓄电池电压为12V，芯片的供电电压为2.0V至3.6V，所以首先由开关电源芯片LM2576将12V电压转为5V，然后选用SPX1117-3.3芯片将外部供电直流5V转换为处理器所需的直流供电电压3.3V。另外选用两个10uf/35V电容来提高系统电压的转换精度。除此之外，在靠近电源引脚的位置增加电容用来储能，以防在处理器在电压瞬间跌落时可以保证电压在正常范围之内。

(2)晶振电路：STM32芯片内部已经包含了8MHz高速RC震荡电路，但是达不到很高的精准度要求，所以在外部增加25MHz晶振电路，为系统工作提供可靠的时序基准。

(3)复位电路：所选用芯片内部已经集成有上电复位与电压检测复位电路，另外增加手动复位电路。手动复位电路需要人为在复位输入端RST上加一个高电平，也就是在RST端和正电源Vcc之间接一个按钮，当人为按下按钮时，则Vcc的+5V电平就会直接加到RST端。之所以设计手动复位电路是考虑到芯片的BOOT0和BOOT1的影响，用户选择从用户闪存启动，这是正常的工作模式。

(4)JTAG调试下载电路：JTAG(Joint Test Action Group：联合测试行动小组)是一种国际标准测试协议，最初用来进行芯片测试，基本原理是在器件内部定义一个测试访问的接口，通过专用的JTAG测试工具对内部节点进行测试。标准的JTAG接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。本装置增加了一个TRST复位接口，这5个接口分别对应芯片的PA14、PA15、PB3、PA13、PB4等接口，然后选择引脚复用功能和映射功能，芯片引脚连接JTAG的引脚必须加上拉电阻。

当满足以上四部分电路的要求后，芯片最小系统在上电后就可以正常运行，接下来需要拓展芯片的数据处理与接收发送数据功能。

2、车内气体环境测量模块电路

车内污染气体浓度信息由传感器获取，而传感器的输出都是微小的模拟信号，为了提取到有用信息需要设计相应的调理电路从而获取到有用的数字信息，并且为了提高获取的模拟信号的精确度，消除前后级电路之间的影响，需要设计电压跟随等信号处理电路。但本装置采用的7NE/SO₂-2000智能传感器是采用了MODBUS RTU协议的RS-485输出模块，它将采集到的气体浓度值转换成RS485信号，以串行数据帧的方式输出，这样方便用户调试及使用，同时解决了气体探测种类繁多、各品种传感器互不兼容、生产标定复杂等问题，这样就能够减少传感器个数同时节省了车内空间。采用这种智能传感器进行装置的开发即可快速响应用户对不同气体种类探测的要求，而且无需重新标定。另外选取串行数据作为输出方式省去了信号调理电路的设计，十分方便。

7NE传感器有7个引脚，分别是定位引脚(悬空)、VCC(+5V/+24V电源输入)、GND(地)、VOUT(电压/电流信号输出)、RXD(传感器串口接收脚)、TXD(传感器串口发送脚)、RDE(串口输出控制脚，接485置低发送)。本装置采用的输出方式为串行数据输出，传感器是RS485通信方式，所以将RDE引脚置低，由此设置输出信号为串行数据帧。而传感器串口接收引脚RXD与控制器模块的发送引脚TXD连接，传感器串口发送引脚TXD与控制器模块的接收引脚RXD相连；传感器的输出并不是模拟信号，所以VOUT引脚悬空不使用。

3、串口通信电路

控制器芯片支持所使用传感器的RS485通讯方式，并且提供5路串口，所以选用MAX485芯片作为电平转换芯片来实现传感器与控制器之间的通讯，协议选用MODBUS通讯协议。MAX485接口芯片采用单一电源+5V工作，采用半双工通讯方式，它完成将TTL电平转换为RS-485电平的功能。

芯片有8个引脚，内部含有驱动器与接收器。RO和DI端分别为接收器的输出和驱动器的输入端，与控制器相连时只需要分别于控制器的RXD和TXD相连即可；/RE和DE端分别为接收和发送的使能端，当/RE为逻辑0时，器件属于接收状态；当DE为逻辑1时，器件属于发送状态，因为MAX485工作在半双工状态，所以只需要控制器的一个管脚控制这两个引脚即可；A端和B端分别为接收和发送的差分信号端，当A引脚的电平高于B时，代表发送的数据为1；当A引脚的电平低于B端时，代表发送的数据为0。在于单片机连接时连线比较简单。只需一个信号控制MAX485的接收和发送即可，同时将A和B端之间加匹配电阻即可。

4、智能报警模块电路

为了确保当车内污染气体浓度超标时能够及时提醒车内人员，本装置的报警装置由发光二极管、蜂鸣器、GSM模块提供功能组成。首先利用LED指示灯与蜂鸣器连接组成一种声光报警装置：选用红、黄、蓝三种颜色的LED指示灯分别代表一氧化碳、氮氧化物、甲醛三种气体，当三种气体中的一种气体浓度超标时，相对应的LED指示灯被点亮，并且启动蜂鸣器报警。LED指示灯直接与控制器的I/O口相连，当车内某种气体浓度超标时，I/O口输出低电平，二极管导通，相应指示灯被点亮。另外选择NPN型三极管8050驱动蜂鸣器，输入Beep电平为高电平时，三极管导通，蜂鸣器鸣叫发出警报。Beep端电平为低电平时，三级管为截止状态，蜂鸣器不再鸣叫。

当车内气体浓度超标时不仅车内声光报警装置会开始工作，而且还会把车内状况以短信方式告知车主，这种方式对于在车内无人而车内空气污染状况严重的情况下同样可以进行监测是十分有意义的，方便车主返回车中立即采取措施改善车内空气质量，同时用户还可以通过发送相应短信随时查询车内空气质量状况。为了实现以上功能，三种气体的监测采用SIM900A无线通讯模块，通过串口与控制器进行数据、指令、信息的传输。

SIM900A模块在GSM移动通信系统公用网的覆盖下通过串口完成与控制器模块之间的数据、指令传输。该模块内嵌TCP/IP协议，同时也拥有AT指令集接口，支持文本和PDU模式的短消息功能。而且对SIM900A模块通信的控制通过软件来实现，这样避免了过多硬件信号的检测。

在进行串口设计时，虽然SIM900A模块串口管脚的工作电平是CMOS电平，控制器串口管脚的工作电平是TTL电平，但控制器的高低电平的逻辑判断电平可以实现SIM900A的管脚进行连接，因此直接将SIM900A模块的串口线与控制器模块的串口线进行连接即可。SIM900A模块的NETLIGHT管脚连接一个指示灯用来指示GSM模块的工作状态。

在用控制器模块控制SIM900A实现发送短信收发功能首先通过PC机进行调试，将SIM900A的接收、发送引脚分别与USB-TTL模块的发送、接收引脚相连，+5V供电电压，利用sscom串口调试助手软件进行调试。

首先判断模块能否正常工作，通过直接向模块内拨打电话，如果电话能打通，则说明模块正常工作。使用软件之前，确定COM口，确定后打开软件，设置波特率为9600，勾选发送新行，然后输入第一条指令AT，此处的第一条指令AT必须要大写，如果界面回复OK，则证明握手成功，可以继续向下进行，发送其他指令。

首先发送“AT+CMGF＝1”,设置短消息格式为TEXT模式，回复OK；然后继续发送“AT+CMGS＝’短信接收方号码’”，界面此时会回复>；然后编写短信内容，只限于字母与数字，界面回复>；最后发送十六进制的“1A”，界面回复+CMGS:X OK，即可收到短信。

以上过程调试成功之后只需编写控制器模块的串口程序，加上所需要的AT指令即可实现短消息的发送接收功能。

一种基于GSM通信技术的车内污染气体监测装置，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，车内环境气体测量模块即7NE传感器通过物理特性感知车内污染气体浓度变化，将得到的电信号以TTL串行数据帧的形式传输到控制器模块。通信采用异步串行方式，数据传输速率为9600bps，含有1个起始位，8个数据位，1个停止位，1个校验位，1个停止位。校验的作用范围包括校验字节之前的所有字节，其值为这些字节间的异或结果。

步骤二，控制器模块向气体测量模块发送“命令帧”，然后传感器返回一条“应答帧”，控制器接收到应答帧后对数据块进行计算，数据块即本数据帧所附带的与命令字相关的参数或数据。然后将解析完的数据通过无线通讯模块发送到用户手机。

以一氧化碳为例，根据串口通信协议，按照附图2的数据读取方法即可得到一氧化碳的浓度值。其数值由两个字节决定，分别为气体浓度高位x₁和气体浓度低位x₂，而且在指令中都以16进制表示，所以在计算浓度时需要高位乘以256(即16进制的100)再与低位相加，计算方法表述如下：

y＝(x1*0x100+x2)

氮氧化物与甲醛的浓度读取方法与一氧化碳相似，其串口传输指令格式如图3与图4所示，区分两种气体在于代表气体名称所占字节的内容，当这个字节为0x17时代表氮氧化物浓度，当它为0x22时则为甲醛浓度。气体浓度单位所占字节统一为0x02，即为ppm。

步骤三，当气体浓度超标时，利用GSM模块将控制器模块处理分析好的气体浓度数据以短信方式发送到车主手机上同时启动声光报警装置。采用的短信报警方式是利用SIM900A模块来实现，AT命令集是实现无线传输模块和选定移动设备之间通信的桥梁，单片机通过串口向SIM900A模块发送相应的AT指令来控制移动设备的功能，与GSM网络业务进行交互。现有无线Modem都支持GSM07.05规定的AT指令集。该指令集包括了对SMS的控制，与本相关的AT指令主要有：

(1)短消息发送指令：AT+CMGS

具体的指令格式如下：

AT+CMGS＝？此条指令为测试命令，响应为OK。

AT+CMGS＝<da>[,<toda>]<CR>text is entered<ctrl-Z/ESC>

该条命令主要用于短消息的发送，它不仅提供TEXT形式的短信发送，也能提供PDU格式的短信发送，这由CMGF指令来设置，并且还提供测试指令。本装置短消息内容不涉及到中文，所以采用TEXT模式，编码相对简单。如果发送成功，则响应为：+CMGS:<mr>；如果发送失败，则响应为：+CMS ERROR:<err>。在该条指令中，<da>为字符串形式的目的地址，即接收短消息的手机号码，它的类型由<toda>来确定。<toda>为地址类型识别号，当<da>的首字符为+时，<toda>的值为整数值145，即国际号码类型；否则<toda>的值为整数值129，即未知类型。该条指令在设定完参数后，以回车符号结束，然后输入短消息的内容，并以字符“CTRL-Z”结束。如果取消发送，则以字符“ESC”结束。如果发送成功，则返回服务中心的时间戳。如果发送不成功，则返回错误信息。

(2)删除短消息指令：AT+CMGD

具体的指令格式如下：

AT+CMGD＝？此条指令为测试命令，响应为OK。

AT+CMGD＝<index>[,<deflag>]

该条指令用于短消息的删除，因为手机内存或者SIM卡的内存是有限的，因此需要删除已读的短消息。<index>指关联存储器支持的地址编号范围内取值；当<delflag>的值为0时，即删除指定位置号码为<index>的短消息。如果删除成功，则响应为OK；如果删除失败，则响应为+CMS ERROR:<err>。

(3)选择短消息格式指令：AT+CMGF

具体的指令格式如下：

AT+CMGF＝[<mode>]

该条指令用于设置指定短消息的输入与发送格式，当<mode>的值设置为0时，则为PDU模式；如果将<mode>的值设为1，则为TEXT文本格式。设置完成后，操作成功其响应为OK。本装置在TEXT模式下即可完成设计要求，所以将其值设置为1。

(4)短信中心设置指令：AT+CSCA

具体的指令格式如下：

AT+CSCA＝<sca>[,<tosca>]

该条指令用于设置短信中心，如果操作成功，则响应为+CSCA：<sca><tosca>OK。响应中的<sca>为短信中心的地址；<tosca>为服务中心地址格式。如果错误则返回：+CME ERROR:<err>。

短信报警过程采取模块化与结构化的编程理念，采用C语言进行编程，通过对各模块的控制协调工作来实现预期功能。程序开始后，关闭总中断再开启，然后对各模块进行初始化，关闭数据接收中断，将各数据接收数组清零，之后判断是否执行中断，产生中断后即转入中断执行程序，主流程图如附图5所示。

其中如果进入短信接收中断，会将收到的字符串存入数组，然后判断数据是否接收完整，随后根据返回值判断是否接收到消息，如果接收到则打开数据接收中断并关闭SIM卡短信接收中断，跳出。短信接收模块的流程图如附图6所示。

进入到数据接收中断，将接收到的数据存入数组，然后判断数据接收是否完整，然后将数据的高低字节存入数组，最后将短信发送标志位置为1，完成数据接收并允许将短信发送到用户手机。数据接收模块的流程图如附图7所示。

另外，用户还可以通过发送指令来控制实现一次数据采集，首先判断发送标志位count_send是否为1，当发送标志位为1时，将字符格式设置为GSM格式，设置短信中心号码为用户手机号码，设置文本格式为文本(TEXT)格式，然后编辑短信发送内容，用AT指令完成短信发送，实现预期的功能。其流程图如附图8所示。

本发明整个系统实施的过程如附图9所示。