汽車安全預(yù)警裝置的設(shè)計與開發(fā)

劉亞萍，胥 穎，趙俊英，田飛艷

（興義民族師范學(xué)院 信息技術(shù)系，興義 562400）

隨著大數(shù)據(jù)和物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，市場也出現(xiàn)了各式各樣的汽車安全裝置[1]，但是都是相對比較傳統(tǒng)的汽車安全裝置，是側(cè)重于汽車的防盜報警方面，沒有針對防追尾[2]、防酒駕方面的預(yù)警提醒，不滿足當(dāng)下汽車的安全預(yù)警需求。本文針對這些方面設(shè)計了一個汽車安全預(yù)警裝置[3]，不僅有防碰撞模塊[4]、防追尾模塊[5]、防酒駕模塊、還有預(yù)警的聲光模塊和語音播報模塊。這樣的汽車安全預(yù)警裝置更能夠符合當(dāng)下的日常生活需要，能夠有效降低汽車交通事故發(fā)生的幾率。本文設(shè)計的汽車安全預(yù)警裝置處于仿真階段。

1 技術(shù)介紹

1.1 Arduino 技術(shù)介紹

Arduino 是一個簡單、靈活、易用的開放源碼的電子原型平臺。包括ArduinoIDE 的硬件（不同型號的Arduino 板）。在2005 年冬天，歐洲的開發(fā)小組開始研發(fā)。

它是建立在一個開源的簡單I/O 接口上的，它使用了類似Java、C 語言的流程/Wiring 的開發(fā)環(huán)境。主要包含2 個部分：硬件部分是Arduino 電路板，可以作為電路的接口；另外一個則是Arduino IDE，電腦上的程序開發(fā)環(huán)境。只需要在IDE 里寫代碼，然后把它上傳到Arduino 的線路板上，它就會告訴Arduino 電路板該怎么做。

Arduino 可以通過多種感應(yīng)器來感知環(huán)境，通過控制燈光，電機(jī)和其它設(shè)備來反饋和影響環(huán)境。該芯片采用Arduino 的編程語言，其編碼為二進(jìn)制，并將其寫入到微控制器中。Arduino 的程序設(shè)計是根據(jù)流程設(shè)計的Arduino（Wiring）和Arduino 開發(fā)環(huán)境。Arduino 的這個項目可能只包括Arduino，或者Arduino 以及其它在PC 上運(yùn)行的其它軟件，這些軟件可以通過Flash、Processing、MaxMSP 等來完成。

1.2 Arduino 平臺特點(diǎn)

（1）跨平臺

（2）簡單清晰

Arduino IDE 是以過程IDE 為基礎(chǔ)的。對新手而言，非常容易上手，并且具有很大的彈性。Arduino是一種以wiring 為基礎(chǔ)的語言，它是對avr-gcc 庫的二次包裝，它不需要很多單片機(jī)的基礎(chǔ)和編程基礎(chǔ)，只需要很短的時間就能完成。

（3）開放性

Arduino 的硬件結(jié)構(gòu)圖、電路圖、IDE 軟件和核心庫都是開放源碼的，在開放源碼的保護(hù)下，Arduino 可以隨意地修改原設(shè)計和相應(yīng)的代碼。

（4）發(fā)展迅速

Arduino 不僅是世界上最受歡迎的開放源碼硬件，同時也是一種很好的硬件開發(fā)平臺。Arduino 的開發(fā)方法很簡單，可以讓開發(fā)者更多的精力放在開發(fā)上，能夠更快地完成自己的項目，從而節(jié)省開發(fā)時間和學(xué)習(xí)時間。

由于Arduino 的諸多優(yōu)點(diǎn)，許多專業(yè)的硬件開發(fā)者都在或開始使用Arduino 進(jìn)行項目和產(chǎn)品的開發(fā)；隨著Arduino 的開發(fā)，硬件、物聯(lián)網(wǎng)等應(yīng)用軟件開發(fā)人員的數(shù)量也在不斷增加；在大學(xué)、自動化、軟件、美術(shù)等領(lǐng)域，都開設(shè)了Arduino 相關(guān)的課程。

高中語文教學(xué)不僅需要教授語文知識，還要積極地培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而達(dá)到思維能力的培養(yǎng)。但是，受到應(yīng)試教育的影響，很多教師在教學(xué)中采用填鴨式的教學(xué)方法進(jìn)行授課，學(xué)生只是一味地被動接受知識，缺乏主動思考的興趣，這極大地阻礙了學(xué)生語文思維能力的開發(fā)。語文思維對于語文學(xué)習(xí)來說是非常重要的，新課改背景下，高中語文教師要對培養(yǎng)學(xué)生的語文思維進(jìn)行深入探索。

1.3 Arduino 功能

通過將Arduino 與Adobe Flash、處理、Max/MSP、PureData、超級Collider 等軟件相結(jié)合，制作交互式的工作。Arduino 可以采用諸如開關(guān)或傳感器等已有的電子部件，LED、步進(jìn)電機(jī)或其它輸出設(shè)備。Arduino 還能夠獨(dú)立地工作并且能夠與諸如Adobe Flash、處理、Max/MSP、Pure 數(shù)據(jù)、VVVV 等軟件交互。Arduino 的IDE 接口是開源的，它可以自由地進(jìn)行下載，并能創(chuàng)造更多精彩的交互作品。

2 系統(tǒng)硬件介紹

2.1 超聲波傳感器

超聲傳感器是一種傳感器，該傳感器將超聲信號變換為其它能量信號，典型地為電子信號。超聲波是一種機(jī)械波，其振動頻率在20 kHz 以上。其特征是頻率高、波長短、繞射現(xiàn)象少，尤其是方向性好，能夠成為射線并定向傳播。超聲波穿透液體和固體的能力非常強(qiáng)，特別是在不透光的固體中。超聲波在接觸到雜質(zhì)或邊界時，會產(chǎn)生強(qiáng)烈的反射波，當(dāng)超聲波觸及運(yùn)動目標(biāo)時，會引起多普勒效應(yīng)。超聲波傳感器在工業(yè)、國防、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。

2.2 蜂鳴器

蜂鳴器是一種以直流電壓為動力的集成電子報警器，它被廣泛用于電子設(shè)備，如電腦、打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、報警器、電子玩具、汽車電子設(shè)備、電話機(jī)、定時器。蜂鳴器的種類有2 種，即壓電蜂鳴器和電磁蜂鳴器。在電路中，蜂鳴器的符號是“H”、“HA”。

2.3 MQ-3 酒精乙醇傳感器

MQ-3 型酒精乙醇傳感器采用二氧化錫（SnO2），其在潔凈的空氣中具有較低的導(dǎo)電能力。在酒精蒸汽中，隨著酒精氣體濃度的升高，傳感器的導(dǎo)電性能也隨之提高。利用一個簡單的電路，可以把電導(dǎo)率的改變轉(zhuǎn)化成相應(yīng)于氣體濃度的輸出信號。MQ-3型酒精感應(yīng)器對酒精有很高的敏感性，能有效抵抗汽油、煙霧、水蒸氣等。該傳感器能夠探測各種濃度的酒精氣體，是一種低成本的傳感器，適用于各種場合。

2.4 紅外測溫傳感器

紅外線溫度計是一種利用紅外線進(jìn)行測溫的儀器。在測溫技術(shù)中，選用紅外熱敏元件是很有必要的，不僅要用到點(diǎn)溫，還要用到大范圍的溫度。利用紅外溫度傳感器進(jìn)行溫度測量，不僅分辨率高，響應(yīng)速度快，而且不會干擾被測對象的溫度場，而且測量精度高、穩(wěn)定性好；此外，紅外熱敏元件品種繁多，發(fā)展迅速，技術(shù)較為成熟。

2.5 顏色識別傳感器

彩色感應(yīng)器，是一種通過將被測對象的顏色與先前所述的基準(zhǔn)色進(jìn)行對比來探測其顏色的傳感器，當(dāng)兩種顏色在某一誤差范圍內(nèi)一致時，就可以得到相應(yīng)的檢測結(jié)果。該模塊的基礎(chǔ)是AMS 的TCS3472XFN 彩色光數(shù)字轉(zhuǎn)換器為核心的顏色傳感器，傳感器提供紅色、綠色、藍(lán)色和清晰光感應(yīng)值的數(shù)字輸出。集成紅外阻擋濾光片可最大限度地減少入射光和紅外光譜成分，并可清晰地進(jìn)行顏色的測量。具有高靈敏度、寬動態(tài)范圍和紅外阻隔濾波器，最小化IR 和UV 分量效應(yīng)，以產(chǎn)生準(zhǔn)確的顏色測量，并且?guī)в协h(huán)境光強(qiáng)檢測和可屏蔽中斷，通過I2C 接口通信。

2.6 全彩rgb 圓形燈環(huán)模塊

全彩rgb 圓形燈環(huán)模塊負(fù)責(zé)將顏色識別傳感器識別的顏色顯示出來。16 個超明亮的智能LED NeoPiels 排列在一個68 mm 外徑的圓形PCB 上面。這些環(huán)型rgb 燈是可以通過輸出引腳級連接一個到另一個的輸入引腳的（DI-DO）。通過這種級聯(lián)的方式，只使用一個單片機(jī)引腳就可以控制盡可能多的LED 燈，每個LED 都集成了一顆芯片在里面，讓LED變得智能和可尋址。

2.7 語音合成模塊

UNV6288 是一款能夠?qū)⒅形?、英文和?shù)字語音進(jìn)行語音合成的高集成語音模塊，并支持自定義要求的用戶指令字或提示。本系統(tǒng)采用TTL 串口傳輸GBK 編碼，實(shí)現(xiàn)了傳輸?shù)墓δ堋４薪涌跒?.3 V，能與5 V、3.3 V 的主流單片機(jī)兼容。

支持中文、英文、數(shù)字混合。該模塊不僅支持中文的GBK 編碼集，還支持大小寫的英文字母。該模塊使用UART 通信方式UART 串口，支持9600 bit/s的傳輸，使用方便。支持狀態(tài)顯示使用者的控制器可以清晰地知道該模組是在合并或閑置。

3 需求分析

3.1 需求分析

當(dāng)下國家經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展，人民的生活水平不斷提高，國民更加追求生活的舒適度，人們在出行時追求更加快捷舒適的出行方式，汽車已經(jīng)成為必不可少的代步工具。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們的生活質(zhì)量也在不斷的提升，人們對居住環(huán)境的要求也越來越高，越來越多的人開始追求更快、更舒適的出行，汽車是一個大多數(shù)人的選擇。目前，我國私人小轎車數(shù)量正呈增長態(tài)勢，據(jù)大數(shù)據(jù)顯示，目前全國58 個城市擁有的機(jī)動車已逾百萬，7 個城市的機(jī)動車數(shù)量已突破了300 萬。近年來，由于汽車數(shù)量的迅速增加，導(dǎo)致了交通事故的頻發(fā)，每年因酒后駕車而造成的死亡人數(shù)約為10 萬，而且還在不斷增加。汽車在為人們提供方便的同時，也帶來了許多的安全問題。

安全事故中比例居高不下的是汽車追尾造成的交通事故，其次是酒駕造成的交通事故，為了避免追尾和酒駕的情況，減少道路交通安全事故的發(fā)生，本文設(shè)計了一個汽車安全預(yù)警裝置。

3.2 功能設(shè)計

汽車安全預(yù)警裝置由超聲波傳感器模塊、顏色識別傳感器模塊、紅外測溫傳感器模塊、酒精傳感器模塊、蜂鳴器模塊、全彩rgb 圓形燈環(huán)模塊、語音播報模塊、LED 燈以及Arduino 開發(fā)板組成，各個傳感器模塊分布在汽車的不同位置，不斷運(yùn)行得出各個傳感器的實(shí)時數(shù)據(jù)。

3.3 原理說明

汽車安全預(yù)警裝置具有使駕駛汽車更加安全的特點(diǎn)，在擁有這些功能的前提下，希望在減少交通事故發(fā)生的同時，給人們帶來更好地服務(wù)。本文通過3D Max 建模得出相應(yīng)的汽車模型，圖1、圖2、圖3和圖4 分別對應(yīng)汽車3D 模型的車頭部分、側(cè)面車身部分、車尾部分以及駕駛室駕駛員視角的部分，并且在圖中明確指出了不同傳感器模塊的具體位置，但是由于不同傳感器的形狀各異，于是在汽車3D模型中統(tǒng)一用長方形的盒子來代替不同的傳感器。

圖1 車頭3D 圖Fig.1 3D view of the front of car

圖2 車身3D 圖Fig.2 3D drawing of car body

圖3 車尾3D 圖Fig.3 3D view of rear of vehicle

圖4 駕駛室3D 圖Fig.4 3D view of cab

4 功能模塊設(shè)計

4.1 防碰撞模塊

防碰撞模塊是一個超聲波傳感器和一個蜂鳴器組成的，超聲波傳感器模塊放置在車頭位置，實(shí)時測量得出與前車的車距，不斷將得出的數(shù)據(jù)與代碼中設(shè)置的閾值比較，一旦小于所設(shè)定的閾值，觸發(fā)駕駛室位置的蜂鳴器示警，提醒駕駛員及時做出反應(yīng)，與前車?yán)_車距，保持一個安全的行車距離。防碰撞模塊架構(gòu)圖如圖5 所示。

圖5 防碰撞模塊架構(gòu)圖Fig.5 Architecture diagram of anti-collision module

4.2 防追尾模塊

防追尾模塊是由一個超聲波傳感器和一個紅色LED 燈組成，超聲波傳感器模塊放置在車尾的位置，同樣通過實(shí)時測量得出本車與后車車距的數(shù)據(jù)，將得出的數(shù)據(jù)與設(shè)置的閾值不斷比較，一旦小于所設(shè)定的閾值，觸發(fā)放置在車尾的紅色LED 燈亮起示警，提示后車駕駛員與本車的車距小于安全車距，超聲波模塊和相應(yīng)的示警模塊有效預(yù)防追尾。防追尾模塊架構(gòu)圖如圖6 所示。

圖6 防追尾模塊架構(gòu)圖Fig.6 Architecture diagram of anti-rear-end module

4.3 防酒駕模塊

如果司機(jī)醉酒駕駛，則可以通過汽車安全預(yù)警裝置的防酒駕模塊來判斷司機(jī)是否喝酒，該傳感器模塊的位置在駕駛室。若是駕駛員酒后駕車，會觸發(fā)安放在駕駛室的語音播報模塊示警，語音播報模塊將播報“請勿酒后駕車！”，防酒駕模塊在一定程度上有效預(yù)防酒駕。防酒駕模塊架構(gòu)圖如圖7 所示。

圖7 防酒駕模塊架構(gòu)圖Fig.7 Architecture diagram of anti-drunk driving module

5 總體設(shè)計

5.1 汽車安全預(yù)警裝置的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)

汽車安全預(yù)警裝置中有超聲波傳感器、酒精傳感器、顏色識別傳感器、紅外測溫傳感器、蜂鳴器、全彩rgb 圓形燈環(huán)模塊等元器件。各傳感器和元器件通過Arduino 聯(lián)通進(jìn)行工作，可以在串口顯示輸出相應(yīng)的數(shù)據(jù)，為節(jié)省裝置開發(fā)成本，也避免駕駛員分心，裝置本身未聯(lián)接顯示屏，而是為各個傳感器設(shè)定閾值，一旦測量的數(shù)據(jù)高于或低于所設(shè)定的閾值，就觸發(fā)相應(yīng)的預(yù)警模塊。各傳感器相互協(xié)作，駕駛員可以通過各傳感器模塊的反饋及時做出相應(yīng)的調(diào)整，保證駕駛員有一個安全的行車環(huán)境。

5.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

汽車安全預(yù)警裝置的系統(tǒng)總體架構(gòu)由3 部分構(gòu)成：信息采集模塊、中央控制單元和預(yù)警處理，如圖8 所示。

圖8 系統(tǒng)總體架構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of overall system architecture

6 結(jié)語

本文著重介紹了汽車主動安全預(yù)警系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的實(shí)際功能與技術(shù)。設(shè)計的汽車安全預(yù)警裝置具有防追尾、防酒駕、各傳感器相關(guān)預(yù)警提示等功能，為駕駛員提供一個智能化的駕駛環(huán)境，進(jìn)一步保障汽車的行駛安全。后期將在已有的功能基礎(chǔ)之上，不斷完善相關(guān)的功能，使汽車安全預(yù)警裝置更加有效保障駕駛員和乘客的人身安全。希望本文能對有關(guān)車輛安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計和實(shí)施有一定的借鑒意義。