基于STM32F103C8T6的智能車載安全系統(tǒng)設(shè)計*

呂 楊, 安厚儒, 李蓓茹, 孫 壬, 張富春, 楊延寧

(延安大學 物理與電子信息學院,陜西 延安 716000)

0 引 言

現(xiàn)如今沒有完善的智能車載安全系統(tǒng)[1],各方面的外在因素導(dǎo)致交通事故高發(fā)和大量人員的傷亡，駕車及乘車人員的舒適度也得不到保障,老人、兒童因各種原因被留在車內(nèi)而受到傷害等。因此,本文設(shè)計了一種基于STM32F103C8T6的智能車載安全系統(tǒng)。系統(tǒng)采用軟件和硬件結(jié)合的方式,實現(xiàn)了精確的溫度、酒精以及光照強度檢測,凈化車內(nèi)氣體、智能化溫度控制、酒駕預(yù)警、夏日車內(nèi)溫度過高(有人員在內(nèi)時)安全預(yù)警、遠程的信息傳輸及控制等功能。用戶可在上車前通過SIM900A遠程控制車內(nèi)溫度,并且前置的隔熱降溫裝置能有效減少有害氣體產(chǎn)生及車內(nèi)部件老化問題,車內(nèi)控溫模塊能夠控溫和空氣凈化,當檢測到車內(nèi)溫度過高并有人員或動物在車內(nèi)時進行預(yù)警,在駕駛室的上方安裝MQ—3酒精傳感器與HC—SR501熱釋電紅外傳感器,實現(xiàn)精確的酒精濃度檢測并預(yù)警。

1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)采用STM32F103C8T6[2]作為主控芯片,硬件主要分為溫控模塊、安全預(yù)警模塊、溫度和酒精濃度檢測模塊[3]、SIM900A通信模塊。其中，溫控模塊包括隔熱降溫裝置(光敏傳感器與機械傳動裝置)和溫度檢測,溫控主要通過空氣壓縮、水霧化處理,實現(xiàn)降溫和空氣凈化。光照強度高并且檢測到車內(nèi)10～15 min沒有人員時,隔熱降溫裝置自動啟動。安全預(yù)警模塊和酒精檢測模塊為主控單片機(micro-programmed control unit,MCU)、檢測模塊、報警模塊。車內(nèi)溫度超過設(shè)置閾值且當有人員或動物在內(nèi)時進行系統(tǒng)和客戶端預(yù)警,設(shè)置HC—SR501熱釋電紅外傳感器與MQ—3酒精傳感器于駕駛室的上方,在駕駛員進入座位時即可開啟系統(tǒng),呼出的酒精蒸汽會向上流動,通過多次觸發(fā)檢測以減小誤差,指示燈和蜂鳴器進行預(yù)警。硬件和軟件通過SIM900A模塊進行位置的實時定位和信息的收發(fā),以實現(xiàn)遠距離通信及控制。硬件設(shè)計原理框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件設(shè)計原理框圖

1.1 電源模塊設(shè)計

供電部分采用USB進行系統(tǒng)供電,通過大容量的蓄電池以保證在汽車熄火時系統(tǒng)能繼續(xù)獨立工作。STM32的工作電壓為2.0～3.6 V,通信芯片SIM900A的工作電壓為3.1～4.6 V,為使模塊各個部分正常工作,必須對兩者進行分別供電,電源供電電路如圖2,為實現(xiàn)12～4 V的轉(zhuǎn)換,圖2中V12外接12 V電源,經(jīng)過電容器濾波后輸入到LM2576,R1、R2為分壓電阻器,D2亮起時,表示模塊正常供電。

圖2 電源模塊設(shè)計

1.2 檢測模塊與溫控模塊設(shè)計

檢測模塊與溫控模塊,主要由溫度檢測、酒精檢測、降溫模塊、隔熱降溫裝置和聲光報警構(gòu)成[4],硬件連線如圖3所示。

圖3 檢測模塊原理圖設(shè)計

1)溫度檢測與預(yù)警：DS18B20溫度傳感器[5]和HC—SR501熱釋電紅外傳感器[6],通過多次觸發(fā)溫度檢測和車內(nèi)人員信息,以實現(xiàn)更加準確的實時數(shù)據(jù)傳輸。當檢測溫度超過設(shè)置閾值并且有人員(老人、兒童)或動物在內(nèi)時進行預(yù)警以減少意外的發(fā)生。

2)酒精濃度精確檢測：首先檢測是否有人員在駕駛位,再進行酒精濃度檢測,酒精濃度檢測硬件連線如圖3。為了將酒精傳感器的微弱信號更好地采集,采用OPA2277PA增益芯片進行信號的放大,該芯片具有工作電壓范圍寬,高增益比的特點,放大信號后經(jīng)過TLC2543芯片進行模數(shù)轉(zhuǎn)換,然后通過PWM頻率判斷駕駛員是否酒駕[7],報警等級的劃分如表1所示。

表1 車輛駕駛員血液酒精含量閾值和報警等級劃分

3)溫控模塊的設(shè)計:隔熱降溫裝置包括材料的選取和傳動裝置的設(shè)計[8]。由表2遮陽材料的性質(zhì)對比,銀膠布具有導(dǎo)熱率低、反射率高、重量輕的特點,且成本與效益的比例高,因此選用銀膠布制作氣泡隔熱膜。為了更好地隔熱,在兩層銀膠布的中間采用多個氣泡分隔,形成隔熱層,達到更好的隔熱效果。

表2 遮陽材料性質(zhì)

隔熱降溫裝置機械零件組合圖如圖4所示,當HC—SR501檢測到車內(nèi)處于無人狀態(tài)并且光照強度高時,利用電機產(chǎn)生的動力克服碳纖線做功,使隔熱降溫及太陽能復(fù)合材料上升。當上升到頂部后,電機的限位開關(guān)被觸發(fā),在限位裝置的作用下停止工作。隔熱降溫及太陽能復(fù)合材料在自身重力、碳纖線拉力、電機張力下達到平衡,呈靜止狀態(tài)。

圖4 傳動裝置機械零件組合

1.3 通信模塊設(shè)計

STM32單片機與SIM900A模塊[9～11]數(shù)據(jù)通信的核心是,實現(xiàn)短信收發(fā)與數(shù)據(jù)傳輸兩大功能。單片機實時讀取當前溫度和車內(nèi)信息(光照強度、高溫有人員在內(nèi)等)并進行傳輸,在客戶端控制外圍電路打開或關(guān)閉各個模塊,提取當前檢測數(shù)據(jù),隔熱降溫裝置狀態(tài)信息編輯成Unicode碼,通過SIM900A使用PDU(中文短信)方式向目標手機發(fā)送短信。將當前終端系統(tǒng)環(huán)境溫度和工作狀態(tài)實時向用戶傳輸。首先單片機向SIM900A模塊發(fā)送指令A(yù)T+CMGF=0 (設(shè)置PDU模式),然后將要發(fā)送的中文短信進行PDU編碼并在終端系統(tǒng)發(fā)送中文短信,編碼格式如表3所示。

表3 PDU編碼格式說明

2 軟件設(shè)計

2.1 檢測與報警程序設(shè)計

在數(shù)據(jù)處理時,采用多個檢測模塊均勻分布以保證檢測的準確性,并將監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳,可遠程進行溫度控制(隔熱降溫裝置、控溫裝置)和危險預(yù)警,當達到條件時進行報警(系統(tǒng)聲光報警、用戶端報警)。程序中有兩處判斷,首先,判斷車內(nèi)是否有人員或動物在內(nèi),其次,判斷是否達到高溫閾值,報警并進行溫控,只有雙重條件滿足的情況下才能運行。

在檢測到駕駛位上有人員時,MQ—3傳感器進行酒精濃度檢測[12]。當濃度處于表1的等級2時進行聲光報警用于警示；當濃度處于等級3時聲光報警并向朋友及家人尋求幫助或者代駕服務(wù)。酒精檢測與報警程序程序邏輯設(shè)計如圖5所示。

圖5 溫度控制、酒精濃度檢測及報警程序邏輯

2.2 安裝與系統(tǒng)調(diào)試

系統(tǒng)的安裝,主要包括隔熱降溫裝置的安裝,將管狀電機與材料安裝在車體,材料通過可拆卸的限位裝置將安裝和拆卸變得簡易。系統(tǒng)的調(diào)試包括硬件調(diào)試和軟件調(diào)試,硬件調(diào)試主要包括OLED顯示的調(diào)試，降溫隔熱裝置和溫控模塊的調(diào)試，酒精檢測與預(yù)警模塊調(diào)試等,軟件調(diào)試包括裝置與通信模塊的聯(lián)合調(diào)試和數(shù)據(jù)傳輸控制調(diào)試。

1)OLED顯示的調(diào)試:在使用OLED進行顯示時,需要用到大小和分辨率不同的字。在寫入不同大小的字時，需要建立不同的字庫,采用不同的寫入函數(shù)來實現(xiàn)每行的寫入。例如：顯示分辨率為8×16的符號時,采用一次點亮一行中16個相應(yīng)的發(fā)光OLED,并重復(fù)8次點亮,得到相應(yīng)的字符顯示。

2)隔熱降溫裝置的調(diào)試:裝置的安裝,設(shè)計一個可任意拆卸、可容納柱狀電機的固定裝置和限位裝置。安裝成功后,選擇車外溫度最高的時間段,從15點開始測試,每隔15 min對車內(nèi)溫度(中控臺溫度、車內(nèi)空氣溫度)和車外溫度進行檢測。經(jīng)過測量,未安裝隔熱溫裝置的汽車經(jīng)過暴曬后開空調(diào)使溫度降至28 ℃所需的時間為13′04″；同樣條件下，安裝隔熱降溫裝置的汽車需時間7′34″溫度降至28 ℃。使用隔熱降溫裝置不僅有良好的隔熱效果,還能有效減少車內(nèi)有害氣體的產(chǎn)生。實驗結(jié)果曲線如圖6所示。

圖6 車內(nèi)空氣溫度與中控臺溫度變化曲線

3)高溫預(yù)警調(diào)試:通過多個HC—SR501熱釋電紅外傳感器多次觸發(fā)減小檢測誤差,當達到設(shè)置的溫度閾值時,觸發(fā)警報。

4)酒精濃度的檢測:STM32控制I/O口輸出PWM脈沖,后通過表1進行數(shù)據(jù)等級分類處理,并選擇響應(yīng)模式,劃分為3種模式,通過按鍵和手機端都可進行操作。

5)軟件調(diào)試:除開硬件的控制外,對于裝置與通信模塊的聯(lián)合調(diào)試。定義收發(fā)短信內(nèi)容及接收命令后,進行系統(tǒng)與用戶端的聯(lián)合調(diào)試,檢查系統(tǒng)各部分工作狀況。

3 結(jié) 論

設(shè)計了一種基于STM32的智能車載安全系統(tǒng)。主要從硬件和軟件兩個部分進行設(shè)計,系統(tǒng)可以實現(xiàn)高準確性數(shù)據(jù)采集、溫度控制、安全預(yù)警,使用隔熱降溫裝置降低能耗,有效減少有害氣體的產(chǎn)生,增加乘車的舒適性。推廣應(yīng)用后可有效提高人們的生活質(zhì)量和安全指數(shù)。本文還有一些工作有待進一步改進,后續(xù)將加入身體參數(shù)的檢測(血壓、心率、血氧等)以及APP智能車載安全系統(tǒng)[13],以形成一個完整的智能車載健康管理系統(tǒng),提高駕車安全和健康保障。