基于STM32 的野外車(chē)載智能設(shè)備的設(shè)計(jì)*

李明進(jìn)潘天昊

(電子科技大學(xué)成都學(xué)院，四川 成都 611731)

據(jù)調(diào)查，隨著生活質(zhì)量的提高與健康的需求，越來(lái)越多的人開(kāi)始傾向于野外駕車(chē)出行。在野外行車(chē)中，由于當(dāng)前現(xiàn)有車(chē)載設(shè)備大多傾向于對(duì)車(chē)輛本身信息的反饋，對(duì)于行車(chē)者愛(ài)好者獲取野外實(shí)時(shí)信息是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的，而野外行車(chē)方向、溫濕度變化、海拔氣壓變化、路況的抖動(dòng)傾斜等這些綜合信息對(duì)于野外出行愛(ài)好者尤為的重要，特別是在廣袤無(wú)人的山地、雨林及高原地區(qū)，對(duì)提供行車(chē)是否安全、當(dāng)前是否適合露宿、是否適合繼續(xù)行車(chē)等反饋具有迫切的需求，有利于提供安全的行車(chē)決策。本車(chē)載智能設(shè)備基于STM32 設(shè)計(jì)出一種便攜式車(chē)載設(shè)備，通過(guò)實(shí)時(shí)采集并處理行車(chē)狀態(tài)和當(dāng)前環(huán)境信息，智能地為野外行車(chē)者提供實(shí)時(shí)決策反饋。并且考慮到因?yàn)椴榭葱畔?dǎo)致的行車(chē)安全問(wèn)題，本車(chē)載智能設(shè)備采用了語(yǔ)音報(bào)警和實(shí)用創(chuàng)意的投影模式，把原本需要低頭察看的數(shù)據(jù)信息投射在擋風(fēng)玻璃上，提高了行車(chē)的安全性。

1 車(chē)載智能設(shè)備的功能設(shè)計(jì)

車(chē)載智能設(shè)備選用STM32F 系列單片機(jī)為微控制器(Microcontroller Unit，MCU)，設(shè)計(jì)可實(shí)現(xiàn)以下功能:

(1)在車(chē)身上設(shè)置氣壓感器，實(shí)時(shí)測(cè)得車(chē)輛所處位置的氣壓信息，同時(shí)轉(zhuǎn)換成對(duì)應(yīng)的海拔信息，并將信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)送給顯示屏處理器，處理器根據(jù)氣壓和海拔變化值智能地進(jìn)行對(duì)比計(jì)算，對(duì)于影響安全行駛氣壓或海拔提供安全建議，如提醒車(chē)主注意高原反應(yīng)或者缺氧保護(hù)等；

(2)在車(chē)身上設(shè)置溫濕度傳感器，將溫濕度信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳輸模塊發(fā)送給顯示屏處理器進(jìn)行呈現(xiàn)，并智能對(duì)比計(jì)算不同溫濕度的人室內(nèi)舒適度，通過(guò)語(yǔ)音提示行車(chē)者調(diào)整車(chē)內(nèi)溫濕度、自行增減衣物等。

(3)在車(chē)身設(shè)置地磁以及加速度傳感器，利用獲取到的信息分析車(chē)輛運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，以及作為一個(gè)指南針的功能提醒車(chē)主實(shí)時(shí)行駛方向的準(zhǔn)確度。

(4)配置藍(lán)牙模塊以控制整個(gè)系統(tǒng)內(nèi)傳感器的啟動(dòng)以及顯示屏連接功能，休眠中的傳感器模塊檢測(cè)到由藍(lán)牙發(fā)來(lái)的喚醒信號(hào)后，可在短時(shí)間內(nèi)完成啟動(dòng)并開(kāi)始尋找可用的顯示設(shè)備，在獲得連接成功信息響應(yīng)后，向顯示屏發(fā)送處理好的數(shù)據(jù)。

車(chē)載智能設(shè)備的原理結(jié)構(gòu)圖如圖1 所示。

圖1 車(chē)載智能設(shè)備的原理結(jié)構(gòu)圖

2 車(chē)載智能設(shè)備的硬件設(shè)計(jì)

2.1 微處理器

在本文設(shè)計(jì)的車(chē)載智能設(shè)備中，選用了既易于處理傳感器組信息又性?xún)r(jià)比較好的STM3210x 系列開(kāi)發(fā)板，該開(kāi)發(fā)板具有較低的系統(tǒng)功耗、可供選擇的引腳數(shù)目，價(jià)格便宜，既能滿(mǎn)足需要，又能降低成本[1]。

2.2 傳感器模塊設(shè)計(jì)

傳感器模塊是本系統(tǒng)獲取基礎(chǔ)信息的核心部件，它基于開(kāi)源實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)uCOS Ⅲ開(kāi)發(fā)，由獨(dú)立的內(nèi)置電池供電，通過(guò)2.4 G 無(wú)線(xiàn)與其他模塊構(gòu)成連接，可以放在車(chē)輛的任意角落而不占據(jù)主要空間。傳感器模塊主要負(fù)責(zé)識(shí)別已連接的傳感器類(lèi)型和傳感器發(fā)送回的信息，由傳感器模塊內(nèi)的單片機(jī)完成協(xié)調(diào)處理后，通過(guò)無(wú)線(xiàn)方式發(fā)送至顯示屏。目前設(shè)計(jì)可連接的傳感器主要有溫度傳感器、濕度傳感器、加速度傳感器、氣壓計(jì)、磁羅盤(pán)等[2]。

（196）平叉苔 Metzgeria conjugata Lindb. 劉勝祥等（1999）；彭丹等（2002）；楊志平（2006）；馬俊改（2006）；項(xiàng)俊等（2006）；李粉霞等（2011）；余夏君等（2018）

2.2.1 濕度傳感器

DHT11 是一款混合型高性能傳感器，因?yàn)槊恳粋€(gè)傳感器都經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行精確的校準(zhǔn)，在內(nèi)部存有專(zhuān)門(mén)的精準(zhǔn)的濕度校準(zhǔn)系數(shù)，野外車(chē)載智能設(shè)備能夠準(zhǔn)確地獲取濕度數(shù)據(jù)，并能確保獲取的數(shù)據(jù)具有很高的可靠性，同時(shí)利用STM32 的性能，能夠及時(shí)快速地反映環(huán)境的變化，擁有以下優(yōu)點(diǎn):品質(zhì)卓越、超快響應(yīng)、抗干擾能力強(qiáng)、性?xún)r(jià)比極高等[3]。

引腳圖如圖2 所示，電路圖如圖3 所示。

圖2 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器引腳

圖3 DHT11 數(shù)字溫濕度傳感器電路圖

2.2.2 溫度傳感器

車(chē)載智能設(shè)備傳感器組選取了溫度響應(yīng)敏感度比較高的DS18B20 數(shù)字溫度傳感器，其輸出的是數(shù)字信號(hào)，具有體積小、硬件開(kāi)銷(xiāo)低、抗干擾能力強(qiáng)、精度高的特點(diǎn)，根據(jù)不同的應(yīng)用有不同的封裝方式，適合不同的場(chǎng)合，使用非常方便[4]。

引腳圖原理圖如圖4 和圖5 所示。

圖4 DS18B20 溫度傳感器引腳

圖5 DS18B20 溫度傳感器電路圖

2.2.3 加速度傳感器

車(chē)載智能設(shè)備加速度傳感器選用精度較高的LSM6DSM 來(lái)增強(qiáng)用戶(hù)體驗(yàn)，LSM6DSM 傳感器相對(duì)之前的產(chǎn)品提高升了壓陀螺儀精度，針對(duì)攝像頭OIS 采用了專(zhuān)門(mén)的附加處理和串行端口，陀螺儀的噪聲降低了40%，并且采用了可配置率的濾波器，這兩個(gè)特性使現(xiàn)有器件(LSM6DS3H)的攝像頭OIS 性能得以提升，相比使用分立式OIS 傳感器的解決方案，LSM6DSM 不僅僅元件少，占據(jù)板空間也小[5]。

LSM6DSM 支持較多的常見(jiàn)功能包括光學(xué)防抖(OIS)、視覺(jué)定位檢測(cè)和手勢(shì)識(shí)別，而且還集成了加速計(jì)驅(qū)動(dòng)型步伐檢測(cè)、步伐計(jì)數(shù)和計(jì)步器，以及傾斜和大幅度運(yùn)動(dòng)檢測(cè)，相對(duì)容易進(jìn)行應(yīng)用開(kāi)發(fā)。對(duì)于車(chē)載智能設(shè)備來(lái)說(shuō)，不但可以提供越野車(chē)愛(ài)好者一些驚險(xiǎn)刺激路段的汽車(chē)抖動(dòng)程度和運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，還可以為普通出行者提供危險(xiǎn)路段的安全駕駛建議。

LSM6DSM 原理圖如圖6 所示。

圖6 LSM6DSM 原理圖

2.2.4 氣壓計(jì)

為了獲得良好的體驗(yàn)，車(chē)載智能設(shè)備要獲取氣壓或者海拔的高度，根據(jù)海拔的變化情況提供行車(chē)的安全建議。在測(cè)量海拔高度時(shí)，通常我們的做法是通過(guò)測(cè)量某一高度的大氣壓力，再經(jīng)過(guò)一系列的轉(zhuǎn)換計(jì)算才能得到高度數(shù)據(jù)。傳感器組選取BMP180 作為獲取氣壓的組件，它具有IIC 總線(xiàn)的接口，使用很方便，不需要太多的操作就可讀取到氣壓及測(cè)量數(shù)據(jù)，便于單片機(jī)進(jìn)行訪(fǎng)問(wèn)，其中BMP180 的工作電壓為1.8 V～3.6 V，典型工作電壓為2.5 V[6]。原理圖如圖7 所示。

圖7 氣壓傳感器模塊原理圖

2.2.5 磁羅盤(pán)

傳統(tǒng)羅盤(pán)是利用地球的磁場(chǎng)感應(yīng)來(lái)工作的，通過(guò)地球磁場(chǎng)與磁針之間的地磁感應(yīng)來(lái)幫助磁針轉(zhuǎn)動(dòng)，磁針在受到磁力的作用下分別指向地球的磁南極與磁北極。電子羅盤(pán)也一樣，只不過(guò)把磁針換成了磁阻傳感器，然后將感受到的地磁信息轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)輸出給用戶(hù)使用；供電電源:3 V～5 V；通信方式:IIC 通信協(xié)議；測(cè)試范圍:±1.3～8 高斯[7]。

車(chē)載電子羅盤(pán)PCB 設(shè)計(jì)圖如圖8 所示。

圖8 車(chē)載電子羅盤(pán)PCB 設(shè)計(jì)圖

2.3 顯示屏模塊

顯示屏部分同樣為電池供電，基于emWin 實(shí)時(shí)圖形系統(tǒng)開(kāi)發(fā)，它的主要功能是將傳感器發(fā)送來(lái)的信息行投影顯示[8]；藍(lán)牙OBD 為市售標(biāo)準(zhǔn)模塊，用于和汽車(chē)通訊。emWin 設(shè)計(jì)如圖9 所示。

圖9 emWin 設(shè)計(jì)圖

2.4 無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議

本無(wú)線(xiàn)通信協(xié)議是利用基于NRF24L01+/2.4GHZ RF 自主研發(fā)的內(nèi)部定義的通信協(xié)議，它可以近距離高效快速地進(jìn)行顯示屏和傳感器的連接，并具有快速建立連接并檢測(cè)頻道占用情況，自行約定分配合適的頻道和速率，并對(duì)通信數(shù)據(jù)進(jìn)行密鑰校驗(yàn)，防止數(shù)據(jù)因?yàn)椴煌M設(shè)備間沒(méi)有統(tǒng)一協(xié)調(diào)頻率分配等問(wèn)題產(chǎn)生干擾和其他設(shè)備劫持本組設(shè)備通信問(wèn)題的特性。因?yàn)镹RF 本身的特性，它還具有低功耗、低延時(shí)、自動(dòng)糾錯(cuò)、自動(dòng)調(diào)頻以及對(duì)碼等特點(diǎn)[9]。如果通信組任何一個(gè)設(shè)備斷開(kāi)連接、遠(yuǎn)離通訊組或者關(guān)閉電源，如顯示屏，另一個(gè)設(shè)備(如傳感器模塊)會(huì)嘗試重新取得連接直至失敗[10]，通訊會(huì)斷開(kāi)并進(jìn)入低功耗的休眠狀態(tài)，直到另一個(gè)設(shè)備重新開(kāi)機(jī)或接近。

3 軟件設(shè)計(jì)

車(chē)載智能設(shè)備軟件開(kāi)發(fā)借助了keil5 強(qiáng)大的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境[11]，并使用C 語(yǔ)言完成整個(gè)功能和通信的代碼編寫(xiě)。軟件設(shè)計(jì)使用了模塊化的設(shè)計(jì)，每一個(gè)模塊負(fù)責(zé)一個(gè)子功能，完成相應(yīng)的功能處理，除了包括氣壓海拔子模塊、加速度子模塊、溫濕度模塊等傳感器子模塊外，還包括無(wú)線(xiàn)收發(fā)模組模塊、顯示屏和藍(lán)牙模塊。主框架程序負(fù)責(zé)完成整個(gè)調(diào)度，并根據(jù)各個(gè)傳感器子模塊的反饋信息進(jìn)行智能計(jì)算，控制顯示屏模塊顯示或者語(yǔ)音模塊進(jìn)行播報(bào)。例如當(dāng)車(chē)輛俯仰程度超過(guò)安全值時(shí)發(fā)出警告提示駕駛員；當(dāng)車(chē)輛當(dāng)前氣壓以及海拔高度不適宜人活動(dòng)時(shí)，提醒駕駛員安全隱患；并將傳感器獲取到的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示在顯示屏上[12-13]。主框架流程設(shè)計(jì)示意圖如圖10 所示[14]。

4 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

4.1 實(shí)物照片

顯示屏模塊由LCD 顯示屏、STM32 處理器、無(wú)線(xiàn)收發(fā)模組[15]和鋰電池組成，顯示的數(shù)據(jù)為投影模式，具體的實(shí)物如圖11 所示。

圖11 顯示屏模塊實(shí)物圖

傳感器盒子內(nèi)置了智能車(chē)載設(shè)備需要的各種傳感器[16]、傳感器組主處理器、藍(lán)牙和無(wú)線(xiàn)收發(fā)模組，具體實(shí)物如圖12 所示[17-18]。

圖12 傳感器盒實(shí)物圖

顯示屏模塊經(jīng)過(guò)投射模型倒映在車(chē)前玻璃的運(yùn)行效果圖如圖13。

圖13 顯示屏投射效果圖

4.2 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

(1)海拔提升和降低實(shí)驗(yàn)[19]:根據(jù)海拔與大氣壓數(shù)據(jù)對(duì)照表，大氣壓和含氧量之間的關(guān)系規(guī)律，以及對(duì)人體機(jī)能產(chǎn)生的影響[20]，我們模擬了低海拔到高海拔和高海拔到低海拔的幾種情況進(jìn)行測(cè)試報(bào)警。

當(dāng)由低海拔駕車(chē)到高海拔時(shí)，車(chē)載設(shè)備將對(duì)行車(chē)人員進(jìn)行高原反應(yīng)預(yù)警提示，如表1。

表1 低海拔到高海拔預(yù)警

當(dāng)由高海拔駕車(chē)到低海拔時(shí)，車(chē)載設(shè)備將對(duì)行車(chē)人員進(jìn)行平原反應(yīng)預(yù)警提示，如表2。

表2 高海拔到低海拔預(yù)警

(2)溫濕度與舒適度實(shí)驗(yàn)方案:根據(jù)科學(xué)實(shí)驗(yàn)人員的研究結(jié)果，當(dāng)環(huán)境溫度在20 ℃到23 ℃，相對(duì)濕度在31%到65%時(shí)，人體感覺(jué)最舒適；溫度大于24 ℃，濕度大于66%時(shí)，人體感覺(jué)悶熱，不舒服[21]。不同的研究結(jié)果有類(lèi)似的結(jié)論，我們模擬了幾種情況進(jìn)行舒適度的提醒，如表3，以便行車(chē)人員在有條件的情況下進(jìn)行調(diào)整，最大程度達(dá)到行車(chē)的安全。

表3 溫濕度舒適度預(yù)警

(3)俯仰和側(cè)傾度實(shí)驗(yàn):根據(jù)爬升、轉(zhuǎn)彎與行車(chē)速度帶來(lái)行車(chē)的安全性，我們給出了如表4 的體驗(yàn)測(cè)試。

表4 俯仰和側(cè)傾預(yù)警

經(jīng)過(guò)測(cè)試及反饋結(jié)果驗(yàn)證了野外車(chē)載智能設(shè)備對(duì)行車(chē)環(huán)境的有效監(jiān)測(cè)，并能有效地、合理地提供安全行車(chē)建議，極大地方便了野外行車(chē)愛(ài)好者的出行。