淺析一種汽車遠(yuǎn)近光燈自動(dòng)切換系統(tǒng)設(shè)計(jì)

加克·烏云才次克，聶 偉，艾克熱木·馬穆提江，馬 杰，李興岳

（新疆交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院，新疆 烏魯木齊 831401）

1 前言

汽車上主要的燈光設(shè)備包括前照燈、霧燈和轉(zhuǎn)向燈三大類別，其中前照燈又分為近光燈和遠(yuǎn)光燈。根據(jù)燈絲的距離來調(diào)整光線的強(qiáng)弱，遠(yuǎn)光燈在其焦點(diǎn)上，發(fā)出的光會(huì)平行射出，光線較為集中，亮度較大，可以照到很遠(yuǎn)很高的物體。遠(yuǎn)光燈可以提高視線，擴(kuò)大觀察視野。在沒有路燈的漆黑路面上，開啟遠(yuǎn)光燈后的可視范圍要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于只開啟近光燈。我們對(duì)100名年齡在25～40歲具有駕照的非專業(yè)駕駛?cè)藛T進(jìn)行問卷調(diào)查發(fā)現(xiàn)，75%的受訪者了解《中華人民共和國(guó)道路交通安全法實(shí)施條例》第五十九條的規(guī)定，機(jī)動(dòng)車在夜間通過急彎、坡道、拱橋、人行橫道或者沒有交通燈指揮的路口時(shí)，應(yīng)當(dāng)交替使用遠(yuǎn)近光燈示意，但仍存在23%的受訪者不會(huì)使用遠(yuǎn)近光燈，29%受訪者會(huì)忘記切換遠(yuǎn)近光燈。因此，即使有的駕駛員清楚其中的危害也會(huì)在夜間會(huì)車的時(shí)候忽略或者缺乏會(huì)車常識(shí)而不進(jìn)行遠(yuǎn)近光燈的切換，存在導(dǎo)致交通事故發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。據(jù)公安部數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，在夜間發(fā)生的交通事故中，與濫用遠(yuǎn)光燈有關(guān)的占30%～40%，且呈不斷上升趨勢(shì)。夜間行車燈光是駕駛?cè)说摹把劬Α?。駕駛?cè)巳绻话匆?guī)定使用燈光，往往給別的駕駛?cè)嗽斐梢曈X障礙，輕者影響車輛正常行駛，嚴(yán)重則可造成重大交通事故。因此本項(xiàng)目結(jié)合車聯(lián)網(wǎng)云、管、端三層攻防技能實(shí)戰(zhàn)化的研究，從車輛自動(dòng)遠(yuǎn)近光切換入手，逐步形成車聯(lián)網(wǎng)終端與系統(tǒng)的安全預(yù)警、檢測(cè)、監(jiān)測(cè)、響應(yīng)處置一體化安全閉環(huán)產(chǎn)品能力。

2 設(shè)計(jì)思路

2.1 遠(yuǎn)近光切換場(chǎng)景

1）夜晚路上行駛時(shí)光線不好，先要使用近光燈。當(dāng)周圍沒有任何燈光，視線較差，就要及時(shí)開啟遠(yuǎn)光燈。

2）開啟遠(yuǎn)光燈的車輛應(yīng)該在會(huì)車前150m切換至近光燈。

3）在一些照明情況不佳的道路中行駛，如果超聲波傳感器檢測(cè)到對(duì)面來車頻繁，為了不對(duì)來車造成影響，可以交替閃爍遠(yuǎn)近光燈。

2.2 系統(tǒng)介紹

汽車遠(yuǎn)近光燈自動(dòng)切換系統(tǒng)安裝在車內(nèi)，系統(tǒng)由Arduino UNO主板、T-BOX模塊、光傳感器模塊、超聲波模塊電路、指示燈電路、撥動(dòng)開關(guān)電路、電源電路、組合前照燈等組成。圖1為功能模塊圖。

圖1 功能模塊圖

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 遠(yuǎn)近光燈自動(dòng)切換硬件系統(tǒng)電路圖

主控部分采用Arduino UNO主板檢測(cè)光照傳感器、超聲波傳感器按照上述3種工況進(jìn)行分析判斷。通過光敏電阻模塊檢測(cè)光照強(qiáng)度，正常情況下，夏季在陽(yáng)光直接照射下，光照強(qiáng)度可達(dá)6萬～10萬lx，沒有太陽(yáng)的室外0.1萬～1萬lx，夏天明朗的室內(nèi)100～550lx，夜間滿月下為0.2lx，一般判斷白天和晚上的閾值在2～30lx之間，光照閾值可以通過傳感器上的電位器調(diào)節(jié)。當(dāng)有脈沖電壓觸發(fā)時(shí)（控制板給Trig引腳發(fā)送高電頻），探頭里的晶片就會(huì)振動(dòng)，繼而產(chǎn)生超聲波。超聲波在空氣中傳播，當(dāng)超聲波遇到物體后就會(huì)返回，被超聲波傳感器的接收探頭接收到（反射的超聲波使壓電晶片振動(dòng)，繼而在壓電晶片兩端產(chǎn)生電壓），隨后這種電壓經(jīng)過超聲波內(nèi)部的信號(hào)放大電路，將電壓信號(hào)放大，此時(shí)Echo引腳給控制板發(fā)送高電頻信號(hào)。這樣一個(gè)由發(fā)送到接收的過程，經(jīng)過計(jì)算就可以得出距離。根據(jù)聲音在空氣中傳播的速度340m/s，通過超聲波模塊檢測(cè)距離，如果距離小于閾值，那么遠(yuǎn)光燈轉(zhuǎn)化為近光燈，超過閾值則近光燈轉(zhuǎn)化為遠(yuǎn)光燈，從而可以得出公式：距離=（時(shí)間×340m/s）/2。遠(yuǎn)近光燈自動(dòng)切換硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路圖如圖2所示。

圖2 遠(yuǎn)近光燈自動(dòng)切換硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)電路圖

上述電路為遠(yuǎn)近光燈自動(dòng)切換硬件系統(tǒng)包括兩部分的內(nèi)容，第一部分為控制核心，由于電源是車載蓄電池12V供電，利用線性穩(wěn)壓芯片LM7805設(shè)計(jì)一路電壓轉(zhuǎn)換電路，將12V電壓穩(wěn)壓至5V提供給控制核心Arduino和傳感器的供電使用；第二部分是傳感器和燈光電路，使用了HC-SR04作為超聲波傳感器，BH1750為光強(qiáng)度傳感器，遠(yuǎn)近光燈為集成式LED燈珠，使用大功率三極管進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。

3.2 簡(jiǎn)單車聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)

當(dāng)前很多老車型不具有車聯(lián)網(wǎng)功能，若將其改造為車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)就需要設(shè)計(jì)一個(gè)外掛T-BOX系統(tǒng)來接管智能網(wǎng)聯(lián)的部分，以通信運(yùn)營(yíng)商作為管道端進(jìn)行通信，在T-BOX中實(shí)現(xiàn)3G/4G/5G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息的交互。因使用了非私有云端且考慮車聯(lián)網(wǎng)的安全性，在前人的研究與結(jié)論上,本文采用實(shí)質(zhì)上最保守的設(shè)計(jì)辦法，即車聯(lián)網(wǎng)的安全以物理屏蔽動(dòng)力CAN總線與外掛T-BOX的連接來保證。

硬件端以Arduino作為遠(yuǎn)近光燈自動(dòng)切換系統(tǒng)的微機(jī)系統(tǒng)，通過獨(dú)立的IO口與T-BOX進(jìn)行并行通信，除上文中提及通過各項(xiàng)傳感器自動(dòng)控制外，在軟件端可以通過APP發(fā)送指令，當(dāng)T-BOX接收到指令后下發(fā)給遠(yuǎn)近光燈自動(dòng)切換微機(jī)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)具體的功能。

本文中T-BOX的技術(shù)基礎(chǔ)為已有應(yīng)用生態(tài)的ShineBlink物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板與ML302-GC211 Cat.1模塊來實(shí)現(xiàn)，該平臺(tái)為公有云機(jī)智云平臺(tái)，具體電路如圖3所示。

圖3 基于機(jī)智云平臺(tái)的物聯(lián)網(wǎng)硬件電路

圖3中，左邊為cat1模塊，運(yùn)營(yíng)商為中國(guó)移動(dòng)4G，右邊為ShineBlink物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)板。在上文功能模塊圖中，未將TBOX模塊與前照燈電路直連是為了降低T-BOX的電路權(quán)限。

4 程序設(shè)計(jì)

在Arduino主控中，程序邏輯可以以圖4所示的程序框圖進(jìn)行表述。其中，當(dāng)光線強(qiáng)度小于30lx時(shí)打開近光燈，當(dāng)光線強(qiáng)度小于2lx時(shí)打開遠(yuǎn)光燈，若此時(shí)超聲波傳感器檢測(cè)到前方距離小于150m則打開近光燈，如果光線強(qiáng)度不小于30lx則關(guān)閉遠(yuǎn)近燈光。

圖4 自動(dòng)控制程序流程圖

關(guān)于簡(jiǎn)單設(shè)計(jì)T-BOX中ShineBlink和Arduino的語法是極其相似的，ML302-GC211自帶機(jī)智云固件，即只需要完成ShineBlink中的低代碼編程即可，下文將通過圖5流程圖說明程序邏輯。

圖5 中左邊為ShineBlink平臺(tái)，右邊為Arduino平臺(tái)。主要通過ML302-GC211中機(jī)智云固件物聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)接收云端與用戶端的控制信號(hào)，在本文中用于燈光信號(hào)的控制檢測(cè)布爾類型變量即可，將布爾類型變量通過并行IO口送至Arduino。將ShineBlink中D1、D2端口與IO5、IO6端口相連接，可在Arduino中設(shè)定程序循環(huán)檢測(cè)IO5、IO6端口來判斷T-BOX是否向下發(fā)送了請(qǐng)求。機(jī)智云固件有一站式布置，不需要在上位機(jī)進(jìn)行編程，降低了非研發(fā)人員的使用難度。

圖5 車聯(lián)網(wǎng)功能程序流程

5 總結(jié)

通過上文的表述，使用廉價(jià)方案實(shí)現(xiàn)了汽車前照燈的智能控制系統(tǒng)，若針對(duì)汽車遠(yuǎn)近光燈自動(dòng)切換系統(tǒng)，結(jié)合未來智慧城市概念，可通過接入更大社區(qū)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，結(jié)合實(shí)時(shí)路況實(shí)現(xiàn)對(duì)硬件端直接發(fā)送命令來打開或關(guān)閉車輛的照明燈光，來滿足更智能化的功能實(shí)現(xiàn)。