基于藍(lán)牙的智能超速語(yǔ)音報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

李云強(qiáng)，魯慶賓，張凌曉

(1.南陽(yáng)理工學(xué)院 計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院， 河南 南陽(yáng) 473004；2.同濟(jì)大學(xué) 道路與交通工程教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 201804)

超速駕駛導(dǎo)致的車禍悲劇每時(shí)每刻都在發(fā)生，在汽車上安裝超速報(bào)警器會(huì)在一定程度上減少因超速行駛引起的交通事故數(shù)量。通過對(duì)現(xiàn)有超速報(bào)警器的分析，設(shè)計(jì)新型超速報(bào)警器，增加語(yǔ)音智能提醒功能。超速時(shí)，報(bào)警器以聲光方式提醒駕駛員進(jìn)行減速，克服惡劣天氣對(duì)顯示屏的影響，確保安全駕駛，并通過藍(lán)牙連接智能手機(jī)APP，駕駛員根據(jù)不同的路況，設(shè)置不同速度報(bào)警值，實(shí)時(shí)同步顯示當(dāng)前速度，增強(qiáng)應(yīng)用效果。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

基于STC8952RC的超速報(bào)警系統(tǒng)原理，如圖1所示，主要由上位機(jī)和下位機(jī)兩部分組成。下位機(jī)包含STC89C52單片機(jī)、車速測(cè)量部分(直流電動(dòng)機(jī)、測(cè)速傳感器(霍爾傳感器測(cè)速))、液晶顯示、語(yǔ)音模塊(BY8301-16P)、串口藍(lán)牙(HC-06)和按鍵構(gòu)成。工作時(shí)，LCD1602液晶屏實(shí)時(shí)顯示速度值，可通過按鍵設(shè)置速度的報(bào)警閾值，當(dāng)車速超過預(yù)定閾值，BY8301-16P語(yǔ)音模塊發(fā)出真人聲音提醒駕駛員減速慢行。

上位機(jī)通過HC-06藍(lán)牙連接智能手機(jī)客戶端App，具有實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示、刪除、歷史數(shù)據(jù)查看、報(bào)警提示和設(shè)定車速報(bào)警值等功能。

圖1 超速報(bào)警系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

2 硬件電路原理組成

硬件電路結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由控制主機(jī)STC89C52和車速模擬(直流電機(jī))、液晶顯示、有源蜂鳴器、語(yǔ)音模塊、揚(yáng)聲器、串口藍(lán)牙等部分組成。

2.1 測(cè)速功能模塊

2.1.1直流電動(dòng)機(jī)

直流電機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)模擬車速，直流電機(jī)與其連接簡(jiǎn)單，方便調(diào)節(jié)速度，可靠性高。直流電動(dòng)機(jī)電路圖如圖2(b)所示。直流電動(dòng)機(jī)模擬車速，定時(shí)器外部中斷函數(shù)對(duì)其進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并把數(shù)據(jù)保存到寄存器，為后面的函數(shù)設(shè)計(jì)提供數(shù)據(jù)。

2.1.2霍爾傳感器(測(cè)速器元件)

霍爾傳感器是磁場(chǎng)傳感器，為測(cè)速元件，由傳感頭、磁場(chǎng)傳感器和齒圈組成。傳感頭包括霍爾元件、永磁體和電子電路等。霍爾傳感器原理如圖3所示。

2.2 按鍵電路設(shè)置

共4個(gè)按鍵，S1在電源部分，負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的啟動(dòng)、關(guān)閉；S2在電機(jī)驅(qū)動(dòng)上，負(fù)責(zé)直流電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)、關(guān)閉。SK1、SK2則控制超速速度報(bào)警值的增加、減少。SK1、SK2和89C52單片機(jī)的P3.3、P3.4引腳相連接，如圖2(f)所示。設(shè)計(jì)按鍵函數(shù)完成該功能，當(dāng)按鍵按下時(shí)，函數(shù)啟動(dòng)；加鍵按下時(shí)，速度報(bào)警值加1，最高報(bào)警值為99；減鍵按下時(shí)，速度報(bào)警值減1，最低報(bào)警值為0。

2.3 報(bào)警電路模塊

報(bào)警電路包括蜂鳴器(圖2(d))和語(yǔ)音提醒電路(圖2(e))：蜂鳴器與單片機(jī)的引腳P1.0連接，語(yǔ)音報(bào)警模塊與單片機(jī)的引腳P2.2連接。

當(dāng)行駛速度超過設(shè)置的報(bào)警值時(shí)，發(fā)出警告。語(yǔ)音提示“請(qǐng)注意，你已超速，請(qǐng)注意安全”，同時(shí)蜂鳴器發(fā)出滴滴聲，指示燈閃爍。

圖2 超速報(bào)警器硬件系統(tǒng)整體電路結(jié)構(gòu)連接圖

圖3 霍爾傳感器的工作原理

BY8301-16P串口語(yǔ)音模塊有16個(gè)引腳，如圖4所示。它有6個(gè)觸發(fā)IO口，是24位DAC輸出，動(dòng)態(tài)范圍支持90 dB，信噪比支持85 dB；Micro USB接口更新語(yǔ)音文件，無(wú)需安裝上位機(jī)軟件，支持XP和WIN7系統(tǒng)。

引腳1、2：分別是SPK2、SPK1，外接單聲道無(wú)源喇叭兩端；引腳3：DACR是DAC右聲道輸出；引腳4：DACL是DAC左聲道輸出；引腳5：PLAY_LED是播放指示燈，停止常亮，播放閃爍；引腳6：VCC是電源正極，3.6～5 V；引腳7：TX是UART異步串口數(shù)據(jù)輸出；引腳8：RX是UART異步串口數(shù)據(jù)輸入；引腳9：BUSY是播放時(shí)輸出高電平，停止為低；引腳10～15：IO6-IO1是觸發(fā)輸入口，接地觸發(fā)；引腳16：GND負(fù)極。

圖4 語(yǔ)音芯片

2.4 LCD1602液晶顯示模塊

向用戶直觀呈現(xiàn)車速行駛狀況實(shí)時(shí)的速度、行駛時(shí)間、行駛路程、超速報(bào)警值等信息。LCD_1602的A引腳D0接89C52的VCC，D0～D7分別與單片機(jī)的P0.0～P0.7相連接，K接地，如圖2(h)所示。

2.5 HC-06串口藍(lán)牙模塊及連接電路

串口藍(lán)牙HC-06模塊體積小巧，方便安裝與設(shè)置，可實(shí)現(xiàn)超速報(bào)警系統(tǒng)與智能手機(jī)APP之間的通信。

輸入電壓：3.6～6 V；TXD：發(fā)送端；RXD：接收端；與單片機(jī)的P3.0、P3.1進(jìn)行連接。STATE：藍(lán)牙連接狀態(tài)輸出引腳，連接時(shí)輸出高，未連接時(shí)輸出低。當(dāng)系統(tǒng)啟動(dòng)后，串口藍(lán)牙上的燈亮，表示初步連接成功。

3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件包括主程序及各模塊功能子程序。超速報(bào)警系統(tǒng)軟件工作流程如圖5所示。

圖5 超速報(bào)警軟件工作流程

主程序主要實(shí)現(xiàn)對(duì)參數(shù)初始化、調(diào)用一些其他功能模塊子程序。如對(duì)信號(hào)輸入引腳、按鍵、蜂鳴器等參數(shù)初始化進(jìn)行變量定義，為其他程序提供數(shù)據(jù)。比如計(jì)數(shù)變量、速度和里程變量就是為報(bào)警函數(shù)提供數(shù)據(jù)。

子程序包括液晶顯示、按鍵處理子程序、報(bào)警、發(fā)送數(shù)據(jù)給APP、接收APP控制指令、定時(shí)器中斷執(zhí)行等功能。

如單片機(jī)和手機(jī)App之間進(jìn)行收發(fā)信息通過HC-06串口藍(lán)牙，則設(shè)計(jì)sendtoapp()函數(shù)和rxappdata()函數(shù)實(shí)現(xiàn)此功能。

4 手機(jī)客戶端App開發(fā)

手機(jī)客戶端App實(shí)現(xiàn)對(duì)超速報(bào)警系統(tǒng)采集數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新和同步顯示，且可對(duì)速度報(bào)警閾值進(jìn)行設(shè)定。

用Android Studio軟件，采用Java語(yǔ)言開發(fā)手機(jī)客戶端App代碼。

4.1 手機(jī)APP與藍(lán)牙通信功能的設(shè)計(jì)

手機(jī)端要工作，首先要連接藍(lán)牙，通過藍(lán)牙與測(cè)速報(bào)警系統(tǒng)通信，藍(lán)牙通信過程如圖6所示。

圖6 藍(lán)牙工作流程

整個(gè)編碼的過程，首先啟動(dòng)藍(lán)牙，然后傳輸信息，最后程序打包。

啟動(dòng)藍(lán)牙功能：藍(lán)牙啟動(dòng)后，要找到藍(lán)牙信息傳輸入口點(diǎn)，使用本地藍(lán)牙適配器類。設(shè)置設(shè)備可以被搜索，對(duì)當(dāng)前藍(lán)牙設(shè)備進(jìn)行查詢，看藍(lán)牙設(shè)備處在哪個(gè)狀態(tài)，進(jìn)行相應(yīng)的操作。

信息傳輸：藍(lán)牙通信監(jiān)聽時(shí)設(shè)計(jì)的主要函數(shù)有：connect()請(qǐng)求藍(lán)牙連接；getInptuStream()獲取輸入流，用來接收遠(yuǎn)程方信息；getOutputStream()獲取輸出流，發(fā)送給遠(yuǎn)程方的信息；getRemoteDevice()獲取遠(yuǎn)程設(shè)備；close()關(guān)閉藍(lán)牙連接。

APP的打包：App代碼編寫完成后，進(jìn)行打包，生成APK文件。

4.2 手機(jī)客戶端App代碼開發(fā)

操作藍(lán)牙時(shí)，要先在xml文件里加入權(quán)限代碼，即設(shè)置軟件編譯開始的位置。

藍(lán)牙連接時(shí)，存放代碼文件夾命名為BT_chesuji；代碼主要存放在main文件夾里java資源文件和res兩個(gè)文件夾里。

java資源文件：實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)功能的代碼，放在java文件夾里。其中BTJDQ.java是用來處理單片機(jī)，藍(lán)牙和手機(jī)之間的信息傳輸，設(shè)置設(shè)備可以被搜索，如果藍(lán)牙服務(wù)不可用，則進(jìn)行提示；可用，則進(jìn)行信息傳遞，實(shí)現(xiàn)藍(lán)牙數(shù)據(jù)的接收，對(duì)報(bào)警值是否增加或者減少進(jìn)行反饋；Net.java則是對(duì)文件進(jìn)行讀取并保存。

res資源文件：用來存放資源文件，包含圖片資源和布局資源。

圖片資源：如drawable，存放各種位圖文件，比如png形式的圖片，jpg形式的圖片等。

布局資源：用來布局的代碼頁(yè)面，放在layout文件夾里，當(dāng)需要屏幕適配時(shí)，根據(jù)情況，會(huì)再創(chuàng)建一套布局。

values目錄有如下內(nèi)容等。

demens.xml：定義尺寸資源

string.xml：定義字符串資源

styles.xml：定義樣式資源。

此外項(xiàng)目比較大時(shí)會(huì)有：colors.xml：定義顏色資源；arrays.xml：定義數(shù)組資源。

5 系統(tǒng)運(yùn)行效果

超速報(bào)警硬件實(shí)物如圖7所示。上電工作，LCD屏幕上第一行顯示：“V:0 km/h VH:20”，第二行：“T:000 S:00.000Km”分別代表“車速、最高速度、時(shí)間、距離”等信息。

接著打開手機(jī)客戶端，搜索藍(lán)牙，手機(jī)界面如圖8所示。

圖7 語(yǔ)音超速報(bào)警器硬件實(shí)物圖

連接單片機(jī)設(shè)備后，App屏幕上即時(shí)顯示當(dāng)前車速、行駛距離、行駛時(shí)間、最高速報(bào)警值。還有報(bào)警閾值設(shè)定“減1/加1”功能；App客戶端運(yùn)行展示如圖9所示。

直接在報(bào)警系統(tǒng)上對(duì)直流電機(jī)加/減速時(shí)，LCD1602上的車速、距離、時(shí)間隨之發(fā)生變化；通過藍(lán)牙連接上手機(jī)APP后，車速、距離、時(shí)間隨系統(tǒng)上的數(shù)值同步變化，保持一致。

圖8手機(jī)藍(lán)牙搜索界面 圖9 手機(jī)屏幕同步顯示

6 結(jié)束語(yǔ)

本系統(tǒng)滿足了功能要求，不僅能語(yǔ)音提示，還可以在手機(jī)客戶端實(shí)時(shí)了解車速狀況，操作簡(jiǎn)單方便，反應(yīng)靈敏、報(bào)警迅速，給車主帶來極大的便利， 能有效提醒駕駛員在開車時(shí)安全駕駛，系統(tǒng)具備較好的推廣和市場(chǎng)應(yīng)用價(jià)值。