基于STM32的智能車載預(yù)警與求助系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

侯宇杰，魯世翔，張清源，張 恒，彭 通

（江南大學(xué)物聯(lián)網(wǎng)工程學(xué)院，江蘇無錫 214122）

0 引言

隨著全球汽車保有量的逐年增長，汽車行駛安全問題日益突出。目前傳統(tǒng)的車載安全系統(tǒng)[1-3]，主要是基于嵌入式技術(shù)開發(fā)，輔以設(shè)計傳感器電路來檢測車輛狀態(tài)，但其在車輛安全預(yù)警與求助方面存在局限性，缺少對車輛環(huán)境信息和駕駛員信息的綜合采集。因此，設(shè)計一款安全可靠、功能齊全的車載安全系統(tǒng)用于保證車輛駕駛的安全就顯得尤為重要[4-5]。

本方案主要通過嵌入式系統(tǒng)的智能化，結(jié)合傳感器電路設(shè)計、GPS 定位、藍(lán)牙無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，智能化監(jiān)控各種有效的車輛環(huán)境參數(shù)，從而對車輛行駛狀態(tài)及駕駛員行為特性進(jìn)行分析，有效降低駕駛員和乘客的行車風(fēng)險。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計及技術(shù)要求

本系統(tǒng)包括有車輛傳感器檢測裝置、系統(tǒng)主控制器裝置、數(shù)據(jù)無線傳輸裝置、多功能預(yù)警提示裝置和智能手機(jī)終端，主控制器裝置通過車輛內(nèi)線路與其余裝置連接，手機(jī)終端通過無線網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)無線傳輸裝置連接，在車輛行駛過程中，系統(tǒng)主控制器裝置通過分析傳感器檢測裝置收集到的車輛實時數(shù)據(jù)，給出對應(yīng)的駕駛操作建議，當(dāng)處于緊急情況時能夠及時預(yù)警并且向附近車輛發(fā)送求救信號[6-8]。

本設(shè)計核心控制系統(tǒng)采用STM32F103ZET6 嵌入式開發(fā)板，通過DHT11、MPU6050、MAX10302、GPS/北斗定位模塊分別檢測溫濕度、車輛歐拉角、心率以及經(jīng)緯度，采用按鍵模塊輸入溫濕度和心率閾值并通過LCD 屏幕實時顯示各項傳感器數(shù)據(jù)和危險等級，本設(shè)計的具體系統(tǒng)方案如圖1 所示。

圖1 智能車載預(yù)警和求助系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

（1）為解決目前車輛安全檢測采集數(shù)據(jù)單一化，精準(zhǔn)度低、缺乏可靠性的問題，通過合理分布的車載傳感，一旦處于駕駛模式能夠按照設(shè)定時間按時檢測車輛溫濕度、心率、經(jīng)緯度、車輛姿態(tài)等信息，在進(jìn)行數(shù)據(jù)分析之后通過HC-05藍(lán)牙模塊即時發(fā)送預(yù)警信息至乘客手機(jī)端。

（2）為增強(qiáng)車輛安全評估系統(tǒng)的可靠性和人機(jī)互動功能，增加了容錯預(yù)提醒機(jī)制和閾值設(shè)置功能，可以通過手機(jī)端APP 和按鍵人為取消預(yù)警，降低算法誤判的可能性，同時設(shè)置有TFT-LCD顯示屏，可以顯示傳感器數(shù)據(jù)并對給出合理的建議提示。

（3）為提高車輛救援的及時性，系統(tǒng)能夠在確認(rèn)車輛處于危險模式后，通過藍(lán)牙模塊與相鄰車輛進(jìn)行信息傳遞，打包發(fā)送乘客緊急聯(lián)系人信息和經(jīng)緯度信息。

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 微控制器

基于微處理器性能、功耗、可擴(kuò)展項等方面的考慮，系統(tǒng)主控制器模塊采用STM32F103ZET6 開發(fā)板，該芯片具有3個SPI、2個IIC、5個串口、3個12 位ADC、1個FSMC 接口以及112 個通用IO 口，滿足對多傳感器和定位信息采集傳輸?shù)男阅芤螅擒囕d系統(tǒng)的核心器件，負(fù)責(zé)車輛信息的采集，處理和發(fā)送。

2.2 GPS定位模塊

GPS/北斗模塊如圖2所示，模塊核心采用SkyTraq 公司的S1216F8-BD 模組，具有167 個通道，追蹤靈敏度高達(dá)-165 dBm，測量輸出頻率最高可達(dá)20 Hz。

IPX 接口用來外接有源天線實現(xiàn)車輛定位。GPS模塊默認(rèn)采用NMEA-0183 協(xié)議輸出GPS/北斗定位數(shù)據(jù)，并可以通過SkyTraq 協(xié)議對模塊進(jìn)行配置。

圖2 GPS/北斗定位模塊原理圖

2.3 TFT-LCD顯示模塊

LCD 顯示屏采用 2.8 寸 TFT-LCD 模塊，支持 320×240 的分辨率和16 位真彩顯示，STM32 采用FSMC 接口來控制TFT-LCD 顯示傳感器實時數(shù)據(jù)和安全等級。實時顯示數(shù)據(jù)包括溫濕度，車身歐拉角，經(jīng)緯度，車速和駕駛員心率參數(shù)，同時在顯示屏右側(cè)給出安全等級判斷和適當(dāng)?shù)陌踩ㄗh，如：請打開車窗通風(fēng)，請適當(dāng)降低車速，請注意保持車身平衡等。

2.4 藍(lán)牙模塊

HC-05主從一體藍(lán)牙串口模塊兼容5 V 或3.3 V 單片機(jī)系統(tǒng)，可以與智能手機(jī)終端配對。本系統(tǒng)通過AT指令設(shè)置藍(lán)牙模塊為從模式且波特率為9 600，連接STM32 的USART3 接口進(jìn)行通信，藍(lán)牙模塊原理圖如圖3所示。

2.5 按鍵輸入和聲光報警模塊

LED 閃爍和蜂鳴器鳴叫構(gòu)成報警模塊；按鍵模塊用于LCD顯示設(shè)置以及報警開關(guān)，模塊原理圖如圖4所示。

2.6 傳感器檢測抹開

圖3 HC-05藍(lán)牙模塊原理圖

圖4 按鍵，LED，蜂鳴器電路原理圖

MAX30102 心率傳感器芯片，集成了紅光LED 和紅外光LED、光電傳感器、光器件以及帶環(huán)境光抑制的低噪電子電路，方便佩戴于駕駛員手指、耳垂和手腕處進(jìn)行心率的采集檢測，標(biāo)準(zhǔn)的I2C 通信接口將采集到的數(shù)值傳輸給STM32 進(jìn)行心率計算。

DHT11溫濕度傳感器濕度測量范圍為20～90%RH，溫度測量范圍0～50 ℃，與單片機(jī)之間采用簡單的單總線進(jìn)行通信。

MPU6050 六軸傳感器模塊內(nèi)部整合了3 軸陀螺儀和3 軸加速度傳感器，工作電壓為2.4～3.5 V，并且含有一個第二IIC 接口，可用于連接外部磁力傳感器。STM32 單片機(jī)(ARM Cortex-M3 內(nèi)核)作為控制器，利用自帶的數(shù)字運動處理器（DMP:Digital Motion Processor），通過主IIC接口連接陀螺儀完成姿態(tài)傳感器數(shù)據(jù)采集，主控處理器對采集的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理生成四元數(shù)，進(jìn)而轉(zhuǎn)換成歐拉角：航向角（yaw）、橫滾角 （roll） 和俯仰角 （pitch），方便地實現(xiàn)姿態(tài)解算。在獲得角度數(shù)據(jù)之后可以通過與傾斜角度閾值比較判斷車輛翻車的危險程度并提示駕駛員穩(wěn)定車身。MPU6050 傳感器的檢測軸如圖5所示。

圖5 MPU6050 檢測軸及其方向

3 車載傳感器位置分布

為了多樣傳感器能夠?qū)崟r有效而又準(zhǔn)確地測量車輛的環(huán)境數(shù)據(jù)，需要合理分布車輛傳感器，傳感器分布如圖6所示，MPU6050 六軸傳感器模塊固定于車輛底盤中心，便于感知車輛的傾斜角度；GPS/北斗導(dǎo)航模塊外接有源天線放置在車頂靠后外側(cè)，便于獲取定位信息；心率傳感器固定在方向盤位置，方便駕駛員手指佩戴測量心率；LCD 顯示模塊、聲光報警模塊連接STM32 微控制器模塊放置于車內(nèi)前側(cè)的主控屏右側(cè)，可方便乘客的觀看和預(yù)警；溫濕度傳感器模塊避開空調(diào)和通風(fēng)口放置在車內(nèi)后側(cè)，采集車內(nèi)的溫度和濕度。

圖6 車載傳感器和模塊位置分布圖

4 智能系統(tǒng)軟件設(shè)計

在車輛行駛過程中，因為車輛周邊環(huán)境因素不斷改變，所以STM32 需要按照系統(tǒng)軟件設(shè)定不斷讀取傳感器檢測數(shù)據(jù)，實時分析并反饋。系統(tǒng)程序流程如圖7所示。

圖7 系統(tǒng)程序流程圖

5 結(jié)束語

本設(shè)計基于STM32 與多樣傳感器，主要針對國內(nèi)外車載安全系統(tǒng)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，有著合理的安全評估算法和輸出接口，能夠在復(fù)雜的駕駛環(huán)境下對車輛環(huán)境進(jìn)行智能化監(jiān)測，有效降低駕駛員和乘客的行車風(fēng)險，具有良好的適用范圍和應(yīng)用前景。