基于STM32F103C8T6的智能車載安全系統設計*

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

現如今沒有完善的智能車載安全系統[1],各方面的外在因素導致交通事故高發和大量人員的傷亡，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而受到傷害等。因此,本文設計了一種基于STM32F103C8T6的智能車載安全系統。系統采用軟件和硬件結合的方式,實現了精確的溫度、酒精以及光照強度檢測,凈化車內氣體、智能化溫度控制、酒駕預警、夏日車內溫度過高(有人員在內時)安全預警、遠程的信息傳輸及控制等功能。用戶可在上車前通過SIM900A遠程控制車內溫度,并且前置的隔熱降溫裝置能有效減少有害氣體產生及車內部件老化問題,車內控溫模塊能夠控溫和空氣凈化,當檢測到車內溫度過高并有人員或動物在車內時進行預警,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,實現精確的酒精濃度檢測并預警。

1 硬件設計

系統采用STM32F103C8T6[2]作為主控芯片,硬件主要分為溫控模塊、安全預警模塊、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,實現降溫和空氣凈化。光照強度高并且檢測到車內10～15 min沒有人員時,隔熱降溫裝置自動啟動。安全預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。車內溫度超過設置閾值且當有人員或動物在內時進行系統和客戶端預警,設置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,呼出的酒精蒸汽會向上流動,通過多次觸發檢測以減小誤差,指示燈和蜂鳴器進行預警。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,以實現遠距離通信及控制。硬件設計原理框圖如圖1所示。

圖1 系統硬件設計原理框圖

1.1 電源模塊設計

供電部分采用USB進行系統供電,通過大容量的蓄電池以保證在汽車熄火時系統能繼續獨立工作。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12～4 V的轉換,圖2中V12外接12 V電源,經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 電源模塊設計

1.2 檢測模塊與溫控模塊設計

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成[4],硬件連線如圖3所示。

圖3 檢測模塊原理圖設計

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

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,放大信號后經過TLC2543芯片進行模數轉換,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)溫控模塊的設計:隔熱降溫裝置包括材料的選取和傳動裝置的設計[8]。由表2遮陽材料的性質對比,銀膠布具有導熱率低、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

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

圖4 傳動裝置機械零件組合

1.3 通信模塊設計

STM32單片機與SIM900A模塊[9～11]數據通信的核心是,實現短信收發與數據傳輸兩大功能。單片機實時讀取當前溫度和車內信息(光照強度、高溫有人員在內等)并進行傳輸,在客戶端控制外圍電路打開或關閉各個模塊,提取當前檢測數據,隔熱降溫裝置狀態信息編輯成Unicode碼,通過SIM900A使用PDU(中文短信)方式向目標手機發送短信。將當前終端系統環境溫度和工作狀態實時向用戶傳輸。首先單片機向SIM900A模塊發送指令AT+CMGF=0 (設置PDU模式),然后將要發送的中文短信進行PDU編碼并在終端系統發送中文短信,編碼格式如表3所示。

表3 PDU編碼格式說明

2 軟件設計

2.1 檢測與報警程序設計

在數據處理時,采用多個檢測模塊均勻分布以保證檢測的準確性,并將監測數據實時上傳,可遠程進行溫度控制(隔熱降溫裝置、控溫裝置)和危險預警,當達到條件時進行報警(系統聲光報警、用戶端報警)。程序中有兩處判斷,首先,判斷車內是否有人員或動物在內,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。酒精檢測與報警程序程序邏輯設計如圖5所示。

圖5 溫度控制、酒精濃度檢測及報警程序邏輯

2.2 安裝與系統調試

系統的安裝,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。系統的調試包括硬件調試和軟件調試,硬件調試主要包括OLED顯示的調試，降溫隔熱裝置和溫控模塊的調試，酒精檢測與預警模塊調試等,軟件調試包括裝置與通信模塊的聯合調試和數據傳輸控制調試。

1)OLED顯示的調試: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來實現每行的寫入。例如：顯示分辨率為8×16的符號時,采用一次點亮一行中16個相應的發光OLED,并重復8次點亮,得到相應的字符顯示。

2)隔熱降溫裝置的調試:裝置的安裝,設計一個可任意拆卸、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對車內溫度(中控臺溫度、車內空氣溫度)和車外溫度進行檢測。經過測量,未安裝隔熱溫裝置的汽車經過暴曬后開空調使溫度降至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,還能有效減少車內有害氣體的產生。實驗結果曲線如圖6所示。

圖6 車內空氣溫度與中控臺溫度變化曲線

3)高溫預警調試:通過多個HC—SR501熱釋電紅外傳感器多次觸發減小檢測誤差,當達到設置的溫度閾值時,觸發警報。

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

5)軟件調試:除開硬件的控制外,對于裝置與通信模塊的聯合調試。定義收發短信內容及接收命令后,進行系統與用戶端的聯合調試,檢查系統各部分工作狀況。

3 結 論

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