基于STM32 的野外車載智能設備的設計*

李明進潘天昊

(電子科技大學成都學院，四川 成都 611731)

據調查，隨著生活質量的提高與健康的需求，越來越多的人開始傾向于野外駕車出行。在野外行車中，由于當前現有車載設備大多傾向于對車輛本身信息的反饋，對于行車者愛好者獲取野外實時信息是遠遠不夠的，而野外行車方向、溫濕度變化、海拔氣壓變化、路況的抖動傾斜等這些綜合信息對于野外出行愛好者尤為的重要，特別是在廣袤無人的山地、雨林及高原地區，對提供行車是否安全、當前是否適合露宿、是否適合繼續行車等反饋具有迫切的需求，有利于提供安全的行車決策。本車載智能設備基于STM32 設計出一種便攜式車載設備，通過實時采集并處理行車狀態和當前環境信息，智能地為野外行車者提供實時決策反饋。并且考慮到因為查看信息導致的行車安全問題，本車載智能設備采用了語音報警和實用創意的投影模式，把原本需要低頭察看的數據信息投射在擋風玻璃上，提高了行車的安全性。

1 車載智能設備的功能設計

車載智能設備選用STM32F 系列單片機為微控制器(Microcontroller Unit，MCU)，設計可實現以下功能:

(1)在車身上設置氣壓感器，實時測得車輛所處位置的氣壓信息，同時轉換成對應的海拔信息，并將信息通過無線傳輸模塊發送給顯示屏處理器，處理器根據氣壓和海拔變化值智能地進行對比計算，對于影響安全行駛氣壓或海拔提供安全建議，如提醒車主注意高原反應或者缺氧保護等；

(2)在車身上設置溫濕度傳感器，將溫濕度信息通過無線傳輸模塊發送給顯示屏處理器進行呈現，并智能對比計算不同溫濕度的人室內舒適度，通過語音提示行車者調整車內溫濕度、自行增減衣物等。

(3)在車身設置地磁以及加速度傳感器，利用獲取到的信息分析車輛運動狀態，以及作為一個指南針的功能提醒車主實時行駛方向的準確度。

(4)配置藍牙模塊以控制整個系統內傳感器的啟動以及顯示屏連接功能，休眠中的傳感器模塊檢測到由藍牙發來的喚醒信號后，可在短時間內完成啟動并開始尋找可用的顯示設備，在獲得連接成功信息響應后，向顯示屏發送處理好的數據。

車載智能設備的原理結構圖如圖1 所示。

圖1 車載智能設備的原理結構圖

2 車載智能設備的硬件設計

2.1 微處理器

在本文設計的車載智能設備中，選用了既易于處理傳感器組信息又性價比較好的STM3210x 系列開發板，該開發板具有較低的系統功耗、可供選擇的引腳數目，價格便宜，既能滿足需要，又能降低成本[1]。

2.2 傳感器模塊設計

傳感器模塊是本系統獲取基礎信息的核心部件，它基于開源實時操作系統uCOS Ⅲ開發，由獨立的內置電池供電，通過2.4 G 無線與其他模塊構成連接，可以放在車輛的任意角落而不占據主要空間。傳感器模塊主要負責識別已連接的傳感器類型和傳感器發送回的信息，由傳感器模塊內的單片機完成協調處理后，通過無線方式發送至顯示屏。目前設計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、磁羅盤等[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，因為每一個傳感器都經過實驗室進行精確的校準，在內部存有專門的精準的濕度校準系數，野外車載智能設備能夠準確地獲取濕度數據，并能確保獲取的數據具有很高的可靠性，同時利用STM32 的性能，能夠及時快速地反映環境的變化，擁有以下優點:品質卓越、超快響應、抗干擾能力強、性價比極高等[3]。

引腳圖如圖2 所示，電路圖如圖3 所示。

圖2 DHT11 數字溫濕度傳感器引腳

圖3 DHT11 數字溫濕度傳感器電路圖

2.2.2 溫度傳感器

車載智能設備傳感器組選取了溫度響應敏感度比較高的DS18B20 數字溫度傳感器，其輸出的是數字信號，具有體積小、硬件開銷低、抗干擾能力強、精度高的特點，根據不同的應用有不同的封裝方式，適合不同的場合，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

車載智能設備加速度傳感器選用精度較高的LSM6DSM 來增強用戶體驗，LSM6DSM 傳感器相對之前的產品提高升了壓陀螺儀精度，針對攝像頭OIS 采用了專門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，這兩個特性使現有器件(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，占據板空間也小[5]。

LSM6DSM 支持較多的常見功能包括光學防抖(OIS)、視覺定位檢測和手勢識別，而且還集成了加速計驅動型步伐檢測、步伐計數和計步器，以及傾斜和大幅度運動檢測，相對容易進行應用開發。對于車載智能設備來說，不但可以提供越野車愛好者一些驚險刺激路段的汽車抖動程度和運動數據，還可以為普通出行者提供危險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

為了獲得良好的體驗，車載智能設備要獲取氣壓或者海拔的高度，根據海拔的變化情況提供行車的安全建議。在測量海拔高度時，通常我們的做法是通過測量某一高度的大氣壓力，再經過一系列的轉換計算才能得到高度數據。傳感器組選取BMP180 作為獲取氣壓的組件，它具有IIC 總線的接口，使用很方便，不需要太多的操作就可讀取到氣壓及測量數據，便于單片機進行訪問，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

傳統羅盤是利用地球的磁場感應來工作的，通過地球磁場與磁針之間的地磁感應來幫助磁針轉動，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。電子羅盤也一樣，只不過把磁針換成了磁阻傳感器，然后將感受到的地磁信息轉換為數字信號輸出給用戶使用；供電電源:3 V～5 V；通信方式:IIC 通信協議；測試范圍:±1.3～8 高斯[7]。

車載電子羅盤PCB 設計圖如圖8 所示。

圖8 車載電子羅盤PCB 設計圖

2.3 顯示屏模塊

顯示屏部分同樣為電池供電，基于emWin 實時圖形系統開發，它的主要功能是將傳感器發送來的信息行投影顯示[8]；藍牙OBD 為市售標準模塊，用于和汽車通訊。emWin 設計如圖9 所示。

圖9 emWin 設計圖

2.4 無線通信協議

本無線通信協議是利用基于NRF24L01+/2.4GHZ RF 自主研發的內部定義的通信協議，它可以近距離高效快速地進行顯示屏和傳感器的連接，并具有快速建立連接并檢測頻道占用情況，自行約定分配合適的頻道和速率，并對通信數據進行密鑰校驗，防止數據因為不同組設備間沒有統一協調頻率分配等問題產生干擾和其他設備劫持本組設備通信問題的特性。因為NRF 本身的特性，它還具有低功耗、低延時、自動糾錯、自動調頻以及對碼等特點[9]。如果通信組任何一個設備斷開連接、遠離通訊組或者關閉電源，如顯示屏，另一個設備(如傳感器模塊)會嘗試重新取得連接直至失敗[10]，通訊會斷開并進入低功耗的休眠狀態，直到另一個設備重新開機或接近。

3 軟件設計

車載智能設備軟件開發借助了keil5 強大的集成開發環境[11]，并使用C 語言完成整個功能和通信的代碼編寫。軟件設計使用了模塊化的設計，每一個模塊負責一個子功能，完成相應的功能處理，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，還包括無線收發模組模塊、顯示屏和藍牙模塊。主框架程序負責完成整個調度，并根據各個傳感器子模塊的反饋信息進行智能計算，控制顯示屏模塊顯示或者語音模塊進行播報。例如當車輛俯仰程度超過安全值時發出警告提示駕駛員；當車輛當前氣壓以及海拔高度不適宜人活動時，提醒駕駛員安全隱患；并將傳感器獲取到的數據實時顯示在顯示屏上[12-13]。主框架流程設計示意圖如圖10 所示[14]。

4 測試結果及結論

4.1 實物照片

顯示屏模塊由LCD 顯示屏、STM32 處理器、無線收發模組[15]和鋰電池組成，顯示的數據為投影模式，具體的實物如圖11 所示。

圖11 顯示屏模塊實物圖

傳感器盒子內置了智能車載設備需要的各種傳感器[16]、傳感器組主處理器、藍牙和無線收發模組，具體實物如圖12 所示[17-18]。

圖12 傳感器盒實物圖

顯示屏模塊經過投射模型倒映在車前玻璃的運行效果圖如圖13。

圖13 顯示屏投射效果圖

4.2 測試結果及結論

(1)海拔提升和降低實驗[19]:根據海拔與大氣壓數據對照表，大氣壓和含氧量之間的關系規律，以及對人體機能產生的影響[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行測試報警。

當由低海拔駕車到高海拔時，車載設備將對行車人員進行高原反應預警提示，如表1。

表1 低海拔到高海拔預警

當由高海拔駕車到低海拔時，車載設備將對行車人員進行平原反應預警提示，如表2。

表2 高海拔到低海拔預警

(2)溫濕度與舒適度實驗方案:根據科學實驗人員的研究結果，當環境溫度在20 ℃到23 ℃，相對濕度在31%到65%時，人體感覺最舒適；溫度大于24 ℃，濕度大于66%時，人體感覺悶熱，不舒服[21]。不同的研究結果有類似的結論，我們模擬了幾種情況進行舒適度的提醒，如表3，以便行車人員在有條件的情況下進行調整，最大程度達到行車的安全。

表3 溫濕度舒適度預警

(3)俯仰和側傾度實驗:根據爬升、轉彎與行車速度帶來行車的安全性，我們給出了如表4 的體驗測試。

表4 俯仰和側傾預警

經過測試及反饋結果驗證了野外車載智能設備對行車環境的有效監測，并能有效地、合理地提供安全行車建議，極大地方便了野外行車愛好者的出行。