淺析一種汽車遠近光燈自動切換系統設計

加克·烏云才次克，聶 偉，艾克熱木·馬穆提江，馬 杰，李興岳

（新疆交通職業技術學院，新疆 烏魯木齊 831401）

1 前言

汽車上主要的燈光設備包括前照燈、霧燈和轉向燈三大類別，其中前照燈又分為近光燈和遠光燈。根據燈絲的距離來調整光線的強弱，遠光燈在其焦點上，發出的光會平行射出，光線較為集中，亮度較大，可以照到很遠很高的物體。遠光燈可以提高視線，擴大觀察視野。在沒有路燈的漆黑路面上，開啟遠光燈后的可視范圍要遠遠大于只開啟近光燈。我們對100名年齡在25～40歲具有駕照的非專業駕駛人員進行問卷調查發現，75%的受訪者了解《中華人民共和國道路交通安全法實施條例》第五十九條的規定，機動車在夜間通過急彎、坡道、拱橋、人行橫道或者沒有交通燈指揮的路口時，應當交替使用遠近光燈示意，但仍存在23%的受訪者不會使用遠近光燈，29%受訪者會忘記切換遠近光燈。因此，即使有的駕駛員清楚其中的危害也會在夜間會車的時候忽略或者缺乏會車常識而不進行遠近光燈的切換，存在導致交通事故發生的風險。據公安部數據統計，在夜間發生的交通事故中，與濫用遠光燈有關的占30%～40%，且呈不斷上升趨勢。夜間行車燈光是駕駛人的“眼睛”。駕駛人如果不按規定使用燈光，往往給別的駕駛人造成視覺障礙，輕者影響車輛正常行駛，嚴重則可造成重大交通事故。因此本項目結合車聯網云、管、端三層攻防技能實戰化的研究，從車輛自動遠近光切換入手，逐步形成車聯網終端與系統的安全預警、檢測、監測、響應處置一體化安全閉環產品能力。

2 設計思路

2.1 遠近光切換場景

1）夜晚路上行駛時光線不好，先要使用近光燈。當周圍沒有任何燈光，視線較差，就要及時開啟遠光燈。

2）開啟遠光燈的車輛應該在會車前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到對面來車頻繁，為了不對來車造成影響，可以交替閃爍遠近光燈。

2.2 系統介紹

汽車遠近光燈自動切換系統安裝在車內，系統由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、撥動開關電路、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 系統硬件設計

3.1 遠近光燈自動切換硬件系統電路圖

主控部分采用Arduino UNO主板檢測光照傳感器、超聲波傳感器按照上述3種工況進行分析判斷。通過光敏電阻模塊檢測光照強度，正常情況下，夏季在陽光直接照射下，光照強度可達6萬～10萬lx，沒有太陽的室外0.1萬～1萬lx，夏天明朗的室內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節。當有脈沖電壓觸發時（控制板給Trig引腳發送高電頻），探頭里的晶片就會振動，繼而產生超聲波。超聲波在空氣中傳播，當超聲波遇到物體后就會返回，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，繼而在壓電晶片兩端產生電壓），隨后這種電壓經過超聲波內部的信號放大電路，將電壓信號放大，此時Echo引腳給控制板發送高電頻信號。這樣一個由發送到接收的過程，經過計算就可以得出距離。根據聲音在空氣中傳播的速度340m/s，通過超聲波模塊檢測距離，如果距離小于閾值，那么遠光燈轉化為近光燈，超過閾值則近光燈轉化為遠光燈，從而可以得出公式：距離=（時間×340m/s）/2。遠近光燈自動切換硬件系統設計電路圖如圖2所示。

圖2 遠近光燈自動切換硬件系統設計電路圖

上述電路為遠近光燈自動切換硬件系統包括兩部分的內容，第一部分為控制核心，由于電源是車載蓄電池12V供電，利用線性穩壓芯片LM7805設計一路電壓轉換電路，將12V電壓穩壓至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為光強度傳感器，遠近光燈為集成式LED燈珠，使用大功率三極管進行驅動。

3.2 簡單車聯網實現

當前很多老車型不具有車聯網功能，若將其改造為車聯網系統就需要設計一個外掛T-BOX系統來接管智能網聯的部分，以通信運營商作為管道端進行通信，在T-BOX中實現3G/4G/5G網絡進行信息的交互。因使用了非私有云端且考慮車聯網的安全性，在前人的研究與結論上,本文采用實質上最保守的設計辦法，即車聯網的安全以物理屏蔽動力CAN總線與外掛T-BOX的連接來保證。

硬件端以Arduino作為遠近光燈自動切換系統的微機系統，通過獨立的IO口與T-BOX進行并行通信，除上文中提及通過各項傳感器自動控制外，在軟件端可以通過APP發送指令，當T-BOX接收到指令后下發給遠近光燈自動切換微機系統來實現具體的功能。

本文中T-BOX的技術基礎為已有應用生態的ShineBlink物聯網開發板與ML302-GC211 Cat.1模塊來實現，該平臺為公有云機智云平臺，具體電路如圖3所示。

圖3 基于機智云平臺的物聯網硬件電路

圖3中，左邊為cat1模塊，運營商為中國移動4G，右邊為ShineBlink物聯網開發板。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的電路權限。

4 程序設計

在Arduino主控中，程序邏輯可以以圖4所示的程序框圖進行表述。其中，當光線強度小于30lx時打開近光燈，當光線強度小于2lx時打開遠光燈，若此時超聲波傳感器檢測到前方距離小于150m則打開近光燈，如果光線強度不小于30lx則關閉遠近燈光。

圖4 自動控制程序流程圖

關于簡單設計T-BOX中ShineBlink和Arduino的語法是極其相似的，ML302-GC211自帶機智云固件，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，右邊為Arduino平臺。主要通過ML302-GC211中機智云固件物聯網平臺接收云端與用戶端的控制信號，在本文中用于燈光信號的控制檢測布爾類型變量即可，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中設定程序循環檢測IO5、IO6端口來判斷T-BOX是否向下發送了請求。機智云固件有一站式布置，不需要在上位機進行編程，降低了非研發人員的使用難度。

圖5 車聯網功能程序流程

5 總結

通過上文的表述，使用廉價方案實現了汽車前照燈的智能控制系統，若針對汽車遠近光燈自動切換系統，結合未來智慧城市概念，可通過接入更大社區物聯網系統，結合實時路況實現對硬件端直接發送命令來打開或關閉車輛的照明燈光，來滿足更智能化的功能實現。