基于STM32的智能車載預(yù)警與求助系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)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(jì)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(jì)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(jì)、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(xiǎn)。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)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(shí)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(jì)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(shí)時顯示各項(xiàng)傳感器數(shù)據(jù)和危險(xiǎn)等級，本設(shè)計(jì)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(xiǎn)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(jì)

2.1 微控制器

基于微處理器性能、功耗、可擴(kuò)展項(xiàng)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(shí)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(shí)時數(shù)據(jù)和安全等級。實(shí)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(bào)警模塊

LED 閃爍和蜂鳴器鳴叫構(gòu)成報(bào)警模塊；按鍵模塊用于LCD顯示設(shè)置以及報(bào)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(jì)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(yùn)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(shí)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(xiǎn)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(bào)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(jì)

在車輛行駛過程中，因?yàn)檐囕v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(shí)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(jì)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(xiǎn)，具有良好的適用范圍和應(yīng)用前景。