基于STM32的野外車載智能監測設備的設計

摘 要：為了讓野外行車變得更加安全，特別是在路況信息不明確的區域以及山坡較多、路面陡峭的地帶，行車安全尤為重要。因此，本文設計了一款基于STM32的野外車載智能監測設備。該設備可監測車輛所處位置的氣壓信息以及對應的海拔信息，并監測車輛的行駛狀態，將環境溫度、濕度、空氣中有害氣體的含量（一氧化碳、酒精濃度）顯示在車內屏幕上，根據顯示屏上一氧化碳濃度和酒精濃度對所處環境的危險程度進行預警，及時提醒司機。本設備還可監測汽車前方是否有障礙物，有效避免了因為視覺死角而引發的野外行車事故，該設備也對司機的駕駛時長進行了有效記錄，長時間駕駛時還可對司機進行語音提醒。同時，本設備還具備WiFi連接手機屏幕顯示的功能。

關鍵詞：STM32；野外車載智能監測；預警；OLED；WiFi；行車安全

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2024）04-00-03

DOI：10.16667/j.issn.2095-1302.2024.04.003

0 引 言

隨著車聯網的推進，消費者對車載智能化的要求越來越高，以滿足當前“互聯網+”時代應用推廣的需要，實現行車安全監測管理、行車功能智能化等目標。

近年來，我國經濟發展迅速，各大行業的產銷水平都有很大提高。而汽車行業早在2019年之前就已經得到了長足的發展。2019年后由于受新冠病毒傳播的影響，經濟形勢不容樂觀，各大汽車品牌公司的產銷量略有下降，但我國每年的汽車生產銷售總量仍然保持著較高水平。汽車的普及使得人們出行更加方便，野外旅游也更加頻繁，而安全問題又是野外出行過程中人們最關注的話題，本文設計的野外車載智能監測設備就在很大程度上解決了這一問題。在不同的行車環境中，該野外車載智能監測設備能夠為司機提供實時行車數據，并且能夠給予有效反饋，為行車安全提供保障[1]。

1 系統硬件設計

1.1 系統總體設計

基于STM32的野外車載智能監測設備的硬件設計部分主要由主控芯片、加速度傳感器、氣壓傳感器、溫濕度傳感器、WiFi模塊和OLED屏等組成。

圖1所示為系統整體框圖。主控芯片從加速度傳感器、氣壓傳感器、超聲波測距傳感器中獲得數據并且對數據進行處理，由OLED液晶顯示屏在車內顯示。當行駛過程中出現危險情況時，蜂鳴器發出報警，語音播報模塊會提示車內人員，同時該系統也可連接WiFi，在手機APP界面顯示相關數據。

1.2 主控芯片

本設計中芯片用于獲取系統中其他傳感器所采集的數據信息，基于設計成本考慮，選用STM32F030C8T6作為本設計的主控芯片。使用軟件Altium Designer設計原理圖，該軟件應用較為廣泛且使用方便快捷，能有效提高原理圖的設計速度和準確性。

STM32F030C8T6的工作頻率為48 MHz，該系列微處理器具有增強型外設和I/O。STM32F030C8T6封裝體積小，相比8位單片機性能更優。STM32F030ARM可控制應用和用戶界面、家用電器、打印機、報警系統等[2]。

1.3 BMP180氣壓傳感器模塊

BMP180是一款數字氣壓傳感器，它是由壓阻傳感器、模數轉換器、帶串行接口的控制單元組成。其主要功能是測量環境氣壓，還可通過溫度和氣壓計算出所處地的海拔高度。該傳感器具有功耗低、電壓低的特點，其精確度高，非常適用于野外車載設備。BMP180通過主機發送器件地址、寄存器地址和控制寄存器數據，并讀取壓力值和溫度值

數據[3]。

1.4 ADXL345三軸加速度傳感器模塊

本設計使用ADXL345三軸加速度傳感器來監測汽車的行駛狀態。該傳感器在汽車電子領域具有廣泛的應用。它通過I2C協議傳輸數據，其功率的損耗較低，分辨率高，測量范圍也高于同類型的加速度傳感器。在本設計中，ADXL345符合野外車載功能需求，可以測量出車輛在平整路段的速度，即使車輛處于不平整路段，依然能夠測量出其重力數據[4]。ADXL345有4種涉及電源功耗的工作方式：正常模式、省電模式、自動休眠模式和待機模式。在正常模式下，消耗的電源功率與數據輸出速率成正比[5]。

1.5 JQ8400語音播報模塊

JQ8400語音模塊把數碼還原成它所代表的內容，把信號轉換成它所代表的信息，保證系統的穩定性。JQ8400語音模塊的尺寸相較于其他同類型的產品更加合理，結構上的優勢也使得很多公司對產品的研發和生產變得更加簡單[6]。

1.6 超聲波測距模塊

本設計采用HC-SR04超聲波測距模塊。驅動HC-SR04超聲波測距需要提供1個脈沖信號，此時超聲波探頭會發射8個方波信號，定時器啟動，當超聲探頭檢測到回波信號時，ECHO引腳把高電平拉低，定時器停止定時[7]。

1.7 WiFi模塊

WiFi模塊是可以進行數據傳輸的電子模塊。它由1個無線芯片和1個微處理器組成，當發送數據時，無線芯片將數據轉換為數字信號并發送到接收器，接收器將其傳輸到微處理器。微處理器根據需要進行解碼等操作，并將數據傳輸到設備的操作系統。大部分硬件設備嵌入WiFi模塊便可直接利用WiFi入網。WiFi技術是實現汽車電子、智能車載等應用的重要組成部分[8]。

1.8 OLED顯示模塊

目前常見的顯示屏模塊有LCD和OLED兩種?；谝巴廛囕d智能檢測設備需根據模塊大小、輸入功率和輸出功率的差額以及功能性因素等進行屏幕的選擇。本設計選用0.96英寸的OLED顯示屏作為顯示模塊。OLED具有亮度高、發光率好、更輕薄、更省電等特點。當有電流通過時，OLED顯示屏會顯示數據。

1.9 DHT11溫濕度傳感器模塊

DHT11溫濕度傳感器集成度高，可同時測量當前環境的溫度與濕度。相比分別用溫度和濕度傳感器采集信息的傳感器節點來說，電路硬件接口設計更加簡單，它只需采用單線制接口即可與控制器相連[9]。這種傳感器性能穩定、功耗低，信號傳輸距離也比同類型的傳感器更長，連接比較

方便[10]。

2 系統軟件設計

2.1 系統總體設計

系統總體設計流程如圖2所示。首先對野外車載智能監測設備的主控程序進行編寫，之后對各外設模塊進行程序編寫，包括加速度傳感器、氣壓傳感器、OLED、DHT11溫濕度傳感器等。最后對各模塊程序進行聯合調試，使系統正常工作，完成對數據的采集、計算和上傳分析等。主程序是系統程序的入口，野外車載智能監測設備上電開機后，通過主控程序初始化各外設模塊，STM32F030C8T6通過控制各模塊，實現溫濕度、氣壓、海拔高度以及一氧化碳、酒精濃度等數據的顯示。

2.2 BMP180氣壓傳感器程序設計

在此設計中，系統上電后進行傳感器初始化，BMP180氣壓傳感器開始收集氣壓、溫度信息，將采集的信息傳輸給單片機后求平均值，以減少數據誤差。通過模數轉換計算將模擬信號轉換為數字信號，獲取氣壓數據后，通過氣壓和溫度計算公式即可估算出當前的海拔高度。圖3為該氣壓傳感器設計流程。

2.3 DHT11溫濕度傳感器程序設計

DHT11溫濕度傳感器具有單線制串行接口特點，該特點使得系統集成變得簡易快捷。首先初始化DHT11，讀取溫濕度低字節和高字節，整合數據，最后通過計算公式計算出溫濕度值。圖4為溫度檢測程序子流程。

傳感器設計流程 傳感器設計流程

2.4 超聲波測距模塊程序設計

復位定時器計數值，接著給超聲波發送高電平，等待超聲波模塊返回信號。當接收到信號后，開始計時，信號結束則停止計時。高電平持續的時間是從發射到返回的時間。通過溫度補償計算距離。通過距離=（時間×速度）/2。判斷距離值是否超過量程，如果超過量程則將距離值設置成最大量程值。圖5為超聲波測距設計流程。

2.5 WiFi程序設計

首先打開野外車載智能監測設備和智能手機的WiFi，使兩者建立連接，接著把記錄在野外車載智能監測設備中的數據通過WiFi傳輸到手機中。

本設計選用的WiFi模塊為ESP8266。WiFi連接成功后，服務器將等待接收數據。主機采集到數據后，打包發送到云服務器，然后在手機頁面上顯示接收的數據。圖6所示為WiFi模塊流程，圖7所示為手機APP界面顯示圖。

3 系統測試

在系統測試中，對報警模塊、蜂鳴器以及語音播報模塊的正常運行做了詳細測試。當行駛時間超過初始值40 s時，系統會語音提示“你已長時間駕駛，請停車休息”，同時手機APP上會顯示“疲勞駕駛”紅色字樣，以提醒駕駛員。當酒精濃度超過初始值的12％時，系統會語音提示“酒精濃度過高，請立即停車”，同時手機APP會顯示“危險駕駛”紅色字樣，以提醒駕駛員。通過測試，各模塊對酒精濃度以及行駛時間的靈敏度均正常。表1所列為測試結果。

4 結 語

本文對該系統的硬件、軟件設計做了詳細分析，同時也對整體系統做了測試。該設計已經達到野外車載智能監測設備的基本功能要求，整體設計嚴謹且可靠。筆者相信，更強大、更生態、更豐富的車載智能系統指日可待，而智能車載日后也會成為大眾的關注對象。

參考文獻

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收稿日期：2023-05-12 修回日期：2023-06-15