基于STM32的智能车载预警与求助系统设计与实现

2020-11-27侯宇杰鲁世翔张清源

机电工程技术 2020年10期

侯宇杰，鲁世翔，张清源，张恒，彭通

（江南大学物联网工程学院，江苏无锡 214122）

0 引言

随着全球汽车保有量的逐年增长，汽车行驶安全问题日益突出。目前传统的车载安全系统[1-3]，主要是基于嵌入式技术开发，辅以设计传感器电路来检测车辆状态，但其在车辆安全预警与求助方面存在局限性，缺少对车辆环境信息和驾驶员信息的综合采集。因此，设计一款安全可靠、功能齐全的车载安全系统用于保证车辆驾驶的安全就显得尤为重要[4-5]。

本方案主要通过嵌入式系统的智能化，结合传感器电路设计、GPS 定位、蓝牙无线传输等技术，智能化监控各种有效的车辆环境参数，从而对车辆行驶状态及驾驶员行为特性进行分析，有效降低驾驶员和乘客的行车风险。

1 系统方案设计及技术要求

本系统包括有车辆传感器检测装置、系统主控制器装置、数据无线传输装置、多功能预警提示装置和智能手机终端，主控制器装置通过车辆内线路与其余装置连接，手机终端通过无线网络与数据无线传输装置连接，在车辆行驶过程中，系统主控制器装置通过分析传感器检测装置收集到的车辆实时数据，给出对应的驾驶操作建议，当处于紧急情况时能够及时预警并且向附近车辆发送求救信号[6-8]。

本设计核心控制系统采用STM32F103ZET6 嵌入式开发板，通过DHT11、MPU6050、MAX10302、GPS/北斗定位模块分别检测温湿度、车辆欧拉角、心率以及经纬度，采用按键模块输入温湿度和心率阈值并通过LCD 屏幕实时显示各项传感器数据和危险等级，本设计的具体系统方案如图1 所示。

图1 智能车载预警和求助系统结构图

（1）为解决目前车辆安全检测采集数据单一化，精准度低、缺乏可靠性的问题，通过合理分布的车载传感，一旦处于驾驶模式能够按照设定时间按时检测车辆温湿度、心率、经纬度、车辆姿态等信息，在进行数据分析之后通过HC-05蓝牙模块即时发送预警信息至乘客手机端。

（2）为增强车辆安全评估系统的可靠性和人机互动功能，增加了容错预提醒机制和阈值设置功能，可以通过手机端APP 和按键人为取消预警，降低算法误判的可能性，同时设置有TFT-LCD显示屏，可以显示传感器数据并对给出合理的建议提示。

（3）为提高车辆救援的及时性，系统能够在确认车辆处于危险模式后，通过蓝牙模块与相邻车辆进行信息传递，打包发送乘客紧急联系人信息和经纬度信息。

2 系统硬件电路设计

2.1 微控制器

基于微处理器性能、功耗、可扩展项等方面的考虑，系统主控制器模块采用STM32F103ZET6 开发板，该芯片具有3个SPI、2个IIC、5个串口、3个12 位ADC、1个FSMC 接口以及112 个通用IO 口，满足对多传感器和定位信息采集传输的性能要求，是车载系统的核心器件，负责车辆信息的采集，处理和发送。

2.2 GPS定位模块

GPS/北斗模块如图2所示，模块核心采用SkyTraq 公司的S1216F8-BD 模组，具有167 个通道，追踪灵敏度高达-165 dBm，测量输出频率最高可达20 Hz。

IPX 接口用来外接有源天线实现车辆定位。GPS模块默认采用NMEA-0183 协议输出GPS/北斗定位数据，并可以通过SkyTraq 协议对模块进行配置。

图2 GPS/北斗定位模块原理图

2.3 TFT-LCD显示模块

LCD 显示屏采用 2.8 寸 TFT-LCD 模块，支持 320×240 的分辨率和16 位真彩显示，STM32 采用FSMC 接口来控制TFT-LCD 显示传感器实时数据和安全等级。实时显示数据包括温湿度，车身欧拉角，经纬度，车速和驾驶员心率参数，同时在显示屏右侧给出安全等级判断和适当的安全建议，如：请打开车窗通风，请适当降低车速，请注意保持车身平衡等。

2.4 蓝牙模块

HC-05主从一体蓝牙串口模块兼容5 V 或3.3 V 单片机系统，可以与智能手机终端配对。本系统通过AT指令设置蓝牙模块为从模式且波特率为9 600，连接STM32 的USART3 接口进行通信，蓝牙模块原理图如图3所示。

2.5 按键输入和声光报警模块

LED 闪烁和蜂鸣器鸣叫构成报警模块；按键模块用于LCD显示设置以及报警开关，模块原理图如图4所示。

2.6 传感器检测抹开

图3 HC-05蓝牙模块原理图

图4 按键，LED，蜂鸣器电路原理图

MAX30102 心率传感器芯片，集成了红光LED 和红外光LED、光电传感器、光器件以及带环境光抑制的低噪电子电路，方便佩戴于驾驶员手指、耳垂和手腕处进行心率的采集检测，标准的I2C 通信接口将采集到的数值传输给STM32 进行心率计算。

DHT11温湿度传感器湿度测量范围为20～90%RH，温度测量范围0～50 ℃，与单片机之间采用简单的单总线进行通信。

MPU6050 六轴传感器模块内部整合了3 轴陀螺仪和3 轴加速度传感器，工作电压为2.4～3.5 V，并且含有一个第二IIC 接口，可用于连接外部磁力传感器。STM32 单片机(ARM Cortex-M3 内核)作为控制器，利用自带的数字运动处理器（DMP:Digital Motion Processor），通过主IIC接口连接陀螺仪完成姿态传感器数据采集，主控处理器对采集的原始数据进行处理生成四元数，进而转换成欧拉角：航向角（yaw）、横滚角（roll）和俯仰角（pitch），方便地实现姿态解算。在获得角度数据之后可以通过与倾斜角度阈值比较判断车辆翻车的危险程度并提示驾驶员稳定车身。MPU6050 传感器的检测轴如图5所示。

图5 MPU6050 检测轴及其方向

3 车载传感器位置分布

为了多样传感器能够实时有效而又准确地测量车辆的环境数据，需要合理分布车辆传感器，传感器分布如图6所示，MPU6050 六轴传感器模块固定于车辆底盘中心，便于感知车辆的倾斜角度；GPS/北斗导航模块外接有源天线放置在车顶靠后外侧，便于获取定位信息；心率传感器固定在方向盘位置，方便驾驶员手指佩戴测量心率；LCD 显示模块、声光报警模块连接STM32 微控制器模块放置于车内前侧的主控屏右侧，可方便乘客的观看和预警；温湿度传感器模块避开空调和通风口放置在车内后侧，采集车内的温度和湿度。