基于STM32F103C8T6的智能车载安全系统设计*

吕 杨, 安厚儒, 李蓓茹, 孙 壬, 张富春, 杨延宁

(延安大学 物理与电子信息学院,陕西 延安 716000)

0 引 言

现如今没有完善的智能车载安全系统[1],各方面的外在因素导致交通事故高发和大量人员的伤亡，驾车及乘车人员的舒适度也得不到保障,老人、儿童因各种原因被留在车内而受到伤害等。因此,本文设计了一种基于STM32F103C8T6的智能车载安全系统。系统采用软件和硬件结合的方式,实现了精确的温度、酒精以及光照强度检测,净化车内气体、智能化温度控制、酒驾预警、夏日车内温度过高(有人员在内时)安全预警、远程的信息传输及控制等功能。用户可在上车前通过SIM900A远程控制车内温度,并且前置的隔热降温装置能有效减少有害气体产生及车内部件老化问题,车内控温模块能够控温和空气净化,当检测到车内温度过高并有人员或动物在车内时进行预警,在驾驶室的上方安装MQ—3酒精传感器与HC—SR501热释电红外传感器,实现精确的酒精浓度检测并预警。

1 硬件设计

系统采用STM32F103C8T6[2]作为主控芯片,硬件主要分为温控模块、安全预警模块、温度和酒精浓度检测模块[3]、SIM900A通信模块。其中，温控模块包括隔热降温装置(光敏传感器与机械传动装置)和温度检测,温控主要通过空气压缩、水雾化处理,实现降温和空气净化。光照强度高并且检测到车内10～15 min没有人员时,隔热降温装置自动启动。安全预警模块和酒精检测模块为主控单片机(micro-programmed control unit,MCU)、检测模块、报警模块。车内温度超过设置阈值且当有人员或动物在内时进行系统和客户端预警,设置HC—SR501热释电红外传感器与MQ—3酒精传感器于驾驶室的上方,在驾驶员进入座位时即可开启系统,呼出的酒精蒸汽会向上流动,通过多次触发检测以减小误差,指示灯和蜂鸣器进行预警。硬件和软件通过SIM900A模块进行位置的实时定位和信息的收发,以实现远距离通信及控制。硬件设计原理框图如图1所示。

图1 系统硬件设计原理框图

1.1 电源模块设计

供电部分采用USB进行系统供电,通过大容量的蓄电池以保证在汽车熄火时系统能继续独立工作。STM32的工作电压为2.0～3.6 V,通信芯片SIM900A的工作电压为3.1～4.6 V,为使模块各个部分正常工作,必须对两者进行分别供电,电源供电电路如图2,为实现12～4 V的转换,图2中V12外接12 V电源,经过电容器滤波后输入到LM2576,R1、R2为分压电阻器,D2亮起时,表示模块正常供电。

图2 电源模块设计

1.2 检测模块与温控模块设计

检测模块与温控模块,主要由温度检测、酒精检测、降温模块、隔热降温装置和声光报警构成[4],硬件连线如图3所示。

图3 检测模块原理图设计

1)温度检测与预警：DS18B20温度传感器[5]和HC—SR501热释电红外传感器[6],通过多次触发温度检测和车内人员信息,以实现更加准确的实时数据传输。当检测温度超过设置阈值并且有人员(老人、儿童)或动物在内时进行预警以减少意外的发生。

2)酒精浓度精确检测：首先检测是否有人员在驾驶位,再进行酒精浓度检测,酒精浓度检测硬件连线如图3。为了将酒精传感器的微弱信号更好地采集,采用OPA2277PA增益芯片进行信号的放大,该芯片具有工作电压范围宽,高增益比的特点,放大信号后经过TLC2543芯片进行模数转换,然后通过PWM频率判断驾驶员是否酒驾[7],报警等级的划分如表1所示。

表1 车辆驾驶员血液酒精含量阈值和报警等级划分

3)温控模块的设计:隔热降温装置包括材料的选取和传动装置的设计[8]。由表2遮阳材料的性质对比,银胶布具有导热率低、反射率高、重量轻的特点,且成本与效益的比例高,因此选用银胶布制作气泡隔热膜。为了更好地隔热,在两层银胶布的中间采用多个气泡分隔,形成隔热层,达到更好的隔热效果。

表2 遮阳材料性质

隔热降温装置机械零件组合图如图4所示,当HC—SR501检测到车内处于无人状态并且光照强度高时,利用电机产生的动力克服碳纤线做功,使隔热降温及太阳能复合材料上升。当上升到顶部后,电机的限位开关被触发,在限位装置的作用下停止工作。隔热降温及太阳能复合材料在自身重力、碳纤线拉力、电机张力下达到平衡,呈静止状态。

图4 传动装置机械零件组合

1.3 通信模块设计

STM32单片机与SIM900A模块[9～11]数据通信的核心是,实现短信收发与数据传输两大功能。单片机实时读取当前温度和车内信息(光照强度、高温有人员在内等)并进行传输,在客户端控制外围电路打开或关闭各个模块,提取当前检测数据,隔热降温装置状态信息编辑成Unicode码,通过SIM900A使用PDU(中文短信)方式向目标手机发送短信。将当前终端系统环境温度和工作状态实时向用户传输。首先单片机向SIM900A模块发送指令AT+CMGF=0 (设置PDU模式),然后将要发送的中文短信进行PDU编码并在终端系统发送中文短信,编码格式如表3所示。

表3 PDU编码格式说明

2 软件设计

2.1 检测与报警程序设计

在数据处理时,采用多个检测模块均匀分布以保证检测的准确性,并将监测数据实时上传,可远程进行温度控制(隔热降温装置、控温装置)和危险预警,当达到条件时进行报警(系统声光报警、用户端报警)。程序中有两处判断,首先,判断车内是否有人员或动物在内,其次,判断是否达到高温阈值,报警并进行温控,只有双重条件满足的情况下才能运行。

在检测到驾驶位上有人员时,MQ—3传感器进行酒精浓度检测[12]。当浓度处于表1的等级2时进行声光报警用于警示；当浓度处于等级3时声光报警并向朋友及家人寻求帮助或者代驾服务。酒精检测与报警程序程序逻辑设计如图5所示。

图5 温度控制、酒精浓度检测及报警程序逻辑

2.2 安装与系统调试

系统的安装,主要包括隔热降温装置的安装,将管状电机与材料安装在车体,材料通过可拆卸的限位装置将安装和拆卸变得简易。系统的调试包括硬件调试和软件调试,硬件调试主要包括OLED显示的调试，降温隔热装置和温控模块的调试，酒精检测与预警模块调试等,软件调试包括装置与通信模块的联合调试和数据传输控制调试。

1)OLED显示的调试:在使用OLED进行显示时,需要用到大小和分辨率不同的字。在写入不同大小的字时，需要建立不同的字库,采用不同的写入函数来实现每行的写入。例如：显示分辨率为8×16的符号时,采用一次点亮一行中16个相应的发光OLED,并重复8次点亮,得到相应的字符显示。

2)隔热降温装置的调试:装置的安装,设计一个可任意拆卸、可容纳柱状电机的固定装置和限位装置。安装成功后,选择车外温度最高的时间段,从15点开始测试,每隔15 min对车内温度(中控台温度、车内空气温度)和车外温度进行检测。经过测量,未安装隔热温装置的汽车经过暴晒后开空调使温度降至28 ℃所需的时间为13′04″；同样条件下，安装隔热降温装置的汽车需时间7′34″温度降至28 ℃。使用隔热降温装置不仅有良好的隔热效果,还能有效减少车内有害气体的产生。实验结果曲线如图6所示。

图6 车内空气温度与中控台温度变化曲线

3)高温预警调试:通过多个HC—SR501热释电红外传感器多次触发减小检测误差,当达到设置的温度阈值时,触发警报。

4)酒精浓度的检测:STM32控制I/O口输出PWM脉冲,后通过表1进行数据等级分类处理,并选择响应模式,划分为3种模式,通过按键和手机端都可进行操作。

5)软件调试:除开硬件的控制外,对于装置与通信模块的联合调试。定义收发短信内容及接收命令后,进行系统与用户端的联合调试,检查系统各部分工作状况。

3 结 论

设计了一种基于STM32的智能车载安全系统。主要从硬件和软件两个部分进行设计,系统可以实现高准确性数据采集、温度控制、安全预警,使用隔热降温装置降低能耗,有效减少有害气体的产生,增加乘车的舒适性。推广应用后可有效提高人们的生活质量和安全指数。本文还有一些工作有待进一步改进,后续将加入身体参数的检测(血压、心率、血氧等)以及APP智能车载安全系统[13],以形成一个完整的智能车载健康管理系统,提高驾车安全和健康保障。