汽车安全预警装置的设计与开发

刘亚萍，胥 颖，赵俊英，田飞艳

（兴义民族师范学院 信息技术系，兴义 562400）

随着大数据和物联网的发展，市场也出现了各式各样的汽车安全装置[1]，但是都是相对比较传统的汽车安全装置，是侧重于汽车的防盗报警方面，没有针对防追尾[2]、防酒驾方面的预警提醒，不满足当下汽车的安全预警需求。本文针对这些方面设计了一个汽车安全预警装置[3]，不仅有防碰撞模块[4]、防追尾模块[5]、防酒驾模块、还有预警的声光模块和语音播报模块。这样的汽车安全预警装置更能够符合当下的日常生活需要，能够有效降低汽车交通事故发生的几率。本文设计的汽车安全预警装置处于仿真阶段。

1 技术介绍

1.1 Arduino 技术介绍

Arduino 是一个简单、灵活、易用的开放源码的电子原型平台。包括ArduinoIDE 的硬件（不同型号的Arduino 板）。在2005 年冬天，欧洲的开发小组开始研发。

它是建立在一个开源的简单I/O 接口上的，它使用了类似Java、C 语言的流程/Wiring 的开发环境。主要包含2 个部分：硬件部分是Arduino 电路板，可以作为电路的接口；另外一个则是Arduino IDE，电脑上的程序开发环境。只需要在IDE 里写代码，然后把它上传到Arduino 的线路板上，它就会告诉Arduino 电路板该怎么做。

Arduino 可以通过多种感应器来感知环境，通过控制灯光，电机和其它设备来反馈和影响环境。该芯片采用Arduino 的编程语言，其编码为二进制，并将其写入到微控制器中。Arduino 的程序设计是根据流程设计的Arduino（Wiring）和Arduino 开发环境。Arduino 的这个项目可能只包括Arduino，或者Arduino 以及其它在PC 上运行的其它软件，这些软件可以通过Flash、Processing、MaxMSP 等来完成。

1.2 Arduino 平台特点

（1）跨平台

（2）简单清晰

Arduino IDE 是以过程IDE 为基础的。对新手而言，非常容易上手，并且具有很大的弹性。Arduino是一种以wiring 为基础的语言，它是对avr-gcc 库的二次包装，它不需要很多单片机的基础和编程基础，只需要很短的时间就能完成。

（3）开放性

Arduino 的硬件结构图、电路图、IDE 软件和核心库都是开放源码的，在开放源码的保护下，Arduino 可以随意地修改原设计和相应的代码。

（4）发展迅速

Arduino 不仅是世界上最受欢迎的开放源码硬件，同时也是一种很好的硬件开发平台。Arduino 的开发方法很简单，可以让开发者更多的精力放在开发上，能够更快地完成自己的项目，从而节省开发时间和学习时间。

由于Arduino 的诸多优点，许多专业的硬件开发者都在或开始使用Arduino 进行项目和产品的开发；随着Arduino 的开发，硬件、物联网等应用软件开发人员的数量也在不断增加；在大学、自动化、软件、美术等领域，都开设了Arduino 相关的课程。

高中语文教学不仅需要教授语文知识，还要积极地培养学生的学习兴趣，进而达到思维能力的培养。但是，受到应试教育的影响，很多教师在教学中采用填鸭式的教学方法进行授课，学生只是一味地被动接受知识，缺乏主动思考的兴趣，这极大地阻碍了学生语文思维能力的开发。语文思维对于语文学习来说是非常重要的，新课改背景下，高中语文教师要对培养学生的语文思维进行深入探索。

1.3 Arduino 功能

通过将Arduino 与Adobe Flash、处理、Max/MSP、PureData、超级Collider 等软件相结合，制作交互式的工作。Arduino 可以采用诸如开关或传感器等已有的电子部件，LED、步进电机或其它输出设备。Arduino 还能够独立地工作并且能够与诸如Adobe Flash、处理、Max/MSP、Pure 数据、VVVV 等软件交互。Arduino 的IDE 接口是开源的，它可以自由地进行下载，并能创造更多精彩的交互作品。

2 系统硬件介绍

2.1 超声波传感器

超声传感器是一种传感器，该传感器将超声信号变换为其它能量信号，典型地为电子信号。超声波是一种机械波，其振动频率在20 kHz 以上。其特征是频率高、波长短、绕射现象少，尤其是方向性好，能够成为射线并定向传播。超声波穿透液体和固体的能力非常强，特别是在不透光的固体中。超声波在接触到杂质或边界时，会产生强烈的反射波，当超声波触及运动目标时，会引起多普勒效应。超声波传感器在工业、国防、生物医学等领域有着广泛的应用。

2.2 蜂鸣器

蜂鸣器是一种以直流电压为动力的集成电子报警器，它被广泛用于电子设备，如电脑、打印机、复印机、报警器、电子玩具、汽车电子设备、电话机、定时器。蜂鸣器的种类有2 种，即压电蜂鸣器和电磁蜂鸣器。在电路中，蜂鸣器的符号是“H”、“HA”。

2.3 MQ-3 酒精乙醇传感器

MQ-3 型酒精乙醇传感器采用二氧化锡（SnO2），其在洁净的空气中具有较低的导电能力。在酒精蒸汽中，随着酒精气体浓度的升高，传感器的导电性能也随之提高。利用一个简单的电路，可以把电导率的改变转化成相应于气体浓度的输出信号。MQ-3型酒精感应器对酒精有很高的敏感性，能有效抵抗汽油、烟雾、水蒸气等。该传感器能够探测各种浓度的酒精气体，是一种低成本的传感器，适用于各种场合。

2.4 红外测温传感器

红外线温度计是一种利用红外线进行测温的仪器。在测温技术中，选用红外热敏元件是很有必要的，不仅要用到点温，还要用到大范围的温度。利用红外温度传感器进行温度测量，不仅分辨率高，响应速度快，而且不会干扰被测对象的温度场，而且测量精度高、稳定性好；此外，红外热敏元件品种繁多，发展迅速，技术较为成熟。

2.5 颜色识别传感器

彩色感应器，是一种通过将被测对象的颜色与先前所述的基准色进行对比来探测其颜色的传感器，当两种颜色在某一误差范围内一致时，就可以得到相应的检测结果。该模块的基础是AMS 的TCS3472XFN 彩色光数字转换器为核心的颜色传感器，传感器提供红色、绿色、蓝色和清晰光感应值的数字输出。集成红外阻挡滤光片可最大限度地减少入射光和红外光谱成分，并可清晰地进行颜色的测量。具有高灵敏度、宽动态范围和红外阻隔滤波器，最小化IR 和UV 分量效应，以产生准确的颜色测量，并且带有环境光强检测和可屏蔽中断，通过I2C 接口通信。

2.6 全彩rgb 圆形灯环模块

全彩rgb 圆形灯环模块负责将颜色识别传感器识别的颜色显示出来。16 个超明亮的智能LED NeoPiels 排列在一个68 mm 外径的圆形PCB 上面。这些环型rgb 灯是可以通过输出引脚级连接一个到另一个的输入引脚的（DI-DO）。通过这种级联的方式，只使用一个单片机引脚就可以控制尽可能多的LED 灯，每个LED 都集成了一颗芯片在里面，让LED变得智能和可寻址。

2.7 语音合成模块

UNV6288 是一款能够将中文、英文和数字语音进行语音合成的高集成语音模块，并支持自定义要求的用户指令字或提示。本系统采用TTL 串口传输GBK 编码，实现了传输的功能。串行接口为3.3 V，能与5 V、3.3 V 的主流单片机兼容。

支持中文、英文、数字混合。该模块不仅支持中文的GBK 编码集，还支持大小写的英文字母。该模块使用UART 通信方式UART 串口，支持9600 bit/s的传输，使用方便。支持状态显示使用者的控制器可以清晰地知道该模组是在合并或闲置。

3 需求分析

3.1 需求分析

当下国家经济飞速发展，人民的生活水平不断提高，国民更加追求生活的舒适度，人们在出行时追求更加快捷舒适的出行方式，汽车已经成为必不可少的代步工具。随着我国经济的快速发展，人们的生活质量也在不断的提升，人们对居住环境的要求也越来越高，越来越多的人开始追求更快、更舒适的出行，汽车是一个大多数人的选择。目前，我国私人小轿车数量正呈增长态势，据大数据显示，目前全国58 个城市拥有的机动车已逾百万，7 个城市的机动车数量已突破了300 万。近年来，由于汽车数量的迅速增加，导致了交通事故的频发，每年因酒后驾车而造成的死亡人数约为10 万，而且还在不断增加。汽车在为人们提供方便的同时，也带来了许多的安全问题。

安全事故中比例居高不下的是汽车追尾造成的交通事故，其次是酒驾造成的交通事故，为了避免追尾和酒驾的情况，减少道路交通安全事故的发生，本文设计了一个汽车安全预警装置。

3.2 功能设计

汽车安全预警装置由超声波传感器模块、颜色识别传感器模块、红外测温传感器模块、酒精传感器模块、蜂鸣器模块、全彩rgb 圆形灯环模块、语音播报模块、LED 灯以及Arduino 开发板组成，各个传感器模块分布在汽车的不同位置，不断运行得出各个传感器的实时数据。

3.3 原理说明

汽车安全预警装置具有使驾驶汽车更加安全的特点，在拥有这些功能的前提下，希望在减少交通事故发生的同时，给人们带来更好地服务。本文通过3D Max 建模得出相应的汽车模型，图1、图2、图3和图4 分别对应汽车3D 模型的车头部分、侧面车身部分、车尾部分以及驾驶室驾驶员视角的部分，并且在图中明确指出了不同传感器模块的具体位置，但是由于不同传感器的形状各异，于是在汽车3D模型中统一用长方形的盒子来代替不同的传感器。

图1 车头3D 图Fig.1 3D view of the front of car

图2 车身3D 图Fig.2 3D drawing of car body

图3 车尾3D 图Fig.3 3D view of rear of vehicle

图4 驾驶室3D 图Fig.4 3D view of cab

4 功能模块设计

4.1 防碰撞模块

防碰撞模块是一个超声波传感器和一个蜂鸣器组成的，超声波传感器模块放置在车头位置，实时测量得出与前车的车距，不断将得出的数据与代码中设置的阈值比较，一旦小于所设定的阈值，触发驾驶室位置的蜂鸣器示警，提醒驾驶员及时做出反应，与前车拉开车距，保持一个安全的行车距离。防碰撞模块架构图如图5 所示。

图5 防碰撞模块架构图Fig.5 Architecture diagram of anti-collision module

4.2 防追尾模块

防追尾模块是由一个超声波传感器和一个红色LED 灯组成，超声波传感器模块放置在车尾的位置，同样通过实时测量得出本车与后车车距的数据，将得出的数据与设置的阈值不断比较，一旦小于所设定的阈值，触发放置在车尾的红色LED 灯亮起示警，提示后车驾驶员与本车的车距小于安全车距，超声波模块和相应的示警模块有效预防追尾。防追尾模块架构图如图6 所示。

图6 防追尾模块架构图Fig.6 Architecture diagram of anti-rear-end module

4.3 防酒驾模块

如果司机醉酒驾驶，则可以通过汽车安全预警装置的防酒驾模块来判断司机是否喝酒，该传感器模块的位置在驾驶室。若是驾驶员酒后驾车，会触发安放在驾驶室的语音播报模块示警，语音播报模块将播报“请勿酒后驾车！”，防酒驾模块在一定程度上有效预防酒驾。防酒驾模块架构图如图7 所示。

图7 防酒驾模块架构图Fig.7 Architecture diagram of anti-drunk driving module

5 总体设计

5.1 汽车安全预警装置的结构系统

汽车安全预警装置中有超声波传感器、酒精传感器、颜色识别传感器、红外测温传感器、蜂鸣器、全彩rgb 圆形灯环模块等元器件。各传感器和元器件通过Arduino 联通进行工作，可以在串口显示输出相应的数据，为节省装置开发成本，也避免驾驶员分心，装置本身未联接显示屏，而是为各个传感器设定阈值，一旦测量的数据高于或低于所设定的阈值，就触发相应的预警模块。各传感器相互协作，驾驶员可以通过各传感器模块的反馈及时做出相应的调整，保证驾驶员有一个安全的行车环境。

5.2 系统总体架构

汽车安全预警装置的系统总体架构由3 部分构成：信息采集模块、中央控制单元和预警处理，如图8 所示。

图8 系统总体架构示意图Fig.8 Schematic diagram of overall system architecture

6 结语

本文着重介绍了汽车主动安全预警系统实现的实际功能与技术。设计的汽车安全预警装置具有防追尾、防酒驾、各传感器相关预警提示等功能，为驾驶员提供一个智能化的驾驶环境，进一步保障汽车的行驶安全。后期将在已有的功能基础之上，不断完善相关的功能，使汽车安全预警装置更加有效保障驾驶员和乘客的人身安全。希望本文能对有关车辆安全预警系统的设计和实施有一定的借鉴意义。