汽车驾驶安全辅助系统设计*

周学礼，杨 宇，蔡 龙，张一帆，沈 喆，李沛然

(常熟理工学院 电子信息工程学院,江苏 常熟 215500)

0 引言

当代经济快速发展,私家汽车走进千家万户,接踵而来的是逐年增加的交通安全事故。导致交通事故的原因众多,有驾驶员踩错刹车、驾驶员酒后开车等。此外,还有一些外界因素,譬如天气状况、行驶路面环境、车流量高峰等。世界各国针对不同的交通事故,实施了各种预防措施,效果并不理想,每年交通安全事故发生频率依旧很高[1]。

相较于被动的提防,只有在源头上解决问题,才能真正意义上达到减少事故的目的,设计一款针对汽车驾驶的安全辅助系统便具有了极大现实意义[2]。

1 系统整体设计方案

系统整体框图如图1示,系统由主控模块、传感器模块、GPS定位模块、警报模块、显示模块组成。车发动之前,对驾驶员进行酒精检测,浓度合格后方可发动;若车内有人而车内环境不佳,则执行紧急报警功能;还可以通过换气、加湿等对车内空气进行清洁;当汽车发生非正常移动时,摄像头可启动拍摄,并通过短信发送汽车GPS信息提醒车主。

图1 系统整体框图

2 系统硬件设计

2.1 主控芯片

控制模块使用STM32F103ZET6,其内部集成64KB的SRAM和512KB的FLASH[3]。

2.2 传感器模块

传感器模块包括人体红外检测传感器、酒精检测传感器、温湿度传感器、空气质量传感器及PM2.5传感器。

人体红外检测传感器使用的是HC-SR501[4]。传感器的OUT接口连接单片机PA4引脚。

酒精检测传感器选用MQ-3酒精传感器,该气体敏感传感器的抗干扰能力极强,内部材料的电导率变化灵敏,感应快速[5]。AO端口和单片机的PA0连接。

温湿度传感器的型号为DHT11,DHT11测量范围为:湿度20%～90%,温度0 ℃～50 ℃[6],满足本系统所需。DATA接单片机PG11引脚。

本设计使用MQ135传感器对汽车内环境中有毒气体浓度进行检测[7]。针对PM2.5测量,本设计选用GP2Y1014AU粉尘传感器[8]。VO模拟量引脚和单片机PF6相连。

定义1 相邻评分矩阵.记R和R′是由相同n名用户对m个项目做的评分矩阵(可能是不完全的)，R和R′是“相邻”的，当且仅当它们两者间至多相差一个元素.

2.3 GPS定位模块

本设计采用ATK-NEO-6M,该模块集成了一块高增益芯片[9],还可连接其他有源天线,模块所占空间小、携带方便。该模块与单片机的串口3相连,RXD接PB10,TXD接PB11。

2.4 LCD显示模块

显示模块使用ALIENTEK产的高性能TFT-LCD屏幕,该屏幕能够支持显示65K色彩,其接口的方式为16位并行口与单片机相连接。

2.5 警报模块

该模块分为摄像头、语音播放器、GSM模块和继电器。摄像头采用ATK-OV2640系列[10]。

语音播放器由YS-M3组成[11]。本设计中触发端口A1与单片机PA13相连。GSM模块使用的是SIM800C[12],其通过串口与单片机相接,TXD接PA3,RXD接PA2。本设计中使用两个继电器分别控制空气净化器和酒驾时汽车熄火。其输入引脚和单片机的PA5、PA7相连。

3 系统软件设计

系统工作流程如图2示,开启电源后,每个模块会开始初始化。初始化设置完成后,先判断司机是否酒驾,如果酒精浓度超出设定阈值,会发送警告短信并使汽车暂时熄火。接着系统监测车门是否非正常开启,满足条件会自动发送汽车被盗短信和GPS定位信息。如果车内环境不适宜,系统会立即控制继电器开启空气净化器。此时若传感器检测到车内有人,还会发送警报短信和车外语音求救信号。

图2 系统工作流程图

设计中HC-SR501上电开始人体的红外感应识别,一旦范围内有人存在,就向单片机输出3.3 V高电平。

设计中MQ-3在初始化完成后会对驾驶员进行酒驾检测,若浓度超标,执行警报程序。

设计中MQ135传感器和PM2.5传感器都是通过AO口向单片机输出模拟电压,再经过ADC转换后与温湿度一起与设定阈值比较,最后决定是否开启空气净化器。

单片机会先对GPS模块初始化,接着模块采集并持续更新当前定位信息并通过串口与单片机通信,单片机将收到的GPS信息解析处理,最后等待执行发送程序。

设计中显示模块,首先系统调用LCD_Init函数对进行初始化设置,然后使用LCD_Clear设置需清屏的颜色,最后调用LCD_ShowString和Show_Str向屏幕发送字符。

警报模块含摄像头、语音播放器、GSM模块和继电器。本设计中需向GSM模块发送AT+CSCS、AT+CMGF、AT+CMGS三种指令对其进行操作。本设计中给SIM-800C发送AT+CMGF=1,设置其为文本模式;AT+CMGS是用来设置接收短信的手机号码[13]。

4 实验结果与分析

在系统通电,各模块初始化完成之后,屏幕会实时显示当前检测到的酒精浓度、环境PM2.5浓度、车门闭合状态、温度湿度及车内是否存在有害气体。如图3所示。

图3 系统显示效果图

图4 酒驾警报短信示意图

调试过程中使用酒精喷雾来模拟驾驶员酒驾,在红外传感器检测驾驶位有人情况下,当酒精检测浓度一旦超出50 ppm,则系统判定为酒驾。

本设计中,测试时采取按键KEY0模拟车门开关闭合(如系统产品化,需要车门开关信息来取代KEY0)。在车门闭合状态下,并且车内有人存在,如果PM2.5浓度值、温湿度或有害气体中任意一项超出设置阈值,系统控制继电器打开空气净化器,同时发送报警短信至预留手机号中,车外还会语音播放求救信号。

汽车防盗功能的调试中,测试时使用了按键KEY1模拟汽车是否被盗(如系统产品化,需要把车辆非正常启动信息来取代KEY1)。在车门关闭情况下,按下KEY1,系统判断汽车被盗,摄像头开启,采集图像保存至SD卡,发送当前汽车GPS定位信息给车主并警告车主。

4.1 传感器模块数据分析

传感器模块包括人体红外检测传感器、酒精检测传感器、温湿度传感器、空气质量传感器及PM2.5传感器。经过了实际测量和数据分析,各个传感器均满足本设计所需要求。

4.2 GPS数据分析

定位数据采集地点选取常熟理工学院,多次测量数据如下表1所示。

表1 测量结果

表1 GPS定位数据

根据实地测量所得数据,与实际定位信息比较可知,其经纬度误差较小,定位准确。

5 结束语

本文系统地介绍了一种汽车驾驶安全辅助系统的设计,详细说明了整个系统中各模块的硬件与软件的设计。对实物进行了相关的数据测试,证明本系统能够满足设计需求,可以作为一种低成本简易的汽车驾驶安全辅助系统。