基于stm32的車輛安全駕駛預警系統

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一、項目背景與引言

(一) 研究背景及意義

道路交通安全是全球性的重大公共安全問題。據統計，絕大多數交通事故源于駕駛員的危險狀態（疲勞、分心、健康突發狀況）和危險駕駛行為（超速、車距過近）。傳統的車輛安全系統如ABS、ESP等屬于被動安全范疇，而本項目旨在開發一種主動式的安全預警系統。它通過實時監測駕駛員生理狀態、駕駛行為和車輛周邊環境，在危險發生前及時向駕駛員發出預警，并能在緊急情況下主動向外界求助，從而有效預防事故的發生，保障駕乘人員及道路其他參與者的生命安全，具有極高的社會價值和現實意義。

(二) 國內外研究現狀

目前，此類技術主要應用于高端商用車輛（卡車、客車）和部分高端乘用車中，作為ADAS（高級駕駛輔助系統）的一部分，通常集成在車輛原廠系統中，成本高昂。后裝市場的產品功能相對單一，多集中于OBD（車載診斷系統）車速讀取或單一疲勞監測。本項目創新性地將駕駛員狀態監測（心率血氧）、駕駛行為監測（超速、跟車距離）和遠程物聯網報警功能集成于一個低成本、可后裝的系統中，基于強大的STM32平臺開發，提供了更全面的主動安全解決方案。

(三) 論文研究內容

本研究設計并實現了一個以STM32F103C8T6為核心的車輛安全駕駛預警系統。系統通過DHT11監測車內環境；通過霍爾傳感器測算車速；通過超聲波傳感器監測跟車距離；通過MAX30102監測駕駛員心率血氧；通過OLED進行本地信息顯示；通過4G CAT.1模塊（如AIR724UG）將報警信息和關鍵數據遠程發送到云平臺和車主手機；通過按鍵實現一鍵報警和設置，最終構建一個多層次、立體的安全防護網。

二、系統總體設計

(一) 系統架構

本系統是一個典型的嵌入式物聯網系統，集感知、控制、通信于一體。

感知層：
- 環境感知：DHT11溫濕度傳感器
- 車輛狀態感知：霍爾傳感器（車速）
- 環境感知：HC-SR04超聲波傳感器（車距）
- 駕駛員狀態感知：MAX30102心率血氧傳感器
- 人工觸發：緊急報警按鍵
控制層：
- 主控制器：STM32F103C8T6
- 邏輯判斷：執行所有預警算法和邏輯
執行與交互層：
- 本地預警：語音播報模塊（JQ8900）、LED報警燈
- 本地顯示：OLED顯示屏（SSD1306）
通信層：
- 遠程通信：4G CAT.1模塊（AIR780E）
云平臺層：
- 中國移動OneNet/阿里云等IoT平臺，接收數據并轉發至手機APP。

(二) 功能模塊劃分

數據采集模塊：負責所有傳感器數據的定時采集與濾波。
安全決策模塊：核心控制邏輯，根據預設閾值判斷當前狀態是否安全并觸發相應預警。
人機交互模塊：包括OLED顯示、語音播報、LED報警和按鍵輸入。
遠程通信模塊：負責通過4G模塊與云平臺建立連接，傳輸報警數據和車輛狀態。

三、硬件設計與實現

(一) 主控模塊選型及介紹

型號：STM32F103C8T6最小系統板
理由：需要豐富的GPIO和外設（多串口、定時器、ADC）來連接眾多傳感器和執行器，該型號成本低、性能強、資源完全滿足需求。

(二) 傳感器模塊選型及電路設計

DHT11溫濕度傳感器：
- 接口：單總線。數據線接GPIO（如PA0），上拉。
霍爾傳感器測速：
- 原理：將霍爾傳感器固定靠近車輪，磁鐵固定在車輪上。車輪每轉一圈，霍爾傳感器產生一個脈沖。
- 電路：霍爾傳感器輸出接STM32的GPIO（如PA1，配置為外部中斷輸入模式），通過計算單位時間內的脈沖數可計算車速。
HC-SR04超聲波傳感器：
- 安裝：安裝于車輛后保險杠，用于監測與后方車輛的距離。
- 電路：Trig（PA2），Echo（PA3）。
MAX30102心率血氧傳感器：
- 安裝：可集成在方向盤套或指套上，方便駕駛員接觸。
- 接口：I2C。SCL（PB6），SDA（PB7）。
一鍵報警按鍵：
- 電路：接GPIO（如PA4，配置為上拉輸入），按下為低電平。

(三) 通信模塊選型及配置

選型：AIR780E（4G CAT.1模塊）。相比NB-IoT，CAT.1速率更快，支持TCP/IP協議棧，適合本項目的實時數據上報；相比傳統4G，功耗和成本更低。
接口：UART串口。
電路：模塊TXD接MCU的RX1(PA10)，RXD接MCU的TX1(PA9)，VCC接4.0V~4.2V，需獨立供電。

(四) 執行與交互模塊

語音播報模塊：
- 選型：JQ8900-16P，可內置“溫度過高，請注意”、“您已超速”、“車距過近，請小心”、“駕駛員狀態異常，請休息”等語音。
- 接口：串口。接MCU的另一個UART（如TX3(PB10)）。
LED報警燈：接GPIO（如PC13），用于超速時的閃爍提醒。
OLED顯示屏：0.96寸I2C SSD1306，與MAX30102共用I2C總線。

四、軟件設計與實現

(一) 開發環境與協議

IDE：Keil uVision 5
配置工具：STM32CubeMX
庫：HAL庫
通信協議：HTTP或MQTT（通過4G模塊的AT指令實現與云平臺的通信）

(二) 系統初始化

初始化系統時鐘、GPIO、ADC、I2C、UART（調試串口、4G串口、語音模塊串口）。
初始化外部中斷（用于霍爾傳感器測速）。
初始化所有外設：OLED、DHT11、MAX30102等。
配置4G模塊：發送AT指令撥號上網，并連接MQTT服務器。

(三) 軟件主邏輯流程圖

(四) 關鍵代碼片段

主循環核心邏輯

int main() {// 系統初始化System_Init();OLED_ShowWelcome();Voice_Play("系統啟動完成"); while (1) {// 1. 采集數據 (每1秒一次)if (HAL_GetTick() - sensor_timer > 1000) {sensor_timer = HAL_GetTick();DHT11_Read(&temperature, &humidity);speed = Calculate_Speed(); // 通過外部中斷計數計算車速distance = Get_Ultrasonic_Distance();MAX30102_GetData(&heart_rate, &spo2);}// 2. 安全預警決策// 溫度預警if (temperature > TEMP_THRESHOLD) {Voice_Play_Warning(VOICE_TEMP_HIGH);}// 超速預警if (speed > SPEED_THRESHOLD) {Voice_Play_Warning(VOICE_OVERSPEED);LED_Blink(500); // LED每500ms閃爍一次} else {LED_Off();}// 車距預警if (distance < DISTANCE_THRESHOLD && distance > 0) {Voice_Play_Warning(VOICE_TOO_CLOSE);}// 駕駛員狀態預警if (heart_rate < HR_LOW || heart_rate > HR_HIGH || spo2 < SPO2_THRESHOLD) {Voice_Play_Warning(VOICE_HEALTH_ALERT);LED_Blink(200); // 快速閃爍// 立即通過4G上報緊急情況MQTT_Publish("driver/alert", "Abnormal vital signs!");}// 3. 一鍵報警處理 (中斷方式)if (emergency_flag) {emergency_flag = 0;Voice_Play_Warning(VOICE_SOS);LED_Blink(100);// 通過4G上報求救信息，包含位置信息（如果集成GPS）MQTT_Publish("car/sos", "EMERGENCY! Driver needs help!");}// 4. 常規數據上報 (每30秒一次)if (HAL_GetTick() - report_timer > 30000) {report_timer = HAL_GetTick();sprintf(mqtt_data, "{\"temp\":%d,\"hum\":%d,\"speed\":%d,\"dist\":%d,\"hr\":%d,\"spo2\":%d}",temperature, humidity, speed, distance, heart_rate, spo2);MQTT_Publish("car/status", mqtt_data);}// 5. 顯示刷新OLED_ShowStatus(temperature, speed, distance, heart_rate, spo2);HAL_Delay(100);}
}// 一鍵報警按鍵中斷服務函數
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {if (GPIO_Pin == SOS_KEY_Pin) {emergency_flag = 1;}
}// 霍爾傳感器脈沖計數中斷服務函數
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin) {if (GPIO_Pin == HALL_SENSOR_Pin) {pulse_count++;}
}

五、系統測試與優化

(一) 測試方案

實驗室測試：
- 傳感器：用熱風槍測試DHT11，用磁鐵模擬測試霍爾傳感器，用障礙物測試超聲波，用手指測試MAX30102。
- 預警邏輯：分別觸發各項閾值，測試語音、LED、4G上報是否正常。
實車靜態測試：在停放的車輛中安裝系統，測試所有功能，尤其是4G網絡在車內的連接穩定性。
實車動態測試：在安全道路（如封閉測試場）進行測試，驗證車速測量的準確性、車距預警的實時性。

(二) 優化方向

增加GPS模塊：在發送求救信息時，附帶經緯度坐標，方便精確定位救援。
算法優化：
- 車距預警：加入相對速度判斷，更準確地預測碰撞風險。
- 疲勞駕駛：通過心率變異性和方向盤微動作（可由加速度計間接判斷）綜合判斷駕駛員是否疲勞。
電源管理：設計汽車電源（12V）轉5V/3.3V的電路，實現車輛啟動自動上電，熄火延時斷電。
數據可視化：開發配套手機APP或Web后臺，可視化歷史行車數據和安全事件。

六、硬件設計注意事項

抗干擾設計：車輛電氣環境惡劣，存在大量電磁干擾。PCB設計時需注意：
- 電源輸入端增加π型濾波和TVS二極管，抑制浪涌和電壓瞬變。
- 信號線盡可能短，關鍵信號線可考慮包地。
- 芯片電源引腳附近放置去耦電容。
傳感器布局：
- 霍爾傳感器和磁鐵安裝位置要準確，確保能有效觸發。
- 超聲波傳感器安裝角度需調整至檢測區域正后方。
- MAX30102需設計成便于駕駛員手指觸碰的形式。
4G天線：為4G模塊預留天線接口，并確保天線位置靠近車窗或車外，以保證信號質量。
功耗管理：雖然車輛供電充足，但良好的功耗習慣有助于系統穩定性。在不需要全功能運行時，可使STM32進入睡眠模式，由外部事件（如按鍵、傳感器中斷）喚醒。

七、結論與展望

(一) 項目總結

本項目成功設計并實現了一個功能全面、實用性強的車輛安全駕駛預警系統原型。系統有效地將環境監測、車輛狀態監測、駕駛員狀態監測融為一體，構建了“人-車-環境”三位一體的主動安全防護體系，并通過4G網絡實現了數據的遠程傳輸與緊急求助功能。所有預設功能均得到實現，驗證了STM32在復雜嵌入式物聯網系統中的強大處理能力。