摘 要：目前共享租賃汽車行業(yè)中汽車經(jīng)常受到不同程度的損壞，但租車公司難以實(shí)時(shí)獲取汽車損壞數(shù)據(jù)。針對(duì)這個(gè)問題，設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103的共享汽車管理系統(tǒng)，通過車載激光雷達(dá)和姿態(tài)傳感器等測(cè)量裝置，對(duì)車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行測(cè)量并加以分析。將該系統(tǒng)安裝在共享汽車上可以對(duì)汽車運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和環(huán)境進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析，并將汽車的運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)顯示在屏幕上；識(shí)別到汽車處于危險(xiǎn)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)時(shí)會(huì)對(duì)駕駛員進(jìn)行警告，同時(shí)將汽車的相關(guān)數(shù)據(jù)上傳到云服務(wù)器上和顯示在微信小程序上，便于后臺(tái)管理員對(duì)用戶進(jìn)行管理。

關(guān)鍵詞：STM32F103；姿態(tài)傳感器；激光雷達(dá)；共享汽車；汽車管理系統(tǒng)；狀態(tài)監(jiān)測(cè)

中圖分類號(hào)：TP277；U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）03-0-03

0 引 言

隨著共享經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車租賃行業(yè)開始出現(xiàn)在大眾的視野，為一些沒有車輛的用戶出行提供了極大的便利。許多租車公司為了節(jié)省人工成本，推出了自助取還的租賃方式，但這種經(jīng)營模式面臨許多問題[1-3]。由于是租賃的車，許多用戶在使用的時(shí)候，并不會(huì)特別愛惜，汽車經(jīng)常會(huì)受到不同程度的損壞。共享消費(fèi)的不當(dāng)行為會(huì)損害企業(yè)和很多消費(fèi)者的利益，浪費(fèi)社會(huì)資源，惡化社會(huì)風(fēng)氣，已成為制約共享消費(fèi)模式發(fā)展的關(guān)鍵因素[4-5]。

目前，隨著傳感器的應(yīng)用和發(fā)展，許多汽車已經(jīng)搭載了各式各樣的傳感器，以便輔助人們駕駛，但針對(duì)上面提到的情況，仍缺乏相關(guān)的研究[6]。本文將結(jié)合現(xiàn)有的傳感器測(cè)量技術(shù)，設(shè)計(jì)一套汽車監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這個(gè)系統(tǒng)可以安裝在共享汽車上對(duì)租賃客戶的駕駛行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，能有效識(shí)別危險(xiǎn)駕駛行為并對(duì)駕駛?cè)诉M(jìn)行警告，同時(shí)將汽車運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)上傳到云端服務(wù)器，并顯示在小程序上；通過記錄各個(gè)租賃用戶的駕駛行為習(xí)慣，企業(yè)可以對(duì)各個(gè)用戶進(jìn)行駕駛行為評(píng)估，針對(duì)不同的用戶采取不同的計(jì)費(fèi)方式，這種模式能促使用戶在用車時(shí)自覺避免不當(dāng)行為，減少對(duì)共享汽車的損壞，同時(shí)還會(huì)在一定程度上保障交通安全。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

1.1 總體硬件方案設(shè)計(jì)

硬件系統(tǒng)如圖1所示，以STM32F103為系統(tǒng)核心，配置了電源管理系統(tǒng)、MQ系列氣體傳感器、MPU6050姿態(tài)傳感器、GPS定位模組、串口屏、EC600N-CN通信模組、激光雷達(dá)、語音播報(bào)等模組。

1.2 總體軟件方案設(shè)計(jì)

軟件系統(tǒng)如圖2所示，其由硬件程序、云服務(wù)器和前端顯示三大模塊組成，其中硬件程序負(fù)責(zé)測(cè)量和分析數(shù)據(jù)，云服務(wù)器是數(shù)據(jù)交互中心，微信小程序是管理員的監(jiān)控平臺(tái)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分包括主控芯片、電源系統(tǒng)、姿態(tài)傳感器、氣體傳感器、激光雷達(dá)、定位模組、通信模組等。

2.1 主控芯片

微控制器采用了STM32F103C8T6芯片，這是ST公司出品的基于Cortex-M3內(nèi)核的ARM控制器。該控制器具有72 MHz CPU速度和高達(dá)1 MB的閃存，同時(shí)擁有豐富的資源，可以滿足測(cè)量和通信的需求。本設(shè)計(jì)采用了外部晶振輸入作為時(shí)鐘源[7]。

2.2 電源系統(tǒng)

電源系統(tǒng)可接收標(biāo)準(zhǔn)的車載電源12 V輸入，并輸出5 V的系統(tǒng)工作電壓，其采用了TPS54332 DC/DC降壓芯片，該電源芯片具有寬壓輸入范圍（12～15 V），能穩(wěn)定輸出5 V電壓，支持最大3 A的連續(xù)電流輸出。在輕負(fù)載條件下，TPS54332通過采用脈沖跳躍ECO模式來提升效率。為保證輸出電壓穩(wěn)定在5 V，當(dāng)輸入電壓過低時(shí)（6～7 V），設(shè)計(jì)了欠壓鎖定電路。

由于系統(tǒng)中主控芯片和部分模組需要3.3 V的工作電壓，采用AMS1117-3.3低壓差穩(wěn)定器，為模擬系統(tǒng)提供穩(wěn)定、紋波小的參考電壓。

2.3 姿態(tài)傳感器

姿態(tài)傳感器模組采用MPU-6050芯片，模組內(nèi)部設(shè)計(jì)有RT9193-33的線性穩(wěn)壓器，為芯片工作提供3.3 V的穩(wěn)定工作電壓。芯片中MPU_SCL、MPU_SDA、MPU_INT接口已內(nèi)置4.7 kΩ的上拉電阻，芯片無需外部時(shí)鐘和幀同步輸入，故CLKIN和FSYNC引腳接地，MPU_AD0接下拉電阻，設(shè)置I2C從機(jī)地址為0x68，MPU_SDA作為I2C接口的數(shù)據(jù)線接PA4，MPU_SCL作為I2C接口的時(shí)鐘線接PA5。主控芯片通過I2C讀取MPU6050的加速度傳感器和角速度傳感器的原始數(shù)據(jù)。

2.4 氣體傳感器

氣體傳感器采用MQ-2煙霧傳感器和MQ-3酒精傳感器，該系列傳感器內(nèi)阻與所測(cè)氣體體積分?jǐn)?shù)的關(guān)系呈線性。設(shè)計(jì)有兩路輸出：一路通過電阻分壓形式連接到主控芯片PB0、PB1引腳的ADC接口，用于測(cè)量并輸出電壓值；另一路則連接一個(gè)比較器，其中滑動(dòng)變阻器用于調(diào)整燈光報(bào)警閾值的大小。

2.5 激光雷達(dá)

激光雷達(dá)采用了兩組TF02-Pro激光雷達(dá)模組，放置在車輛前后，用于測(cè)量前后車距，其測(cè)量范圍為0.1～40 m，精準(zhǔn)度為±1%，分辨率為1 cm，最高支持1 000 Hz的輸出，可以滿足基本的測(cè)量需求。此處采用I2C的通信方式，與主控芯片的PA6和PA7、PB3和PB4引腳連接。

2.6 定位模組

采用了ATK-S1216F8 GPS/北斗模塊雙模定位模塊，與主控芯片采用串口通信，輸出頻率最高為20 Hz。該模塊用于測(cè)量車輛的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度、速度和海拔數(shù)據(jù)，主控芯片通過SkyTraq協(xié)議對(duì)模塊進(jìn)行配置，并采用NMEA-0183協(xié)議輸出數(shù)據(jù)。

除上述6個(gè)模塊的設(shè)計(jì)，還需進(jìn)行串口屏、語音模組、通信模組的配置，以確保所測(cè)量的數(shù)據(jù)能夠正確顯示并上傳至微信小程序。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 硬件程序

硬件程序框圖如圖3所示。硬件系統(tǒng)上電啟動(dòng)，首先進(jìn)行芯片外設(shè)的初始化，再對(duì)各模塊進(jìn)行初始化和模式的配置。在初始化完成后，開始連接服務(wù)器，建立MQTT連接，訂閱和發(fā)布相應(yīng)的主題。

通信建立完成后，開始進(jìn)行數(shù)據(jù)測(cè)量。每一組測(cè)量數(shù)據(jù)包括：經(jīng)度、緯度、海拔、速度、三維加速度、歐拉角、前后車距、氣體體積分?jǐn)?shù)。等待數(shù)據(jù)測(cè)量完畢，將基本數(shù)據(jù)顯示在串口屏上并上傳至云服務(wù)器；然后進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，其中數(shù)據(jù)分析包括：安全距離分析、加速度分析、變道分析、環(huán)境分析。數(shù)據(jù)分析完畢，若存在異?，F(xiàn)象則會(huì)在設(shè)備發(fā)出語音提示和屏幕顯示，并將異常情況上傳至云服務(wù)器。至此，一輪數(shù)據(jù)測(cè)量和分析完畢，并開始下一組數(shù)據(jù)的測(cè)量和分析，其中數(shù)據(jù)的測(cè)量和分析頻率為20 Hz。

3.1.1 安全距離分析

假設(shè)汽車制動(dòng)過程如圖4所示，L1為駕駛員反應(yīng)時(shí)間所行駛的距離，L2為整車制動(dòng)力增長階段的制動(dòng)距離，L3為達(dá)到充分發(fā)揮平均減速度后的制動(dòng)距離[8]。

在L1階段，汽車保持初速度行駛，可計(jì)算得：L1=v2t2。在L2階段假設(shè)以0.5 N作為平均制動(dòng)力，按沖量原理計(jì)算：

0.5φMgt1=kM（v2-v1） （1）

可得：

v1=v2-0.5φgt1/k （2）

由能量守恒定律可知，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為內(nèi)能：

0.5φMgL2=0.5kM（v22-v12） （3）

由此可得：

L2=k（v22-v12）/（φg） （4）

φMgL3=0.5kMv12 （5）

L3=0.5kv12/（φg） （6）

綜上所述，制動(dòng)距離為：

L=L1+L2+L3=v2t2+k（v22-0.5v12）/（φg） （7）

式中：M為車輛的空載質(zhì)量（單位為kg）；g為重力加速度，取9.8 m/s2；t1為達(dá)到充分發(fā)揮平均減速度的時(shí)間（單位為s）；t2為駕駛員反應(yīng)的時(shí)間（單位為s）；k為汽車空載質(zhì)量和轉(zhuǎn)動(dòng)件當(dāng)量慣量系數(shù)；v2為制動(dòng)初速度（單位為m/s）；v1為達(dá)到充分發(fā)揮平均減速度時(shí)的車速（單位為m/s）；φ為車輪與路面的最大附著系數(shù)[9]。

汽車前車與后車之間的運(yùn)動(dòng)關(guān)系存在3種情況：前車速度大于后車；前車速度等于后車；前車速度小于后車。要使兩車保持安全的距離，當(dāng)前車速度小于后車時(shí)，所需安全距離為3種情況的最大值，此處假設(shè)前車與后車的速度差有最大值，即前車速度為0，則可求得最安全距離為后車的制動(dòng)距離L。

3.1.2 加速度分析

汽車正常行駛時(shí)，急劇加速或減速都會(huì)給汽車零部件帶來不可逆轉(zhuǎn)的損傷。對(duì)于加速度的大小設(shè)置了一個(gè)閾值范圍，若超出此范圍，則判斷為加速度異常。

3.1.3 變道分析

利用MPU6050的嵌入式運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)庫，結(jié)合MPU6050的DMP，將原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成四元數(shù)輸出，然后即可計(jì)算得出歐拉角：Roll（俯仰角）、Pitch（俯仰角）、Yaw（航偏角），計(jì)算公式如下[10]：

（8）

式中：q0、q1、q2、q3為四元數(shù)。

通過姿態(tài)傳感器測(cè)量航偏角和加速度，對(duì)比上一組數(shù)據(jù)的航偏角和加速度，計(jì)算出航偏角和加速度的變化率。當(dāng)兩者的變化率大于某一閾值時(shí)，判斷汽車行駛方向發(fā)生偏移，即汽車在進(jìn)行變換道路行駛，此時(shí)結(jié)合后置激光雷達(dá)所得的測(cè)量數(shù)據(jù)，判斷后方是否存在車輛且保持安全距離，安全距離采用式（7）計(jì)算。

3.1.4 環(huán)境分析

根據(jù)MQ-2煙霧傳感器和MQ-3酒精傳感器的特性描述（標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)：（20±2）℃；（55±5）%RH），如圖5所示，得出氣體體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式如下。

MQ-2煙霧體積分?jǐn)?shù)：

S=47.596f*pow（RS/RO， -1.455f） （9）

MQ-3酒精體積分?jǐn)?shù)：

A=6.158f*pow（RS/RO， -1.15f） （10）

式中：RO表示傳感器在潔凈空氣中的電阻值；RS表示傳感器在不同體積分?jǐn)?shù)氣體中的電阻值。

3.2 云服務(wù)器

在騰訊云的輕量應(yīng)用服務(wù)器（Ubuntu系統(tǒng)）上部署EMQX Enterprise，建立MQTT消息發(fā)布/訂閱平臺(tái)，用于發(fā)布來自傳感器的數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)分析后的結(jié)果。

3.3 微信小程序

小程序運(yùn)行時(shí)先進(jìn)行初始化，以及對(duì)頁面的渲染。初始化完成后，調(diào)用云函數(shù)讀取數(shù)據(jù)庫的內(nèi)容，并進(jìn)行初始數(shù)據(jù)的更新；然后調(diào)用MQTT客戶端庫，通過WebSocket進(jìn)行即時(shí)通信，連續(xù)監(jiān)聽服務(wù)器發(fā)布的數(shù)據(jù)內(nèi)容，實(shí)時(shí)更新設(shè)備端的信息并渲染在畫面上。實(shí)時(shí)顯示相關(guān)數(shù)據(jù)的同時(shí)，設(shè)備的違規(guī)數(shù)據(jù)組與違規(guī)類別也會(huì)被記錄在數(shù)據(jù)庫內(nèi)。

4 結(jié)果測(cè)試

系統(tǒng)上電，等待初始化完成，屏幕能正常顯示，服務(wù)器連接正常。將設(shè)備置于汽車內(nèi)，運(yùn)行車輛，并在屏幕上顯示汽車當(dāng)前的行駛數(shù)據(jù)。通過模擬汽車加速度的急劇變化、汽車與前車距離的改變、汽車變換道路后方車輛的狀況、環(huán)境氣體體積分?jǐn)?shù)的改變等不同情形的實(shí)驗(yàn)，設(shè)備均有正常的反饋和記錄，設(shè)備各項(xiàng)功能完好，測(cè)試無誤。

5 結(jié) 語

本文設(shè)計(jì)了一款基于STM32F103的共享汽車管理系統(tǒng)，分別從MPU6050數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、汽車行駛安全判斷算法、氣體體積分?jǐn)?shù)計(jì)算等方面提出了方案，能夠在共享汽車上對(duì)租賃客戶的駕駛行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控和分析，有效識(shí)別危險(xiǎn)駕駛行為并對(duì)駕駛?cè)诉M(jìn)行警告，利用該裝置可以盡可能地降低租賃汽車的損耗。

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