基于樹莓派5的智能車載安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

一、項(xiàng)目名稱

基于樹莓派5的智能車載安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

二、項(xiàng)目概述

智能車載安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng) 是一款基于樹莓派5的車載安全系統(tǒng)，旨在監(jiān)測(cè)車內(nèi)多種潛在危險(xiǎn)情況，當(dāng)檢測(cè)危險(xiǎn)情況時(shí)發(fā)出警報(bào)，并通過Wi-Fi聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)上報(bào)到云端，包括定位信息，以便遠(yuǎn)程監(jiān)控和管理。安全檢測(cè)覆蓋以下場(chǎng)景：

駕乘人員突然發(fā)疾病，暈厥甚至休克，通過我司的雷達(dá)模組可以檢測(cè)到人體存在、呼吸心率，駕乘人員無接觸的呼吸心率檢測(cè)，當(dāng)超出正常范圍則報(bào)警；

私家車在路上、車庫自燃的情況屢有發(fā)生，極大地危害駕乘人員的生命、財(cái)產(chǎn)安全。通過煙霧檢測(cè)，當(dāng)檢測(cè)到異常則語音報(bào)警并及時(shí)上報(bào)云端；

小孩被粗心地鎖在車內(nèi)，高溫造成傷亡的危險(xiǎn)。通過雷達(dá)模塊檢測(cè)人體存在再結(jié)合溫濕度檢測(cè)模塊，既可以準(zhǔn)備判斷此危險(xiǎn)情況，通過網(wǎng)絡(luò)上報(bào)云端推送給手機(jī)APP；

三、作品實(shí)物圖

實(shí)物圖

實(shí)物圖1：硬件整體布局

此項(xiàng)目有兩個(gè)板卡組成，樹莓派5作為主控，Arduino 開發(fā)板（型號(hào)為Teensy4.1）作為傳感器采集板卡，和樹莓派5通過UART通信。

如下圖所示：

1.樹莓派5主控，左上角網(wǎng)口連接到路由器，此外也通過WiFi連接到路由器，右上角供電電源；下發(fā)是排針連接到樹莓派GPIO擴(kuò)展板；

2.樹莓派GPIO擴(kuò)展板，將40PIN接口轉(zhuǎn)接到面包板上；主要把樹莓派5的 UART0 和 Arduino 開發(fā)板連接；

3.Arduino 板卡（型號(hào)為 Teensy4.1），和多個(gè)傳感器連接，采集傳感器數(shù)據(jù)；通過UART和樹莓派5通信，上報(bào)傳感器數(shù)值；

4.面板包僅作為傳感器固定作用，從左到右傳感器依次是：DHT11溫濕度傳感器，火焰?zhèn)鞲衅?/a>，煙霧傳感器，雷達(dá)傳感器；

實(shí)物圖2：硬件安裝視圖

在辦公室環(huán)境下，把樹莓派5塞到升降桌面下，Arduino 板卡和GPIO擴(kuò)展板放在后邊，把傳感器模塊擺到同一個(gè)面包板上。

系統(tǒng)框圖

系統(tǒng)框圖如下：

傳感器都接在 Arduino 板卡上；

Arduino 板卡和樹莓派5通過UART通信，上報(bào)傳感器數(shù)值；

樹莓派5通過網(wǎng)絡(luò)連接到云服務(wù)器，通過MQTT上報(bào)傳感器狀態(tài)；

硬件組成

溫濕度傳感器

DHT11 溫濕度模塊可以檢測(cè)環(huán)境相對(duì)濕度和溫度，內(nèi)部包括一個(gè)電容式感濕元件和一個(gè)NTC測(cè)溫原件，并與一個(gè)高性能8位單片機(jī)相連接，使用單總線和主控通信，僅需一個(gè)I/O口。

參數(shù)特性：

-工作電壓范圍：適用于 3.3V 至 5.5V

-相對(duì)濕度量程范圍：5~95%RH

-相對(duì)濕度精度（25℃以下）：±5%RH

-相對(duì)濕度分辨率：1%RH

-溫度量程范圍：-20~60℃

-溫度精度（25℃以下）：±2℃

-溫度分辨率：0.1℃

-采樣周期：>2S/次

火焰?zhèn)鞲衅?/h3>

火焰檢測(cè)模塊可以檢測(cè)火焰或者波長(zhǎng)在760nm~1100nm范圍內(nèi)的光源，通過旋轉(zhuǎn)可調(diào)節(jié)電位器，可以設(shè)定火焰檢測(cè)模塊感應(yīng)火焰的強(qiáng)度，當(dāng)火焰強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，DO端輸出高電平，當(dāng)火焰強(qiáng)度超過設(shè)定閾值時(shí)，DO端輸出低電平，AO端供ADC采集火焰檢測(cè)模塊的模擬量。

參數(shù)特性：

-可調(diào)節(jié)電位器阻值范圍：阻值最大為 10KΩ，可調(diào)整閾值以適應(yīng)不同的火焰強(qiáng)度條件；

-工作電壓范圍：3.3V~5V；

-工作溫度范圍：-40℃~+85℃；

-檢測(cè)距離與角度：打火機(jī)實(shí)驗(yàn)最遠(yuǎn)約為 1.5m，火焰越大與正對(duì)角度越小，檢測(cè)距離越遠(yuǎn)，適合60度左右范圍內(nèi)使用；

-輸出形式：DO數(shù)字量（TTL高低電平），AO模擬量（0~4.5V以下）；

煙霧傳感器

MQ2煙霧檢測(cè)模塊可以檢測(cè)環(huán)境中如煙霧、丙烷、甲烷、乙醇等可燃?xì)怏w，通過旋轉(zhuǎn)可調(diào)節(jié)電位器，可以設(shè)定檢測(cè)可燃?xì)怏w濃度的閾值，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度達(dá)不到設(shè)定閾值時(shí)，DO端輸出高電平，當(dāng)可燃?xì)怏w濃度超過設(shè)定閾值時(shí)，DO端輸出低電平，AO端供ADC采集煙霧檢測(cè)模塊的模擬量。

參數(shù)特性：

氣敏材料：二氧化錫

負(fù)載電阻：10KΩ

加熱電阻：29Ω±3Ω（室溫）

加熱功耗：≤ 950mW

預(yù)熱時(shí)間：建議不低于5分鐘

工作溫度范圍：-10℃~﹢50℃

供電電壓：5V

輸出形式：DO數(shù)字量（TTL高低電平），AO模擬量（0~4V以下）

雷達(dá)傳感器

此款雷達(dá)模組是一種基于FMCW雷達(dá)收發(fā)器技術(shù)的集成單片機(jī)毫米波傳感器SOC。工作在24GHz，利用 FMCW 調(diào)頻連續(xù)波，對(duì)設(shè)定空間內(nèi)的目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)。結(jié)合雷達(dá)信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)高靈敏度的運(yùn)動(dòng)檢測(cè)和微動(dòng)檢測(cè)。

參數(shù)特性：

采用DIP封裝

支持 24GHz ISM 頻段
雷達(dá)最遠(yuǎn)感應(yīng)距離可達(dá)10米

雷達(dá)探測(cè)角度大，覆蓋范圍可達(dá)±60度

雷達(dá)區(qū)間內(nèi)準(zhǔn)確識(shí)別，支持感應(yīng)范圍劃分，屏蔽區(qū)間外干擾

可以通過串口實(shí)現(xiàn)雷達(dá)的智能調(diào)參，方便快捷

支持掛頂、掛壁等多種安裝方式

支持UART，默認(rèn)波特率 115200

傳感器總結(jié)

以上傳感器看起來滿足了一般的車輛內(nèi)部環(huán)境監(jiān)測(cè)的需求。但是，為了確保其適用于特定的汽車應(yīng)用，還需要考慮以下幾個(gè)因素：

是否能在預(yù)期的工作溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定運(yùn)行。

是否能承受汽車啟動(dòng)、停止以及行駛過程中產(chǎn)生的振動(dòng)和沖擊。

是否有適當(dāng)?shù)姆雷o(hù)措施來防止水汽、灰塵等污染物的影響。

是否符合汽車行業(yè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和認(rèn)證要求，例如ISO/TS 16949質(zhì)量管理體系標(biāo)準(zhǔn)。

因此，雖然從技術(shù)規(guī)格上看這些傳感器似乎可以用于車內(nèi)環(huán)境監(jiān)測(cè)，但在實(shí)際應(yīng)用前應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試以驗(yàn)證其在實(shí)際汽車環(huán)境中的可靠性和穩(wěn)定性，此項(xiàng)目使用這幾款傳感器僅用作驗(yàn)證用途。

Arduino 板卡 -- Teensy4.1

Teensy4.1 是一款基于 NXP i.MX RT1062 芯片的高性能開發(fā)板，該芯片擁有高達(dá)600MHz的處理速度和1MB的RAM。這款開發(fā)板不僅繼承了 Teensy 系列小巧的特點(diǎn)，還擴(kuò)展了豐富的接口和功能，使其非常適合各種嵌入式系統(tǒng)項(xiàng)目。

特性：

-性能與資源：Teensy4.1 在 600MHz 頻率下運(yùn)行時(shí)，電流消耗大約為100mA，并支持動(dòng)態(tài)時(shí)鐘縮放。

-I/O功能：此板卡具有多種I/O接口，包括以太網(wǎng)、SD卡插槽、USB主機(jī)等，提供了強(qiáng)大的連接能力，適用于網(wǎng)絡(luò)通信和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)應(yīng)用；

-應(yīng)用場(chǎng)景：由于其卓越的性能和豐富的特性，Teensy4.1 被廣泛用于自動(dòng)控制系統(tǒng)、機(jī)器人、無人機(jī)等領(lǐng)域;

樹莓派5

樹莓派5是一款高性能的單板計(jì)算機(jī)，它采用了運(yùn)行頻率為2.4GHz的64位四核Arm Cortex-A76處理器，與前代產(chǎn)品樹莓派4相比，CPU性能提升了2到3倍。這款設(shè)備不僅在計(jì)算能力上有了顯著提升，同時(shí)在圖形處理、多媒體支持和連接性方面也有所增強(qiáng)。

樹莓派5的主要特點(diǎn)包括：

處理器：BCM2712 SoC，包含四個(gè)Cortex-A76核心。

內(nèi)存：提供4GB或8GB LPDDR4X選項(xiàng)。

顯示輸出：雙4Kp60 HDMI輸出，支持HDR。

網(wǎng)絡(luò)：內(nèi)置Wi-Fi 5 (802.11ac) 雙頻無線網(wǎng)卡以及藍(lán)牙5.0。

USB接口：兩個(gè)USB 3.0端口和兩個(gè)USB 2.0端口。

擴(kuò)展接口：一個(gè)PCIe 2.0接口，可用于添加高帶寬外設(shè)；標(biāo)準(zhǔn)40針GPIO頭用于傳統(tǒng)樹莓派配件。

存儲(chǔ)：MicroSD卡插槽支持高速SDR104模式。

電源：通過USB-C供電，推薦使用5V/5A適配器以確保足夠的電力供應(yīng)給所有連接的設(shè)備。

此外，樹莓派5還引入了實(shí)時(shí)時(shí)鐘(RTC)，使得即使斷電后也能保持時(shí)間準(zhǔn)確，并且新增了對(duì)PoE+的支持，允許通過以太網(wǎng)線纜供電。樹莓派5的設(shè)計(jì)考慮到了開發(fā)者和教育用戶的需求，提供了更強(qiáng)大的硬件平臺(tái)來構(gòu)建復(fù)雜的項(xiàng)目和應(yīng)用。

連接關(guān)系

四、演示視頻

阿里云設(shè)備信息

視頻見B站：

五、項(xiàng)目文檔

樹莓派5代碼：

參考附件

Arduino 代碼：

參考附件