如何利用STM32實現(xiàn)酒精測試儀的設(shè)計

背景

該項目的誕生是因為觀察到在大多數(shù)汽車共享服務(wù)中，人們即使喝醉了也可以開車，因為沒有檢查他們的狀況。事實上，要駕駛汽車，您只需使用移動應(yīng)用程序打開它并拿到里面的鑰匙。為了解決這個問題，我創(chuàng)建了一個基于云的物聯(lián)網(wǎng)呼氣測醉器，連接到一個包含汽車鑰匙的盒子；如果測試返回負值，則該框?qū)⒋蜷_，否則將保持關(guān)閉狀態(tài)。以下是更詳細的分析：IoT 設(shè)備架構(gòu)、云層和 IoT 設(shè)備的 RIOT-OS 代碼。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備

上圖顯示了傳感器和執(zhí)行器如何連接到 SMT NUCLEO-f401re 板。

使用的傳感器是超聲波傳感器和MQ-3酒精傳感器；使用的執(zhí)行器是伺服電機、三個 LED（迷你交通燈）、一個按鈕和一個蜂鳴器。

超聲波傳感器（HC SR04）：

它用于允許酒精傳感器計算正確的測量值。事實上，它位于 MQ 3 傳感器附近，只有當傳感器與人的距離小于 5 厘米時，MQ 3 模塊才會在人呼氣時開始測量人的血液酒精水平。通過發(fā)送觸發(fā)信號和接收回波信號來估計距離；計算出的時間（以我們?yōu)閱挝唬┏?58 是超聲波傳感器前方物體的距離（以厘米為單位）?？蓽y量2-400厘米范圍內(nèi)的距離，測距精度可達3毫米。一旦通過移動應(yīng)用程序打開汽車（通過為系統(tǒng)供電），超聲波傳感器就會進行定期感應(yīng)（每 5 秒執(zhí)行一次新的測量）。當裝有鑰匙的盒子被打開時，傳感器停止采取措施。

MQ 3 傳感器：

它測量空氣中酒精的濃度。其檢測范圍從 0.04 到 4 mg/l 酒精。它是一種金屬氧化物半導體，通過改變電阻來檢測周圍是否存在酒精蒸汽。事實上，當酒精濃度變高時，傳感器的電導率也會上升。電導率的這種變化被轉(zhuǎn)換為指示酒精含量的輸出值。特別是，當返回的值減去 100 大于 450 時，酒精含量被認為太高，并且框鍵將保持關(guān)閉狀態(tài)。該傳感器具有模擬輸出和數(shù)字輸出，但對于本項目，使用的是模擬輸出。MQ 3 傳感器僅在超聲波傳感器計算的距離小于 5 cm 時進行測量，因此可以計算出正確的測量值。

伺服電機：

伺服電機用于打開或關(guān)閉裝有汽車鑰匙的盒子。如果酒精傳感器返回的值小于或等于 450，則該框?qū)⒋蜷_，以便取走鑰匙。如果測量值大于 450，框鍵將保持關(guān)閉狀態(tài)。

迷你紅綠燈：

它具有三個 LED：紅色、黃色和綠色。它們用于為超聲波傳感器測量的距離提供反饋。距離大于 15 厘米時紅色 LED 亮；距離在5厘米至15厘米之間時黃色燈亮；當距離小于 5 厘米時，綠色會亮起。當綠色 LED 亮起時，表示該人距離傳感器足夠近，可以進行酒精測試，因此 MQ 3 傳感器被激活并可以測量酒精水平。

按鈕：

它用于關(guān)閉框鍵。按下時，伺服電機被激活，框鍵將關(guān)閉。為了將按鈕連接到電路板，它使用了一個 10K 歐姆的電阻器。

蜂鳴器：

它用于在呼氣測醉器返回的值超出限制時提供反饋。當 MQ 3 傳感器測量的值大于 450 時，蜂鳴器開啟 1 秒。為了將蜂鳴器連接到電路板上，它使用了一個 1 歐姆的電阻器。

云級別

云級別完全使用 AWS 生態(tài)系統(tǒng)開發(fā)。在下圖中，有一個架構(gòu)說明了所使用的 AWS 服務(wù)如何在整個系統(tǒng)中連接。

物聯(lián)網(wǎng)設(shè)備層和云端通過基于發(fā)布/訂閱機制的通信協(xié)議交換消息。董事會使用 MQTT-SN 協(xié)議將酒精傳感器采取的措施發(fā)送到 Mosquitto 代理。這些消息在“alcool_level”主題下發(fā)布。此外，該板訂閱了主題“topic_in”以接收從外部發(fā)送的消息，這些消息用于關(guān)閉或打開包含密鑰的框。Mosquitto 使用 MQTT 通過透明橋與 AWS 生態(tài)系統(tǒng)交換消息，這是一個 Python 腳本，用作 Mosquitto 和 AWS IoT Core 之間的橋梁。實際上，它將“alcool_level”的消息從板發(fā)布到 IoT Core，并將 IoT Core 在主題“topic_in”下發(fā)布的輸入消息作為輸入消息，這些消息被定向到板。然后，通過設(shè)置適當?shù)囊?guī)則，從板傳到 IoT Core 的消息直接存儲到 DynamoDB。然后通過調(diào)用 REST API 將它們顯示在 Web 儀表板上，這會觸發(fā)從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)的 lambda 函數(shù)（“get_data_from_db.py”）。從 Web 儀表板，可以通過在主題“topic_in”下發(fā)布消息“關(guān)閉”或消息“打開”來關(guān)閉或打開框鍵。消息通過調(diào)用使用另一個 lambda 函數(shù)（“publish_to_iotcore.py”）執(zhí)行此操作的 REST API 發(fā)布到 IoT Core。

AWS Amplify 用于托管 Web 儀表板的所有靜態(tài) Web 內(nèi)容。這會觸發(fā)從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)的 lambda 函數(shù)（“get_data_from_db.py”）。從 Web 儀表板，可以通過在主題“topic_in”下發(fā)布消息“關(guān)閉”或消息“打開”來關(guān)閉或打開框鍵。消息通過調(diào)用使用另一個 lambda 函數(shù)（“publish_to_iotcore.py”）執(zhí)行此操作的 REST API 發(fā)布到 IoT Core。AWS Amplify 用于托管 Web 儀表板的所有靜態(tài) Web 內(nèi)容。這會觸發(fā)從數(shù)據(jù)庫中獲取數(shù)據(jù)的 lambda 函數(shù)（“get_data_from_db.py”）。從 Web 儀表板，可以通過在主題“topic_in”下發(fā)布消息“關(guān)閉”或消息“打開”來關(guān)閉或打開框鍵。消息通過調(diào)用使用另一個 lambda 函數(shù)（“publish_to_iotcore.py”）執(zhí)行此操作的 REST API 發(fā)布到 IoT Core。AWS Amplify 用于托管 Web 儀表板的所有靜態(tài) Web 內(nèi)容。消息通過調(diào)用使用另一個 lambda 函數(shù)（“publish_to_iotcore.py”）執(zhí)行此操作的 REST API 發(fā)布到 IoT Core。AWS Amplify 用于托管 Web 儀表板的所有靜態(tài) Web 內(nèi)容。消息通過調(diào)用使用另一個 lambda 函數(shù)（“publish_to_iotcore.py”）執(zhí)行此操作的 REST API 發(fā)布到 IoT Core。AWS Amplify 用于托管 Web 儀表板的所有靜態(tài) Web 內(nèi)容。

在網(wǎng)絡(luò)儀表板上有：

兩個圖表用于顯示：過去 7 天內(nèi)一天內(nèi)打開盒子鑰匙的次數(shù)（MQ-3 傳感器測量的值小于或等于 450）和酒精測試返回陽性的次數(shù)過去 7 天內(nèi)一天的價值；

顯示 MQ-3 傳感器在當天采取的所有措施的表格；

用于打開或關(guān)閉框鍵的兩個按鈕；

關(guān)于過去 7 天計算的測試的一些統(tǒng)計數(shù)據(jù)：測試結(jié)果為陽性的最大時間段（8-12、12-17、17-20、20-24 和 00-8 之間的值）；裝有鑰匙的盒子被打開的次數(shù)；呼氣測醉器檢測到超過限值的次數(shù)；陽性測試占總測試的百分比。

RIOT代碼的邏輯
主要功能如下：

int main(void){
int result;

sensor_init();
mqtts_init();

while(true){
if(box_keys==0){
dist=distance_ultrasonic();

if(dist<5){
set_led("verde");
check_alcool();
}
else if(dist>=5 && dist<15){
set_led("giallo");
}
else{
set_led("rosso");
}
}
else{
while(box_keys==1){
result = gpio_read(box_pin);
if(result>0){
box_keys=0;
/*close box keys*/
servo_set(&servo, SERVO_MAX);
}
xtimer_sleep(0.5);
}
}
xtimer_sleep(5);
}
return 0;
}

如果全局變量box_keys等于 0，則意味著包含鍵的框已關(guān)閉，因此我們可以繼續(xù)進行測量。函數(shù)distance_ultrasonic返回從超聲波傳感器計算的距離（以厘米為單位）。

如果距離小于 5 厘米：通過set_led("verde")函數(shù)打開迷你交通燈的綠色 LED ，用戶可以繼續(xù)進行酒精測試。函數(shù)check_alcool管理與測試相關(guān)的所有部分（更多細節(jié)在下面解釋）。

如果距離在 5 厘米到 15 厘米之間，黃色 LED 燈亮，表示計算測試的距離差不多，但用戶必須更靠近

如果距離大于 15 厘米，紅色 LED 會亮起，表示距離太遠，用戶必須更靠近傳感器才能進行酒精測試。

如果全局變量box_keys不等于 0，則表示包含鍵的框已打開，因此我們進入“else”塊。在其值等于 1 之前，每 0.5 秒讀取一次連接到按鈕的引腳。如果它返回一個大于零的值（當它被按下時它返回值 256），通過用伺服電機鎖定它來關(guān)閉盒子，并且變量box_keys設(shè)置為 0 以允許進入前面的“if”塊下一輪 while 循環(huán)。

如果box_keys等于 0，則超聲波傳感器將每 5 秒感應(yīng)一次，這是由于在 main while 中的“if-else”塊之外設(shè)置的計時器。

下面將對 main 函數(shù)中前面提到的所有函數(shù)進行更詳細的解釋。

sensor_init函數(shù)：在 main 函數(shù)開始時使用，用于初始化傳感器和執(zhí)行器的所有 GPIO 引腳，以及伺服電機。

void sensor_init(void){
/*ultrasonic*/
gpio_init(trigger_pin, GPIO_OUT);
gpio_init_int(echo_pin, GPIO_IN, GPIO_BOTH, &call_back, NULL);
distance_ultrasonic(); /*first read returns always 0*/

/*mq3*/
adc_init(ADC_LINE(0));

/*traffic light*/
gpio_init(red_pin, GPIO_OUT);
gpio_init(yellow_pin, GPIO_OUT);
gpio_init(green_pin, GPIO_OUT);

/*button box keys*/
gpio_init(box_pin,GPIO_IN);

/*buzzer*/
gpio_init(buzzer_pin,GPIO_OUT);

/*servo init*/
servo_init(&servo, DEV, CHANNEL, SERVO_MIN, SERVO_MAX);
servo_set(&servo, SERVO_MAX);
}

用于引腳和伺服變量的所有變量都是全局的，因此它們是在函數(shù)之外定義的（您可以在項目的 GitHub 存儲庫中的代碼中找到有關(guān)它們的更多信息）。對于 MQ 3 傳感器，它被初始化為板接收值的模擬線路。用于初始化伺服電機的常量DEV、CHANNEL、SERVO_MIN、SERVO_MAX在函數(shù)外部定義。

check_alcool功能：它檢查用戶呼吸中的酒精含量并據(jù)此采取行動。

void check_alcool(void){
int sample = 0;
char msg[4];
sample=read_mq3();
sprintf(msg, "%d", sample);

if (sample > 450) {
gpio_set(buzzer_pin);
xtimer_sleep(1);
gpio_clear(buzzer_pin);
} else {
/*open box keys*/
servo_set(&servo, SERVO_MIN);
box_keys=1;
}
pub(TOPIC_OUT1,msg);
}

函數(shù)read_mq3返回 MQ 3 傳感器計算的值，如果大于 450 表示超過法定限制，因此無法駕駛汽車。包含按鍵的盒子將保持關(guān)閉狀態(tài)，并激活蜂鳴器 1 秒鐘（蜂鳴器用于向用戶提供酒精測試陽性結(jié)果的反饋）。如果傳感器返回的值小于或等于 450，則打開盒子（通過伺服電機解鎖盒子）并將全局變量box_keys設(shè)置為 1。在這兩種情況下，由Breathalyzer 與主題“alcool_level”下的函數(shù)pub一起發(fā)布（這是常量TOPIC_OUT1的值）。

read_mq3函數(shù)：返回 MQ 3 傳感器測量的值。

int read_mq3(void){
int sample = 0;
int min = 100;
sample = adc_sample(ADC_LINE(0), RES);
sample = (sample > min) ? sample - min : 0;
return sample;
}

如果傳感器測量的值大于 100，則返回減去 100 的值，否則返回 0。

distance_ultrasonic函數(shù)：返回超聲波傳感器測量的值。

int distance_ultrasonic(void){
uint32_t dist;
dist=0;
echo_time = 0;
gpio_clear(trigger_pin);
xtimer_usleep(20);
gpio_set(trigger_pin);
xtimer_msleep(100);
if(echo_time > 0){
dist = echo_time/58;
}
return dist;
}

它向傳感器發(fā)送一個脈沖并等待 100 毫秒以讀取全局變量echo_time 的值。如果該值大于 0，則將其除以 58 以計算傳感器前方物體的距離（以厘米為單位）。

call_back函數(shù)：它與distance_ultrasonic函數(shù)一起用于計算超聲波傳感器測量的值。

void call_back(void* arg){
int val = gpio_read(echo_pin);
uint32_t echo_time_stop;
(void) arg;
if(val){
echo_time_start = xtimer_now_usec();
}
else{
echo_time_stop = xtimer_now_usec();
echo_time = echo_time_stop - echo_time_start;
}
}

當檢測到回顯引腳上的變化時，該功能被激活。它測量從發(fā)送超聲波脈沖到接收回超聲波脈沖的時間差。它將值存儲在全局變量echo_time中， distance_ultrasonic函數(shù)使用該變量來計算傳感器前方物體的距離（以厘米為單位）。echo_time_stop也是一個全局變量。

set_led函數(shù)：用于根據(jù)傳遞給函數(shù)的參數(shù)設(shè)置迷你紅綠燈的正確 LED。

void set_led(char *str){
if(strcmp(str,"verde")==0){
gpio_clear(red_pin);
gpio_clear(yellow_pin);
gpio_set(green_pin);
}
else if(strcmp(str,"rosso")==0){
gpio_clear(yellow_pin);
gpio_clear(green_pin);
gpio_set(red_pin);
}
else if(strcmp(str,"giallo")==0){
gpio_clear(red_pin);
gpio_clear(green_pin);
gpio_set(yellow_pin);
}
}

如果str為“verde”，則綠色 LED 亮起，其他 LED 熄滅。如果str為“giallo”，則黃色的打開，其他的關(guān)閉。如果str是“rosso”，則紅色的打開，其他的關(guān)閉。

mqtts_init函數(shù)：它初始化與 MQTT-SN 代理的連接，并使用函數(shù)sub訂閱主題“topic_in”（常量TOPIC_IN的值） 。

static char stack[THREAD_STACKSIZE_DEFAULT];
static msg_t queue[8];
static emcute_sub_t subscriptions[NUMOFSUBS];
static char topics[NUMOFSUBS][TOPIC_MAXLEN];

void mqtts_init(void){
/* the main thread needs a msg queue to be able to run `ping`*/
msg_init_queue(queue, ARRAY_SIZE(queue));

/* initialize our subscription buffers */
memset(subscriptions, 0, (NUMOFSUBS * sizeof(emcute_sub_t)));

/* start the emcute thread */
thread_create(stack, sizeof(stack), EMCUTE_PRIO, 0, emcute_thread, NULL, "emcute");

char * addr1 = "fec0:affe::99";
add_address(addr1);
con();
sub(TOPIC_IN);
}

以下函數(shù)用于初始化部分：

static void *emcute_thread(void *arg){
(void)arg;
emcute_run(BROKER_PORT, "board");
return NULL;
}

static int add_address(char* addr){
char * arg[] = {"ifconfig", "4", "add", addr};
return _gnrc_netif_config(4, arg);
}

static int con(void){
sock_udp_ep_t gw = { .family = AF_INET6, .port = BROKER_PORT };
char *topic = NULL;
char *message = NULL;
size_t len = 0;

ipv6_addr_from_str((ipv6_addr_t *)&gw.addr.ipv6, BROKER_ADDRESS);

if (emcute_con(&gw, true, topic, message, len, 0) != EMCUTE_OK) {
printf("error: unable to connect to [%s]:%i\n", BROKER_ADDRESS, (int)g w.port);
return 1;
}

printf("Successfully connected to gateway at [%s]:%i\n", BROKER_ADDRESS, (int)gw.port);
return 0;
}

函數(shù)sub用于訂閱作為參數(shù)傳遞的主題。

static int sub(char* topic){
unsigned flags = EMCUTE_QOS_0;

if (strlen(topic) > TOPIC_MAXLEN) {
puts("error: topic name exceeds maximum possible size");
return 1;
}

/* find empty subscription slot */
unsigned i = 0;
for (; (i < NUMOFSUBS) && (subscriptions[i].topic.id != 0); i++) {}
if (i == NUMOFSUBS) {
puts("error: no memory to store new subscriptions");
return 1;
}

subscriptions[i].cb = on_pub;
strcpy(topics[i], topic);
subscriptions[i].topic.name = topics[i];
if (emcute_sub(&subscriptions[i], flags) != EMCUTE_OK) {
printf("error: unable to subscribe to %s\n", topic);
return 1;
}

printf("Now subscribed to %s\n", topic);
return 0;
}

當在訂閱的主題（在本例中為主題“topic_in”）下接收到消息時，函數(shù)on_pub對其進行管理：

static void on_pub(const emcute_topic_t *topic, void *data, size_t len){
(void)topic;
char *in = (char *)data;
printf("### got publication for topic '%s' [%i] ###\n", topic->name, (int)topic->id);

for (size_t i = 0; i < len; i++) {
printf("%c", in[i]);
}
puts("");

char msg[len+1];
strncpy(msg, in, len);
msg[len] = '\0';
if (strcmp(msg, "open") == 0){
if(box_keys==0){
/*open box keys*/
servo_set(&servo, SERVO_MIN);
box_keys=1;
}
}
else if (strcmp(msg, "close") == 0){
if(box_keys==1){
/*close box keys*/
servo_set(&servo, SERVO_MAX);
box_keys=0;
}
}
}

如果收到的消息是“打開”，則通過伺服電機解鎖包含鑰匙的盒子，并將全局變量box_keys設(shè)置為 1。如果消息是“關(guān)閉”，則使用伺服電機鎖定盒子，并且全局變量box_keys設(shè)置為 0。函數(shù)的第一部分用于通過在終端上打印收到的消息及其相關(guān)主題來獲取反饋。

函數(shù)pub用于發(fā)布消息。

static int pub(char* topic,char* msg){
emcute_topic_t t;
unsigned flags = EMCUTE_QOS_0;

printf("pub with topic: %s and name %s and flags 0x%02x\n", topic, msg, (int)flags);

/* step 1: get topic id */
t.name = topic;
if (emcute_reg(&t) != EMCUTE_OK) {
puts("error: unable to obtain topic ID");
return 1;
}

/* step 2: publish data */
if (emcute_pub(&t, msg, strlen(msg), flags) != EMCUTE_OK) {
printf("error: unable to publish data to topic '%s [%i]'\n",t.name, (int)t.id);
return 1;
}

printf("Published %i bytes to topic '%s [%i]'\n", (int)strlen(msg), t.name, t.id);
return 0;
}

特別是，該函數(shù)的第二個參數(shù)是您要發(fā)布的消息，第一個參數(shù)是相關(guān)主題的名稱。