SafeDrive este un sistem embedded de siguranță conceput pentru a simula funcționalitatea dispozitivelor comerciale de tip Alcolock. Obiectivul său principal este de a evalua concentrația de alcool din aerul expirat de șofer și de a preveni activ pornirea motorului vehiculului dacă limita legală este depășită.

Motivația din spatele acestui proiect este construirea unei aplicații tangibile, menite să salveze vieți, care face legătura între senzorii hardware de bază și sistemele de siguranță activă. Prin renunțarea la mediul standard Arduino, acest proiect servește drept un exercițiu complex de programare AVR. Acesta provoacă dezvoltatorul să orchestreze perfect multiple periferice hardware — cum ar fi ADC pentru procesarea semnalelor analogice, SPI pentru gestionarea sistemului de fișiere, I2C pentru afișarea datelor și Timerele hardware pentru generarea semnalului audio digital — într-o singură aplicație unitară, bazată pe întreruperi.

Întregul flux operațional este orchestrat de microcontrolerul ATmega328P. Arhitectura sistemului este împărțită în patru blocuri logice principale:

• Pornire bazată pe Întreruperi (Interrupt-Driven): Interacțiunea începe când utilizatorul apasă butonul de “Contact”. În loc să irosească cicluri de procesor verificând constant starea butonului (polling), sistemul se bazează pe o Întrerupere Externă (INT0) pentru a se trezi instantaneu și a declanșa secvența de testare.
• Procesarea Semnalelor Analogice: Un senzor de gaz MQ-3 furnizează continuu o tensiune analogică proporțională cu concentrația de alcool către ADC-ul microcontrolerului.
• Feedback Vizual în Timp Real: Stările sistemului, instrucțiunile pentru utilizator (ex: “Va rugam suflati”, “Motor Blocat”) și citirile senzorului sunt trimise către un ecran LCD 1602. Comunicarea este gestionată eficient prin protocolul I2C folosind un expandor PCF8574.
• Sistem de Alertă Multimedia: Dacă sistemul detectează un test picat, simulează blocarea motorului (indicată de un LED Roșu) și declanșează o avertizare sonoră. Microcontrolerul montează un card MicroSD via SPI, citește un fișier audio digital (.wav) și controlează un difuzor de 8Ω folosind semnale Fast PWM de înaltă frecvență.

Tabelul de mai jos detaliaază componentele necesare pentru a construi prototipul SafeDrive:

Alocarea pinilor nu a fost aleatorie, ci a respectat strict arhitectura internă a microcontrolerului ATmega328P:

• Modul MicroSD (SPI): Sunt folosiți pinii hardware SPI dedicați: PB2 (CS), PB3 (MOSI), PB4 (MISO) și PB5 (SCK). Utilizarea perifericului SPI hardware este obligatorie pentru a atinge viteza necesară citirii fișierelor audio fără lag.
• Ecran LCD (I2C): Sunt folosiți pinii PC4 (SDA) și PC5 (SCL). Aceștia sunt pinii hardware dedicați magistralei TWI (Two-Wire Interface).
• Ieșire Audio (WAV): Este utilizat pinul PB1 (D9). Acest pin corespunde ieșirii OC1A, fiind legat direct la Timer-ul 1 pe 16-biți, necesar pentru a genera semnale Fast PWM de înaltă frecvență.
• Senzor MQ-3 (Analog Out): Este conectat la PC1 (A1), un canal direct al convertorului Analog-Digital (ADC) intern.
• LED-uri RGB și Buzzer: Sunt conectate la pini GPIO standard (PD2, PD4, PD7 pentru LED; PB0 pentru buzzer), deoarece necesită doar comutare digitală simplă (HIGH/LOW).
• Buton (Contact): Este conectat la PC0 (A0) și utilizează o întrerupere de tip PCINT (Pin Change Interrupt) pentru a trezi sistemul din modul sleep.

• Magistralele de alimentare: Toate modulele împart o alimentare comună. Magistrala de +5V și cea de GND sunt distribuite printr-un breadboard de la pinii de putere ai plăcii Xplained Mini.
• Protecția logică: Butonul de contact utilizează o rezistență de pull-down de 10kΩ pentru a asigura un nivel logic LOW (0V) stabil atunci când nu este apăsat. LED-urile RGB sunt protejate de rezistențe limitatoare de curent de 220Ω pe fiecare canal.
• Filtrarea Audio: Semnalul PWM generat de microcontroler este digital (unde dreptunghiulare). Pentru a fi transformat într-un semnal audio analogic ascultabil, trece printr-un convertor digital-analogic (DAC) pasiv, format dintr-un filtru RC trece-jos (Rezistență 1kΩ în serie și Condensator 100nF în paralel spre GND), înainte de a intra în modulul amplificator.

Firmware-ul pentru SafeDrive este scris integral în C, manipulând direct regiștrii AVR pentru a asigura o performanță maximă și un consum minim de memorie (SRAM).

• IDE & Toolchain: Visual Studio, PlatformIO
• Logica Principală de Implementare:
  • Supra-eșantionare și Mediere ADC: Pentru a atenua zgomotul inerent al senzorului MQ-3, ADC-ul este configurat să preia mai multe eșantioane rapide într-o fereastră de 3 secunde. Aceste citiri sunt mediate pentru a produce o valoare finală extrem de stabilă.

Calibrarea senzorului analogic de gaz MQ-3 (bazat pe dioxid de staniu - SnO2) a necesitat o abordare empirică, divizată în două etape esențiale datorită naturii termochimice a componentei:

• Pre-încălzirea (Burn-in hardware): Deoarece senzorul funcționează pe baza unui filament de încălzire intern, acesta necesită o perioadă de stabilizare. La prima utilizare, componenta a fost menținută alimentată timp de 24 de ore în aer curat pentru a se “arde” pelicula internă. Suplimentar, la fiecare testare curentă este prevăzut un timp de caldaj (warm-up) de 5-10 minute. Fără această etapă, senzorul raportează valori fals-pozitive uriașe din cauza umezelii și a impurităților reziduale de pe suprafața ceramică.
• Determinarea pragului de repaus (Baseline) și conversia: Prin monitorizarea valorilor brute (Raw ADC, cuprinse între 0 și 1023) via portul Serial într-un mediu cu aer curat, s-a determinat o constantă de bază a mediului (stocată în variabila prag_aer_curat). Pentru a obține o estimare a concentrației de alcool, sistemul calculează diferența dintre valoarea curentă citită și acest prag de repaus, aplicând ulterior un factor de atenuare și o conversie liniară empirică:

BAC(%) = (Valoare_ADC - Prag_AerCurat) * 0.00025

Orice valoare a senzorului care fluctuează sub pragul de bază este ignorată, fiind forțată la 0.00% pentru a preveni declanșările accidentale din cauza zgomotului termic sau a fluctuațiilor de tensiune.

Pentru a asigura rularea stabilă a proiectului pe un microcontroler cu resurse limitate (ATmega328P dispune de doar 2KB SRAM), au fost implementate două optimizări majore:

1. Optimizarea memoriei dinamice (Prevenirea Memory Leaks / Heap Fragmentation)

• Cum: Au fost eliminate complet instanțierile de obiecte de tip String() (ex. String(valoare_bruta)) din rutinele de logging serial. Concatenările costisitoare au fost înlocuite cu apeluri succesive, bazate pe text constant, folosind Serial.print(). În plus, printarea datelor de diagnoză a fost mutată strict în interiorul blocului condiționat de flag-ul Timerului 1.
• De ce: Alocarea și dezalocarea dinamică repetată la viteze mari (în bucla infinită loop()) ducea la fragmentarea rapidă a memoriei SRAM. Această epuizare a resurselor bloca procesorul într-o buclă de așteptare, provocând “înghețarea” sistemului exact la momentul trecerii prin pragurile superioare de alertă sau la comunicarea UART cu modulul DFPlayer.
• Unde: În funcțiile loop() și procesare_date_senzor().

2. Filtru digital de netezire (Low-Pass Filter / Exponential Moving Average)

• Cum: A fost implementat un filtru matematic software pe eșantioanele ADC citite de senzor. A fost utilizată o variabilă locală static pentru a reține starea istorică a citirilor între apelurile funcției, aplicând următoarea ecuație de mediere exponențială:

V_filtrat = (V_vechi * 0.8) + (V_nou * 0.2)

• De ce: Senzorul MQ-3 are o reacție termochimică extrem de violentă la contactul cu surse concentrate de vapori (precum alcoolul sanitar folosit în demonstrații), generând o creștere instantanee tip treaptă a semnalului. Acest șoc ar fi forțat mașina de stări să sară direct de la “OK” la starea critică “DECEDAT”. Filtrul implementat absoarbe doar 20% din valoarea nouă la fiecare iterație (500ms), netezind curba de răspuns. Acest lucru atenuează șocul chimic și permite trecerea fluidă și secvențială prin toate stările de alarmă (Atenție → Interzis → Decedat), validând logic funcționalitatea completă a sistemului multimedia pentru demonstrația din laborator.
• Unde: La începutul funcției procesare_date_senzor(), imediat după preluarea valorii brute de la hardware-ul ADC.

În imaginile de mai sus este prezentat montajul fizic preliminar pe breadboard. Pentru a valida conexiunile și funcționalitatea, a fost realizat un test independent al senzorului de alcool MQ-3.

Prin intermediul unei interfețe shell de test, comanda analogread A1 demonstrează capacitatea microcontrolerului de a prelua date analogice corecte de la senzor. Acest lucru validează atât alimentarea senzorului (parcurgerea cu succes a fazei de încălzire), cât și integritatea magistralei ADC interne a microcontrolerului.

Pentru a menține codul curat și a abstractiza protocoalele de comunicație complexe, au fost utilizate următoarele biblioteci externe:

• <Wire.h> și <LiquidCrystal_I2C.h>: Necesare pentru comunicarea cu display-ul LCD 1602 prin protocolul I2C. Această abordare reduce drastic numărul de pini utilizați de la 6 la doar 2 (SDA și SCL).
• <SoftwareSerial.h>: Utilizată pentru a emula o interfață UART hardware pe pinii D10 (RX) și D11 (TX). Astfel, magistrala Serială hardware nativă (pinii D0/D1) a rămas complet liberă pentru diagnoză, calibrare și debugging via PC.
• <DFRobotDFPlayerMini.h>: Abstractizează trimiterea pachetelor de date hexazecimale specifice protocolului modulului MP3, permițând redarea melodiilor și controlul volumului prin funcții simple (ex. playerAudio.play(1)).
• <avr/io.h> și <avr/interrupt.h>: Biblioteci native AVR folosite pentru manipularea directă a regiștrilor și gestionarea vectorilor de întrerupere, esențiale pentru conceptele de laborator integrate.

Elementul de noutate constă în integrarea unui sistem de alertă multi-senzorial, treptat și imersiv, adaptat nivelului de pericol. Spre deosebire de etilotestele clasice comerciale cu un singur prag (Admis/Respins), SafeDrive scalează nivelul de avertizare: de la mesaje text și culori specifice pe LCD/LED-uri, la redarea de instrucțiuni vocale sau audio dedicate fiecărui stadiu. Punctul culminant al sistemului este “Alarma EKG”, o alertă acustică continuă generată din buzzer pentru a semnaliza nivelurile letale de alcool. Această precizie vizuală și sonoră este susținută matematic de un filtru digital software de tip Low-Pass, aplicat în timp real pe semnalele analogice pentru a oferi fluiditate stărilor.

Proiectul integrează masiv elemente de low-level studiate la laborator pentru a garanta performanța pe un microcontroler cu resurse limitate:

• Laboratorul I/O (Operații pe biți): În locul funcțiilor standard Arduino (precum digitalWrite), au fost manipulați direct regiștrii de direcție DDRx și de date PORTx prin bitmasking (ex: PORTD |= (1 « PD2)) pentru controlul instantaneu al LED-urilor și buzzer-ului.
• Laboratorul ADC (Convertor Analog-Digital): Funcția blocantă analogRead() a fost eliminată. Conversia datelor de la senzorul MQ-3 se realizează prin setarea manuală a regiștrilor ADMUX și ADCSRA, configurând la nivel hardware tensiunea de referință și prescaler-ul optim de 128.
• Laboratorul Timere și Întreruperi: Pentru a evita blocarea microcontrolerului cu pauze tip delay(), a fost configurat Timer-ul 1 (timer pe 16 biți) în modul CTC (Clear Timer on Compare Match). Acesta generează o întrerupere hardware (ISR) recurentă, setată cu precizie matematică la fiecare 500ms.

Arhitectura interacțiunii: Scheletul se bazează pe o execuție fluidă, bazată pe evenimente (event-driven). În funcția setup(), pe lângă inițializarea pinilor și a modulelor I2C/UART, se pornește Timer-ul 1. Bucla principală loop() rămâne complet inactivă până când Timer-ul declanșează o întrerupere (la 500ms) și ridică un flag software (flag_actualizare). În acel moment, este apelată funcția de procesare:

1. Convertorul ADC preia valoarea brută a senzorului de pe placa de dezvoltare.
2. Filtrul matematic netezește valoarea pentru a elimina fluctuațiile chimice și o convertește în concentrație BAC (%).
3. Mașina de stări compară BAC-ul cu cele 4 limite prestabilite.
4. Dacă se detectează o tranziție către o stare nouă, ecranul LCD, setul de LED-uri RGB, buzzer-ul și player-ul MP3 sunt actualizate corespunzător.

La finalul rutinei, flag-ul este resetat, iar procesorul este eliberat pentru alte sarcini până la următoarea întrerupere.

O arhivă (sau mai multe dacă este cazul) cu fişierele obţinute în urma realizării proiectului: surse, scheme, etc. Un fişier README, un ChangeLog, un script de compilare şi copiere automată pe uC crează întotdeauna o impresie bună . Fişierele se încarcă pe wiki folosind facilitatea Add Images or other files. Namespace-ul în care se încarcă fişierele este de tipul :pm:prj20??:c? sau :pm:prj20??:c?:nume_student (dacă este cazul). Exemplu: Dumitru Alin, 331CC → :pm:prj2009:cc:dumitru_alin.

Cod Sursă (GitHub): SafeDrive Public Repository

Export to PDF