張艷奎，任麗莉，康 冰

(1.中國移動(dòng)通信集團(tuán)吉林有限公司通化市分公司全業(yè)務(wù)支撐中心，吉林通化135000;2.長春師范大學(xué)監(jiān)控中心，長春130032;3.吉林大學(xué)通信工程學(xué)院，長春130022)

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國的公路建設(shè)速度在不斷加快，同時(shí)我國的機(jī)動(dòng)車保有量也迅速增加，伴隨著公路建設(shè)的加快和機(jī)動(dòng)化程度的提高，嚴(yán)峻的交通安全問題隨之出現(xiàn)，近年來，我國每年因交通傷害實(shí)際死亡人數(shù)平均在27.39萬人以上［1］。全球范圍內(nèi)，每年因道路交通事故致死達(dá)127萬人，每天因交通事故死亡3 000多人，受傷140 000人［2］。世界衛(wèi)生組織(WHO:World Health Organization)預(yù)計(jì)，至2020年，公路交通傷害在全球疾病、傷害負(fù)擔(dān)和傷殘調(diào)整壽命原因中將升至第3位［3］。道路交通安全已成為一個(gè)嚴(yán)重的人類健康問題［4］。我國作為發(fā)展中國家，道路交通安全問題依然十分嚴(yán)峻［5］。特別是自2000年以來，道路交通傷害已成為我國各種傷害的死因第1位［6］。所以快速高效地實(shí)施事故后救援是盡量減少傷亡的最有效途徑，如何在短時(shí)間內(nèi)準(zhǔn)確確定求救車輛的位置，并及時(shí)趕赴現(xiàn)場是救援面臨的重大問題［7］。為了解決這一問題，筆者設(shè)計(jì)了基于嵌入式的汽車事故求救系統(tǒng)，并搭建了硬件平臺(tái)進(jìn)行實(shí)際模擬測試。

1 汽車意外求救系統(tǒng)的原理

圖1 系統(tǒng)原理圖Fig.1 System diagram

汽車意外求救系統(tǒng)的原理及工作方式基本分為4個(gè)步驟:1)購車后，輸入車主信息(身份證號等)、車牌、車型，完成初始化;2)發(fā)生撞車事故或翻車事故時(shí)，三軸加速度傳感器檢測加速度，斷定為交通事故，并記錄車的姿態(tài);3)GSM(Global System for Mobile Communications)模塊向預(yù)先設(shè)定的接收號碼(家屬和呼救中心)發(fā)送短信，短信內(nèi)容包括:車主信息、車牌、車型、事故地點(diǎn)、車速(GPS(Global Positioning System)模塊可以檢測)和車的姿態(tài)等;4)呼救中心或家屬回電話，如無人接聽，立刻開赴現(xiàn)場，展開救援。該系統(tǒng)原理如圖1所示。

2 汽車意外求救系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)包括:中央處理器(用于控制小車前進(jìn)，并處理各傳感器傳回的數(shù)據(jù)，進(jìn)行相關(guān)的操作);三軸加速傳感器實(shí)時(shí)檢測汽車姿態(tài);GPS模塊對汽車進(jìn)行定位;GSM模塊負(fù)責(zé)通信;LCD(Liquid Crystal Display)－1206顯示模塊(顯示各參數(shù)信息)。汽車意外求救系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 System structure diagram

2.1 控制單元

設(shè)計(jì)采用飛思卡爾MC9S12XS128單片機(jī)作為系統(tǒng)的主控芯片［8，9］。處理器通過三軸加速度傳感器和GPS模塊返回的數(shù)據(jù)采集車輛的實(shí)時(shí)信息，判斷車輛是否發(fā)生了意外事故，并將反饋結(jié)果通過GSM模塊傳輸?shù)郊覍俣嘶蚝艚兄行?，以保證車主的安全。所以，處理器擔(dān)負(fù)著收集信息和發(fā)送信息的重任，同時(shí)在筆者設(shè)計(jì)的模型中，它還要控制平臺(tái)小車的運(yùn)動(dòng)。其最小系統(tǒng)電路圖如圖3所示。

圖3 最小系統(tǒng)電路圖Fig.3 Minimum system diagram

2.2 數(shù)據(jù)采集單元

設(shè)計(jì)通過加速度傳感器確定車輛的姿態(tài)信息，加速度傳感器是一種測量加速力的電子設(shè)備，加速力是物體在加速過程中作用在物體上的力，比如地球的引力，即所謂的重力;通過測量重力引起的加速度，可以計(jì)算設(shè)備相對于水平面的傾斜角度。

在三維空間中，利用加速度傳感器與重力的關(guān)系，可以得到3個(gè)姿態(tài)角q，f，r(見圖4)。其中q為x軸相對于地面的角度，f為y軸相對于地面的角度，r為z軸相對于重力的夾角［10］。

圖4 加速度傳感器的姿態(tài)測量原理Fig.4 Accelerometer attitude measurement principle diagram

由此可得

其中ax為重力在x軸方向產(chǎn)生的加速度，ay為重力在y軸方向產(chǎn)生的加速度，az為重力在z軸方向產(chǎn)生的加速度。

對于加速度傳感器的選擇，該設(shè)計(jì)選用InvenSense公司的MPU6050，是一款具有三軸方向的加速度傳感器的集成芯片，能檢測到x，y，z軸3個(gè)方向的加速度，通過檢測靜止時(shí)重力在各軸上分力的角度，可得到芯片的姿態(tài)角度，從而判斷車輛是否翻車及翻車姿態(tài)。

設(shè)計(jì)通過GPS確定車輛的位置，使用GPS集成芯片內(nèi)部集成，只需通過串口讀取其內(nèi)部打包好的數(shù)據(jù)包，利用單片機(jī)編程將數(shù)據(jù)包解析，即可讀出所處地點(diǎn)的經(jīng)緯度。

GPS 輸出數(shù)據(jù)格式為:$GPRMC，〈1〉，〈2〉，〈3〉，〈4〉，〈5〉，〈6〉，〈7〉，〈8〉，〈9〉，〈10〉，〈11〉，〈12〉*hh，其意義表示如下:

〈1〉UTC時(shí)間，hhmmss(時(shí)分秒)格式;

〈2〉定位狀態(tài)，A表示有效定位，V表示無效定位;

〈3〉緯度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸);

〈4〉緯度半球N(北半球)或S(南半球);

〈5〉經(jīng)度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也將被傳輸);

〈6〉經(jīng)度半球E(東經(jīng))或W(西經(jīng));

〈7〉地面速率(000.0～999.9節(jié)，前面的0也將被傳輸);

〈8〉地面航向(000.0～359.9°，以真北為參考基準(zhǔn)，前面的0也將被傳輸);

〈9〉UTC日期，ddmmyy(日月年)格式;

〈10〉磁偏角(000.0～180.0°，前面的0也將被傳輸);

〈11〉磁偏角方向，E(東)或W(西);

〈12〉模式指示(僅NMEA01833.00版本輸出，A表示自主定位，D表示差分，E表示估算，N表示數(shù)據(jù)無效)。

2.3 通信單元

無線通信模塊主要任務(wù)是發(fā)送事故位置信息至指定的用戶，由于GSM網(wǎng)絡(luò)技術(shù)成熟，覆蓋范圍廣，覆蓋區(qū)域內(nèi)的通信質(zhì)量高，抗干擾能力強(qiáng)，GSM系統(tǒng)有加密和鑒權(quán)功能，能確保用戶保密和網(wǎng)絡(luò)安全［11］，筆者選擇GSM進(jìn)行短信通信。短消息業(yè)務(wù)是GSM系統(tǒng)中唯一不要求建立端對端業(yè)務(wù)路徑的業(yè)務(wù)，即使移動(dòng)臺(tái)已處于完全電路型通信情況下，亦可進(jìn)行短消息傳輸，更利于求救通信。

3 汽車意外求救系統(tǒng)性能測試

設(shè)計(jì)模塊調(diào)試的重點(diǎn)難點(diǎn)主要有兩部分:GSM短信發(fā)送模塊與單片機(jī)通信;MPU 6050數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)判斷的精確性。

3.1 GSM短信發(fā)送模塊與單片機(jī)通信的調(diào)試與測試分析

GSM模塊將GSM射頻芯片、基帶處理芯片、存儲(chǔ)器和功放器件等集成在一塊線路板上，是具有獨(dú)立的操作系統(tǒng)、GSM射頻處理、基帶處理并提供標(biāo)準(zhǔn)接口的功能模塊。GSM模塊具有發(fā)送SMS(Short Messaging Senice)短信、語音通話、GPRS(General Packet Radio Senice)數(shù)據(jù)傳輸?shù)然贕SM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信的所有基本功能［12］。

首先將模塊連接到電腦上，用串口調(diào)試助手發(fā)送指令進(jìn)行調(diào)試，以檢驗(yàn)指令的可靠性。通過圖5中串口調(diào)試工具顯示可以看出，無線GSM模塊運(yùn)行良好。

圖5 GSM模塊調(diào)試圖Fig.5 GSM module debugging figure

3.2 MPU6050的數(shù)據(jù)處理及數(shù)據(jù)判斷的精確性

MPU6050模塊能輸出x，y，z 3個(gè)方向的加速度值，連接模塊并用單片機(jī)讀出數(shù)據(jù)。以x軸為例，MPU6050的精度設(shè)置如表1所示。

表1 MPU6050精度設(shè)置Tab.1 MPU6050 precision setting

由表1可知，將I/O口讀取到的數(shù)據(jù)除以16 384.0，得到的數(shù)值為重力加速度g的倍數(shù)，經(jīng)過實(shí)驗(yàn)和查詢DataSheet可知，該器件有一定的漂移誤差，需要在啟動(dòng)后校正，將器件水平放置，以10 ms為周期，采集數(shù)據(jù)46次，得到誤差分布，將誤差做平均值，并將該數(shù)值加入程序中，每次采集到的數(shù)據(jù)減去該漂移值。可以看出，得到的數(shù)據(jù)較為精確。

安裝時(shí)，將y軸向前，x，y軸平行于地面，設(shè)置當(dāng)x，y軸任意一個(gè)軸與地面所成銳角大于60°或z軸與地面所成銳角小于60°時(shí)，車輛發(fā)生翻轉(zhuǎn)。

進(jìn)行多次碰撞實(shí)驗(yàn)，當(dāng)小車與其質(zhì)量相似的物體碰撞時(shí)，加速度變化如表2所示。

表2 加速度變化Tab.2 Acceleration change value

選取0.2 g作為閾值，當(dāng)加速度大于此值時(shí)，定義為發(fā)生碰撞，之后再進(jìn)行幾次碰撞或翻轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果顯示，MPU6050模塊調(diào)試的比較精確，結(jié)果如表3所示。

表3 碰撞實(shí)驗(yàn)結(jié)果Tab.3 Crash test results

4 結(jié) 語

筆者通過搭建一個(gè)汽車意外求救系統(tǒng)的模型及對現(xiàn)實(shí)事故的仿真，進(jìn)行基本原理探究和數(shù)據(jù)分析，發(fā)現(xiàn)MPU6050傳出的最大數(shù)據(jù)誤差小于10°，如果實(shí)時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，則數(shù)據(jù)誤差可以減少到2°左右，并且設(shè)定判定條件后，MPU6050在測試中幾乎沒有誤判，滿足設(shè)計(jì)要求。GSM模塊運(yùn)行穩(wěn)定。由于在室內(nèi)做測試，GPS模塊經(jīng)常出現(xiàn)信號不良的情況。后續(xù)的工作是做室外研究，對實(shí)體車進(jìn)行測試，得到更寶貴的實(shí)際數(shù)據(jù)，爭取將該系統(tǒng)進(jìn)行推廣。

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