田帥帥 邵 釩 劉 雷 黃科東

（中國(guó)民航大學(xué)電子信息工程學(xué)院，中國(guó) 天津300300）

0 引言

自20世紀(jì)90年代以來(lái)，全世界每年死于道路交通事故的人數(shù)基本保持在50萬(wàn)人左右。我國(guó)自2000年以來(lái)，每年死于交通事故的人數(shù)都在10萬(wàn)人左右，致死率達(dá)17%左右，但其中有相當(dāng)一部分傷亡人數(shù)是由于救援不及時(shí)造成的。法國(guó)的實(shí)踐表明，對(duì)于交通事故重傷者，在30分鐘內(nèi)獲救，其生存率為80%，在90分鐘內(nèi)獲救，其生存率僅為10%以下。根據(jù)上述數(shù)據(jù)可看出，獲得及時(shí)救援可大大提高當(dāng)事人的生存率。鑒于此，本文提出一種機(jī)動(dòng)車(chē)行車(chē)事故自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，以使系統(tǒng)可根據(jù)車(chē)輛的姿態(tài)信息及時(shí)判斷車(chē)禍?zhǔn)欠癜l(fā)生，并在判斷車(chē)禍發(fā)生時(shí)告警達(dá)到及時(shí)救援的目的。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理

圖1 系統(tǒng)框圖

此系統(tǒng)的組成包括MSP430單片機(jī)，GPS接收機(jī)，GSM通信模塊以及加速度計(jì)、陀螺儀，磁力計(jì)等傳感器模塊。GPS接收機(jī)以固定的時(shí)間間隔接收來(lái)自衛(wèi)星的定位信息，并將此信息通過(guò)UART串口發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)將此信息寫(xiě)入FLASH作以儲(chǔ)存，同時(shí)在間隔時(shí)間內(nèi)，各傳感器模塊會(huì)采集車(chē)輛的姿態(tài)信息（加速度，傾斜角度，角速度等），并通過(guò)I2C協(xié)議將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)，單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析后判斷車(chē)禍?zhǔn)欠癜l(fā)生，并在判斷車(chē)禍發(fā)生時(shí)將儲(chǔ)存的定位信息通過(guò)GSM模塊發(fā)送給指定聯(lián)系人，然后報(bào)警，以確保受害者在事故發(fā)生后可以獲得及時(shí)救援。

2 車(chē)禍判斷原理

根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB 11551-2014汽車(chē)正面碰撞的乘員保護(hù)》，汽車(chē)碰撞的實(shí)驗(yàn)條件是：碰撞瞬間，車(chē)輛速度為50km/h（可更高）。亦及符合本標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的車(chē)輛在50km/h的速度下發(fā)生正面碰撞時(shí)基本不足以造成生命危險(xiǎn)，而速度更高時(shí)可能發(fā)生產(chǎn)生嚴(yán)重傷害。故將以50km/h的速度發(fā)生碰撞的情況作為判斷閾值。

根據(jù)公式 a=dv/dt，取 v0=50km/h，vt=0，碰撞時(shí)間為 90ms，則得在勻速碰撞過(guò)程中a=15.4g（g=10m/s2），同理，若選取v0=60km/h，形變時(shí)間t=80ms，則 a=20.8g，選取 v0=70km/h，t=70ms 則 a=27.8g。 根據(jù)上述計(jì)算，可認(rèn)為車(chē)輛加速度在達(dá)到15g時(shí)可判斷為發(fā)生嚴(yán)重碰撞事故，需要得到及時(shí)救援，故在系統(tǒng)中可設(shè)定15g為判斷閾值，當(dāng)系統(tǒng)測(cè)量加速度值大于15g時(shí)及觸發(fā)報(bào)警。

3 系統(tǒng)硬件

3.1 GSM通信模塊

GSM（全球移動(dòng)通信系統(tǒng)）是一種廣泛應(yīng)用于世界各地的數(shù)字移動(dòng)電話系統(tǒng)。本系統(tǒng)中GSM采用的是華為GTM900-C模塊，其支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令和增強(qiáng)的AT指令，支持短消息和語(yǔ)音業(yè)務(wù)，可在-20℃—+70℃的范圍內(nèi)正常工作，功耗低，滿足系統(tǒng)工作要求。同時(shí)，本模塊可以通過(guò)UART接口與外界通信，并支持3.0V電平的輸入輸出，使得其可以更方便的與MSP430系列的單片機(jī)完成通信。

3.2 GPS衛(wèi)星模塊

GPS是英文Global Positioning System（全球定位系統(tǒng)）的簡(jiǎn)稱，是一種具有全方位、全天候、全時(shí)段、高精度的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。本系統(tǒng)中采用和芯星通UM220模塊，其功耗典型值為350mw，可在-40℃—+85℃范圍內(nèi)正常工作，定位精度可達(dá)10m以內(nèi)，并可根據(jù)需要設(shè)置其數(shù)據(jù)更新率、接收數(shù)據(jù)類(lèi)型和啟動(dòng)類(lèi)型，滿足系統(tǒng)需求。同時(shí)本模塊也可直接通過(guò)UART接口與外界設(shè)備通信，簡(jiǎn)化系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

3.3 陀螺儀和磁力計(jì)

陀螺儀通過(guò)測(cè)量三維坐標(biāo)系內(nèi)陀螺轉(zhuǎn)子的垂直軸與設(shè)備之間的夾角，并計(jì)算角速度，通過(guò)夾角和角速度來(lái)判別物體在三維空間的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。本系統(tǒng)中采用MPU6050模塊，其內(nèi)部集成了陀螺儀和加速度計(jì)，可通過(guò)I2C協(xié)議直接從模塊讀取測(cè)量值。

磁力計(jì)可用于測(cè)試磁場(chǎng)強(qiáng)度和方向，定位設(shè)備的方位，磁力計(jì)的原理跟指南針原理類(lèi)似，可以測(cè)量出當(dāng)前設(shè)備與東南西北四個(gè)方向上的夾角，此處選用HMC5883L，其內(nèi)部包含三軸磁阻傳感器，也可以通過(guò)I2C協(xié)議讀取測(cè)量數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 系統(tǒng)軟件流程圖

圖2 系統(tǒng)流程圖

此系統(tǒng)的軟件功能主要為：①完成系統(tǒng)初始化；②實(shí)現(xiàn)GPS有效定位及GSM網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)；③采集車(chē)輛姿態(tài)信息數(shù)據(jù)；④數(shù)據(jù)處理；⑤發(fā)送短信及撥打電話。

4.2 GPS實(shí)現(xiàn)車(chē)輛定位

GPS接收信號(hào) NMEA-0183 Ver3.0協(xié)議的輸出信息有GGA，GSA，GLL等多種類(lèi)型，本程序選擇接收GGA，GSV，RMC三種類(lèi)型的信息，此三種模式下的輸出信息中包含定位有效性標(biāo)識(shí)，經(jīng)緯度，日期，時(shí)間以及其他豐富信息，可以完全滿足系統(tǒng)定位需求。

此處選取RMC的輸出信息類(lèi)型做以說(shuō)明：RMC消息格式：

$--RMC,time,status,Lat,N,Lon,E,spd,cog,date,mv,mvE,mode*cs；程序中依據(jù)“RMC”字符串判斷出信息類(lèi)型，依據(jù)‘,’字符的數(shù)目判斷接收的內(nèi)容，例：判斷接收到3個(gè)‘,’，則接下來(lái)在下一個(gè)‘,’之前接收信息為緯度，依據(jù)緯度格式：ddmm.mmmmmm，dd-度，mm.mmmmmm-分，提取出緯度值。按照上述方法，則可正確提取有效信息，但值得注意的是此處接收為UTC時(shí)間，與北京時(shí)間相差8小時(shí)，需進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

4.3 車(chē)輛姿態(tài)信息采集

車(chē)輛姿態(tài)信息的采集是通過(guò)陀螺儀，加速度計(jì)及磁力計(jì)完成的。本系統(tǒng)中采用的MPU6050其內(nèi)置有陀螺儀和加速度器，可以直接獲取加速度和角速度，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理消除零漂及誤差后可以得到準(zhǔn)確的加速度與角速度，之后配合磁力計(jì)經(jīng)由四元數(shù)和歐拉角公式的融合演算，可以計(jì)算得出此時(shí)車(chē)輛的角度信息。

4.4 車(chē)禍判斷方法

程序中采用加速度，角速度及角度的聯(lián)合判斷，達(dá)到在多種情況下判斷車(chē)禍發(fā)生的目的。傳感器將采集的加速度，角速度傳輸?shù)絾纹瑱C(jī)中后，單片機(jī)先行判斷加速度值，當(dāng)超過(guò)設(shè)定值（15g）后確定車(chē)禍已發(fā)生，若加速度達(dá)不到設(shè)定值則繼續(xù)判斷角速度，在車(chē)輛發(fā)生甩尾或者翻滾的情況下會(huì)造成角速度過(guò)大，然而，顛簸也會(huì)造成角速度過(guò)大，所以此時(shí)需要配合角度大小的判斷才能避免誤判。按照車(chē)輛行駛的正常狀態(tài)，我們選取30°作為角度判斷的閾值。通過(guò)加速度，角速度，角度的聯(lián)合判斷，可以在撞車(chē)，翻車(chē)等多種意外情況中及時(shí)正確的判斷車(chē)禍發(fā)生。

4.5 通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)編輯，發(fā)送短消息

在判斷車(chē)禍發(fā)生后需要將受害者的位置信息發(fā)送給指定聯(lián)系人，通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短信息之前要先進(jìn)行初始化與網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)。本程序中，通過(guò)AT指令“AT+CMGF=1”設(shè)置短信為文本方式，通過(guò)AT指令“AT+CREG?”查詢網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)狀況，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)成功時(shí)即可通過(guò)GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短消息。單片機(jī)從FALSH中讀取存儲(chǔ)的定位信息，經(jīng)處理后形成包含經(jīng)緯度和時(shí)間信息內(nèi)容的短消息字符串，之后通過(guò)UART串口經(jīng)GSM模塊發(fā)送給指定聯(lián)系人。

5 系統(tǒng)測(cè)試

5.1 利用加速度判斷車(chē)禍方法的測(cè)試

為了驗(yàn)證系統(tǒng)性能，采用系統(tǒng)在滑軌上運(yùn)動(dòng)來(lái)產(chǎn)生勻加速運(yùn)動(dòng)的方法，并利用紅外對(duì)管標(biāo)定加速度的方法計(jì)算實(shí)際加速度大小，通過(guò)實(shí)際加速度的測(cè)量來(lái)驗(yàn)證系統(tǒng)采集加速度的準(zhǔn)確性，并證明系統(tǒng)在達(dá)到加速度閾值時(shí)觸發(fā)報(bào)警的可運(yùn)行性。由于設(shè)備有限，本次只進(jìn)行了0～1g的小加速度范圍內(nèi)的試驗(yàn)。

圖3 測(cè)試結(jié)構(gòu)圖

如圖所示，系統(tǒng)在重物牽引下沿滑軌勻加速運(yùn)行，圖中的紅外對(duì)管陣列與單片機(jī)相連接，利用單片機(jī)的外部中斷與定時(shí)器可方便得到系統(tǒng)在通過(guò)每一對(duì)紅外對(duì)管的時(shí)間。在某次試驗(yàn)中得到如下數(shù)據(jù)：

表1 系統(tǒng)加速度告警測(cè)試表

由于A點(diǎn)為起始點(diǎn)，可認(rèn)為此時(shí)的速度為0，利用公式h=at2/2可以求得此時(shí)的加速度值，分別為：0.9g，0.91g，0.93g。 由于時(shí)間是 ms級(jí)的，故微小的時(shí)間差會(huì)帶來(lái)加速度的較大區(qū)別，此組數(shù)據(jù)在可接受的變化范圍內(nèi)，因此可認(rèn)為此次試驗(yàn)下系統(tǒng)的加速度值在0.85g～0.95g的范圍內(nèi)。本次試驗(yàn)中，分別將加速度閾值設(shè)定在0.6g和1g的情況下進(jìn)行試驗(yàn)，可看出加速度閾值為0.6g時(shí)觸發(fā)報(bào)警，而設(shè)定為1g時(shí)未觸發(fā)，說(shuō)明系統(tǒng)可以正確采集加速度，并在加速度達(dá)到閾值時(shí)準(zhǔn)確報(bào)警。

5.2 利用角度判斷車(chē)禍方法的測(cè)試

測(cè)試時(shí)，系統(tǒng)固定在滑軌上，通過(guò)將滑軌前后左右傾斜來(lái)模擬車(chē)輛翻車(chē)的情況，利用角度測(cè)量?jī)x測(cè)量系統(tǒng)實(shí)際傾角，將其與系統(tǒng)測(cè)量角度相比較，以確定系統(tǒng)角度測(cè)量的準(zhǔn)確性及在達(dá)到觸發(fā)閾值時(shí)觸發(fā)報(bào)警的可靠性。此處選取一次測(cè)量結(jié)果作以說(shuō)明，閾值設(shè)定為30°：

表2 系統(tǒng)角度告警測(cè)試表

由上述數(shù)據(jù)可以看出在誤差允許范圍內(nèi)本系統(tǒng)可以正確測(cè)量角度，并依據(jù)閾值做出正確的觸發(fā)告警判斷。

6 結(jié)語(yǔ)

在汽車(chē)工業(yè)高速發(fā)展的今天，開(kāi)車(chē)出行成為人們的主流選擇。然而，行車(chē)事故的頻頻發(fā)生，又行車(chē)安全成為威脅人們生命財(cái)產(chǎn)安全的主要因素。本文提出的行車(chē)事故自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)旨在車(chē)禍發(fā)生時(shí)，幫助受害者獲得最及時(shí)的救援，在最大程度上減少事故傷亡率。相信隨著這種系統(tǒng)的推廣，可以給汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)更大的安全保障。

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