李莎莎，李 娟

(1.黑龍江工程學(xué)院，哈爾濱 150050；2.哈爾濱工程大學(xué)，哈爾濱 150001)

酒后駕駛是導(dǎo)致高速公路嚴(yán)重交通事故及人員死亡的主要原因之一。為了預(yù)防這些事故的發(fā)生，在駕駛員處于酒駕狀態(tài)時，車輛不應(yīng)啟動。文中采用酒精傳感器來檢測駕駛員是否酒駕，并在事故發(fā)生的第一時間，傳遞事故信息到指定人員或部門，以便第一響應(yīng)者能夠迅速采取行動，對受傷人員進(jìn)行及時搶救及治療。為此，系統(tǒng)集成了板載壓力傳感器、MEMS傳感器和攝像頭等傳感器將事故發(fā)生的詳細(xì)信息以及實(shí)時情況發(fā)送至已注冊的電子郵件或電話號碼，并可實(shí)時顯示攝像機(jī)采集到的車輛和人員狀態(tài)[1]。

文中設(shè)計的系統(tǒng)采用射頻識別技術(shù)(RFID)取代傳統(tǒng)條形碼掃描，通過射頻信號自動識別車輛并獲取相關(guān)信息。射頻識別技術(shù)識別工作無需人工干預(yù)，且無接觸與瞄準(zhǔn)；可自由工作在各種惡劣環(huán)境；搭配低功率密度無源標(biāo)簽又具有價格低廉的優(yōu)勢。該項(xiàng)技術(shù)的開發(fā)已被成功應(yīng)用于各個領(lǐng)域，郭洪波和Miodrag bolic設(shè)計一種基于純樹法的RFID系統(tǒng)，應(yīng)用在汽車防撞系統(tǒng)中[2]。Halifeng Wu和曾宇通過擴(kuò)展現(xiàn)有算法，開發(fā)一種新穎的標(biāo)簽防沖突算法模型，有效提升了識別系統(tǒng)的標(biāo)簽識別效率，實(shí)驗(yàn)證明采用該方法進(jìn)行分配，可以有效減少識別標(biāo)簽結(jié)果與其他隱藏標(biāo)簽之間的沖突[3]。王洪剛，裴長興和蘇波設(shè)計一種用于有源RFID系統(tǒng)的高效無沖突中介協(xié)議系統(tǒng)[4]。在該協(xié)議中，引入了一種包含沖突避免、沖突檢測和快速進(jìn)入標(biāo)簽的更新機(jī)制。Fatemeh Nafar和Hossein Shamsi設(shè)計并實(shí)現(xiàn)了基于RFID-GSM對車輛進(jìn)行有效識別的系統(tǒng)，該系統(tǒng)與2.4 GHz的IEEE802.15.4相兼容，可在單一觀測站中對不同公路的車輛進(jìn)行完整識別[5]。

文中的研究目標(biāo)是通過汽車安全系統(tǒng)的開發(fā)與設(shè)計，在發(fā)生事故時有效縮短救援時間。設(shè)計的系統(tǒng)通過RFID-Cloud的公路車輛識別系統(tǒng)跟蹤車輛[6-8]，用車載GPS定位，視覺傳感器提取事故及人員圖像信息，同時車載FMCW雷達(dá)對車輛速度以及與前車距離進(jìn)行測量，有效預(yù)防車輛碰撞的發(fā)生。文中提出一種等待時間短和精確度高的RFID計數(shù)操作系統(tǒng)，亦可作為大型RFID系統(tǒng)中的基本構(gòu)件，可有效提高車輛識別系統(tǒng)的查詢性能。

1 系統(tǒng)工作原理

在預(yù)防事故發(fā)生及事故救援中，車輛的預(yù)先識別及定位是尤為重要的，可將識別系統(tǒng)加裝在高速公路收費(fèi)站處，識別系統(tǒng)包括一個射頻識別讀取器和兩個標(biāo)簽。標(biāo)簽1是原始的RFID標(biāo)簽，標(biāo)簽2是用于防盜的RFID標(biāo)簽[9]。系統(tǒng)中的FMCW雷達(dá)用于車輛距離、速度和角度的測量，以提前預(yù)防事故的發(fā)生。RFID是一種自動識別技術(shù)，可通過射頻信號來識別標(biāo)記的對象[10]。一般有3種獲取RFID標(biāo)簽的方法：有源標(biāo)簽、無源標(biāo)簽和半無源標(biāo)簽[11]。文中設(shè)計的系統(tǒng)中使用的是有源標(biāo)簽，因?yàn)樯漕l識別對有源標(biāo)簽的識別效果更好[12]，防盜標(biāo)簽是與車輛綁定的，由途經(jīng)的收費(fèi)站掃描確認(rèn)，以防止被他人盜用。系統(tǒng)中添加諸如MEMS和壓力傳感器來檢測事故發(fā)生時的沖擊強(qiáng)度。板載微型控制器可在發(fā)生事故時將事故信息發(fā)送出去。該系統(tǒng)的實(shí)施過程如下：首先通過酒精傳感器對駕駛員進(jìn)行酒精含量檢測，如發(fā)現(xiàn)酒精含量超標(biāo)則關(guān)閉汽車發(fā)動機(jī)裝置，汽車將無法啟動。如果發(fā)生任何事故，MEMS和壓力傳感器會自動識別沖擊類型及強(qiáng)度，隨后開啟攝像機(jī)捕獲圖像，車載GPS獲取車輛位置信息，通過騰訊云服務(wù)將事故信息發(fā)送至用戶注冊的手機(jī)號碼。

系統(tǒng)原理如圖1所示?；赗FID-Cloud的車輛識別和監(jiān)控系統(tǒng)的組件包括：Raspberry pi3、RFID閱讀器、收費(fèi)站、RFID標(biāo)簽、攝像頭、酒精傳感器、MEMS傳感器、壓力傳感器、GPS定位組件、直流電動機(jī)、蜂鳴器和MCP3208IC ADC。

MEMS傳感器采用單晶硅作材料，以MEMS技術(shù)在材料中間制作成力敏膜片，然后在膜片上擴(kuò)散雜質(zhì)形成4只應(yīng)變電阻，再以惠斯頓電橋方式將應(yīng)變電阻連接成電路，來獲得高靈敏度。MEMS傳感器由MEMS單元、ASIC單元、解耦單元、連接線以及附著體PCB組成。具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性強(qiáng)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化等優(yōu)點(diǎn)。系統(tǒng)中MEMS傳感器主要檢測及記錄氣囊壓力、燃油壓力、進(jìn)氣管道壓力及輪胎壓力等。傳感器中集成的ASIC單元，可將模擬信號直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸出，因此，可以直接與Raspberry pi3進(jìn)行通信。

圖1 系統(tǒng)原理

系統(tǒng)中酒精傳感器是設(shè)備組成的重要部分，用于檢測酒精濃度，可有效避免由于酒駕而導(dǎo)致的意外。MQ135酒精傳感器所使用的氣敏材料是在清潔空氣中電導(dǎo)率較低的SnO2。電路如圖2所示[13]。當(dāng)傳感器所處環(huán)境中酒精濃度較高時，傳感器電導(dǎo)率隨空氣中酒精氣體濃度的增加而增大。通過簡單的電路即可將電導(dǎo)率的變化轉(zhuǎn)換為與該氣體濃度相對應(yīng)的模擬輸出信號，但是Raspberry pi3處理的是數(shù)字信號。因此，這兩個接口無法直接連接。系統(tǒng)通過MCP3208-Bi / P單片機(jī)將酒精傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，以保證與Raspberry pi3的通信。

圖2 MQ135酒精傳感器電路

2 結(jié)果與討論

整體系統(tǒng)的設(shè)計由硬件部分和軟件部分組成，硬件部分主要包括讀取器、各類傳感器及電機(jī)等，軟件部分包括Raspbian Php和騰訊云帳戶。Php&HTML用于手機(jī)網(wǎng)頁監(jiān)視。MCP3208IC ADC、蜂鳴器用于硬件的控制及報警。系統(tǒng)根據(jù)酒精傳感器檢測駕駛?cè)藛T酒精濃度是否超標(biāo)，以此作為控制車輛是否可以正常啟動的依據(jù)。在運(yùn)動過程中，如果發(fā)生任何事故，壓力傳感器和MEMS傳感器記錄并匯總各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)，分析車輛沖撞和損毀程度，同時啟動視覺傳感器記錄影像，GPS位置(緯度，經(jīng)度)的詳細(xì)信息一并通過Cloud帳戶在注冊的手機(jī)中顯示。

FMCW雷達(dá)在系統(tǒng)中用于防撞的提前預(yù)警[14]。FMCW雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射信號的時域及頻域波形如圖3所示[15-17]。具體雷達(dá)參數(shù)包括：工作頻率77 GHz，周期7.33 s，帶寬150 MHz，最大中頻頻率27.30 MHz，采樣頻率150 MHz，目標(biāo)探測最大距離200 m，距離分辨率1 m，目標(biāo)最大速度230 km·h-1。

圖3 FMCW雷達(dá)系統(tǒng)發(fā)射信號的時域及頻域波形

圖4是系統(tǒng)測量范圍-速度響應(yīng)，在多普勒頻移測距的響應(yīng)范圍中，可以看到前方的汽車距離40 m多一點(diǎn)，并且看上去幾乎是靜止的。 這是因?yàn)槠囅鄬τ诶走_(dá)的徑向速度為4 km·h-1，僅相當(dāng)于1.11 m·s-1。

圖4 范圍-速度響應(yīng)

對目標(biāo)汽車行駛距離和速度的估算重點(diǎn)在于拍頻和多普勒頻移的提取[18-20]。本系統(tǒng)使用MUSIC算法提取拍頻和多普勒頻移，用來計算目標(biāo)距離及速度。

通常情況下，系統(tǒng)的采樣頻率是150 MHz，可以實(shí)現(xiàn)所需的距離分辨率，但實(shí)際在去調(diào)頻信號后，僅需要以對應(yīng)于最大拍頻的速率對其進(jìn)行采樣即可達(dá)到所需分辨率。由于最大拍頻通常小于所需的掃描帶寬，因此，可以抽取信號達(dá)到有效減輕硬件成本的效果。

3 結(jié)束語

文中設(shè)計一套汽車自動識別酒駕和事故報警系統(tǒng)，該系統(tǒng)在python框架中構(gòu)建代碼，因?yàn)樵摽蚣軐τ赗aspberry pi3、騰訊云服務(wù)以及各類傳感器兼容性較好。酒精、MEMS、壓力傳感器的模擬輸出通過使用MCP3208IC ADC與Raspberry pi3進(jìn)行兼容。使用騰訊云服務(wù)將收集的事故照片及視頻上傳到云中。通過基于高速公路上使用的RFID-Cloud車輛識別系統(tǒng)，對高速公路上的車輛事故進(jìn)行預(yù)防及監(jiān)控，同時融合FMCW雷達(dá)的防碰撞信息，實(shí)現(xiàn)高速公路上車輛的自動掃描識別，以及對車輛的實(shí)時監(jiān)控，有效地提升駕駛?cè)藛T的安全性，并最大程度地降低交通事故的發(fā)生率。