機動車行車事故自動報警系統(tǒng)的設計

田帥帥 邵 釩 劉 雷 黃科東

（中國民航大學電子信息工程學院，中國 天津300300）

0 引言

自20世紀90年代以來，全世界每年死于道路交通事故的人數(shù)基本保持在50萬人左右。我國自2000年以來，每年死于交通事故的人數(shù)都在10萬人左右，致死率達17%左右，但其中有相當一部分傷亡人數(shù)是由于救援不及時造成的。法國的實踐表明，對于交通事故重傷者，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，獲得及時救援可大大提高當事人的生存率。鑒于此，本文提出一種機動車行車事故自動報警系統(tǒng)的設計方法，以使系統(tǒng)可根據(jù)車輛的姿態(tài)信息及時判斷車禍是否發(fā)生，并在判斷車禍發(fā)生時告警達到及時救援的目的。

1 系統(tǒng)設計原理

圖1 系統(tǒng)框圖

此系統(tǒng)的組成包括MSP430單片機，GPS接收機，GSM通信模塊以及加速度計、陀螺儀，磁力計等傳感器模塊。GPS接收機以固定的時間間隔接收來自衛(wèi)星的定位信息，并將此信息通過UART串口發(fā)送給單片機，單片機將此信息寫入FLASH作以儲存，同時在間隔時間內(nèi)，各傳感器模塊會采集車輛的姿態(tài)信息（加速度，傾斜角度，角速度等），并通過I2C協(xié)議將采集數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機，單片機進行數(shù)據(jù)分析后判斷車禍是否發(fā)生，并在判斷車禍發(fā)生時將儲存的定位信息通過GSM模塊發(fā)送給指定聯(lián)系人，然后報警，以確保受害者在事故發(fā)生后可以獲得及時救援。

2 車禍判斷原理

根據(jù)國家標準《GB 11551-2014汽車正面碰撞的乘員保護》，汽車碰撞的實驗條件是：碰撞瞬間，車輛速度為50km/h（可更高）。亦及符合本標準設計的車輛在50km/h的速度下發(fā)生正面碰撞時基本不足以造成生命危險，而速度更高時可能發(fā)生產(chǎn)生嚴重傷害。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，碰撞時間為 90ms，則得在勻速碰撞過程中a=15.4g（g=10m/s2），同理，若選取v0=60km/h，形變時間t=80ms，則 a=20.8g，選取 v0=70km/h，t=70ms 則 a=27.8g。 根據(jù)上述計算，可認為車輛加速度在達到15g時可判斷為發(fā)生嚴重碰撞事故，需要得到及時救援，故在系統(tǒng)中可設定15g為判斷閾值，當系統(tǒng)測量加速度值大于15g時及觸發(fā)報警。

3 系統(tǒng)硬件

3.1 GSM通信模塊

GSM（全球移動通信系統(tǒng)）是一種廣泛應用于世界各地的數(shù)字移動電話系統(tǒng)。本系統(tǒng)中GSM采用的是華為GTM900-C模塊，其支持標準AT指令和增強的AT指令，支持短消息和語音業(yè)務，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，本模塊可以通過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)）的簡稱，是一種具有全方位、全天候、全時段、高精度的衛(wèi)星導航系統(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10m以內(nèi)，并可根據(jù)需要設置其數(shù)據(jù)更新率、接收數(shù)據(jù)類型和啟動類型，滿足系統(tǒng)需求。同時本模塊也可直接通過UART接口與外界設備通信，簡化系統(tǒng)硬件結構設計。

3.3 陀螺儀和磁力計

陀螺儀通過測量三維坐標系內(nèi)陀螺轉(zhuǎn)子的垂直軸與設備之間的夾角，并計算角速度，通過夾角和角速度來判別物體在三維空間的運動狀態(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，可通過I2C協(xié)議直接從模塊讀取測量值。

磁力計可用于測試磁場強度和方向，定位設備的方位，磁力計的原理跟指南針原理類似，可以測量出當前設備與東南西北四個方向上的夾角，此處選用HMC5883L，其內(nèi)部包含三軸磁阻傳感器，也可以通過I2C協(xié)議讀取測量數(shù)據(jù)。

4 系統(tǒng)軟件設計

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實現(xiàn)GPS有效定位及GSM網(wǎng)絡注冊；③采集車輛姿態(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實現(xiàn)車輛定位

GPS接收信號 NMEA-0183 Ver3.0協(xié)議的輸出信息有GGA，GSA，GLL等多種類型，本程序選擇接收GGA，GSV，RMC三種類型的信息，此三種模式下的輸出信息中包含定位有效性標識，經(jīng)緯度，日期，時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的輸出信息類型做以說明：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‘,’，則接下來在下一個‘,’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時間，與北京時間相差8小時，需進行轉(zhuǎn)換。

4.3 車輛姿態(tài)信息采集

車輛姿態(tài)信息的采集是通過陀螺儀，加速度計及磁力計完成的。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)過數(shù)據(jù)處理消除零漂及誤差后可以得到準確的加速度與角速度，之后配合磁力計經(jīng)由四元數(shù)和歐拉角公式的融合演算，可以計算得出此時車輛的角度信息。

4.4 車禍判斷方法

程序中采用加速度，角速度及角度的聯(lián)合判斷，達到在多種情況下判斷車禍發(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中后，單片機先行判斷加速度值，當超過設定值（15g）后確定車禍已發(fā)生，若加速度達不到設定值則繼續(xù)判斷角速度，在車輛發(fā)生甩尾或者翻滾的情況下會造成角速度過大，然而，顛簸也會造成角速度過大，所以此時需要配合角度大小的判斷才能避免誤判。按照車輛行駛的正常狀態(tài)，我們選取30°作為角度判斷的閾值。通過加速度，角速度，角度的聯(lián)合判斷，可以在撞車，翻車等多種意外情況中及時正確的判斷車禍發(fā)生。

4.5 通過GSM網(wǎng)絡編輯，發(fā)送短消息

在判斷車禍發(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GSM網(wǎng)絡發(fā)送短信息之前要先進行初始化與網(wǎng)絡注冊。本程序中，通過AT指令“AT+CMGF=1”設置短信為文本方式，通過AT指令“AT+CREG?”查詢網(wǎng)絡注冊狀況，當網(wǎng)絡注冊成功時即可通過GSM網(wǎng)絡發(fā)送短消息。單片機從FALSH中讀取存儲的定位信息，經(jīng)處理后形成包含經(jīng)緯度和時間信息內(nèi)容的短消息字符串，之后通過UART串口經(jīng)GSM模塊發(fā)送給指定聯(lián)系人。

5 系統(tǒng)測試

5.1 利用加速度判斷車禍方法的測試

為了驗證系統(tǒng)性能，采用系統(tǒng)在滑軌上運動來產(chǎn)生勻加速運動的方法，并利用紅外對管標定加速度的方法計算實際加速度大小，通過實際加速度的測量來驗證系統(tǒng)采集加速度的準確性，并證明系統(tǒng)在達到加速度閾值時觸發(fā)報警的可運行性。由于設備有限，本次只進行了0～1g的小加速度范圍內(nèi)的試驗。

圖3 測試結構圖

如圖所示，系統(tǒng)在重物牽引下沿滑軌勻加速運行，圖中的紅外對管陣列與單片機相連接，利用單片機的外部中斷與定時器可方便得到系統(tǒng)在通過每一對紅外對管的時間。在某次試驗中得到如下數(shù)據(jù)：

表1 系統(tǒng)加速度告警測試表

由于A點為起始點，可認為此時的速度為0，利用公式h=at2/2可以求得此時的加速度值，分別為：0.9g，0.91g，0.93g。 由于時間是 ms級的，故微小的時間差會帶來加速度的較大區(qū)別，此組數(shù)據(jù)在可接受的變化范圍內(nèi)，因此可認為此次試驗下系統(tǒng)的加速度值在0.85g～0.95g的范圍內(nèi)。本次試驗中，分別將加速度閾值設定在0.6g和1g的情況下進行試驗，可看出加速度閾值為0.6g時觸發(fā)報警，而設定為1g時未觸發(fā)，說明系統(tǒng)可以正確采集加速度，并在加速度達到閾值時準確報警。

5.2 利用角度判斷車禍方法的測試

測試時，系統(tǒng)固定在滑軌上，通過將滑軌前后左右傾斜來模擬車輛翻車的情況，利用角度測量儀測量系統(tǒng)實際傾角，將其與系統(tǒng)測量角度相比較，以確定系統(tǒng)角度測量的準確性及在達到觸發(fā)閾值時觸發(fā)報警的可靠性。此處選取一次測量結果作以說明，閾值設定為30°：

表2 系統(tǒng)角度告警測試表

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

6 結語

在汽車工業(yè)高速發(fā)展的今天，開車出行成為人們的主流選擇。然而，行車事故的頻頻發(fā)生，又行車安全成為威脅人們生命財產(chǎn)安全的主要因素。本文提出的行車事故自動報警系統(tǒng)旨在車禍發(fā)生時，幫助受害者獲得最及時的救援，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，可以給汽車行業(yè)帶來更大的安全保障。

［1］洪利,章楊,李世寶.MSP430 單片機原理與應用實例[M].北京:北京航空航天大學出版社,2010,7.

［2］陳文輝,鄭晟,李武杰.基于加速度的車禍報警系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].電子設計工程,2011,4.

［3］吳鐵軍,馬龍華,李宗濤.應用捷聯(lián)慣導系統(tǒng)分析[M].北京：國防工業(yè)出版社,2011,6,1.

［4］GB 11551-2014 汽車正面碰撞的乘員保護[S].2014,9,3.