車禍自動(dòng)定位報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要：設(shè)計(jì)了一種車禍自動(dòng)定位報(bào)警系統(tǒng)，應(yīng)用了MEMS、GPS和GSM等技術(shù)。由于車禍發(fā)生的瞬間，車體加速度非常大，遠(yuǎn)超過(guò)緊急剎車時(shí)的加速度，故可用加速度的大小作為車禍發(fā)生的判斷依據(jù)。使用MEMS加速度傳感器采集信號(hào)，經(jīng)CPU處理后，如果加速度值超出保護(hù)值，立刻通過(guò)GSM平臺(tái)將GPS檢測(cè)到的經(jīng)、緯度及相關(guān)信息發(fā)送到相關(guān)部門，救援人員能迅速趕到現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行急救。此設(shè)計(jì)提供了一種在特殊情況下能更好更及時(shí)地保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)的新途徑。
關(guān)鍵詞：MEMS加速度傳感器；GPS定位系統(tǒng)；GSM通信技術(shù)；報(bào)警

    在汽車發(fā)生意外碰撞時(shí)最大限度地確保駕駛員和乘客的安全，是汽車工業(yè)追求的目標(biāo)之一。據(jù)我國(guó)衛(wèi)生部的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，在1 000例交通事故傷者中，只有14．3％的傷者能及時(shí)乘坐救護(hù)車到達(dá)醫(yī)院。道路交通事故表明，如果在交通事故發(fā)生5 min內(nèi)采用應(yīng)急救援措施，30 mm內(nèi)采用急診，至少可以使18％～25％的重傷者免于死亡；另外，在我國(guó)車禍死亡中大約40％的傷者是當(dāng)場(chǎng)死亡，其余60％是死于醫(yī)院或送往醫(yī)院途中，其中30％的傷者是因?yàn)閾尵炔患皶r(shí)而死亡。隨著汽車安全研究的深入，采用日趨完善的汽車碰撞保護(hù)系統(tǒng)(如氣囊等)可以有效地降低車禍死亡率，同時(shí)也有諸多弊端(如不能及時(shí)報(bào)警等待救援等)。本設(shè)計(jì)可以在車禍發(fā)生后自動(dòng)撥打緊急電話，告知相關(guān)部門車禍發(fā)生的精確位置、時(shí)間，使其在第一時(shí)間派出救援隊(duì)，給援救傷員爭(zhēng)取更多時(shí)間，挽救更多的生命。

1 系統(tǒng)原理及結(jié)構(gòu)框架
    西方交通管理部門為了交通安全，特制定了死亡加速度500 g(g=10N／kg)這一數(shù)值，以醒世人。意思是如果行車加速度超過(guò)此值，將有生命危險(xiǎn)，那么大的加速度，一般情況下緊急剎車是難以達(dá)到的，只有在發(fā)生猛烈撞擊后才會(huì)達(dá)到該數(shù)值。車輛碰撞的時(shí)間非常短，大多為毫秒級(jí)，而Atmega128單片機(jī)的處理速度是微秒級(jí)，甚至有更高級(jí)的芯片處理速度能達(dá)到納秒級(jí)，足以計(jì)算出撞車時(shí)的加速度。例如，兩輛摩托車時(shí)速20 km(5．6 m／s)，相向而行發(fā)生碰撞，碰撞時(shí)間為毫秒級(jí)，按0．001 s來(lái)計(jì)算，這樣短的時(shí)間內(nèi)，產(chǎn)生的加速度為a1=V／t=5．6／0．001=560 g，如果是緊急剎車，從剎車開始到最終停止，時(shí)間按1 s來(lái)計(jì)算，產(chǎn)生加速度為a2=V／t=5．6／1=0．56 g，可見碰撞產(chǎn)生的加速度非常之大，證實(shí)了用檢測(cè)加速度的方法來(lái)判斷是否發(fā)生車禍?zhǔn)强尚械摹?br />     本設(shè)計(jì)采用Atmega128單片機(jī)作為整個(gè)系統(tǒng)的中央處理器，與MEMS加速度傳感器、GPs定位模塊、GSM通信模塊相連。
    一旦MEMS加速度傳感器檢測(cè)到有加速度變化，Atmega128將對(duì)此數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，若判為發(fā)生車禍，則GSM模塊以發(fā)短信或打電話的形式將GPS接收到的定位信息傳遞給有關(guān)部門，使其迅速派出急救隊(duì)進(jìn)行救援工作；反之，系統(tǒng)自動(dòng)復(fù)位，循環(huán)檢測(cè)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

2 主要硬件模塊
2．1 MEMS加速度傳感器模塊
    加速度傳感器是一種能夠測(cè)量加速力的電子設(shè)備，有角加速度計(jì)和線加速度計(jì)兩種型號(hào)。本系統(tǒng)采用的MEMS加速度傳感器型號(hào)是ADX L202JE，此傳感器在同一硅片中刻蝕了一個(gè)多晶硅表面微機(jī)械傳感器，并集成了一套精密的信息處理電路，如圖2所示。

    傳感器主要是由一個(gè)利用表面微機(jī)械加工的多晶硅機(jī)構(gòu)和一個(gè)差動(dòng)電容器組成。在加速度的作用下，多晶硅結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生偏移使電容值發(fā)生變化。在信號(hào)處理電路中，差動(dòng)電容器的變化信號(hào)由調(diào)制器解調(diào)后通過(guò)一個(gè)RC濾波器(由內(nèi)部RFx和外部CFx，RFx構(gòu)成)送到占空比調(diào)制器中，由調(diào)制器轉(zhuǎn)換為占空比和加速度成正比的方波，方波的周期(T2)可以通過(guò)Rs確定。這個(gè)方波可以直接送到單片機(jī)進(jìn)行處理，通過(guò)使用計(jì)數(shù)器測(cè)量方波周期T2以及脈的寬度T1(圖3)，從而得到加速度的值。

    加速度：a=(T1／T2-Uog)／Ulg
    式中：T2由占外接電阻器Rs確定，其關(guān)系為T2=Rs／125MΩ；Uog為0g對(duì)應(yīng)的占空比，其變形值是50％；Ulg表示lg加速度變化引起的占空比變化值，對(duì)于ADXL202JE，lg的典型值是12．5％。
2．2 GPS定位模塊
    GPS(Global Positioning System)是當(dāng)前應(yīng)用最為廣泛的衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)，使用方便、成本低廉。全球定位系統(tǒng)的主要特點(diǎn)有：全球性、全天候、連續(xù)性和實(shí)時(shí)性的導(dǎo)航、定位和定時(shí)功能。

    本模塊使用SKYnav GB10，結(jié)構(gòu)及其引腳如圖4所示。該模塊具有低功耗、抗干擾能力和抗遮擋能力強(qiáng)等特點(diǎn)，它具有12個(gè)數(shù)據(jù)并行接受通道，包括8個(gè)數(shù)據(jù)位、1個(gè)起始位、1個(gè)停止位、無(wú)校正位，輸出電平為CMOS電平、電流為1mA。通信方式是采用異步串行通信，電路連接方法非常簡(jiǎn)便，只需將本模塊的TXD0和RXD0引腳分別與單片機(jī)的RXD0和TXD0引腳相連，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，默認(rèn)的通信速率是4 800 b／s，接受頻率為1 575．42±1．0MHz。
2．3 GSM通信模塊
    TC35是Siemens公司推出的新一代無(wú)線通信GSM模塊，可以快速安全可靠地實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)方案中的數(shù)據(jù)、語(yǔ)音傳輸、短消息服務(wù)(Short Message Service)和傳真。模塊的工作電壓為3．3～5．5 V，可以工作在900 MHz和1 800 MHz兩個(gè)頻段，所在頻段功耗分別為2 W(900 M)和1 W(1 800 M)。此外，該模塊還具有電話簿功能、多方通話，漫游檢測(cè)功能，常用工作模式有省電模式、IDLE、TALK等模式。通過(guò)獨(dú)特的40引腳的ZIF連接器，實(shí)現(xiàn)電源連接、指令、數(shù)據(jù)、語(yǔ)音信號(hào)、及控制信號(hào)的雙向傳輸。
    TC35i有40個(gè)引腳，1～14引腳為電源部分，其中1～5引腳為電源電壓輸入端VBATT+，6～10引腳為電源地GND，11～12引腳為充電端，13引腳為對(duì)外輸出電壓(供外部電路使用)，24～29引腳為SIM卡連接端；33～40引腳為語(yǔ)音接口用來(lái)接電話手柄。15、30、31和32引腳為控制部分，15引腳為啟動(dòng)線IGT(Ignition)。當(dāng)TC35通電后必須給IGT一個(gè)大于100 mV的低電平，模塊才能啟動(dòng)。30引腳為RTC BACK UP；31引腳為掉電控制：32引腳為SYNC，16～23引腳為數(shù)據(jù)輸入／輸出端。
    在這里，著重介紹下SYNC引腳，因?yàn)樵撘_可以很好地反映TC35的工作狀態(tài)。SYNC引腳可以用來(lái)輸出一個(gè)同步信號(hào)(synchronization sign-al)，也可以在應(yīng)用時(shí)控制一個(gè)LED燈的輸出狀態(tài)。SYNC端通過(guò)一個(gè)三極管或門電路來(lái)控制LED。SYNC端通過(guò)一電阻接到NPN三極管(如9013)的基極，射極直接接地，集電極通過(guò)一個(gè)接限流電阻接到LED的負(fù)端，LED的正端接VCC。LED的工作模式完全類似于同步信號(hào)，顯示的是TC35i的工作狀態(tài)：LED燈滅，表示TC35i電源關(guān)閉，處于休眠、報(bào)警或單純的充電模式；600ms亮／600ms滅，表示未插入SIM卡，或者個(gè)人身份未登記／已注銷，或者網(wǎng)絡(luò)正在搜尋中，或者正在進(jìn)行管理人員身份鑒定，或者網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)正在進(jìn)行中；75 ms亮／3 s滅，表示網(wǎng)絡(luò)注冊(cè)成功(控制通道和管理人員交換信息完成)，無(wú)來(lái)電；LED燈亮，依據(jù)不同的呼叫類型，有聲音呼叫，數(shù)據(jù)呼叫，在建立或者完畢等狀態(tài)。
    TC35模塊發(fā)送短信常用Text和PDU(Protocol Data Unit，協(xié)議數(shù)據(jù)單元)模式。使用Text模式收發(fā)短信代碼簡(jiǎn)單，實(shí)現(xiàn)起來(lái)十分容易，但最大的缺點(diǎn)是不能收發(fā)中文短信；而PDU模式不僅支持中文短信，也能發(fā)送英文短信。
    下面是Text發(fā)送短信案例：
    1)設(shè)置短消息中心
    at+csca=“+813800731500”(短信中心)；
    2)設(shè)置短信發(fā)送格式
    at+cmgf=1(1-Text；0-PDU)；
    3)發(fā)送短消息(短信內(nèi)容為“Test”)
    at+cmgs=“目地號(hào)碼”<cr>
    >Test^z；
    4)獲取短信內(nèi)容(Once more)，假定Index=8
    at+cmgr=8
    返回信息如下：
    +CMGR：“RECREAD”，“+8613225 168879”，“10／03／15,22：45：25+32”
    Ni hao!
    OK

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
    中央處理器與各模塊之間通過(guò)UART進(jìn)行信息數(shù)據(jù)傳輸，傳輸波特率為9 600 b／s，數(shù)據(jù)格式位為8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗(yàn)。軟件使用C語(yǔ)言編寫，C語(yǔ)言可讀性好，便于移植和管理。軟件流程圖如圖5所示。

4 結(jié)束語(yǔ)
    本文設(shè)計(jì)了一種車禍自動(dòng)定位報(bào)警系統(tǒng)．實(shí)現(xiàn)了加速度的實(shí)時(shí)判定、經(jīng)緯度的實(shí)時(shí)顯示及自動(dòng)發(fā)送信息的功能。借助于GPS全球定位系統(tǒng)和GSM通信技術(shù)提供的完善的數(shù)據(jù)通信平臺(tái)，達(dá)到了自動(dòng)定位報(bào)警的目地，大大地減少了由于救援不及時(shí)造成的死亡。