利用RFID和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)車距監(jiān)測(cè)的預(yù)警

引言

　　汽車為人類社會(huì)的發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn)，但也帶來了觸目驚心的傷害。近年來，隨著高速公路的發(fā)展，汽車行駛速度提高，惡性交通事故頻發(fā)。在車禍造成的死亡事故中，追尾占25%。因此，研究能夠隨時(shí)獲取道路和車輛信息，并及時(shí)提醒汽車駕駛員采取措施避免危險(xiǎn)的車距監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)就成為解決公路交通安全問題的重要手段。

　　本文基于RFID和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛之間的相互通信，通過向周圍車輛報(bào)告本車精確的地理信息，并獲取周圍車輛發(fā)送的地理信息，實(shí)時(shí)計(jì)算獲取車輛距離。

　　此方案與雷達(dá)測(cè)距等其他實(shí)現(xiàn)方案相比，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn)。

　　1 RFID和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)簡(jiǎn)介

　　RFID技術(shù)最早出現(xiàn)在二戰(zhàn)時(shí)期，當(dāng)時(shí)成功應(yīng)用于飛機(jī)的敵我識(shí)別系統(tǒng)。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為21世紀(jì)最重要的技術(shù)之一。其基本原理是利用射頻信號(hào)的空間耦合（電感或電磁耦合）或反射的傳輸特性，實(shí)現(xiàn)對(duì)被識(shí)別物體的自動(dòng)識(shí)別。

　　衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)最早應(yīng)用于20世紀(jì)70年代由美國(guó)陸?？杖娐?lián)合研制的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS），現(xiàn)已全球性民用。由于衛(wèi)星的位置精確可知，在GPS觀測(cè)中，我們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，應(yīng)用三維坐標(biāo)中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個(gè)方程式，解出觀測(cè)點(diǎn)的位置（X、Y、Z），實(shí)現(xiàn)對(duì)對(duì)象位置的確定。

　　2 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)方案

　　本系統(tǒng)設(shè)計(jì)包括單片機(jī)控制模塊、射頻通信模塊、衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、液晶顯示模塊、聲光報(bào)警模塊和穩(wěn)壓電源模塊。系統(tǒng)采用LM1575芯片將車載12V電源轉(zhuǎn)換為5V電源，以凌陽(yáng)SPCE061A型16位單片機(jī)為控制中心，使用nRF2401無線射頻收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，使用OTrack-32北斗/GPS/GLONASS多模兼容導(dǎo)航芯片模塊實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯度坐標(biāo)的獲取，同時(shí)使用12864型LCD顯示模塊實(shí)時(shí)顯示車距檢測(cè)信息，并使用蜂鳴器和LED實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警。系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

　　系統(tǒng)工作時(shí)，首先通過衛(wèi)星導(dǎo)航芯片獲取本車的精確經(jīng)緯度信息，然后對(duì)信息進(jìn)行編碼。編碼信息主要包括本車識(shí)別序列號(hào)、經(jīng)緯度信息和車速[3]。完成信息編碼后，將編碼信息通過射頻收發(fā)模塊的通道1進(jìn)行信息發(fā)送，接收地址應(yīng)設(shè)置為統(tǒng)一的公用地址，本設(shè)計(jì)規(guī)定為5位十六進(jìn)制地址：0xAAAAA。同時(shí)采用通道2接收周圍車輛發(fā)送的信息，將接收到的信息發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理。

　　當(dāng)同時(shí)接收多個(gè)射頻模塊發(fā)送的信息出現(xiàn)通信碰撞時(shí)，采用RFID防碰撞算法進(jìn)行處理。單片機(jī)不斷接收來自射頻收發(fā)模塊的車輛識(shí)別序列號(hào)、經(jīng)緯度信息和車速，并按照車輛序列號(hào)對(duì)這些信息進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隊(duì)列排序處理。

　　通過汽車測(cè)距測(cè)速算法和汽車行駛方向判定算法實(shí)時(shí)獲取周圍每輛車的行駛方向和車距。將周圍車輛車距車速與不同車速對(duì)應(yīng)的安全車距進(jìn)行對(duì)照，當(dāng)汽車車距小于安全距離時(shí)，通過聲音和燈光向駕駛員進(jìn)行報(bào)警。

　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

　　系統(tǒng)工作時(shí)，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢和初始化設(shè)置，并通過LCD模塊顯示“歡迎使用”界面。然后通過衛(wèi)星導(dǎo)航模塊接收經(jīng)緯度信息并輸入到單片機(jī)，單片機(jī)通過控制射頻收發(fā)模塊，采用nRF2401模塊的通道1發(fā)送經(jīng)緯度信息，同時(shí)采用通道2接收周圍的經(jīng)緯度信息，并將接收到的周圍車輛的經(jīng)緯度信息輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理。

　　由兩車的經(jīng)緯度通過測(cè)距測(cè)速模型計(jì)算出兩車之間的距離，并將兩車車距與安全距離進(jìn)行比較，如果車距小于安全距離，判斷車輛的相對(duì)行駛方向及前后方位，若為同向且小于安全距離，則單片機(jī)控制LED燈閃爍，距離越小LED燈的閃爍頻率越快，同時(shí)控制蜂鳴器發(fā)出聲音報(bào)警。

　　系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

6 系統(tǒng)測(cè)試

　　系統(tǒng)測(cè)試和驗(yàn)收測(cè)試重點(diǎn)在于檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的合理性和驗(yàn)證系統(tǒng)的功能和可靠性。對(duì)于本設(shè)計(jì)的測(cè)試，主要從電路原理測(cè)試、系統(tǒng)硬件模塊測(cè)試、軟件系統(tǒng)測(cè)試和軟硬件聯(lián)合調(diào)試四個(gè)方面進(jìn)行。

　?。?）穩(wěn)壓電源模塊測(cè)試。將電源輸出端接到示波器上，觀測(cè)電壓波動(dòng)范圍在系統(tǒng)要求范圍內(nèi)，可滿足系統(tǒng)應(yīng)用要求。

　?。?）對(duì)12864LCD顯示模塊進(jìn)行測(cè)試，實(shí)現(xiàn)了字符、漢字及特定圖像的顯示，模塊測(cè)試無誤。

　?。?）衛(wèi)星導(dǎo)航模塊測(cè)試。將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)，連接衛(wèi)星導(dǎo)航模塊，將接收到的數(shù)據(jù)在LCD顯示器上顯示，顯示結(jié)果穩(wěn)定。

　?。?）射頻收發(fā)模塊測(cè)試。連接單片機(jī)，用兩組模塊進(jìn)行收發(fā)測(cè)試，全部正確收發(fā)信息。

　　（5）聲光報(bào)警模塊檢測(cè)。該模塊的電氣連接良好。將檢測(cè)聲光報(bào)警的程序?qū)懭雴纹瑱C(jī)中，該模塊可正常發(fā)出聲光信號(hào)。

　　7 結(jié)語(yǔ)

　　本系統(tǒng)利用衛(wèi)星導(dǎo)航和RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)車距測(cè)量，通過調(diào)試，系統(tǒng)運(yùn)行正常，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。但是，還有許多地方需要進(jìn)一步探究，比如衛(wèi)星導(dǎo)航的精確度及RFID的更遠(yuǎn)距離通信等。由于條件有限，僅在實(shí)驗(yàn)室中做了測(cè)試，在抗干擾試驗(yàn)等方面還需要更深入地研究。

　　5.1 汽車測(cè)距測(cè)速模型

　　射頻收發(fā)模塊接收到的信息主要是經(jīng)緯度信息，系統(tǒng)通過對(duì)這些信息和本車的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)處理，可獲得每一時(shí)刻的最新車距信息。首先對(duì)經(jīng)緯度信息進(jìn)行格式定義。定義緯度信息北緯為“正（+）”，南緯為“負(fù)（－）”；經(jīng)度信息東經(jīng)為“正（+）”，西經(jīng)為“負(fù)（－）”。地球的周長(zhǎng)大約40008km。則平均緯度1度大約等于111km。本系統(tǒng)采集到的經(jīng)緯度信息精度為0.0001，則每萬分之一單位代表距離近似等于11.1m，可滿足系統(tǒng)精度需求。于是，可得一般測(cè)距模型：

　　其中，E1和E2分別表示本車和其他車輛的經(jīng)度信息，W1和W2分別表示本車和其他車輛的緯度信息，a表示經(jīng)緯度1°代表長(zhǎng)度，約1.11×105m。對(duì)于特殊情況，例如在東經(jīng)180°與西經(jīng)180°分界區(qū)域，需在運(yùn)算前進(jìn)行經(jīng)度換算處理。本車車速的計(jì)算，可應(yīng)用上述測(cè)距模型對(duì)本車測(cè)得的兩次經(jīng)緯度計(jì)算得出衛(wèi)星導(dǎo)航芯片經(jīng)緯度掃描周期T內(nèi)車輛移動(dòng)距離，從而得出車速v。

　　5.2 汽車行駛方向判定模型

　　在實(shí)際情況中，周圍汽車行駛方向與本車主要有同向和相向兩種情況。此兩種情況的經(jīng)緯度變化方向完全相反。則設(shè)某車多個(gè)時(shí)刻的經(jīng)緯度信息矩陣分別為[A1,B1]，[A2,B2]…[An,Bn]，通過判斷[An,Bn]的正負(fù)，及與[An-1,Bn-1]的值進(jìn)行比較，可判斷其大致的行駛方向。用矩陣 表示汽車行駛方向，其中E、W、S、N分別表示東、西、南、北方向。設(shè)汽車駛向的方向?yàn)?，若其他汽車與本車行駛方向相同，將代指兩車行駛方向的矩陣相減，即可得到零矩陣。通過對(duì)零矩陣進(jìn)行判別，可粗略獲知周圍汽車與本車的相對(duì)行駛方向，還可得知周圍汽車在本車前后的方位。

　　3.1 微控制器

　　SPCE061A是臺(tái)灣凌陽(yáng)科技生產(chǎn)的16位結(jié)構(gòu)的微控制器，其采用了μ’nSPTM系列的單片機(jī)內(nèi)核，內(nèi)嵌32k字的閃存，具有較高的處理速度，不僅可應(yīng)用于傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域，還可擴(kuò)展應(yīng)用于控制處理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字信號(hào)處理等領(lǐng)域，具有廣泛的應(yīng)用空間。本系統(tǒng)以凌陽(yáng)單片機(jī)為控制中心，實(shí)現(xiàn)對(duì)射頻收發(fā)模塊、衛(wèi)星導(dǎo)航模塊、LCD顯示模塊和聲光報(bào)警的控制。

　　3.2 射頻收發(fā)模塊

　　nRF2401芯片是一種工作于2.4GHz的單片無線射頻收發(fā)芯片，可同時(shí)實(shí)現(xiàn)一路數(shù)據(jù)發(fā)射和兩路數(shù)據(jù)接收功能。

　　它將射頻、8051MCU、9通道12位ADC、外圍元件、電感和濾波器全部集成在單芯片中，功耗非常低，輸出功率和通信頻道可通過程序進(jìn)行配置，應(yīng)用范圍非常廣泛。本設(shè)計(jì)采用的以nRF2401芯片為核心的nRF2401模塊共有兩組接口，分別采用接口1發(fā)送數(shù)據(jù)；接口2接收數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳輸。

　　3.3 衛(wèi)星導(dǎo)航模塊

　　本系統(tǒng)所需衛(wèi)星導(dǎo)航模塊采用北京東方聯(lián)星所產(chǎn)衛(wèi)星導(dǎo)航芯片Otrack-32，可同時(shí)接收北斗二號(hào)、GPS、GLONASS衛(wèi)星信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)合導(dǎo)航定位、測(cè)速、定時(shí)。Otrack-32芯片實(shí)現(xiàn)了當(dāng)今世界上最快速的1s熱啟動(dòng)、國(guó)際最短的35s冷啟動(dòng)、穩(wěn)定的1s重捕獲；高達(dá)每秒20次的真值定位；定位精度5m；差分定位精度0.5m；高可靠、抗干擾；適應(yīng)惡劣環(huán)境；通過了嚴(yán)格的地面測(cè)試和多種載體動(dòng)態(tài)試驗(yàn)。Otrack-32芯片為導(dǎo)航、測(cè)量、授時(shí)等專業(yè)導(dǎo)航領(lǐng)域提供了完全國(guó)產(chǎn)化的高性能核心器件。

　　3.4 12864液晶顯示模塊

　　本系統(tǒng)采用12864點(diǎn)陣型LCD顯示模塊，可顯示周圍車輛、最小車距、本車經(jīng)緯度等相關(guān)信息。點(diǎn)陣型LCD顯示模塊不僅能夠顯示常用字符，還可顯示圖形和漢字。

　　12864LCD顯示模塊橫向顯示128點(diǎn)，縱向顯示64點(diǎn)，最多可同時(shí)顯示16×16中文字符4行8列，可以滿足大量的信息顯示需求。模塊引腳連接如圖2所示。

　　3.5 聲光報(bào)警電路

　　當(dāng)車距較近時(shí)，通過單片機(jī)輸出信號(hào)，使聲光報(bào)警器工作。本系統(tǒng)采用一個(gè)LED和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)聲光報(bào)警，使用2個(gè)單片機(jī)輸出端口分別實(shí)現(xiàn)對(duì)LED和蜂鳴器的控制。

　　電路原理如圖2所示。

圖2 液晶顯示模塊和聲光報(bào)警電路原理圖