- 相關(guān)推薦
機(jī)動(dòng)車行車事故自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析論文
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)車行車事故自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法，以使系統(tǒng)可根據(jù)車輛的姿態(tài)信息及時(shí)判斷車禍?zhǔn)欠癜l(fā)生，并在判斷車禍發(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
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)分析后判斷車禍?zhǔn)欠癜l(fā)生， 并在判斷車禍發(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 車禍判斷原理
根據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《GB 11551-2014 汽車正面碰撞的乘員保護(hù)》，汽車碰撞的實(shí)驗(yàn)條件是：碰撞瞬間，車輛速度為50km/h(可更高)。亦及符合本標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的車輛在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)類型和啟動(dòng)類型，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
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(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 車輛姿態(tài)信息采集
車輛姿態(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(dá)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(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，翻車等多種意外情況中及時(shí)正確的判斷車禍發(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)。
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)：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)模擬車輛翻車的情況，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°。
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(cái)產(chǎn)安全的主要因素。本文提出的行車事故自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)旨在車禍發(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，可以給汽車行業(yè)帶來(lái)更大的安全保障。
【機(jī)動(dòng)車行車事故自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與分析論文】相關(guān)文章：
自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)管理制度05-15
城市聯(lián)網(wǎng)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)測(cè)系統(tǒng)服務(wù)合同03-11
自動(dòng)報(bào)警管理制度12-09
基于冗余PLC的井下排水自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)的論文02-22
FPGA數(shù)據(jù)采集與回放系統(tǒng)設(shè)計(jì)論文04-24
消防報(bào)警系統(tǒng)維修方案范文（精選5篇）10-31
火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)培訓(xùn)總結(jié)（通用20篇）11-17