机动车行车事故自动报警系统的设计与分析
引言
自20 世纪90 年代以来,全世界每年死于道路交通事故的人数基本保持在50 万人左右。我国自2000 年以来,每年死于交通事故的人数都在10 万人左右,致死率达17%左右,但其中有相当一部分伤亡人数是由于救援不及时造成的。法国的实践表明,对于交通事故重伤者,在30 分钟内获救,其生存率为80%,在90 分钟内获救,其生存率仅为10%以下。根据上述数据可看出,获得及时救援可大大提高当事人的生存率。鉴于此,本文提出一种机动车行车事故自动报警系统的设计方法,以使系统可根据车辆的姿态信息及时判断车祸是否发生,并在判断车祸发生时告警达到及时救援的目的。 1 系统设计原理
此系统的组成包括MSP430 单片机,GPS 接收机,GSM 通信模块以及加速度计、陀螺仪,磁力计等传感器模块。GPS 接收机以固定的时间间隔接收来自卫星的定位信息,并将此信息通过UART 串口发送给单片机,单片机将此信息写入FLASH 作以储存,同时在间隔时间内,各传感器模块会采集车辆的姿态信息(加速度,倾斜角度,角速度等),并通过I2C 协议将采集数据发送给单片机,单片机进行数据分析后判断车祸是否发生, 并在判断车祸发生时将储存的定位信息通过GSM模块发送给指定联系人,然后报警,以确保受害者在事故发生后可以获得及时救援。 2 车祸判断原理
根据国家标准《GB 11551-2014 汽车正面碰撞的乘员保护》,汽车碰撞的实验条件是：碰撞瞬间,车辆速度为50km/h(可更高)。亦及符合本标准设计的车辆在50km/h 的速度下发生正面碰撞时基本不足以造成生命危险,而速度更高时可能发生产生严重伤害。故将以50km/h的速度发生碰撞的情况作为判断阈值。 根据公式a=dv/dt,取v0=50km/h,vt=0,碰撞时间为90ms,则得在匀速碰撞过程中a=15.4g(g=10m/s2) ,同理,若选取v0=60km/h,形变时间t=80ms,则a=20.8g,选取v0=70km/h,t=70ms 则a=27.8g。根据上述计算, 可认为车辆加速度在达到15g 时可判断为发生严重碰撞事故,需要得到及时救援,故在系统中可设定15g 为判断阈值,当系统测量加速度值大于15g 时及触发报警。
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3 系统硬件 3.1 GSM 通信模块
GSM(全球移动通信系统)是一种广泛应用于世界各地的数字移动电话系统。本系统中GSM 采用的是华为GTM900-C 模块,其支持标准AT 指令和增强的AT 指令,支持短消息和语音业务,可在-20℃+70℃的范围内正常工作,功耗低,满足系统工作要求。同时,本模块可以通过UART 接口与外界通信,并支持3.0V 电平的输入输出,使得其可以更方便的与MSP430 系列的单片机完成通信。 3.2 GPS 卫星模块
GPS 是英文Global Positioning System(全球定位系统)的简称,是一种具有全方位、全天候、全时段、高精度的卫星导航系统。本系统中采用和芯星通UM220 模块,其功耗典型值为350mw,可在-40℃+85℃范围内正常工作,定位精度可达10m 以内,并可根据需要设置其数据更新率、接收数据类型和启动类型,满足系统需求。同时本模块也可直接通过UART 接口与外界设备通信,简化系统硬件结构设计。
3.3 陀螺仪和磁力计
陀螺仪通过测量三维坐标系内陀螺转子的垂直轴与设备之间的夹角,并计算角速度,通过夹角和角速度来判别物体在三维空间的运动状态。本系统中采用xxxx 模块,其内部集成了陀螺仪和加速度计,可通过I2C 协议直接从模块读取测量值。
磁力计可用于测试磁场强度和方向,定位设备的方位,磁力计的原理跟指南针原理类似,可以测量出当前设备与东南西北四个方向上的夹角,此处选用xxxxL,其内部包含三轴磁阻传感器,也可以通过I2C 协议读取测量数据。 4 系统软件设计 4.1 系统软件流程
此系统的软件功能主要为：①完成系统初始化;②实现GPS 有效定位及GSM 网络注册;③采集车辆姿态信息数据;④数据处理;⑤发送短信及拨打电话。 4.2 GPS 实现车辆定位
GPS 接收信号NMEA-0183 Ver3.0 协议的输出信息有GGA,GSA,GLL 等多种类型,本程序选择接收GGA,GSV,RMC 三种类型的信息, 此三种模式下的输出信息
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中包含定位有效性标识, 经纬度,日期,时间以及其他丰富信息,可以完全满足系统定位需求。此处选取RMC 的输出信息类型做以说明：RMC 消息格式：$ --RMC,time,status,Lat,N,Lon,E,spd,cog,date,mv,mvE,mode*cs; 程序中依据RMC字符串判断出信息类型,依据,字符的数目判断接收的内容,例：判断接收到3 个,,则接下来在下一个,之前接收信息为纬度,依据纬度格式：ddmm.mmmmmm,dd-度,mm.mmmmmm-分,提取出纬度值。按照上述方法,则可正确提取有效信息,但值得注意的是此处接收为UTC 时间,与北京时间相差8 小时,需进行转换。
4.3 车辆姿态信息采集
车辆姿态信息的采集是通过陀螺仪, 加速度计及磁力计完成的。本系统中采用的xxxx 其内置有陀螺仪和加速度器, 可以直接获取加速度和角速度,经过数据处理消除零漂及误差后可以得到准确的加速度与角速度,之后配合磁力计经由四元数和欧拉角公式的融合演算,可以计算得出此时车辆的角度信息。 4.4 车祸判断方法
程序中采用加速度,角速度及角度的联合判断,达到在多种情况下判断车祸发生的目的。传感器将采集的加速度,角速度传输到单片机中后,单片机先行判断加速度值,当超过设定值(15g)后确定车祸已发生,若加速度达不到设定值则继续判断角速度,在车辆发生甩尾或者翻滚的情况下会造成角速度过大,然而,颠簸也会造成角速度过大,所以此时需要配合角度大小的判断才能避免误判。按照车辆行驶的正常状态,我们选取30作为角度判断的阈值。通过加速度,角速度,角度的联合判断,可以在撞车,翻车等多种意外情况中及时正确的判断车祸发生。 4.5 通过GSM 网络编辑,发送短消息
在判断车祸发生后需要将受害者的位置信息发送给指定联系人,通过GSM 网络发送短信息之前要先进行初始化与网络注册。本程序中,通过AT 指令AT+CMGF=1设置短信为文本方式,通过AT 指令AT+CREG? 查询网络注册状况, 当网络注册成功时即可通过GSM网络发送短消息。单片机从FALSH 中读取存储的定位信息,经处理后形成包含经纬度和时间信息内容的短消息字符串,之后通过UART 串口经GSM 模块发送给指定联系人。 5 系统测试
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机动车行车事故自动报警系统的设计与分析
