機動車行車事故自動報警系統的設計與分析論文
引言
自20 世紀90 年代以來，全世界每年死於道路交通事故的人數基本保持在50 萬人左右。我國自2000 年以來，每年死於交通事故的人數都在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是由於救援不及時造成的。法國的實踐表明，對於交通事故重傷者，在30 分鐘內獲救，其生存率為80%，在90 分鐘內獲救，其生存率僅為10%以下。根據上述資料可看出，獲得及時救援可大大提高當事人的生存率。鑑於此，本文提出一種機動車行車事故自動報警系統的設計方法，以使系統可根據車輛的姿態資訊及時判斷車禍是否發生，並在判斷車禍發生時告警達到及時救援的目的。
1 系統設計原理
此係統的組成包括MSP430 微控制器，GPS 接收機，GSM 通訊模組以及加速度計、陀螺儀，磁力計等感測器模組。GPS 接收機以固定的時間間隔接收來自衛星的定位資訊，並將此資訊透過UART 串列埠傳送給微控制器，微控制器將此資訊寫入FLASH 作以儲存，同時在間隔時間內，各感測器模組會採集車輛的姿態資訊(加速度，傾斜角度，角速度等)，並透過I2C 協議將採集資料傳送給微控制器，微控制器進行資料分析後判斷車禍是否發生， 並在判斷車禍發生時將儲存的定位資訊透過GSM模組傳送給指定聯絡人，然後報警，以確保受害者在事故發生後可以獲得及時救援。
2 車禍判斷原理
根據國家標準《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生產生嚴重傷害。故將以50km/h的速度發生碰撞的情況作為判斷閾值。
根據公式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。根據上述計算， 可認為車輛加速度在達到15g 時可判斷為發生嚴重碰撞事故，需要得到及時救援，故在系統中可設定15g 為判斷閾值，當系統測量加速度值大於15g 時及觸發報警。
3 系統硬體
3.1 GSM 通訊模組
GSM(全球移動通訊系統)是一種廣泛應用於世界各地的數字行動電話系統。本系統中GSM 採用的是華為GTM900-C 模組，其支援標準AT 指令和增強的AT 指令，支援短訊息和語音業務，可在-20℃—+70℃的範圍內正常工作，功耗低，滿足系統工作要求。同時，本模組可以透過UART 介面與外界通訊，並支援3.0V 電平的輸入輸出，使得其可以更方便的與MSP430 系列的微控制器完成通訊。
3.2 GPS 衛星模組
GPS 是英文Global Positioning System(全球定位系統)的簡稱，是一種具有全方位、全天候、全時段、高精度的衛星導航系統。本系統中採用和芯星通UM220 模組，其功耗典型值為350mw，可在-40℃—+85℃範圍內正常工作，定位精度可達10m 以內，並可根據需要設定其資料更新率、接收資料型別和啟動型別，滿足系統需求。同時本模組也可直接透過UART 介面與外界裝置通訊，簡化系統硬體結構設計。
3.3 陀螺儀和磁力計
陀螺儀透過測量三維座標系內陀螺轉子的垂直軸與裝置之間的夾角，並計算角速度，透過夾角和角速度來判別物體在三維空間的運動狀態。本系統中採用MPU6050 模組，其內部集成了陀螺儀和加速度計，可透過I2C 協議直接從模組讀取測量值。
磁力計可用於測試磁場強度和方向，定位裝置的方位，磁力計的原理跟指南針原理類似，可以測量出當前裝置與東南西北四個方向上的夾角，此處選用HMC5883L，其內部包含三軸磁阻感測器，也可以透過I2C 協議讀取測量資料。
4 系統軟體設計
4.1 系統軟體流程
此係統的軟體功能主要為：①完成系統初始化;②實現GPS 有效定位及GSM 網路註冊;③採集車輛姿態資訊資料;④資料處理;⑤傳送簡訊及撥打電話。
4.2 GPS 實現車輛定位
GPS 接收訊號NMEA-0183 Ver3.0 協議的輸出資訊有GGA，GSA，GLL 等多種型別，本程式選擇接收GGA，GSV，RMC 三種類型的資訊， 此三種模式下的輸出資訊中包含定位有效性標識， 經緯度，日期，時間以及其他豐富資訊，可以完全滿足系統定位需求。此處選取RMC 的輸出資訊型別做以說明：RMC 訊息格式：$ --RMC,time,status,Lat,N,Lon,E,spd,cog,date,mv,mvE,mode*cs; 程式中依據“RMC”字串判斷出資訊型別，依據‘,’字元的數目判斷接收的內容，例：判斷接收到3 個‘,’，則接下來在下一個‘,’之前接收資訊為緯度，依據緯度格式：ddmm.mmmmmm，dd-度，mm.mmmmmm-分，提取出緯度值。按照上述方法，則可正確提取有效資訊，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，需進行轉換。
4.3 車輛姿態資訊採集
車輛姿態資訊的採集是透過陀螺儀， 加速度計及磁力計完成的。本系統中採用的MPU6050 其內建有陀螺儀和加速度器， 可以直接獲取加速度和角速度，經過資料處理消除零漂及誤差後可以得到準確的加速度與角速度，之後配合磁力計經由四元數和尤拉角公式的融合演算，可以計算得出此時車輛的角度資訊。
4.4 車禍判斷方法
程式中採用加速度，角速度及角度的聯合判斷，達到在多種情況下判斷車禍發生的目的。感測器將採集的加速度，角速度傳輸到微控制器中後，微控制器先行判斷加速度值，當超過設定值(15g)後確定車禍已發生，若加速度達不到設定值則繼續判斷角速度，在車輛發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，我們選取30°作為角度判斷的閾值。透過加速度，角速度，角度的聯合判斷，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生。
4.5 透過GSM 網路編輯，傳送短訊息
在判斷車禍發生後需要將受害者的位置資訊傳送給指定聯絡人，透過GSM 網路傳送簡訊息之前要先進行初始化與網路註冊。本程式中，透過AT 指令“AT+CMGF=1”設定簡訊為文字方式，透過AT 指令“AT+CREG?” 查詢網路註冊狀況， 當網路註冊成功時即可透過GSM網路傳送短訊息。微控制器從FALSH 中讀取儲存的定位資訊，經處理後形成包含經緯度和時間資訊內容的短訊息字串，之後透過UART 串列埠經GSM 模組傳送給指定聯絡人。
5 系統測試
5.1 利用加速度判斷車禍方法的測試
為了驗證系統性能，採用系統在滑軌上運動來產生勻加速運動的方法，並利用紅外對管標定加速度的方法計算實際加速度大小，透過實際加速度的測量來驗證系統採集加速度的準確性，並證明系統在達到加速度閾值時觸發報警的可執行性。由於裝置有限，本次只進行了0~1g 的小加速度範圍內的'試驗。
系統在重物牽引下沿滑軌勻加速執行，圖中的紅外對管陣列與微控制器相連線，利用微控制器的外部中斷與定時器可方便得到系統在透過每一對紅外對管的時間。在某次試驗中得到如下資料：由於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。由於時間是ms 級的，故微小的時間差會帶來加速度的較大區別，此組資料在可接受的變化範圍內， 因此可認為此次試驗下系統的加速度值在0.85g~0.95g的範圍內。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 時觸發報警，而設定為1g 時未觸發，說明系統可以正確採集加速度，並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，系統固定在滑軌上，透過將滑軌前後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實際傾角，將其與系統測量角度相比較，以確定系統角度測量的準確性及在達到觸發閾值時觸發報警的可靠性。此處選取一次測量結果作以說明，閾值設定為30°。
由上述資料可以看出在誤差允許範圍內本系統可以正確測量角度，並依據閾值做出正確的觸發告警判斷。
6 結語
在汽車工業高速發展的今天，開車出行成為人們的主流選擇。然而，行車事故的頻頻發生，又行車安全成為威脅人們生命財產安全的主要因素。本文提出的行車事故自動報警系統旨在車禍發生時，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。相信隨著這種系統的推廣，可以給汽車行業帶來更大的安全保障。