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。
　　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MPU6050 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HMC5883L，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MPU6050 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
　　5.1 利用加速度判断车祸方法的测试
　　为了验证系统性能，采用系统在滑轨上运动来产生匀加速运动的方法，并利用红外对管标定加速度的方法计算实际加速度大小，通过实际加速度的测量来验证系统采集加速度的准确性，并证明系统在达到加速度阈值时触发报警的可运行性。由于设备有限，本次只进行了0~1g 的小加速度范围内的试验。
　　系统在重物牵引下沿滑轨匀加速运行，图中的红外对管阵列与单片机相连接，利用单片机的外部中断与定时器可方便得到系统在通过每一对红外对管的时间。在某次试验中得到如下数据：由于A 点为起始点，可认为此时的速度为0，利用公式h=at2/2 可以求得此时的加速度值，分别为：0.9g，0.91g，0.93g。由于时间是ms 级的，故微小的时间差会带来加速度的较大区别，此组数据在可接受的变化范围内， 因此可认为此次试验下系统的加速度值在0.85g~0.95g的范围内。本次试验中，分别将加速度阈值设定在0.6g 和1g 的情况下进行试验，可看出加速度阈值为0.6g 时触发报警，而设定为1g 时未触发，说明系统可以正确采集加速度，并在加速度达到阈值时准确报警。
　　5.2 利用角度判断车祸方法的测试
　　测试时，系统固定在滑轨上，通过将滑轨前后左右倾斜来模拟车辆翻车的情况，利用角度测量仪测量系统实际倾角，将其与系统测量角度相比较，以确定系统角度测量的准确性及在达到触发阈值时触发报警的可靠性。此处选取一次测量结果作以说明，阈值设定为30。
　　由上述数据可以看出在误差允许范围内本系统可以正确测量角度，并依据阈值做出正确的触发告警判断。
　　6 结语
　　在汽车工业高速发展的今天，开车出行成为人们的主流选择。然而，行车事故的频频发生，又行车安全成为威胁人们生命财产安全的主要因素。本文提出的行车事故自动报警系统旨在车祸发生时，帮助受害者获得最及时的救援，在最大程度上减少事故伤亡率。相信随着这种系统的推广，可以给汽车行业带来更大的安全保障。