基于射頻識別技術(shù)的汽車記錄儀的設(shè)計(jì)*

馬木提·亞庫普，任 霞

（大連民族大學(xué) 信息與通信工程學(xué)院，遼寧 大連116600）

0 引言

現(xiàn)代交通工具的急劇發(fā)展為人類帶來了便捷，但交通事故的比率也隨之增加。汽車行駛狀態(tài)記錄儀可以有效預(yù)防駕駛員的違章駕駛，降低車輛發(fā)生交通事故的可能性，因此它已被廣泛應(yīng)用在多個國家和地區(qū)。據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示使用汽車行駛狀態(tài)記錄儀可成功減少交通事故的37%～52%[1]。

射頻識別技術(shù)是射頻技術(shù)和IC卡技術(shù)高度集成的產(chǎn)物，源于20世紀(jì)90年代。射頻識別技術(shù)是一種非接觸性的自動識別技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)、管理、生活等多個領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的條型碼、磁卡及IC卡相比，射頻卡具有非接觸、閱讀速度快、無損、不受環(huán)境影響、壽命長、便于使用的特點(diǎn)，并具有防沖突功能，能同時處理多張卡片。在國外，射頻識別技術(shù)已被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化、交通運(yùn)輸控制管理等眾多領(lǐng)域。

把射頻識別技術(shù)應(yīng)用到車輛行駛記錄儀上，就可以在不停車的情況下獲取車輛的狀態(tài)參數(shù)。一方面方便了交通管理部門對行車的管制，例如疲勞駕駛和超速；另一方面可以提高駕駛員的責(zé)任意識。與此同時車輛行駛數(shù)據(jù)記錄儀的數(shù)據(jù)記錄還可以為交通事故的分析提供真實(shí)、有效、科學(xué)的證據(jù)。

1 總體設(shè)計(jì)方案

本課題所設(shè)計(jì)的汽車行駛記錄儀主要實(shí)現(xiàn)以下功能：自檢功能；實(shí)時時間、日期及駕駛時間的采集、記錄、存儲功能；車輛行駛速度的測量、記錄、存儲功能；車輛行駛里程的測量、記錄、存儲功能；駕駛員身份記錄功能；鍵盤操作功能；數(shù)據(jù)顯示；數(shù)據(jù)通信功能；周邊環(huán)境的觀測、記錄、存儲功能；記憶永久性、不可刪除、恢復(fù)性強(qiáng)。總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2 硬件結(jié)構(gòu)

2.1 微處理器

根據(jù)系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要，采用意法半導(dǎo)體的STM32F103ZET6作為主控制芯片。STM32F103ZET6是一款基于CortexTMM3的32位微處理器。CortexTM-M3是一款基于ARMV-7體系結(jié)構(gòu)的處理器核，具有低功耗、短延時中斷、低成本等優(yōu)點(diǎn)，適用于微控制系統(tǒng)、汽車控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)等。STM32F103ZET6芯片工作頻率可達(dá)72 MHz，具有內(nèi)置高速存儲器 （高達(dá)512 KB的閃存和64 KB的SRAM），豐富的增強(qiáng)I/O端口和連接到兩條APB總線的外設(shè)。包含3個12位的ADC、4個通用16位定時器和2個PWM定時器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：2個I2C接口、3個 SPI接口、2個 I2S接口、1個 SDIO接口、5個USART接口、一個USB接口和一個CAN接口。該芯片的性能和外設(shè)配置非常適合做主控制板的核心芯片[2]。

2.2 FRID技術(shù)原理

RFID技術(shù)利用無線射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進(jìn)行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸，以達(dá)到目標(biāo)識別和數(shù)據(jù)交換的目的。最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：標(biāo)簽、閱讀器、天線。系統(tǒng)的基本工作流程是：閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當(dāng)射頻卡進(jìn)入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應(yīng)電流，射頻卡獲得能量被激活；射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進(jìn)行解調(diào)和解碼，然后送到后臺主系統(tǒng)進(jìn)行相關(guān)處理；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運(yùn)算判斷該卡的合法性，針對不同的設(shè)定做出相應(yīng)的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)動作。按照不同的方式，射頻卡有幾種不同分類。按供電方式分為有源卡和無源卡。有源是指卡內(nèi)有電池提供電源，其作用距離較遠(yuǎn)，但壽命有限、體積較大、成本高，且不適合在惡劣環(huán)境下工作；無源卡內(nèi)無電池，它利用波束供電技術(shù)將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電源為卡內(nèi)電路供電，其作用距離相對有源卡短，但壽命長且對工作環(huán)境要求不高。按載波頻率分為低頻射頻卡、中頻射頻卡和高頻射頻卡。低頻射頻卡主要有125 kHz和134.2 kHz兩種。低頻系統(tǒng)主要用于短距離、低成本的應(yīng)用中，如多數(shù)的門禁控制、校園卡、動物監(jiān)管、貨物跟蹤等。中頻射頻卡頻率主要為13.56 MHz，用于門禁控制和需傳送大量數(shù)據(jù)的應(yīng)用系統(tǒng)。高頻射頻卡主要為433 MHz、915 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz等，應(yīng)用于需要較長的讀寫距離和高讀寫速度的場合[3]。

2.3 攝像頭模塊

此系統(tǒng)采用的攝像頭模塊OV7670是OV（Omni Vision）公司生產(chǎn)的CMOS VGA圖像傳感器。該傳感器體積小、工作電壓低，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過SCCB總線控制，可以整幀、子采樣、取窗口等方式輸出各種分辨率為8位影像數(shù)據(jù)。該產(chǎn)品采集VGA圖像最高達(dá)到30幀/s。用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式。

ALIENTEK OV7670攝像頭模塊通過FIFO讀取，用于暫存圖像數(shù)據(jù)，且便于獲取圖像數(shù)據(jù)，而不再需要單片機(jī)具有高速I/O，也不會耗費(fèi)多少CPU。攝像頭模塊存儲圖像數(shù)據(jù)的過程為：等待OV7670同步信號，F(xiàn)IFO寫指針復(fù)位，F(xiàn)IFO寫使能，等待第二個OV7670同步信號，F(xiàn)IFO寫禁止。通過以上5個步驟，即可完成1幀圖像數(shù)據(jù)的存儲。在存儲完一幀圖像以后開始讀取圖像數(shù)據(jù)。讀取過程為：FIFO讀指針復(fù)位給FIFO讀時鐘（FIFO_RCLK）讀取第一個像素高字節(jié)，給FIFO讀時鐘，讀取第一個像素低字節(jié)，給FIFO讀時鐘，讀取第二個像素高字節(jié)，循環(huán)讀取剩余像素，結(jié)束。把這些數(shù)據(jù)寫入LCD模塊，就可以看到攝像頭捕捉到的畫面了[2]。

OV7670的功能框圖如圖2所示。

圖2 OV7670的功能框圖

2.4 數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集模塊主要包括輸入通道、I/O接口、計(jì)數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換器。此系統(tǒng)的所有信號采集都基于現(xiàn)有的車載傳感器。信號采集可分為3類：模擬量、開關(guān)量、瞬間量。模擬量主要指車內(nèi)溫度、濕度等。開關(guān)量主要包括駕駛員信息、制動器、指示燈、車門、壓力制動和手制動，所有的開關(guān)量經(jīng)光耦合隔離。瞬間量包括速度、里程、駕車時間及汽車行駛狀態(tài)記錄和周邊壞境監(jiān)控等?？紤]到車內(nèi)有許多干擾源，該系統(tǒng)進(jìn)行了駕駛室信號和采集通道信號的光學(xué)隔離和信號調(diào)節(jié)。信號設(shè)置成開關(guān)值，以便于這些狀態(tài)變量可以直接作為處理器的輸入。

溫濕度數(shù)據(jù)采集由傳感器DHT11完成。數(shù)據(jù)采用校驗(yàn)和方式進(jìn)行校驗(yàn)，有效地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏?zhǔn)確性。每隔100 ms左右讀取一次數(shù)據(jù)，并把溫濕度顯示在LCD上。里程和速度數(shù)據(jù)采集通過一款高性能GPS定位模塊ATK-NEO-6M完成。該模塊自帶可充電后備電池，在主電源斷電后，可以維持半小時左右的GPS數(shù)據(jù)接收和保存。

2.5 信息存儲

根據(jù)國家相關(guān)機(jī)構(gòu)的標(biāo)準(zhǔn)，車輛行駛數(shù)據(jù)記錄儀存儲的數(shù)據(jù)應(yīng)該包括兩部分：一是汽車的實(shí)時數(shù)據(jù)，要求提供事故前后20 s的數(shù)據(jù)。二是汽車的歷史數(shù)據(jù)，應(yīng)該包括車輛和駕駛員360小時內(nèi)的行駛狀態(tài)。車輛實(shí)時數(shù)據(jù)存儲要求嚴(yán)格，其存儲不但要求高實(shí)時還應(yīng)該是安全的，掉電后存儲的數(shù)據(jù)不丟失。因此這個系統(tǒng)選擇SRAM作為數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)。SRAM速度快而且可多次復(fù)寫，掉電以后仍可以存儲數(shù)據(jù)，具備了Flash和EEPROM的優(yōu)點(diǎn)，此外SRAM有充電電容，它不僅僅可以簡化系統(tǒng)電路，而且成本低，可以提高系統(tǒng)可靠性，非常適合這個系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用SD卡作為外部存儲器，它不僅容量大（32 GB以上），而且編程簡單、支持 SPI接口、方便移動，并且可保證信息存儲的永久性和可靠性[4]。

2.6 人機(jī)交互

本系統(tǒng)通過液晶顯示器顯示行車參數(shù)，例如瞬時速度、每分鐘速度、每十分鐘的速度、時間、日期、車內(nèi)溫濕度和總的行駛里程。還通過液晶實(shí)現(xiàn)觸摸屏鍵盤輸入法用來采集駕駛員信息。為了方便用戶查閱不同的內(nèi)容和輸入相應(yīng)駕駛員信息，系統(tǒng)設(shè)置了主菜單，菜單單項(xiàng)有已存數(shù)據(jù)、圖片記錄、GPS、USB連接、開始記錄、系統(tǒng)設(shè)置、照相機(jī)、時鐘、輸入信息[5-6]。

3 軟件結(jié)構(gòu)

軟件設(shè)計(jì)采用μC/OS-II操作系統(tǒng)。因?yàn)棣藽/OS-II有開源代碼、代碼簡短、條理清晰、實(shí)時性及安全性能很高的優(yōu)點(diǎn)。車輛行駛數(shù)據(jù)記錄儀的軟件主要功能是完成實(shí)時監(jiān)測和車輛行駛狀態(tài)記錄。此系統(tǒng)中有監(jiān)測記錄的主程序。主程序可以完成各個子系統(tǒng)的基本功能，甚至還包括數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、人機(jī)接口模塊。如圖3所示。

圖3 軟件架構(gòu)圖

此系統(tǒng)有兩種模式：記錄模式和通信模式。記錄模式是車輛行駛時，系統(tǒng)周期性地收集所有的狀態(tài)和當(dāng)前駕駛員的行車信息，例如速度、行駛時間、車內(nèi)溫濕度、行車周圍環(huán)境等。它將收集的數(shù)據(jù)以及日期和時間等參數(shù)存儲到數(shù)據(jù)存儲器中。通信模式是當(dāng)車輛停止時系統(tǒng)通過通信接口和PC機(jī)交換數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)可以上傳也可以下載。當(dāng)用USB進(jìn)行通信時，系統(tǒng)提供鍵盤選擇相應(yīng)的操作。當(dāng)用RS232進(jìn)行通信時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟倏赜蒔C機(jī)完成，一些很強(qiáng)的實(shí)時工作如時間校準(zhǔn)也由PC完成。

系統(tǒng)工作流程如下：

（1）上電后初始化自檢；

（2）駕駛員認(rèn)證；

（3）LCD 界面展示；

（4）當(dāng)車輛行駛時，采集、分析、存儲、顯示所有的信號。

4 調(diào)試及現(xiàn)象

該系統(tǒng)總體由STM32開發(fā)板及外設(shè)模塊、GPS模塊、射頻識別模塊、攝像頭模塊、溫濕度模塊構(gòu)成。

該系統(tǒng)人機(jī)交互界面的主頁面設(shè)計(jì)由μC/OS-II操作系統(tǒng)完成，主頁面主菜單項(xiàng)包括：已存數(shù)據(jù)、圖片記錄、GPS、USB連接、開始記錄、系統(tǒng)設(shè)置、照相機(jī)、時鐘、輸入信息。

該系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù)，例如駕駛員信息、汽車駕駛時間、車內(nèi)溫濕度、汽車行駛速度等參數(shù)，均可在屏幕上實(shí)時閱覽及存儲到SD卡上供事后查詢。

此系統(tǒng)中漢字輸入采用T9輸入法。該系統(tǒng)通過一個和數(shù)字串對應(yīng)的拼音索引表來實(shí)現(xiàn)T9拼音輸入，只需要將輸入的數(shù)字串與索引表里所有成員進(jìn)行對比，將所有完全匹配的情況記錄下來，用戶要輸入的漢字就被確定了，然后由用戶選擇可能的拼音組成（假設(shè)有多個匹配的項(xiàng)目），再選擇對應(yīng)的漢字，即完成一次漢字輸入。

5 結(jié)論

RFID是一個嵌入式系統(tǒng)，此系統(tǒng)使用高性能的ARM?CortexTM-M3 32位的RISC內(nèi)核，采用μC/OS-II操作系統(tǒng)。RFID是一種新的自動化識別技術(shù)。因?yàn)樗亩囗?xiàng)優(yōu)點(diǎn)，如遠(yuǎn)程識別、存儲和攜帶更多信息、更快的閱讀速度、廣泛應(yīng)用等，從而被廣泛地推廣應(yīng)用。系統(tǒng)中攝像頭模塊的應(yīng)用可以讓駕駛員在車內(nèi)隨時觀察車周圍情況以便調(diào)整駕駛速度、方向。這不僅能保障駕駛員安全，還可以有效制止現(xiàn)如今社會關(guān)注的“碰瓷”問題，保障駕駛員利益。

[1]葉里莎.RFID 技術(shù)的應(yīng)用[J].通信技術(shù)，2007，40（12）：267-271.

[2]劉軍.例說 STM32[M].北京：北京航天航空大學(xué)出版社，2011.

[3]趙斌，張紅雨.RFID技術(shù)的應(yīng)用及發(fā)展[J].電子設(shè)計(jì)工程，2010，18（10）：123-126.

[4]廖義奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M].北京：中國電力出版社，2012.

[5]王曉薇.嵌入式操作系統(tǒng) μC/OS—II及應(yīng)用開發(fā)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2012.