無(wú)線射頻的交通事故現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)

查品先 朱蘇磊

摘要： 針對(duì)交通事故現(xiàn)場(chǎng)的再次碰撞會(huì)加大事故的嚴(yán)重性問(wèn)題，提出了一種基于nRF24L01模塊的交通事故現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警系統(tǒng).當(dāng)車(chē)輛發(fā)生交通事故，nRF24L01模塊將不斷地向過(guò)往車(chē)輛發(fā)送無(wú)線信號(hào).過(guò)往車(chē)輛接收端接收到信號(hào)后，STM32F429主控芯片控制音頻編解碼器播放語(yǔ)音，提醒司機(jī)減速慢行.與傳統(tǒng)的nRF24L01模塊相比，經(jīng)過(guò)RFX2401C放大的無(wú)線信號(hào)傳輸距離更遠(yuǎn).與燈光和廣播信號(hào)相比，無(wú)線信號(hào)穿透性強(qiáng)，抗干擾能力強(qiáng).實(shí)驗(yàn)證明，系統(tǒng)能達(dá)到遠(yuǎn)程提醒，防止再次碰撞的效果.

關(guān)鍵詞：

無(wú)線射頻通信； STM32F429； RFX2401C； 交通事故報(bào)警

中圖分類號(hào)： TN 92文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A文章編號(hào)： 10005137（2018）02023705

Design of traffic accident scene alarm system based on radio frequency

Zha Pinxian， Zhu Sulei*

（The College of Information，Mechanical and Electrical Engineering，Shanghai Normal University，Shanghai 200234，China）

Abstract：

In view of the increased seriousness of the accident caused by another collision on the scene of traffic accident，a traffic accident scene alarm system based on nRF24L01 is proposed.When a vehicle traffic accident occurs，the nRF24L01 module will keep sending wireless signals to the passing vehicles.After the passing vehicles receive the signals，audio codecs controlled by the STM32F429 master play the voice，and remind the drivers to slow down.Compared with the traditional nRF24L01 module，the transmission distance of the wireless signal amplified by RFX2401C can be farther.Compared with the signal of by light or broadcast，the wireless signal has strong penetration and strong antiinterference ability.Experiments show that the system can achieve long distance reminder to prevent another collision.

Key words：

wireless RF communication； STM32F429； RFX2401C； traffic accident alarm

收稿日期： 20171211

作者簡(jiǎn)介： 查品先（1993-），男，碩士研究生，主要從事嵌入式方面的研究.Email：xian_zp@163.com

導(dǎo)師簡(jiǎn)介： 朱蘇磊（1975-），女，副教授，主要從事圖像處理、嵌入式等方面的研究.Email：suleizhu@163.com

*通信作者

引用格式： 查品先，朱蘇磊.無(wú)線射頻的交通事故現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].上海師范大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2018，47（2）：237-241.

Citation format： Zha P X，Zhu S L.Design of traffic accident scene alarm system based on nRF24L01 [J].Journal of Shanghai Normal University （Natural Sciences），2018，47（2）：237-241.

隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，車(chē)輛的數(shù)量日益增多，這給交通系統(tǒng)帶來(lái)了極大的挑戰(zhàn).據(jù)調(diào)查顯示在1 000例交通致死事故中，40%的受害人當(dāng)場(chǎng)死亡，而60%的受害人由于救援不及時(shí)，在送往醫(yī)院的途中或到達(dá)醫(yī)院后死亡[1].所以，交通事故發(fā)生后，及時(shí)報(bào)警并且快速救援是降低損失的關(guān)鍵.在交通事故報(bào)警系統(tǒng)中，不但要及時(shí)通知有關(guān)部門(mén)和聯(lián)系家屬，以便救援工作的展開(kāi)，還要及時(shí)通知過(guò)往車(chē)輛，提醒它們減速慢行，避免再次碰撞，以減少不必要的損失，同時(shí)保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)[2].

本文作者設(shè)計(jì)了基于STM32F429主控芯片和nRF24L01無(wú)線通信模塊以及語(yǔ)音播報(bào)模塊的交通事故現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警系統(tǒng).傳統(tǒng)方法通過(guò)燈光[3]，或者車(chē)載廣播[4]提醒過(guò)往車(chē)輛，易受到路況和環(huán)境的限制.與之相對(duì)比，通過(guò)無(wú)線射頻通信，對(duì)過(guò)往車(chē)輛進(jìn)行遠(yuǎn)距離提示，具有較強(qiáng)的抗干擾能力，較高傳輸速率等優(yōu)點(diǎn).

1模型參數(shù)

交通事故現(xiàn)場(chǎng)報(bào)警系統(tǒng)主要由四部分組成：STM32F429主控模塊，交通事故檢測(cè)部分，nRF24L01無(wú)線通信模塊和語(yǔ)音播報(bào)模塊.STM32F429作為主控芯片，主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)各模塊之間的工作.交通事故檢測(cè)模塊為加速度傳感器，主要負(fù)責(zé)檢測(cè)交通事故是否發(fā)生.nRF24L01無(wú)線通信模塊主要是實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信，提示過(guò)往車(chē)輛減速慢行.語(yǔ)音播報(bào)模塊主要是負(fù)責(zé)播放語(yǔ)音，及時(shí)提醒司機(jī)，減少司機(jī)反應(yīng)時(shí)間.由于每輛車(chē)都有可能是事故車(chē)輛或過(guò)往車(chē)輛，故每輛車(chē)上裝載同樣的系統(tǒng).

一般情況下，駕駛員的一次制動(dòng)操作可分為4個(gè)階段：駕駛員的反應(yīng)時(shí)間t1、制動(dòng)協(xié)調(diào)時(shí)間t2、減速度增長(zhǎng)時(shí)間t3和持續(xù)制動(dòng)時(shí)間t4.

反應(yīng)時(shí)間t1時(shí)間內(nèi)，車(chē)以初速度v0行駛，行駛距離

為避免事故，安全距離S大于s1，s2，s3，s4之和.參照文獻(xiàn)[5]，選取t1=1.5 s，t2=0.16 s，t3=0.2 s，為適應(yīng)所有情況，v0取行駛允許最大速度120 km/h，v2取0 km/h.不同路面的制動(dòng)減速度不同，制動(dòng)距離也不同，如表1所示.

2系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1主控單元及通信方式

控制器采用STM32F429開(kāi)發(fā)板作為主控制器，其板載資源豐富，比如MPU9250九軸傳感器（陀螺儀+加速度+磁力計(jì)）、音頻編解碼芯片WM8978等，以及RS232接口（可連接全球移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM模塊）、WIRELESS模塊接口（可連接nRF24L01無(wú)線射頻模塊）等.

在發(fā)生交通事故時(shí)，車(chē)輛的加速度會(huì)瞬間增大，超過(guò)一定閾值，就判定為交通事故發(fā)生.根據(jù)車(chē)輛的正常行駛速度和發(fā)生交通事故車(chē)輛形變所需要的時(shí)間，計(jì)算出一個(gè)參考加速度，以此設(shè)定閾值[6].

加速度傳感器采用MPU9250芯片，采用I2C通信方式與主控單元進(jìn)行通信.主控芯片的PH4和PH5管腳與MPU9250的SCL和SDA管腳相連，MPU9250的AD0管腳連接GND，使得MPU9250的器件地址為0x68.

無(wú)線射頻模塊與主控單元間采用SPI通信方式.nRF24L01的片選信號(hào) CSN 與 STM32F429的 PG10相連，芯片工作模式控制信號(hào) CE 與 PG12 連接，當(dāng) CSN 為低電平時(shí)，芯片工作，CE 配合 NRF24L01 的 CONFIG 寄存器共同決定nRF24L01 的狀態(tài)[7].中斷信號(hào) IRQ 與 PI11 連接，當(dāng)芯片接收到信息，信息發(fā)送完成收到自動(dòng)應(yīng)答（ACK）或達(dá)到最大重發(fā)次數(shù)時(shí)，該位產(chǎn)生低電平，發(fā)出中斷信號(hào).SCK、MISO、MOSI 與 STM32F429 的 SPI2（PB13、PB14、PB15）相連，高速傳輸收發(fā)信息.

音頻編解碼器采用WM8978芯片，通過(guò)I2S接口與主控芯片連接.WM8978的I2S接口由ADCDAT（ADC數(shù)據(jù)輸出）、DACDAT（DAC數(shù)據(jù)輸入）、LRC（數(shù)據(jù)左/右對(duì)齊）和BCLK（位時(shí)鐘，用于同步）4個(gè)引腳組成.LOUT2和ROUT2管腳連接喇叭.WM8978的地址固定為0x1A.

2.2無(wú)線射頻模塊

無(wú)線射頻技術(shù)（RFID）是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù).射頻卡按供電方式可分為有源卡和無(wú)源卡，兩者區(qū)別在于卡內(nèi)有無(wú)電池提供電源.無(wú)源射頻卡識(shí)別距離比較近，一般在10 m以內(nèi)；有源卡識(shí)別距離相對(duì)較遠(yuǎn)，一般可達(dá)到50 m.但是由表1可知，50 m的制動(dòng)距離對(duì)于車(chē)禍?zhǔn)鹿尸F(xiàn)場(chǎng)報(bào)警來(lái)說(shuō)，是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠的.

本設(shè)計(jì)采用成都澤耀科技有限公司的AS01ML01DP5模塊，模塊采用NORDIC原裝nRF24L01P射頻芯片與功率放大器RFX2401C功放芯片[7].RFX2401X是一款高性能的射頻前端集成電路，配有高功率放大器（PA）、低噪聲放大器（LNA），帶有金屬屏蔽罩，抗干擾性能強(qiáng)，理論通信距離可達(dá)2 000 m.

RFX工作模式由5腳TXEN和6腳RXEN進(jìn)行控制，當(dāng)TXEN為高電平時(shí)，RXEN不論高低電平，RFX都處于發(fā)送模式；當(dāng)TXEN為低電平，RXEN為高電平時(shí)，RFX處于接收模式；當(dāng)TXEN和 RXEN都為低電平時(shí)，RFX處于休眠模式.

nRF24L01模塊有多種工作模式可供選擇，本設(shè)計(jì)選擇透明廣播模式.透明廣播模式是指多個(gè)地址、信道、空中速率相同的模塊，任意一個(gè)模塊發(fā)送，其余模塊都可接收.每個(gè)模塊可以是發(fā)送方，又可以是接收方，模塊間采用透?jìng)髂Ｊ?

3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)加速度傳感器的返回值判斷交通事故是否發(fā)生，當(dāng)加速度瞬間增大，超過(guò)閾值，主控單元接收到傳感器的返回值，判斷車(chē)輛發(fā)生交通事故，控制無(wú)線射頻模塊發(fā)出信號(hào)[8].

車(chē)輛啟動(dòng)時(shí)，開(kāi)啟系統(tǒng)并初始化.車(chē)輛正常運(yùn)行過(guò)程中，主控單元配置nRF24L01模塊成RX_Mode時(shí)刻準(zhǔn)備接收信號(hào).當(dāng)模塊接收到信號(hào)傳遞給主控單元時(shí)，主控單元解析確認(rèn)，音頻編解碼器驅(qū)動(dòng)喇叭播放語(yǔ)音，減少司機(jī)反應(yīng)時(shí)間t1.直至司機(jī)手動(dòng)關(guān)閉，或者駛離有效區(qū)域，喇叭停止播放語(yǔ)音；當(dāng)車(chē)輛狀態(tài)檢測(cè)傳感器檢測(cè)到本車(chē)發(fā)生交通事故，反饋給主控單元，主控單元將nRF24L01模塊設(shè)置為T(mén)X_Mode狀態(tài)，循環(huán)發(fā)送一段指定的指令，直到交通事故解決，車(chē)輛準(zhǔn)備離開(kāi)，主控單元將nRF24L01模塊設(shè)置為RX_Mode狀態(tài)，時(shí)刻準(zhǔn)備接收信號(hào).信息采集部分流程圖如圖1所示，系統(tǒng)軟件流程圖如圖2所示.

4實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在文獻(xiàn)[8]中，未加RFX2401C功放芯片的對(duì)講機(jī)，分別于銀行營(yíng)業(yè)大廳及350 m2左右的寫(xiě)字樓進(jìn)行實(shí)驗(yàn).實(shí)驗(yàn)結(jié)果為：如果通信距離分別大于34和31 m，則通信質(zhì)量難以保證.

本系統(tǒng)旨在擴(kuò)大射頻通信的距離，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信.采取兩個(gè)開(kāi)發(fā)板進(jìn)行測(cè)試，實(shí)測(cè)通信距離在800 m左右.最后，分別在200、500和800 m處進(jìn)行通信，檢測(cè)接收數(shù)據(jù)是否完整，是否能接收到全部數(shù)據(jù)包，據(jù)此評(píng)價(jià)通信質(zhì)量.實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2所示.

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，RFX2401C功放芯片的加入，使無(wú)線射頻通信距離能夠增加十幾倍，且通信質(zhì)量良好.500 m的制動(dòng)距離足以提醒駕駛員注意行車(chē)安全，減速慢行，避免二次碰撞帶來(lái)的不必要損失.

5結(jié)論

本系統(tǒng)將STM32F429開(kāi)發(fā)板和nFR24L01無(wú)線射頻發(fā)射模塊結(jié)合起來(lái)，由于采用RFX2401C功放芯片，射頻信號(hào)的傳輸距離從30 m擴(kuò)大到500 m，從而達(dá)到交通事故遠(yuǎn)距離報(bào)警的標(biāo)準(zhǔn).該車(chē)載系統(tǒng)在車(chē)輛發(fā)生交通事故時(shí)，循環(huán)發(fā)送指令.過(guò)往車(chē)輛接收到信號(hào)，車(chē)載系統(tǒng)采用語(yǔ)音播放的方式，直接、高效地提醒司機(jī)注意行車(chē)安全.該系統(tǒng)擴(kuò)展性較強(qiáng)，后期可以從功能性角度拓展應(yīng)用.

參考文獻(xiàn)：

[1]張樹(shù)玲.大型物流車(chē)輛車(chē)禍自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [J].物流技術(shù)，2014，33（2）：343-345，376.

Zhang S L.Design and realization of traffic accident automatic alarming system for large logistics vehicles [J].Logistics Technology，2014，33（2）：343-345，376.

[2]Xu J P，Zhang T J，Wan J N，et al.The research of highway traffic accident management and prealarm system [C].Intelligent Information，Control，and Communication Technology for Agricultural Engineering.Sanya：SPIE，2013.

[3]李衛(wèi)紅.一種高速公路車(chē)禍報(bào)警裝置：CN104680806A [P].20150603.

Li W H.Expressway car accident warning device：CN104680806A [P].20150603.

[4]周曉蓉，盛家興，應(yīng)何杰，等.一種基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的化學(xué)貨物運(yùn)輸車(chē)禍報(bào)警系統(tǒng)：CN104036616A [P].20140910.

Zhou X R，Sheng J X，Ying H J，et al.Chemical goods transportation car accident alarming system based on technology of internet of things：CN104036616A [P].20140910.

[5]盧文玉，毛建國(guó)，李忠，等.車(chē)輛高速駕駛臨界安全距離 [J].重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)），2010，24（9）：13-18.

Lu W Y，Mao J G，Li Z，et al.Study on critical safety distance among high speed moving vehicles [J].Journal of Chongqing Institute of Technology （Natural Science），2010，24（9）：13-18.

[6]陳輝煌.基于nRF24L01家居無(wú)線溫濕度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì) [J].價(jià)值工程，2017，36（6）：88-90.

Chen H H.Design of household wireless temperature and humidity monitoring system based on nRF24L01 [J].Value Engineering，2017，36（6）：88-90.

[7]MorenoRabel M D，F(xiàn)ernándezMunoz J A.An access detection and machine cycle tracking system for machine safety [J].The International Journal of Advanced Manufacturing Technology，2016，87（1/4）：77-101.

[8]許凌.2.4G數(shù)字無(wú)線對(duì)講系統(tǒng)中語(yǔ)音處理技術(shù)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn) [D].泉州：華僑大學(xué)，2014.

Xu L.Design and implementation of speech processing techniques in 2.4G digital wireless intercom system [D].Quanzhou：Huaqiao University，2014.

（責(zé)任編輯：包震宇，郁慧）