高速路預(yù)防二次事故發(fā)生系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張慧穎，陳佰權(quán)

(1.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；2.中核檢修有限公司，浙江 臺(tái)州 317100)

0 引 言

隨著車輛的日益增多，由于駕車者對(duì)道路事故處置經(jīng)驗(yàn)不足、事故檢測(cè)設(shè)施缺乏、救援不及時(shí)等原因，目前我國(guó)道路交通事故死亡人數(shù)居世界第一，而且交通事故居高不下，全國(guó)道路交通安全形勢(shì)嚴(yán)峻。全國(guó)平均每天發(fā)生大小交通事故577起，每年的交通事故數(shù)量在25萬起左右，更是給國(guó)家?guī)砹?0億元左右的損失，無數(shù)的家庭受毀于交通事故[1-2]，其中有高于20%的交通事故屬于“二次事故”。因?yàn)楦咚俟肥歉咧笜?biāo)線形的全封閉道路，當(dāng)車輛在車道上發(fā)生故障或者發(fā)生一次事故后，沒有及時(shí)放置安全警示標(biāo)識(shí)，司機(jī)通常對(duì)側(cè)向以及前方的突發(fā)障礙預(yù)計(jì)不足而且沒能及時(shí)發(fā)現(xiàn)前方事故，后方車輛由于車速過快導(dǎo)致了剎車不及時(shí)與前面車輛相撞發(fā)生了二次事故[3-5]。本文研發(fā)了一套高速路預(yù)防二次事故的裝置。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)建立后，事故發(fā)生時(shí)，后續(xù)的車輛能夠提前預(yù)知前方道路狀況，及時(shí)減速行駛或采取緊急行動(dòng)，從而避免二次事故的發(fā)生，為高速行駛的車輛提供一定的安全保障。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)以STM32單片機(jī)為核心，分為事故檢測(cè)裝置和警示燈報(bào)警裝置。事故檢測(cè)裝置被固定在車輛內(nèi)部(駕駛員可以接觸到的位置，且不妨礙駕駛)，警示燈報(bào)警裝置放置在高速路中央的隔離帶上，每隔50 m放置1個(gè)。硬件設(shè)計(jì)采用模塊化方案，將各個(gè)模塊進(jìn)行有機(jī)的整合[6-8]，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

(a)事故檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)框圖

事故檢測(cè)裝置放置在汽車內(nèi)，該裝置通過GPS模塊檢測(cè)高速路上車輛的速度，當(dāng)汽車車速為0時(shí)，該裝置就認(rèn)定汽車發(fā)生了事故或故障。同時(shí)將警報(bào)信息轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的命令通過433 MHz無線串口通信模塊傳輸?shù)礁浇木緹粞b置和其他車輛內(nèi)的事故檢測(cè)裝置，警示燈和其他車輛的事故檢測(cè)裝置就會(huì)做出反應(yīng)。

當(dāng)警示燈接收到事故檢測(cè)裝置發(fā)送來的事故位置信息后，MCU根據(jù)警示燈的位置和事故地點(diǎn)的位置，計(jì)算出兩者間的距離。當(dāng)該距離小于安全距離(300 m)時(shí)，警示燈就會(huì)閃爍，從而提醒后續(xù)車輛減速并慢行，很大程度避免二次事故的發(fā)生。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，事故檢測(cè)裝置以STM32F407VET6作為核心，而警示燈報(bào)警裝置則由STM32F103C8T6及相應(yīng)的外圍電路構(gòu)成。事故檢測(cè)裝置包括：STM32F4最小系統(tǒng)、GPS定位電路、語(yǔ)音報(bào)警電路、TFT屏顯電路、433 MHz無線通信電路、FLASH字庫(kù)存儲(chǔ)電路、獨(dú)立按鍵及電源電路。警示燈報(bào)警裝置包括：STM32F1最小系統(tǒng)、GPS定位電路、LED報(bào)警燈驅(qū)動(dòng)電路及太陽(yáng)能供電電路。

2.1 GPS定位電路設(shè)計(jì)

GPS接收機(jī)主要由GPS接收機(jī)天線單元、GPS接收機(jī)主機(jī)單元、電源三部分組成。當(dāng)GPS定位成功后，1引腳會(huì)不停的發(fā)出1個(gè)周期可調(diào)的脈沖波。事故檢測(cè)裝置的MCU通過串口3與GPS模塊通訊，進(jìn)行數(shù)據(jù)讀取，而警示燈報(bào)警裝置的MCU則通過串口2與GPS模塊進(jìn)行通信[9-10]。GPS定位電路如圖2所示。

(a)事故檢測(cè)裝置GPS模塊連接

(b)警示燈報(bào)警裝置GPS模塊連接

2.2 無線數(shù)據(jù)通信電路設(shè)計(jì)

采用433 MHz無線模塊完成設(shè)計(jì)，MD0和MD1為模式控制引腳(極弱上拉)。設(shè)計(jì)中采用該模塊的一般模式(MD0=0，MD1=0)，RXD為該模塊的TTL串口輸入端，應(yīng)連接到外部MCU的 TXD輸出引腳；TXD則為該模塊的TTL 串口輸出端，應(yīng)連接到外部 MCU的RXD 輸入引腳。AUX用于指示該模塊的工作狀態(tài)，可用于用戶喚醒外部 MCU[11]。該無線模塊與MCU的連接如圖3所示。

(a) 事故檢測(cè)裝置無線串口連接電路(b) 警示燈裝置無線串口連接電路

圖3 無線數(shù)據(jù)通信電路

2.3 按鍵電路及警示燈燈光報(bào)警設(shè)計(jì)

按鍵由6個(gè)普通按鍵(KEY1～KEY6)和一個(gè)鈕子開關(guān)(S1)組成。用戶可根據(jù)固定的按鍵來設(shè)置報(bào)警狀況。一、二級(jí)警報(bào)為紅色警報(bào)；三級(jí)警報(bào)為黃色警報(bào)。駕駛員注意到紅色警報(bào)需要立即將車速減到40 km/h以下。按鍵功能如下：KEY1。一級(jí)警報(bào)，發(fā)生嚴(yán)重交通事故，道路堵塞；KEY2。二級(jí)警報(bào)，有故障車輛停于道路中間，道路不通暢；KEY3。二級(jí)警報(bào)，有團(tuán)霧出現(xiàn)；KEY4。三級(jí)警報(bào)，提示應(yīng)急車道停有車輛；KEY5。確認(rèn)鍵，按下相應(yīng)的警報(bào)后需要再次按下確認(rèn)鍵，警報(bào)信息才能夠發(fā)送；KEY6。當(dāng)事故消除后，在警報(bào)地點(diǎn)附近可以按下此按鍵消除警報(bào)；S1。用于選擇事故檢測(cè)裝置的普通模式和高速駕駛模式(鈕子開關(guān)的2引腳與MCU的PC13相連，該引腳的模式為上拉輸入)。

2.4 警示燈裝置燈光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

當(dāng)警示燈報(bào)警裝置接收到警報(bào)信號(hào)時(shí)，且警報(bào)地點(diǎn)距離警示燈報(bào)警裝置小于300 m，警示燈就會(huì)閃爍(紅色警報(bào)兩路燈快閃，黃色警報(bào)一路燈慢閃)。設(shè)計(jì)中，LED采用并聯(lián)連接方式，該電路對(duì)電壓要求較小。報(bào)警燈電路如圖4所示。

圖4 警示燈裝置燈光報(bào)警電路

2.5 太陽(yáng)能充放電電路設(shè)計(jì)

為方便設(shè)備使用，警示燈報(bào)警裝置采用太陽(yáng)能供電方式。該供電系統(tǒng)由太陽(yáng)能電池板(12 V/5 W)、5 V穩(wěn)壓模塊(DC-DC)、鋰電池充放電模塊及3.7 V鋰電池組成。當(dāng)太陽(yáng)能板的輸出電壓在穩(wěn)壓模塊的輸入電壓范圍(5 ～18 V)內(nèi)時(shí)，穩(wěn)壓模塊輸出電壓會(huì)保持在5 V，電能就會(huì)通過鋰電池充放模塊傳遞給鋰電池和警示燈報(bào)警裝置，同時(shí)鋰電池也會(huì)給警示燈報(bào)警裝置提供電能[12]。電路圖如圖5所示。

圖5 警示燈太陽(yáng)能充放電電路

2.6 輔助電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用DC-5 V供電，單片機(jī)采用3 V直流電壓供電。設(shè)計(jì)中采用AMS1117完成3.3 V電源電路設(shè)計(jì)，采用JQ8400-FL語(yǔ)音模塊完成語(yǔ)音播報(bào)電路設(shè)計(jì)，通訊方式采用串口通信，芯片的RX和TX端口與接單片機(jī)串口3的TXD和RXD相接；SPK-和SPK+輸出口與揚(yáng)聲器的正、負(fù)輸入端相接。TFT屏顯方案采用STM32F4的FSMC總線對(duì)液晶屏進(jìn)行操作，通過這種方式可以有效提高顯示效率。液晶屏命令控制采用SPI通信方式，數(shù)據(jù)寬度為16 bit，字庫(kù)存儲(chǔ)電路采用W25Q16完成設(shè)計(jì)，通過MCU讀取TF內(nèi)的字庫(kù)并將這些字庫(kù)加載進(jìn)FLASH芯片中。該字庫(kù)是用上位機(jī)軟件在電腦上直接生成的文件，電路如圖6所示。

圖6 FLASH存儲(chǔ)電路

3 軟件程序設(shè)計(jì)

3.1 無線通信協(xié)議原理

為了便于系統(tǒng)間通信，仿照GPS導(dǎo)航設(shè)備統(tǒng)一的RTCM標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議建立了一套簡(jiǎn)易的通信協(xié)議[13]。具體格式如表1所示。

表1 高速公路警報(bào)標(biāo)準(zhǔn)通信協(xié)議表

通信協(xié)議采用ASCII碼定義通信語(yǔ)句。該協(xié)議語(yǔ)句的數(shù)據(jù)格式如下：“$”為語(yǔ)句起始標(biāo)志；“,”為域分隔符；“*”為每一段的結(jié)束標(biāo)志。通信實(shí)例如下：

“$HWWRES,1,2,* ”

(1)警報(bào)編號(hào)(6位數(shù)字)；

(2)警報(bào)等級(jí)(“111”一級(jí)警報(bào)，嚴(yán)重事故；“101”二級(jí)警報(bào)，有團(tuán)霧；“010”二級(jí)警報(bào)，中間車道停有故障車輛；“001”三級(jí)警報(bào)，應(yīng)急車道停有車輛)；

“$HWWADR,3,4,5,6,*”

(3)緯度數(shù)值(“0°～90°”小數(shù)點(diǎn)后保留4位)；

(4)南北緯(“N”北緯；“S”南緯)；

(5)經(jīng)度數(shù)值(“0°～180°”小數(shù)點(diǎn)后保留4位)；

(6)東西經(jīng)(“E”東經(jīng)；“W”西經(jīng))。

“$HWWCLE,7,*”

(7)警報(bào)編號(hào)(6位數(shù)字)，和1相同。

說明：只有事故檢測(cè)裝置在警報(bào)發(fā)生地點(diǎn)附近，警報(bào)解除命令才能發(fā)送成功。

3.2 事故檢測(cè)和警示燈裝置主程序設(shè)計(jì)

事故檢測(cè)裝置上電后，首先對(duì)串口、FLSH、LCD進(jìn)行初始化。其中無線模塊串口通訊的波特率為115 200，所以與之相連的串口1波特率也設(shè)置為115 200；GPS模塊的通訊波特率已經(jīng)通過上位機(jī)軟件u-center設(shè)置為38 400，所以與其相連的串口3波特率設(shè)置為38 400；語(yǔ)音播報(bào)芯片串口的波特率為9 600，則對(duì)應(yīng)的單片機(jī)的串口2的波特率設(shè)置為9 600。串口初始化完成后，將無線模塊設(shè)置為一般模式(MD0=0，MD1=0)。主程序流程如圖7所示。

3.3 GPS數(shù)據(jù)解析子程序

GPS數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在GPS_DAT數(shù)組變量中，該數(shù)據(jù)是從USARTx_RX_BUF中復(fù)制的字符串信息。子程序首先解析GPGSV，該信息中包含衛(wèi)星總數(shù)、衛(wèi)星編號(hào)、衛(wèi)星仰角、衛(wèi)星方位角以及衛(wèi)星信噪比等信息；接著解析GNGGA代碼段，包含衛(wèi)星定位狀態(tài)、用于定位的衛(wèi)星總數(shù)以及海拔高度等信息[14]。流程如圖8所示。

GNGGA代碼段解析完成后，然后對(duì)GNRMC代碼段進(jìn)行解析，這段代碼最為重要，包括：經(jīng)緯度、RTC日期；最后對(duì)GNVTG代碼段進(jìn)行解析，得到其中的地面速率。地面速率是用來判斷警報(bào)發(fā)生的最重要信息。在得到每個(gè)數(shù)據(jù)后，程序都將相應(yīng)的字符串?dāng)?shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為數(shù)值信息并保存在相應(yīng)的結(jié)構(gòu)體變量中，等待程序調(diào)用。

圖7 整體設(shè)計(jì)流程

圖8 GPS數(shù)據(jù)解析子程序流程圖

3.4 距離計(jì)算子程序

由于地球是不規(guī)則的橢球體，利用兩點(diǎn)經(jīng)緯度信息計(jì)算兩點(diǎn)的距離S(m)是系統(tǒng)難點(diǎn)。為提高計(jì)算的精度減小誤差，系統(tǒng)采用成熟計(jì)算方法。其中自身經(jīng)度緯度A_La、A_Lo都通過GPS模塊得到，而目標(biāo)的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)則通過無線模塊接收。緯度平均1°的長(zhǎng)度Lo_E的定義：每隔1°的維度線之間的平均距離，這個(gè)數(shù)值約為111 km。相同緯度所在位置1°徑向長(zhǎng)度La_E的定義：同一緯度上，每隔1°的經(jīng)線間的弧長(zhǎng)。這意味著不同緯度下La_E的大小是不同的[15]。這個(gè)數(shù)值通過查表可以得到，最后利用兩點(diǎn)的距離公式得到S(m)。流程如圖9所示。

圖9 距離計(jì)算子程序流程圖

4 系統(tǒng)功能測(cè)試

首先將指示燈裝置啟動(dòng)后放置在跑道內(nèi)側(cè)，然后將事故檢測(cè)裝置打開固定在自行車上。當(dāng)車輛速度保持在15 km/h，開啟高速路模式，待裝置定位成功后，無警報(bào)提示。當(dāng)車輛靜止后裝置開始提示是否有緊急情況發(fā)生，按照提示操作后，警示燈開始閃爍報(bào)警。表2中的S1指鈕子開關(guān)；KEY1～6指1～6號(hào)獨(dú)立按鍵。在靜態(tài)模擬測(cè)試模式下，實(shí)驗(yàn)結(jié)果見表2。

表2 模式切換測(cè)試表(事故檢測(cè)裝置和警示燈報(bào)警裝置處

經(jīng)過多次測(cè)試，系統(tǒng)功能能夠正常執(zhí)行,實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)基本能夠達(dá)到設(shè)計(jì)要求。為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，不僅除了進(jìn)行室內(nèi)調(diào)試，還進(jìn)行了室外實(shí)驗(yàn)。但是，由于場(chǎng)地及工具的限制，沒有進(jìn)行遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)測(cè)量及高速路上的實(shí)際應(yīng)用情況測(cè)試。事故檢測(cè)裝置和警示燈報(bào)警裝置實(shí)物如圖10所示。

(a) 事故檢測(cè)(b) 警示燈報(bào)警

圖10 裝置實(shí)物圖

對(duì)經(jīng)緯度距離計(jì)算精度多次測(cè)試，測(cè)量的兩點(diǎn)距離的最大誤差不超過4 m，完全符合設(shè)計(jì)要求；完成無線通信測(cè)試，系統(tǒng)丟包率小于1%,設(shè)計(jì)合理。

5 結(jié) 語(yǔ)

基于高速公路交通事故分析調(diào)查，總結(jié)出高速公路二次事故的誘因，提出二次事故的預(yù)防對(duì)策。采用STM32F4單片機(jī)作為事故檢測(cè)裝置的主控制芯片，采用STM32F1單片機(jī)作為警示燈報(bào)警裝置的主控芯片，結(jié)合GPS定位和無線傳輸技術(shù)完成系統(tǒng)的構(gòu)建。經(jīng)過現(xiàn)場(chǎng)模擬測(cè)試，對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行驗(yàn)證，系統(tǒng)各項(xiàng)指標(biāo)正常，設(shè)計(jì)合理，能夠有效對(duì)前方路況進(jìn)行預(yù)警，減少高速公路二次事故的發(fā)生。由于本系統(tǒng)完全自主設(shè)計(jì)，難免有所不足，很多功能在以后工作中加以完善。