车祸自动定位报警系统的设计与实现

摘要：设计了一种车祸自动定位报警系统，应用了MEMS、GPS和GSM等技术。由于车祸发生的瞬间，车体加速度非常大，远超过紧急刹车时的加速度，故可用加速度的大小作为车祸发生的判断依据。使用MEMS加速度传感器采集信号，经CPU处理后，如果加速度值超出保护值，立刻通过GSM平台将GPS检测到的经、纬度及相关信息发送到相关部门，救援人员能迅速赶到现场进行急救。此设计提供了一种在特殊情况下能更好更及时地保护人民生命财产的新途径。
关键词：MEMS加速度传感器；GPS定位系统；GSM通信技术；报警

    在汽车发生意外碰撞时最大限度地确保驾驶员和乘客的安全，是汽车工业追求的目标之一。据我国卫生部的统计数据表明，在1 000例交通事故伤者中，只有14．3％的伤者能及时乘坐救护车到达医院。道路交通事故表明，如果在交通事故发生5 min内采用应急救援措施，30 mm内采用急诊，至少可以使18％～25％的重伤者免于死亡；另外，在我国车祸死亡中大约40％的伤者是当场死亡，其余60％是死于医院或送往医院途中，其中30％的伤者是因为抢救不及时而死亡。随着汽车安全研究的深入，采用日趋完善的汽车碰撞保护系统(如气囊等)可以有效地降低车祸死亡率，同时也有诸多弊端(如不能及时报警等待救援等)。本设计可以在车祸发生后自动拨打紧急电话，告知相关部门车祸发生的精确位置、时间，使其在第一时间派出救援队，给援救伤员争取更多时间，挽救更多的生命。

1 系统原理及结构框架
    西方交通管理部门为了交通安全，特制定了死亡加速度500 g(g=10N／kg)这一数值，以醒世人。意思是如果行车加速度超过此值，将有生命危险，那么大的加速度，一般情况下紧急刹车是难以达到的，只有在发生猛烈撞击后才会达到该数值。车辆碰撞的时间非常短，大多为毫秒级，而Atmega128单片机的处理速度是微秒级，甚至有更高级的芯片处理速度能达到纳秒级，足以计算出撞车时的加速度。例如，两辆摩托车时速20 km(5．6 m／s)，相向而行发生碰撞，碰撞时间为毫秒级，按0．001 s来计算，这样短的时间内，产生的加速度为a1=V／t=5．6／0．001=560 g，如果是紧急刹车，从刹车开始到最终停止，时间按1 s来计算，产生加速度为a2=V／t=5．6／1=0．56 g，可见碰撞产生的加速度非常之大，证实了用检测加速度的方法来判断是否发生车祸是可行的。
    本设计采用Atmega128单片机作为整个系统的中央处理器，与MEMS加速度传感器、GPs定位模块、GSM通信模块相连。
    一旦MEMS加速度传感器检测到有加速度变化，Atmega128将对此数据进行分析处理，若判为发生车祸，则GSM模块以发短信或打电话的形式将GPS接收到的定位信息传递给有关部门，使其迅速派出急救队进行救援工作；反之，系统自动复位，循环检测。系统结构框图如图1所示。

2 主要硬件模块
2．1 MEMS加速度传感器模块
    加速度传感器是一种能够测量加速力的电子设备，有角加速度计和线加速度计两种型号。本系统采用的MEMS加速度传感器型号是ADX L202JE，此传感器在同一硅片中刻蚀了一个多晶硅表面微机械传感器，并集成了一套精密的信息处理电路，如图2所示。

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    传感器主要是由一个利用表面微机械加工的多晶硅机构和一个差动电容器组成。在加速度的作用下，多晶硅结构会产生偏移使电容值发生变化。在信号处理电路中，差动电容器的变化信号由调制器解调后通过一个RC滤波器(由内部RFx和外部CFx，RFx构成)送到占空比调制器中，由调制器转换为占空比和加速度成正比的方波，方波的周期(T2)可以通过Rs确定。这个方波可以直接送到单片机进行处理，通过使用计数器测量方波周期T2以及脉的宽度T1(图3)，从而得到加速度的值。

    加速度：a=(T1／T2-Uog)／Ulg
    式中：T2由占外接电阻器Rs确定，其关系为T2=Rs／125MΩ；Uog为0g对应的占空比，其变形值是50％；Ulg表示lg加速度变化引起的占空比变化值，对于ADXL202JE，lg的典型值是12．5％。
2．2 GPS定位模块
    GPS(Global Positioning System)是当前应用最为广泛的卫星导航定位系统，使用方便、成本低廉。全球定位系统的主要特点有：全球性、全天候、连续性和实时性的导航、定位和定时功能。

    本模块使用SKYnav GB10，结构及其引脚如图4所示。该模块具有低功耗、抗干扰能力和抗遮挡能力强等特点，它具有12个数据并行接受通道，包括8个数据位、1个起始位、1个停止位、无校正位，输出电平为CMOS电平、电流为1mA。通信方式是采用异步串行通信，电路连接方法非常简便，只需将本模块的TXD0和RXD0引脚分别与单片机的RXD0和TXD0引脚相连，即可进行数据传输，默认的通信速率是4 800 b／s，接受频率为1 575．42±1．0MHz。
2．3 GSM通信模块
    TC35是Siemens公司推出的新一代无线通信GSM模块，可以快速安全可靠地实现系统方案中的数据、语音传输、短消息服务(Short Message Service)和传真。模块的工作电压为3．3～5．5 V，可以工作在900 MHz和1 800 MHz两个频段，所在频段功耗分别为2 W(900 M)和1 W(1 800 M)。此外，该模块还具有电话簿功能、多方通话，漫游检测功能，常用工作模式有省电模式、IDLE、TALK等模式。通过独特的40引脚的ZIF连接器，实现电源连接、指令、数据、语音信号、及控制信号的双向传输。
    TC35i有40个引脚，1～14引脚为电源部分，其中1～5引脚为电源电压输入端VBATT+，6～10引脚为电源地GND，11～12引脚为充电端，13引脚为对外输出电压(供外部电路使用)，24～29引脚为SIM卡连接端；33～40引脚为语音接口用来接电话手柄。15、30、31和32引脚为控制部分，15引脚为启动线IGT(Ignition)。当TC35通电后必须给IGT一个大于100 mV的低电平，模块才能启动。30引脚为RTC BACK UP；31引脚为掉电控制：32引脚为SYNC，16～23引脚为数据输入／输出端。
    在这里，着重介绍下SYNC引脚，因为该引脚可以很好地反映TC35的工作状态。SYNC引脚可以用来输出一个同步信号(synchronization sign-al)，也可以在应用时控制一个LED灯的输出状态。SYNC端通过一个三极管或门电路来控制LED。SYNC端通过一电阻接到NPN三极管(如9013)的基极，射极直接接地，集电极通过一个接限流电阻接到LED的负端，LED的正端接VCC。LED的工作模式完全类似于同步信号，显示的是TC35i的工作状态：LED灯灭，表示TC35i电源关闭，处于休眠、报警或单纯的充电模式；600ms亮／600ms灭，表示未插入SIM卡，或者个人身份未登记／已注销，或者网络正在搜寻中，或者正在进行管理人员身份鉴定，或者网络注册正在进行中；75 ms亮／3 s灭，表示网络注册成功(控制通道和管理人员交换信息完成)，无来电；LED灯亮，依据不同的呼叫类型，有声音呼叫，数据呼叫，在建立或者完毕等状态。 [p]
    TC35模块发送短信常用Text和PDU(Protocol Data Unit，协议数据单元)模式。使用Text模式收发短信代码简单，实现起来十分容易，但最大的缺点是不能收发中文短信；而PDU模式不仅支持中文短信，也能发送英文短信。
    下面是Text发送短信案例：
    1)设置短消息中心
    at+csca=“+813800731500”(短信中心)；
    2)设置短信发送格式
    at+cmgf=1(1-Text；0-PDU)；
    3)发送短消息(短信内容为“Test”)
    at+cmgs=“目地号码”<cr>
    >Test^z；
    4)获取短信内容(Once more)，假定Index=8
    at+cmgr=8
    返回信息如下：
    +CMGR：“RECREAD”，“+8613225 168879”，“10／03／15,22：45：25+32”
    Ni hao!
    OK

3 系统软件设计
    中央处理器与各模块之间通过UART进行信息数据传输，传输波特率为9 600 b／s，数据格式位为8位数据位，1位停止位，无奇偶校验。软件使用C语言编写，C语言可读性好，便于移植和管理。软件流程图如图5所示。

4 结束语
    本文设计了一种车祸自动定位报警系统．实现了加速度的实时判定、经纬度的实时显示及自动发送信息的功能。借助于GPS全球定位系统和GSM通信技术提供的完善的数据通信平台，达到了自动定位报警的目地，大大地减少了由于救援不及时造成的死亡。