基于GSM 的汽车事故求救系统设计

张艳奎，任丽莉，康 冰

(1.中国移动通信集团吉林有限公司通化市分公司全业务支撑中心，吉林通化135000;2.长春师范大学监控中心，长春130032;3.吉林大学通信工程学院，长春130022)

0 引言

随着经济的发展，我国的公路建设速度在不断加快，同时我国的机动车保有量也迅速增加，伴随着公路建设的加快和机动化程度的提高，严峻的交通安全问题随之出现，近年来，我国每年因交通伤害实际死亡人数平均在27.39万人以上［1］。全球范围内，每年因道路交通事故致死达127万人，每天因交通事故死亡3 000多人，受伤140 000人［2］。世界卫生组织(WHO:World Health Organization)预计，至2020年，公路交通伤害在全球疾病、伤害负担和伤残调整寿命原因中将升至第3位［3］。道路交通安全已成为一个严重的人类健康问题［4］。我国作为发展中国家，道路交通安全问题依然十分严峻［5］。特别是自2000年以来，道路交通伤害已成为我国各种伤害的死因第1位［6］。所以快速高效地实施事故后救援是尽量减少伤亡的最有效途径，如何在短时间内准确确定求救车辆的位置，并及时赶赴现场是救援面临的重大问题［7］。为了解决这一问题，笔者设计了基于嵌入式的汽车事故求救系统，并搭建了硬件平台进行实际模拟测试。

1 汽车意外求救系统的原理

图1 系统原理图Fig.1 System diagram

汽车意外求救系统的原理及工作方式基本分为4个步骤:1)购车后，输入车主信息(身份证号等)、车牌、车型，完成初始化;2)发生撞车事故或翻车事故时，三轴加速度传感器检测加速度，断定为交通事故，并记录车的姿态;3)GSM(Global System for Mobile Communications)模块向预先设定的接收号码(家属和呼救中心)发送短信，短信内容包括:车主信息、车牌、车型、事故地点、车速(GPS(Global Positioning System)模块可以检测)和车的姿态等;4)呼救中心或家属回电话，如无人接听，立刻开赴现场，展开救援。该系统原理如图1所示。

2 汽车意外求救系统硬件设计

该系统包括:中央处理器(用于控制小车前进，并处理各传感器传回的数据，进行相关的操作);三轴加速传感器实时检测汽车姿态;GPS模块对汽车进行定位;GSM模块负责通信;LCD(Liquid Crystal Display)－1206显示模块(显示各参数信息)。汽车意外求救系统的整体设计如图2所示。

图2 系统结构框图Fig.2 System structure diagram

2.1 控制单元

设计采用飞思卡尔MC9S12XS128单片机作为系统的主控芯片［8，9］。处理器通过三轴加速度传感器和GPS模块返回的数据采集车辆的实时信息，判断车辆是否发生了意外事故，并将反馈结果通过GSM模块传输到家属端或呼叫中心，以保证车主的安全。所以，处理器担负着收集信息和发送信息的重任，同时在笔者设计的模型中，它还要控制平台小车的运动。其最小系统电路图如图3所示。

图3 最小系统电路图Fig.3 Minimum system diagram

2.2 数据采集单元

设计通过加速度传感器确定车辆的姿态信息，加速度传感器是一种测量加速力的电子设备，加速力是物体在加速过程中作用在物体上的力，比如地球的引力，即所谓的重力;通过测量重力引起的加速度，可以计算设备相对于水平面的倾斜角度。

在三维空间中，利用加速度传感器与重力的关系，可以得到3个姿态角q，f，r(见图4)。其中q为x轴相对于地面的角度，f为y轴相对于地面的角度，r为z轴相对于重力的夹角［10］。

图4 加速度传感器的姿态测量原理Fig.4 Accelerometer attitude measurement principle diagram

由此可得

其中ax为重力在x轴方向产生的加速度，ay为重力在y轴方向产生的加速度，az为重力在z轴方向产生的加速度。

对于加速度传感器的选择，该设计选用InvenSense公司的MPU6050，是一款具有三轴方向的加速度传感器的集成芯片，能检测到x，y，z轴3个方向的加速度，通过检测静止时重力在各轴上分力的角度，可得到芯片的姿态角度，从而判断车辆是否翻车及翻车姿态。

设计通过GPS确定车辆的位置，使用GPS集成芯片内部集成，只需通过串口读取其内部打包好的数据包，利用单片机编程将数据包解析，即可读出所处地点的经纬度。

GPS 输出数据格式为:$GPRMC，〈1〉，〈2〉，〈3〉，〈4〉，〈5〉，〈6〉，〈7〉，〈8〉，〈9〉，〈10〉，〈11〉，〈12〉*hh，其意义表示如下:

〈1〉UTC时间，hhmmss(时分秒)格式;

〈2〉定位状态，A表示有效定位，V表示无效定位;

〈3〉纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输);

〈4〉纬度半球N(北半球)或S(南半球);

〈5〉经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输);

〈6〉经度半球E(东经)或W(西经);

〈7〉地面速率(000.0～999.9节，前面的0也将被传输);

〈8〉地面航向(000.0～359.9°，以真北为参考基准，前面的0也将被传输);

〈9〉UTC日期，ddmmyy(日月年)格式;

〈10〉磁偏角(000.0～180.0°，前面的0也将被传输);

〈11〉磁偏角方向，E(东)或W(西);

〈12〉模式指示(仅NMEA01833.00版本输出，A表示自主定位，D表示差分，E表示估算，N表示数据无效)。

2.3 通信单元

无线通信模块主要任务是发送事故位置信息至指定的用户，由于GSM网络技术成熟，覆盖范围广，覆盖区域内的通信质量高，抗干扰能力强，GSM系统有加密和鉴权功能，能确保用户保密和网络安全［11］，笔者选择GSM进行短信通信。短消息业务是GSM系统中唯一不要求建立端对端业务路径的业务，即使移动台已处于完全电路型通信情况下，亦可进行短消息传输，更利于求救通信。

3 汽车意外求救系统性能测试

设计模块调试的重点难点主要有两部分:GSM短信发送模块与单片机通信;MPU 6050数据处理及数据判断的精确性。

3.1 GSM短信发送模块与单片机通信的调试与测试分析

GSM模块将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器和功放器件等集成在一块线路板上，是具有独立的操作系统、GSM射频处理、基带处理并提供标准接口的功能模块。GSM模块具有发送SMS(Short Messaging Senice)短信、语音通话、GPRS(General Packet Radio Senice)数据传输等基于GSM网络进行通信的所有基本功能［12］。

首先将模块连接到电脑上，用串口调试助手发送指令进行调试，以检验指令的可靠性。通过图5中串口调试工具显示可以看出，无线GSM模块运行良好。

图5 GSM模块调试图Fig.5 GSM module debugging figure

3.2 MPU6050的数据处理及数据判断的精确性

MPU6050模块能输出x，y，z 3个方向的加速度值，连接模块并用单片机读出数据。以x轴为例，MPU6050的精度设置如表1所示。

表1 MPU6050精度设置Tab.1 MPU6050 precision setting

由表1可知，将I/O口读取到的数据除以16 384.0，得到的数值为重力加速度g的倍数，经过实验和查询DataSheet可知，该器件有一定的漂移误差，需要在启动后校正，将器件水平放置，以10 ms为周期，采集数据46次，得到误差分布，将误差做平均值，并将该数值加入程序中，每次采集到的数据减去该漂移值。可以看出，得到的数据较为精确。

安装时，将y轴向前，x，y轴平行于地面，设置当x，y轴任意一个轴与地面所成锐角大于60°或z轴与地面所成锐角小于60°时，车辆发生翻转。

进行多次碰撞实验，当小车与其质量相似的物体碰撞时，加速度变化如表2所示。

表2 加速度变化Tab.2 Acceleration change value

选取0.2 g作为阈值，当加速度大于此值时，定义为发生碰撞，之后再进行几次碰撞或翻转实验，结果显示，MPU6050模块调试的比较精确，结果如表3所示。

表3 碰撞实验结果Tab.3 Crash test results

4 结 语

笔者通过搭建一个汽车意外求救系统的模型及对现实事故的仿真，进行基本原理探究和数据分析，发现MPU6050传出的最大数据误差小于10°，如果实时进行校准，则数据误差可以减少到2°左右，并且设定判定条件后，MPU6050在测试中几乎没有误判，满足设计要求。GSM模块运行稳定。由于在室内做测试，GPS模块经常出现信号不良的情况。后续的工作是做室外研究，对实体车进行测试，得到更宝贵的实际数据，争取将该系统进行推广。

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