无线射频的交通事故现场报警系统设计

查品先 朱苏磊

摘要： 针对交通事故现场的再次碰撞会加大事故的严重性问题，提出了一种基于nRF24L01模块的交通事故现场报警系统.当车辆发生交通事故，nRF24L01模块将不断地向过往车辆发送无线信号.过往车辆接收端接收到信号后，STM32F429主控芯片控制音频编解码器播放语音，提醒司机减速慢行.与传统的nRF24L01模块相比，经过RFX2401C放大的无线信号传输距离更远.与灯光和广播信号相比，无线信号穿透性强，抗干扰能力强.实验证明，系统能达到远程提醒，防止再次碰撞的效果.

关键词：

无线射频通信； STM32F429； RFX2401C； 交通事故报警

中图分类号： TN 92文献标志码： A文章编号： 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

作者簡介： 查品先（1993-），男，硕士研究生，主要从事嵌入式方面的研究.Email：xian_zp@163.com

导师简介： 朱苏磊（1975-），女，副教授，主要从事图像处理、嵌入式等方面的研究.Email：suleizhu@163.com

*通信作者

引用格式： 查品先，朱苏磊.无线射频的交通事故现场报警系统设计 [J].上海师范大学学报（自然科学版），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.

随着经济的快速发展，车辆的数量日益增多，这给交通系统带来了极大的挑战.据调查显示在1 000例交通致死事故中，40%的受害人当场死亡，而60%的受害人由于救援不及时，在送往医院的途中或到达医院后死亡[1].所以，交通事故发生后，及时报警并且快速救援是降低损失的关键.在交通事故报警系统中，不但要及时通知有关部门和联系家属，以便救援工作的展开，还要及时通知过往车辆，提醒它们减速慢行，避免再次碰撞，以减少不必要的损失，同时保护现场[2].

本文作者设计了基于STM32F429主控芯片和nRF24L01无线通信模块以及语音播报模块的交通事故现场报警系统.传统方法通过灯光[3]，或者车载广播[4]提醒过往车辆，易受到路况和环境的限制.与之相对比，通过无线射频通信，对过往车辆进行远距离提示，具有较强的抗干扰能力，较高传输速率等优点.

1模型参数

交通事故现场报警系统主要由四部分组成：STM32F429主控模块，交通事故检测部分，nRF24L01无线通信模块和语音播报模块.STM32F429作为主控芯片，主要负责协调各模块之间的工作.交通事故检测模块为加速度传感器，主要负责检测交通事故是否发生.nRF24L01无线通信模块主要是实现远程通信，提示过往车辆减速慢行.语音播报模块主要是负责播放语音，及时提醒司机，减少司机反应时间.由于每辆车都有可能是事故车辆或过往车辆，故每辆车上装载同样的系统.

一般情况下，驾驶员的一次制动操作可分为4个阶段：驾驶员的反应时间t1、制动协调时间t2、减速度增长时间t3和持续制动时间t4.

反应时间t1时间内，车以初速度v0行驶，行驶距离

为避免事故，安全距离S大于s1，s2，s3，s4之和.参照文献[5]，选取t1=1.5 s，t2=0.16 s，t3=0.2 s，为适应所有情况，v0取行驶允许最大速度120 km/h，v2取0 km/h.不同路面的制动减速度不同，制动距离也不同，如表1所示.

2系统硬件设计

2.1主控单元及通信方式

控制器采用STM32F429开发板作为主控制器，其板载资源丰富，比如MPU9250九轴传感器（陀螺仪+加速度+磁力计）、音频编解码芯片WM8978等，以及RS232接口（可连接全球移动通信系统GSM模块）、WIRELESS模块接口（可连接nRF24L01无线射频模块）等.

在发生交通事故时，车辆的加速度会瞬间增大，超过一定阈值，就判定为交通事故发生.根据车辆的正常行驶速度和发生交通事故车辆形变所需要的时间，计算出一个参考加速度，以此设定阈值[6].

加速度传感器采用MPU9250芯片，采用I2C通信方式与主控单元进行通信.主控芯片的PH4和PH5管脚与MPU9250的SCL和SDA管脚相连，MPU9250的AD0管脚连接GND，使得MPU9250的器件地址为0x68.

无线射频模块与主控单元间采用SPI通信方式.nRF24L01的片选信号 CSN 与 STM32F429的 PG10相连，芯片工作模式控制信号 CE 与 PG12 连接，当 CSN 为低电平时，芯片工作，CE 配合 NRF24L01 的 CONFIG 寄存器共同决定nRF24L01 的状态[7].中斷信号 IRQ 与 PI11 连接，当芯片接收到信息，信息发送完成收到自动应答（ACK）或达到最大重发次数时，该位产生低电平，发出中断信号.SCK、MISO、MOSI 与 STM32F429 的 SPI2（PB13、PB14、PB15）相连，高速传输收发信息.

音频编解码器采用WM8978芯片，通过I2S接口与主控芯片连接.WM8978的I2S接口由ADCDAT（ADC数据输出）、DACDAT（DAC数据输入）、LRC（数据左/右对齐）和BCLK（位时钟，用于同步）4个引脚组成.LOUT2和ROUT2管脚连接喇叭.WM8978的地址固定为0x1A.

2.2无线射频模块

无线射频技术（RFID）是一种非接触式的自动识别技术.射频卡按供电方式可分为有源卡和无源卡，两者区别在于卡内有无电池提供电源.无源射频卡识别距离比较近，一般在10 m以内；有源卡识别距离相对较远，一般可达到50 m.但是由表1可知，50 m的制动距离对于车祸事故现场报警来说，是远远不够的.

本设计采用成都泽耀科技有限公司的AS01ML01DP5模块，模块采用NORDIC原装nRF24L01P射频芯片与功率放大器RFX2401C功放芯片[7].RFX2401X是一款高性能的射频前端集成电路，配有高功率放大器（PA）、低噪声放大器（LNA），带有金属屏蔽罩，抗干扰性能强，理论通信距离可达2 000 m.

RFX工作模式由5脚TXEN和6脚RXEN进行控制，当TXEN为高电平时，RXEN不论高低电平，RFX都处于发送模式；当TXEN为低电平，RXEN为高电平时，RFX处于接收模式；当TXEN和 RXEN都为低电平时，RFX处于休眠模式.

nRF24L01模块有多种工作模式可供选择，本设计选择透明广播模式.透明广播模式是指多个地址、信道、空中速率相同的模块，任意一个模块发送，其余模块都可接收.每个模块可以是发送方，又可以是接收方，模块间采用透传模式.

3系统软件设计

根据加速度传感器的返回值判断交通事故是否发生，当加速度瞬间增大，超过阈值，主控单元接收到传感器的返回值，判断车辆发生交通事故，控制无线射频模块发出信号[8].

车辆启动时，开启系统并初始化.车辆正常运行过程中，主控单元配置nRF24L01模块成RX_Mode时刻准备接收信号.当模块接收到信号传递给主控单元时，主控单元解析确认，音频编解码器驱动喇叭播放语音，减少司机反应时间t1.直至司机手动关闭，或者驶离有效区域，喇叭停止播放语音；当车辆状态检测传感器检测到本车发生交通事故，反馈给主控单元，主控单元将nRF24L01模块设置为TX_Mode状态，循环发送一段指定的指令，直到交通事故解决，车辆准备离开，主控单元将nRF24L01模块设置为RX_Mode状态，时刻准备接收信号.信息采集部分流程图如图1所示，系统软件流程图如图2所示.

4实验结果

在文献[8]中，未加RFX2401C功放芯片的对讲机，分别于银行营业大厅及350 m2左右的写字楼进行实验.实验结果为：如果通信距离分别大于34和31 m，则通信质量难以保证.

本系统旨在扩大射频通信的距离，实现远距离通信.采取两个开发板进行测试，实测通信距离在800 m左右.最后，分别在200、500和800 m处进行通信，检测接收数据是否完整，是否能接收到全部数据包，据此评价通信质量.实验结果如表2所示.

实验数据表明，RFX2401C功放芯片的加入，使无线射频通信距离能够增加十几倍，且通信质量良好.500 m的制动距离足以提醒驾驶员注意行车安全，减速慢行，避免二次碰撞带来的不必要损失.

5结论

本系统将STM32F429开发板和nFR24L01无线射频发射模块结合起来，由于采用RFX2401C功放芯片，射频信号的传输距离从30 m扩大到500 m，从而达到交通事故远距离报警的标准.该车载系统在车辆发生交通事故时，循环发送指令.过往车辆接收到信号，车载系统采用语音播放的方式，直接、高效地提醒司机注意行车安全.该系统扩展性较强，后期可以从功能性角度拓展应用.

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（责任编辑：包震宇，郁慧）