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引言 汽車(chē)為人類(lèi)社會(huì )的發(fā)展做出了突出的貢獻，但也帶來(lái)了觸目驚心的傷害。近年來(lái)，隨著(zhù)高速公路的發(fā)展，汽車(chē)行駛速度提高，惡性交通事故頻發(fā)。在車(chē)禍造成的死亡事故中，追尾占25%。因此，研究能夠隨時(shí)獲取道路和車(chē)輛信息，并及時(shí)提醒汽車(chē)駕駛員采取措施避免危險的車(chē)距監測預警系統就成為解決公路交通安全問(wèn)題的重要手段。 本文基于RFID和衛星導航技術(shù)實(shí)現車(chē)輛之間的相互通信，通過(guò)向周?chē)?chē)輛報告本車(chē)精確的地理信息，并獲取周?chē)?chē)輛發(fā)送的地理信息，實(shí)時(shí)計算獲取車(chē)輛距離。 此方案與雷達測距等其他實(shí)現方案相比，具有成本低、結構簡(jiǎn)單、精準度高等優(yōu)點(diǎn)。 1 RFID和衛星導航技術(shù)簡(jiǎn)介 RFID技術(shù)最早出現在二戰時(shí)期，當時(shí)成功應用于飛機的敵我識別系統�，F在已經(jīng)發(fā)展成為21世紀最重要的技術(shù)之一。其基本原理是利用射頻信號的空間耦合（電感或電磁耦合）或反射的傳輸特性，實(shí)現對被識別物體的自動(dòng)識別。 衛星導航技術(shù)最早應用于20世紀70年代由美國陸�？杖娐�(lián)合研制的全球衛星定位系統（GPS），現已全球性民用。由于衛星的位置精確可知，在GPS觀(guān)測中，我們可得到衛星到接收機的距離，應用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛星，就可以組成3個(gè)方程式，解出觀(guān)測點(diǎn)的位置（X、Y、Z），實(shí)現對對象位置的確定。 2 系統整體設計方案 本系統設計包括單片機控制模塊、射頻通信模塊、衛星導航模塊、液晶顯示模塊、聲光報警模塊和穩壓電源模塊。系統采用LM1575芯片將車(chē)載12V電源轉換為5V電源，以凌陽(yáng)SPCE061A型16位單片機為控制中心，使用nRF2401無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)模塊實(shí)現數據的發(fā)送和接收，使用OTrack-32北斗/GPS/GLONASS多模兼容導航芯片模塊實(shí)現經(jīng)緯度坐標的獲取，同時(shí)使用12864型LCD顯示模塊實(shí)時(shí)顯示車(chē)距檢測信息，并使用蜂鳴器和LED實(shí)現聲光報警。系統框圖如圖1所示。 
圖1 系統整體框架圖 系統工作時(shí)，首先通過(guò)衛星導航芯片獲取本車(chē)的精確經(jīng)緯度信息，然后對信息進(jìn)行編碼。編碼信息主要包括本車(chē)識別序列號、經(jīng)緯度信息和車(chē)速[3]。完成信息編碼后，將編碼信息通過(guò)射頻收發(fā)模塊的通道1進(jìn)行信息發(fā)送，接收地址應設置為統一的公用地址，本設計規定為5位十六進(jìn)制地址：0xAAAAA。同時(shí)采用通道2接收周?chē)?chē)輛發(fā)送的信息，將接收到的信息發(fā)送給單片機進(jìn)行處理。 當同時(shí)接收多個(gè)射頻模塊發(fā)送的信息出現通信碰撞時(shí)，采用RFID防碰撞算法進(jìn)行處理。單片機不斷接收來(lái)自射頻收發(fā)模塊的車(chē)輛識別序列號、經(jīng)緯度信息和車(chē)速，并按照車(chē)輛序列號對這些信息進(jìn)行數據結構隊列排序處理。 通過(guò)汽車(chē)測距測速算法和汽車(chē)行駛方向判定算法實(shí)時(shí)獲取周?chē)枯v車(chē)的行駛方向和車(chē)距。將周?chē)?chē)輛車(chē)距車(chē)速與不同車(chē)速對應的安全車(chē)距進(jìn)行對照，當汽車(chē)車(chē)距小于安全距離時(shí)，通過(guò)聲音和燈光向駕駛員進(jìn)行報警。 3 系統硬件設計 3.1 微控制器 SPCE061A是臺灣凌陽(yáng)科技生產(chǎn)的16位結構的微控制器，其采用了μ’nSPTM系列的單片機內核，內嵌32k字的閃存，具有較高的處理速度，不僅可應用于傳統的控制領(lǐng)域，還可擴展應用于控制處理、數據處理以及數字信號處理等領(lǐng)域，具有廣泛的應用空間。本系統以凌陽(yáng)單片機為控制中心，實(shí)現對射頻收發(fā)模塊、衛星導航模塊、LCD顯示模塊和聲光報警的控制。 3.2 射頻收發(fā)模塊 nRF2401芯片是一種工作于2.4GHz的單片無(wú)線(xiàn)射頻收發(fā)芯片，可同時(shí)實(shí)現一路數據發(fā)射和兩路數據接收功能。 它將射頻、8051MCU、9通道12位ADC、外圍元件、電感和濾波器全部集成在單芯片中，功耗非常低，輸出功率和通信頻道可通過(guò)程序進(jìn)行配置，應用范圍非常廣泛。本設計采用的以nRF2401芯片為核心的nRF2401模塊共有兩組接口，分別采用接口1發(fā)送數據；接口2接收數據，從而實(shí)現信息的雙向傳輸。 3.3 衛星導航模塊 本系統所需衛星導航模塊采用北京東方聯(lián)星所產(chǎn)衛星導航芯片Otrack-32，可同時(shí)接收北斗二號、GPS、GLONASS衛星信號，實(shí)現多系統聯(lián)合導航定位、測速、定時(shí)。Otrack-32芯片實(shí)現了當今世界上最快速的1s熱啟動(dòng)、國際最短的35s冷啟動(dòng)、穩定的1s重捕獲；高達每秒20次的真值定位；定位精度5m；差分定位精度0.5m；高可靠、抗干擾；適應惡劣環(huán)境；通過(guò)了嚴格的地面測試和多種載體動(dòng)態(tài)試驗。Otrack-32芯片為導航、測量、授時(shí)等專(zhuān)業(yè)導航領(lǐng)域提供了完全國產(chǎn)化的高性能核心器件。 3.4 12864液晶顯示模塊 本系統采用12864點(diǎn)陣型LCD顯示模塊，可顯示周?chē)?chē)輛、最小車(chē)距、本車(chē)經(jīng)緯度等相關(guān)信息。點(diǎn)陣型LCD顯示模塊不僅能夠顯示常用字符，還可顯示圖形和漢字。 12864LCD顯示模塊橫向顯示128點(diǎn)，縱向顯示64點(diǎn)，最多可同時(shí)顯示16×16中文字符4行8列，可以滿(mǎn)足大量的信息顯示需求。模塊引腳連接如圖2所示。 3.5 聲光報警電路 當車(chē)距較近時(shí)，通過(guò)單片機輸出信號，使聲光報警器工作。本系統采用一個(gè)LED和蜂鳴器實(shí)現聲光報警，使用2個(gè)單片機輸出端口分別實(shí)現對LED和蜂鳴器的控制。 電路原理如圖2所示。
圖2 液晶顯示模塊和聲光報警電路原理圖 4 系統軟件設計 系統工作時(shí)，首先進(jìn)行系統自檢和初始化設置，并通過(guò)LCD模塊顯示“歡迎使用”界面。然后通過(guò)衛星導航模塊接收經(jīng)緯度信息并輸入到單片機，單片機通過(guò)控制射頻收發(fā)模塊，采用nRF2401模塊的通道1發(fā)送經(jīng)緯度信息，同時(shí)采用通道2接收周?chē)慕?jīng)緯度信息，并將接收到的周?chē)?chē)輛的經(jīng)緯度信息輸入到單片機進(jìn)行處理。 由兩車(chē)的經(jīng)緯度通過(guò)測距測速模型計算出兩車(chē)之間的距離，并將兩車(chē)車(chē)距與安全距離進(jìn)行比較，如果車(chē)距小于安全距離，判斷車(chē)輛的相對行駛方向及前后方位，若為同向且小于安全距離，則單片機控制LED燈閃爍，距離越小LED燈的閃爍頻率越快，同時(shí)控制蜂鳴器發(fā)出聲音報警。 系統軟件流程如圖3所示。
圖3 系統軟件流程圖 5 算法模型 5.1 汽車(chē)測距測速模型 射頻收發(fā)模塊接收到的信息主要是經(jīng)緯度信息，系統通過(guò)對這些信息和本車(chē)的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度信息進(jìn)行動(dòng)態(tài)處理，可獲得每一時(shí)刻的最新車(chē)距信息。首先對經(jīng)緯度信息進(jìn)行格式定義。定義緯度信息北緯為“正（+）”，南緯為“負（－）”；經(jīng)度信息東經(jīng)為“正（+）”，西經(jīng)為“負（－）”。地球的周長(cháng)大約40008km。則平均緯度1度大約等于111km。本系統采集到的經(jīng)緯度信息精度為0.0001，則每萬(wàn)分之一單位代表距離近似等于11.1m，可滿(mǎn)足系統精度需求。于是，可得一般測距模型：
其中，E1和E2分別表示本車(chē)和其他車(chē)輛的經(jīng)度信息，W1和W2分別表示本車(chē)和其他車(chē)輛的緯度信息，a表示經(jīng)緯度1°代表長(cháng)度，約1.11×105m。對于特殊情況，例如在東經(jīng)180°與西經(jīng)180°分界區域，需在運算前進(jìn)行經(jīng)度換算處理。本車(chē)車(chē)速的計算，可應用上述測距模型對本車(chē)測得的兩次經(jīng)緯度計算得出衛星導航芯片經(jīng)緯度掃描周期T內車(chē)輛移動(dòng)距離，從而得出車(chē)速v。 5.2 汽車(chē)行駛方向判定模型 在實(shí)際情況中，周?chē)?chē)行駛方向與本車(chē)主要有同向和相向兩種情況。此兩種情況的經(jīng)緯度變化方向完全相反。則設某車(chē)多個(gè)時(shí)刻的經(jīng)緯度信息矩陣分別為[A1,B1]，[A2,B2]…[An,Bn]，通過(guò)判斷[An,Bn]的正負，及與[An-1,Bn-1]的值進(jìn)行比較，可判斷其大致的行駛方向。用矩陣表示汽車(chē)行駛方向，其中E、W、S、N分別表示東、西、南、北方向。設汽車(chē)駛向的方向為1，若其他汽車(chē)與本車(chē)行駛方向相同，將代指兩車(chē)行駛方向的矩陣相減，即可得到零矩陣。通過(guò)對零矩陣進(jìn)行判別，可粗略獲知周?chē)?chē)與本車(chē)的相對行駛方向，還可得知周?chē)?chē)在本車(chē)前后的方位。 6 系統測試 系統測試和驗收測試重點(diǎn)在于檢驗設計的合理性和驗證系統的功能和可靠性。對于本設計的測試，主要從電路原理測試、系統硬件模塊測試、軟件系統測試和軟硬件聯(lián)合調試四個(gè)方面進(jìn)行。 （1）穩壓電源模塊測試。將電源輸出端接到示波器上，觀(guān)測電壓波動(dòng)范圍在系統要求范圍內，可滿(mǎn)足系統應用要求。 （2）對12864LCD顯示模塊進(jìn)行測試，實(shí)現了字符、漢字及特定圖像的顯示，模塊測試無(wú)誤。 （3）衛星導航模塊測試。將程序寫(xiě)入單片機，連接衛星導航模塊，將接收到的數據在LCD顯示器上顯示，顯示結果穩定。 （4）射頻收發(fā)模塊測試。連接單片機，用兩組模塊進(jìn)行收發(fā)測試，全部正確收發(fā)信息。 （5）聲光報警模塊檢測。該模塊的電氣連接良好。將檢測聲光報警的程序寫(xiě)入單片機中，該模塊可正常發(fā)出聲光信號。 7 結語(yǔ) 本系統利用衛星導航和RFID技術(shù)實(shí)現車(chē)距測量，通過(guò)調試，系統運行正常，達到了預期目標。但是，還有許多地方需要進(jìn)一步探究，比如衛星導航的精確度及RFID的更遠距離通信等。由于條件有限，僅在實(shí)驗室中做了測試，在抗干擾試驗等方面還需要更深入地研究。 |
