引言

　　汽車為人類社會的發(fā)展做出了突出的貢獻(xiàn),，但也帶來了觸目驚心的傷害。近年來,，隨著高速公路的發(fā)展,，汽車行駛速度提高，惡性交通事故頻發(fā),。在車禍造成的死亡事故中,，追尾占25%。因此,，研究能夠隨時獲取道路和車輛信息,，并及時提醒汽車駕駛員采取措施避免危險的車距監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)就成為解決公路交通安全問題的重要手段。

　　本文基于RFID和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛之間的相互通信,，通過向周圍車輛報告本車精確的地理信息,，并獲取周圍車輛發(fā)送的地理信息，實(shí)時計算獲取車輛距離,。

　　此方案與雷達(dá)測距等其他實(shí)現(xiàn)方案相比,，具有成本低、結(jié)構(gòu)簡單、精準(zhǔn)度高等優(yōu)點(diǎn),。

　　1 RFID和衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)簡介

　　RFID技術(shù)最早出現(xiàn)在二戰(zhàn)時期,，當(dāng)時成功應(yīng)用于飛機(jī)的敵我識別系統(tǒng)。現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為21世紀(jì)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(xiàn)對被識別物體的自動識別。

　　衛(wèi)星導(dǎo)航技術(shù)最早應(yīng)用于20世紀(jì)70年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）,，現(xiàn)已全球性民用。由于衛(wèi)星的位置精確可知,，在GPS觀測中,，我們可得到衛(wèi)星到接收機(jī)的距離，應(yīng)用三維坐標(biāo)中的距離公式,，利用3顆衛(wèi)星,，就可以組成3個方程式，解出觀測點(diǎn)的位置（X,、Y,、Z），實(shí)現(xiàn)對對象位置的確定,。

　　2 系統(tǒng)整體設(shè)計方案

　　本系統(tǒng)設(shè)計包括單片機(jī)控制模塊,、射頻通信模塊、衛(wèi)星導(dǎo)航模塊,、液晶顯示模塊,、聲光報警模塊和穩(wěn)壓電源模塊。系統(tǒng)采用LM1575芯片將車載12V電源轉(zhuǎn)換為5V電源,，以凌陽SPCE061A型16位單片機(jī)為控制中心,，使用nRF2401無線射頻收發(fā)模塊實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，使用OTrack-32北斗/GPS/GLONASS多模兼容導(dǎo)航芯片模塊實(shí)現(xiàn)經(jīng)緯度坐標(biāo)的獲取,，同時使用12864型LCD顯示模塊實(shí)時顯示車距檢測信息,，并使用蜂鳴器和LED實(shí)現(xiàn)聲光報警。系統(tǒng)框圖如圖1所示,。

圖1 系統(tǒng)整體框架圖

　　系統(tǒng)工作時,，首先通過衛(wèi)星導(dǎo)航芯片獲取本車的精確經(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識別序列號,、經(jīng)緯度信息和車速[3]。完成信息編碼后,，將編碼信息通過射頻收發(fā)模塊的通道1進(jìn)行信息發(fā)送,，接收地址應(yīng)設(shè)置為統(tǒng)一的公用地址，本設(shè)計規(guī)定為5位十六進(jìn)制地址：0xAAAAA。同時采用通道2接收周圍車輛發(fā)送的信息,，將接收到的信息發(fā)送給單片機(jī)進(jìn)行處理,。

　　當(dāng)同時接收多個射頻模塊發(fā)送的信息出現(xiàn)通信碰撞時，采用RFID防碰撞算法進(jìn)行處理,。單片機(jī)不斷接收來自射頻收發(fā)模塊的車輛識別序列號,、經(jīng)緯度信息和車速，并按照車輛序列號對這些信息進(jìn)行數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)隊(duì)列排序處理,。

　　通過汽車測距測速算法和汽車行駛方向判定算法實(shí)時獲取周圍每輛車的行駛方向和車距,。將周圍車輛車距車速與不同車速對應(yīng)的安全車距進(jìn)行對照，當(dāng)汽車車距小于安全距離時,，通過聲音和燈光向駕駛員進(jìn)行報警,。

　　3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

　　3.1 微控制器

　　SPCE061A是臺灣凌陽科技生產(chǎn)的16位結(jié)構(gòu)的微控制器,，其采用了μ’nSPTM系列的單片機(jī)內(nèi)核,，內(nèi)嵌32k字的閃存，具有較高的處理速度,，不僅可應(yīng)用于傳統(tǒng)的控制領(lǐng)域,，還可擴(kuò)展應(yīng)用于控制處理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字信號處理等領(lǐng)域,，具有廣泛的應(yīng)用空間,。本系統(tǒng)以凌陽單片機(jī)為控制中心，實(shí)現(xiàn)對射頻收發(fā)模塊,、衛(wèi)星導(dǎo)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的單片無線射頻收發(fā)芯片,，可同時實(shí)現(xiàn)一路數(shù)據(jù)發(fā)射和兩路數(shù)據(jù)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程序進(jìn)行配置，應(yīng)用范圍非常廣泛,。本設(shè)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(shù)據(jù)；接口2接收數(shù)據(jù),，從而實(shí)現(xiàn)信息的雙向傳輸,。

　　3.3 衛(wèi)星導(dǎo)航模塊

　　本系統(tǒng)所需衛(wèi)星導(dǎo)航模塊采用北京東方聯(lián)星所產(chǎn)衛(wèi)星導(dǎo)航芯片Otrack-32，可同時接收北斗二號、GPS,、GLONASS衛(wèi)星信號,，實(shí)現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)合導(dǎo)航定位、測速,、定時,。Otrack-32芯片實(shí)現(xiàn)了當(dāng)今世界上最快速的1s熱啟動、國際最短的35s冷啟動,、穩(wěn)定的1s重捕獲,；高達(dá)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(yīng)惡劣環(huán)境,；通過了嚴(yán)格的地面測試和多種載體動態(tài)試驗(yàn)。Otrack-32芯片為導(dǎo)航,、測量,、授時等專業(yè)導(dǎo)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(tǒng)采用12864點(diǎn)陣型LCD顯示模塊,，可顯示周圍車輛,、最小車距、本車經(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),，最多可同時顯示16×16中文字符4行8列，可以滿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(dāng)車距較近時，通過單片機(jī)輸出信號,，使聲光報警器工作,。本系統(tǒng)采用一個LED和蜂鳴器實(shí)現(xiàn)聲光報警，使用2個單片機(jī)輸出端口分別實(shí)現(xiàn)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(tǒng)軟件設(shè)計

　　系統(tǒng)工作時，首先進(jìn)行系統(tǒng)自檢和初始化設(shè)置,，并通過LCD模塊顯示“歡迎使用”界面,。然后通過衛(wèi)星導(dǎo)航模塊接收經(jīng)緯度信息并輸入到單片機(jī),，單片機(jī)通過控制射頻收發(fā)模塊，采用nRF2401模塊的通道1發(fā)送經(jīng)緯度信息,，同時采用通道2接收周圍的經(jīng)緯度信息,，并將接收到的周圍車輛的經(jīng)緯度信息輸入到單片機(jī)進(jìn)行處理。

　　由兩車的經(jīng)緯度通過測距測速模型計算出兩車之間的距離,，并將兩車車距與安全距離進(jìn)行比較,，如果車距小于安全距離，判斷車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(jī)控制LED燈閃爍，距離越小LED燈的閃爍頻率越快,，同時控制蜂鳴器發(fā)出聲音報警,。

　　系統(tǒng)軟件流程如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

　　5 算法模型

　　5.1 汽車測距測速模型

　　射頻收發(fā)模塊接收到的信息主要是經(jīng)緯度信息,，系統(tǒng)通過對這些信息和本車的實(shí)時經(jīng)緯度信息進(jìn)行動態(tài)處理,，可獲得每一時刻的最新車距信息。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(fù)（－）”；經(jīng)度信息東經(jīng)為“正（+）”,，西經(jīng)為“負(fù)（－）”。地球的周長大約40008km,。則平均緯度1度大約等于111km,。本系統(tǒng)采集到的經(jīng)緯度信息精度為0.0001，則每萬分之一單位代表距離近似等于11.1m,，可滿足系統(tǒng)精度需求,。于是，可得一般測距模型：

　　其中,，E1和E2分別表示本車和其他車輛的經(jīng)度信息,，W1和W2分別表示本車和其他車輛的緯度信息，a表示經(jīng)緯度1°代表長度,，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(qū)域,，需在運(yùn)算前進(jìn)行經(jīng)度換算處理,。本車車速的計算，可應(yīng)用上述測距模型對本車測得的兩次經(jīng)緯度計算得出衛(wèi)星導(dǎo)航芯片經(jīng)緯度掃描周期T內(nèi)車輛移動距離,，從而得出車速v,。

　　5.2 汽車行駛方向判定模型

　　在實(shí)際情況中,，周圍汽車行駛方向與本車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(shè)某車多個時刻的經(jīng)緯度信息矩陣分別為[A1,B1],，[A2,B2]…[An,Bn]，通過判斷[An,Bn]的正負(fù),，及與[An-1,Bn-1]的值進(jìn)行比較,，可判斷其大致的行駛方向。用矩陣表示汽車行駛方向,，其中E,、W、S,、N分別表示東,、西、南,、北方向,。設(shè)汽車駛向的方向?yàn)?，若其他汽車與本車行駛方向相同,，將代指兩車行駛方向的矩陣相減,，即可得到零矩陣。通過對零矩陣進(jìn)行判別,，可粗略獲知周圍汽車與本車的相對行駛方向,，還可得知周圍汽車在本車前后的方位。

　　6 系統(tǒng)測試

　　系統(tǒng)測試和驗(yàn)收測試重點(diǎn)在于檢驗(yàn)設(shè)計的合理性和驗(yàn)證系統(tǒng)的功能和可靠性,。對于本設(shè)計的測試,，主要從電路原理測試、系統(tǒng)硬件模塊測試,、軟件系統(tǒng)測試和軟硬件聯(lián)合調(diào)試四個方面進(jìn)行,。

　　（1）穩(wěn)壓電源模塊測試,。將電源輸出端接到示波器上,，觀測電壓波動范圍在系統(tǒng)要求范圍內(nèi)，可滿足系統(tǒng)應(yīng)用要求,。

　?。?）對12864LCD顯示模塊進(jìn)行測試，實(shí)現(xiàn)了字符,、漢字及特定圖像的顯示,，模塊測試無誤。

　?。?）衛(wèi)星導(dǎo)航模塊測試,。將程序?qū)懭雴纹瑱C(jī),，連接衛(wèi)星導(dǎo)航模塊，將接收到的數(shù)據(jù)在LCD顯示器上顯示,，顯示結(jié)果穩(wěn)定,。

　　（4）射頻收發(fā)模塊測試,。連接單片機(jī),，用兩組模塊進(jìn)行收發(fā)測試，全部正確收發(fā)信息,。

　?。?）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?qū)懭雴纹瑱C(jī)中,，該模塊可正常發(fā)出聲光信號。

　　7 結(jié)語

　　本系統(tǒng)利用衛(wèi)星導(dǎo)航和RFID技術(shù)實(shí)現(xiàn)車距測量,，通過調(diào)試,，系統(tǒng)運(yùn)行正常，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo),。但是,，還有許多地方需要進(jìn)一步探究，比如衛(wèi)星導(dǎo)航的精確度及RFID的更遠(yuǎn)距離通信等,。由于條件有限,，僅在實(shí)驗(yàn)室中做了測試，在抗干擾試驗(yàn)等方面還需要更深入地研究,。