基于射频识别技术的汽车记录仪的设计*

马木提·亚库普，任 霞

（大连民族大学 信息与通信工程学院，辽宁 大连116600）

0 引言

现代交通工具的急剧发展为人类带来了便捷，但交通事故的比率也随之增加。汽车行驶状态记录仪可以有效预防驾驶员的违章驾驶，降低车辆发生交通事故的可能性，因此它已被广泛应用在多个国家和地区。据统计显示使用汽车行驶状态记录仪可成功减少交通事故的37%～52%[1]。

射频识别技术是射频技术和IC卡技术高度集成的产物，源于20世纪90年代。射频识别技术是一种非接触性的自动识别技术，已被广泛应用于生产、管理、生活等多个领域。与传统的条型码、磁卡及IC卡相比，射频卡具有非接触、阅读速度快、无损、不受环境影响、寿命长、便于使用的特点，并具有防冲突功能，能同时处理多张卡片。在国外，射频识别技术已被广泛应用于工业自动化、商业自动化、交通运输控制管理等众多领域。

把射频识别技术应用到车辆行驶记录仪上，就可以在不停车的情况下获取车辆的状态参数。一方面方便了交通管理部门对行车的管制，例如疲劳驾驶和超速；另一方面可以提高驾驶员的责任意识。与此同时车辆行驶数据记录仪的数据记录还可以为交通事故的分析提供真实、有效、科学的证据。

1 总体设计方案

本课题所设计的汽车行驶记录仪主要实现以下功能：自检功能；实时时间、日期及驾驶时间的采集、记录、存储功能；车辆行驶速度的测量、记录、存储功能；车辆行驶里程的测量、记录、存储功能；驾驶员身份记录功能；键盘操作功能；数据显示；数据通信功能；周边环境的观测、记录、存储功能；记忆永久性、不可删除、恢复性强。总体结构如图1所示。

图1 总体结构框图

2 硬件结构

2.1 微处理器

根据系统设计需要，采用意法半导体的STM32F103ZET6作为主控制芯片。STM32F103ZET6是一款基于CortexTMM3的32位微处理器。CortexTM-M3是一款基于ARMV-7体系结构的处理器核，具有低功耗、短延时中断、低成本等优点，适用于微控制系统、汽车控制系统、工业控制系统等。STM32F103ZET6芯片工作频率可达72 MHz，具有内置高速存储器 （高达512 KB的闪存和64 KB的SRAM），丰富的增强I/O端口和连接到两条APB总线的外设。包含3个12位的ADC、4个通用16位定时器和2个PWM定时器，还包含标准和先进的通信接口：2个I2C接口、3个 SPI接口、2个 I2S接口、1个 SDIO接口、5个USART接口、一个USB接口和一个CAN接口。该芯片的性能和外设配置非常适合做主控制板的核心芯片[2]。

2.2 FRID技术原理

RFID技术利用无线射频方式在阅读器和射频卡之间进行非接触双向数据传输，以达到目标识别和数据交换的目的。最基本的RFID系统由三部分组成：标签、阅读器、天线。系统的基本工作流程是：阅读器通过发射天线发送一定频率的射频信号，当射频卡进入发射天线工作区域时产生感应电流，射频卡获得能量被激活；射频卡将自身编码等信息通过卡内置发送天线发送出去；系统接收天线接收到从射频卡发送来的载波信号，经天线调节器传送到阅读器，阅读器对接收的信号进行解调和解码，然后送到后台主系统进行相关处理；主系统根据逻辑运算判断该卡的合法性，针对不同的设定做出相应的处理和控制，发出指令信号控制执行机构动作。按照不同的方式，射频卡有几种不同分类。按供电方式分为有源卡和无源卡。有源是指卡内有电池提供电源，其作用距离较远，但寿命有限、体积较大、成本高，且不适合在恶劣环境下工作；无源卡内无电池，它利用波束供电技术将接收到的射频能量转化为直流电源为卡内电路供电，其作用距离相对有源卡短，但寿命长且对工作环境要求不高。按载波频率分为低频射频卡、中频射频卡和高频射频卡。低频射频卡主要有125 kHz和134.2 kHz两种。低频系统主要用于短距离、低成本的应用中，如多数的门禁控制、校园卡、动物监管、货物跟踪等。中频射频卡频率主要为13.56 MHz，用于门禁控制和需传送大量数据的应用系统。高频射频卡主要为433 MHz、915 MHz、2.45 GHz、5.8 GHz等，应用于需要较长的读写距离和高读写速度的场合[3]。

2.3 摄像头模块

此系统采用的摄像头模块OV7670是OV（Omni Vision）公司生产的CMOS VGA图像传感器。该传感器体积小、工作电压低，提供单片VGA摄像头和影像处理器的所有功能。通过SCCB总线控制，可以整帧、子采样、取窗口等方式输出各种分辨率为8位影像数据。该产品采集VGA图像最高达到30帧/s。用户可以完全控制图像质量、数据格式和传输方式。

ALIENTEK OV7670摄像头模块通过FIFO读取，用于暂存图像数据，且便于获取图像数据，而不再需要单片机具有高速I/O，也不会耗费多少CPU。摄像头模块存储图像数据的过程为：等待OV7670同步信号，FIFO写指针复位，FIFO写使能，等待第二个OV7670同步信号，FIFO写禁止。通过以上5个步骤，即可完成1帧图像数据的存储。在存储完一帧图像以后开始读取图像数据。读取过程为：FIFO读指针复位给FIFO读时钟（FIFO_RCLK）读取第一个像素高字节，给FIFO读时钟，读取第一个像素低字节，给FIFO读时钟，读取第二个像素高字节，循环读取剩余像素，结束。把这些数据写入LCD模块，就可以看到摄像头捕捉到的画面了[2]。

OV7670的功能框图如图2所示。

图2 OV7670的功能框图

2.4 数据采集

数据采集模块主要包括输入通道、I/O接口、计数器、A/D转换器。此系统的所有信号采集都基于现有的车载传感器。信号采集可分为3类：模拟量、开关量、瞬间量。模拟量主要指车内温度、湿度等。开关量主要包括驾驶员信息、制动器、指示灯、车门、压力制动和手制动，所有的开关量经光耦合隔离。瞬间量包括速度、里程、驾车时间及汽车行驶状态记录和周边坏境监控等。考虑到车内有许多干扰源，该系统进行了驾驶室信号和采集通道信号的光学隔离和信号调节。信号设置成开关值，以便于这些状态变量可以直接作为处理器的输入。

温湿度数据采集由传感器DHT11完成。数据采用校验和方式进行校验，有效地保证数据传输的准确性。每隔100 ms左右读取一次数据，并把温湿度显示在LCD上。里程和速度数据采集通过一款高性能GPS定位模块ATK-NEO-6M完成。该模块自带可充电后备电池，在主电源断电后，可以维持半小时左右的GPS数据接收和保存。

2.5 信息存储

根据国家相关机构的标准，车辆行驶数据记录仪存储的数据应该包括两部分：一是汽车的实时数据，要求提供事故前后20 s的数据。二是汽车的历史数据，应该包括车辆和驾驶员360小时内的行驶状态。车辆实时数据存储要求严格，其存储不但要求高实时还应该是安全的，掉电后存储的数据不丢失。因此这个系统选择SRAM作为数据存储系统。SRAM速度快而且可多次复写，掉电以后仍可以存储数据，具备了Flash和EEPROM的优点，此外SRAM有充电电容，它不仅仅可以简化系统电路，而且成本低，可以提高系统可靠性，非常适合这个系统。此系统采用SD卡作为外部存储器，它不仅容量大（32 GB以上），而且编程简单、支持 SPI接口、方便移动，并且可保证信息存储的永久性和可靠性[4]。

2.6 人机交互

本系统通过液晶显示器显示行车参数，例如瞬时速度、每分钟速度、每十分钟的速度、时间、日期、车内温湿度和总的行驶里程。还通过液晶实现触摸屏键盘输入法用来采集驾驶员信息。为了方便用户查阅不同的内容和输入相应驾驶员信息，系统设置了主菜单，菜单单项有已存数据、图片记录、GPS、USB连接、开始记录、系统设置、照相机、时钟、输入信息[5-6]。

3 软件结构

软件设计采用μC/OS-II操作系统。因为μC/OS-II有开源代码、代码简短、条理清晰、实时性及安全性能很高的优点。车辆行驶数据记录仪的软件主要功能是完成实时监测和车辆行驶状态记录。此系统中有监测记录的主程序。主程序可以完成各个子系统的基本功能，甚至还包括数据采集模块、数据存储模块、人机接口模块。如图3所示。

图3 软件架构图

此系统有两种模式：记录模式和通信模式。记录模式是车辆行驶时，系统周期性地收集所有的状态和当前驾驶员的行车信息，例如速度、行驶时间、车内温湿度、行车周围环境等。它将收集的数据以及日期和时间等参数存储到数据存储器中。通信模式是当车辆停止时系统通过通信接口和PC机交换数据，这些数据可以上传也可以下载。当用USB进行通信时，系统提供键盘选择相应的操作。当用RS232进行通信时，数据传输的操控由PC机完成，一些很强的实时工作如时间校准也由PC完成。

系统工作流程如下：

（1）上电后初始化自检；

（2）驾驶员认证；

（3）LCD 界面展示；

（4）当车辆行驶时，采集、分析、存储、显示所有的信号。

4 调试及现象

该系统总体由STM32开发板及外设模块、GPS模块、射频识别模块、摄像头模块、温湿度模块构成。

该系统人机交互界面的主页面设计由μC/OS-II操作系统完成，主页面主菜单项包括：已存数据、图片记录、GPS、USB连接、开始记录、系统设置、照相机、时钟、输入信息。

该系统所采集到的数据，例如驾驶员信息、汽车驾驶时间、车内温湿度、汽车行驶速度等参数，均可在屏幕上实时阅览及存储到SD卡上供事后查询。

此系统中汉字输入采用T9输入法。该系统通过一个和数字串对应的拼音索引表来实现T9拼音输入，只需要将输入的数字串与索引表里所有成员进行对比，将所有完全匹配的情况记录下来，用户要输入的汉字就被确定了，然后由用户选择可能的拼音组成（假设有多个匹配的项目），再选择对应的汉字，即完成一次汉字输入。

5 结论

RFID是一个嵌入式系统，此系统使用高性能的ARM®CortexTM-M3 32位的RISC内核，采用μC/OS-II操作系统。RFID是一种新的自动化识别技术。因为它的多项优点，如远程识别、存储和携带更多信息、更快的阅读速度、广泛应用等，从而被广泛地推广应用。系统中摄像头模块的应用可以让驾驶员在车内随时观察车周围情况以便调整驾驶速度、方向。这不仅能保障驾驶员安全，还可以有效制止现如今社会关注的“碰瓷”问题，保障驾驶员利益。

[1]叶里莎.RFID 技术的应用[J].通信技术，2007，40（12）：267-271.

[2]刘军.例说 STM32[M].北京：北京航天航空大学出版社，2011.

[3]赵斌，张红雨.RFID技术的应用及发展[J].电子设计工程，2010，18（10）：123-126.

[4]廖义奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系统设计[M].北京：中国电力出版社，2012.

[5]王晓薇.嵌入式操作系统 μC/OS—II及应用开发[M].北京：清华大学出版社，2012.