高速路预防二次事故发生系统设计

张慧颖，陈佰权

(1.吉林化工学院 信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022；2.中核检修有限公司，浙江 台州 317100)

0 引 言

随着车辆的日益增多，由于驾车者对道路事故处置经验不足、事故检测设施缺乏、救援不及时等原因，目前我国道路交通事故死亡人数居世界第一，而且交通事故居高不下，全国道路交通安全形势严峻。全国平均每天发生大小交通事故577起，每年的交通事故数量在25万起左右，更是给国家带来了10亿元左右的损失，无数的家庭受毁于交通事故[1-2]，其中有高于20%的交通事故属于“二次事故”。因为高速公路是高指标线形的全封闭道路，当车辆在车道上发生故障或者发生一次事故后，没有及时放置安全警示标识，司机通常对侧向以及前方的突发障碍预计不足而且没能及时发现前方事故，后方车辆由于车速过快导致了刹车不及时与前面车辆相撞发生了二次事故[3-5]。本文研发了一套高速路预防二次事故的装置。当整个系统建立后，事故发生时，后续的车辆能够提前预知前方道路状况，及时减速行驶或采取紧急行动，从而避免二次事故的发生，为高速行驶的车辆提供一定的安全保障。

1 系统总体设计

系统以STM32单片机为核心，分为事故检测装置和警示灯报警装置。事故检测装置被固定在车辆内部(驾驶员可以接触到的位置，且不妨碍驾驶)，警示灯报警装置放置在高速路中央的隔离带上，每隔50 m放置1个。硬件设计采用模块化方案，将各个模块进行有机的整合[6-8]，系统设计框图如图1所示。

(a)事故检测装置设计框图

事故检测装置放置在汽车内，该装置通过GPS模块检测高速路上车辆的速度，当汽车车速为0时，该装置就认定汽车发生了事故或故障。同时将警报信息转化成相应的命令通过433 MHz无线串口通信模块传输到附近的警示灯装置和其他车辆内的事故检测装置，警示灯和其他车辆的事故检测装置就会做出反应。

当警示灯接收到事故检测装置发送来的事故位置信息后，MCU根据警示灯的位置和事故地点的位置，计算出两者间的距离。当该距离小于安全距离(300 m)时，警示灯就会闪烁，从而提醒后续车辆减速并慢行，很大程度避免二次事故的发生。

2 硬件电路设计

系统设计时，事故检测装置以STM32F407VET6作为核心，而警示灯报警装置则由STM32F103C8T6及相应的外围电路构成。事故检测装置包括：STM32F4最小系统、GPS定位电路、语音报警电路、TFT屏显电路、433 MHz无线通信电路、FLASH字库存储电路、独立按键及电源电路。警示灯报警装置包括：STM32F1最小系统、GPS定位电路、LED报警灯驱动电路及太阳能供电电路。

2.1 GPS定位电路设计

GPS接收机主要由GPS接收机天线单元、GPS接收机主机单元、电源三部分组成。当GPS定位成功后，1引脚会不停的发出1个周期可调的脉冲波。事故检测装置的MCU通过串口3与GPS模块通讯，进行数据读取，而警示灯报警装置的MCU则通过串口2与GPS模块进行通信[9-10]。GPS定位电路如图2所示。

(a)事故检测装置GPS模块连接

(b)警示灯报警装置GPS模块连接

2.2 无线数据通信电路设计

采用433 MHz无线模块完成设计，MD0和MD1为模式控制引脚(极弱上拉)。设计中采用该模块的一般模式(MD0=0，MD1=0)，RXD为该模块的TTL串口输入端，应连接到外部MCU的 TXD输出引脚；TXD则为该模块的TTL 串口输出端，应连接到外部 MCU的RXD 输入引脚。AUX用于指示该模块的工作状态，可用于用户唤醒外部 MCU[11]。该无线模块与MCU的连接如图3所示。

(a) 事故检测装置无线串口连接电路(b) 警示灯装置无线串口连接电路

图3 无线数据通信电路

2.3 按键电路及警示灯灯光报警设计

按键由6个普通按键(KEY1～KEY6)和一个钮子开关(S1)组成。用户可根据固定的按键来设置报警状况。一、二级警报为红色警报；三级警报为黄色警报。驾驶员注意到红色警报需要立即将车速减到40 km/h以下。按键功能如下：KEY1。一级警报，发生严重交通事故，道路堵塞；KEY2。二级警报，有故障车辆停于道路中间，道路不通畅；KEY3。二级警报，有团雾出现；KEY4。三级警报，提示应急车道停有车辆；KEY5。确认键，按下相应的警报后需要再次按下确认键，警报信息才能够发送；KEY6。当事故消除后，在警报地点附近可以按下此按键消除警报；S1。用于选择事故检测装置的普通模式和高速驾驶模式(钮子开关的2引脚与MCU的PC13相连，该引脚的模式为上拉输入)。

2.4 警示灯装置灯光报警电路设计

当警示灯报警装置接收到警报信号时，且警报地点距离警示灯报警装置小于300 m，警示灯就会闪烁(红色警报两路灯快闪，黄色警报一路灯慢闪)。设计中，LED采用并联连接方式，该电路对电压要求较小。报警灯电路如图4所示。

图4 警示灯装置灯光报警电路

2.5 太阳能充放电电路设计

为方便设备使用，警示灯报警装置采用太阳能供电方式。该供电系统由太阳能电池板(12 V/5 W)、5 V稳压模块(DC-DC)、锂电池充放电模块及3.7 V锂电池组成。当太阳能板的输出电压在稳压模块的输入电压范围(5 ～18 V)内时，稳压模块输出电压会保持在5 V，电能就会通过锂电池充放模块传递给锂电池和警示灯报警装置，同时锂电池也会给警示灯报警装置提供电能[12]。电路图如图5所示。

图5 警示灯太阳能充放电电路

2.6 辅助电路设计

系统采用DC-5 V供电，单片机采用3 V直流电压供电。设计中采用AMS1117完成3.3 V电源电路设计，采用JQ8400-FL语音模块完成语音播报电路设计，通讯方式采用串口通信，芯片的RX和TX端口与接单片机串口3的TXD和RXD相接；SPK-和SPK+输出口与扬声器的正、负输入端相接。TFT屏显方案采用STM32F4的FSMC总线对液晶屏进行操作，通过这种方式可以有效提高显示效率。液晶屏命令控制采用SPI通信方式，数据宽度为16 bit，字库存储电路采用W25Q16完成设计，通过MCU读取TF内的字库并将这些字库加载进FLASH芯片中。该字库是用上位机软件在电脑上直接生成的文件，电路如图6所示。

图6 FLASH存储电路

3 软件程序设计

3.1 无线通信协议原理

为了便于系统间通信，仿照GPS导航设备统一的RTCM标准协议建立了一套简易的通信协议[13]。具体格式如表1所示。

表1 高速公路警报标准通信协议表

通信协议采用ASCII码定义通信语句。该协议语句的数据格式如下：“$”为语句起始标志；“,”为域分隔符；“*”为每一段的结束标志。通信实例如下：

“$HWWRES,1,2,* ”

(1)警报编号(6位数字)；

(2)警报等级(“111”一级警报，严重事故；“101”二级警报，有团雾；“010”二级警报，中间车道停有故障车辆；“001”三级警报，应急车道停有车辆)；

“$HWWADR,3,4,5,6,*”

(3)纬度数值(“0°～90°”小数点后保留4位)；

(4)南北纬(“N”北纬；“S”南纬)；

(5)经度数值(“0°～180°”小数点后保留4位)；

(6)东西经(“E”东经；“W”西经)。

“$HWWCLE,7,*”

(7)警报编号(6位数字)，和1相同。

说明：只有事故检测装置在警报发生地点附近，警报解除命令才能发送成功。

3.2 事故检测和警示灯装置主程序设计

事故检测装置上电后，首先对串口、FLSH、LCD进行初始化。其中无线模块串口通讯的波特率为115 200，所以与之相连的串口1波特率也设置为115 200；GPS模块的通讯波特率已经通过上位机软件u-center设置为38 400，所以与其相连的串口3波特率设置为38 400；语音播报芯片串口的波特率为9 600，则对应的单片机的串口2的波特率设置为9 600。串口初始化完成后，将无线模块设置为一般模式(MD0=0，MD1=0)。主程序流程如图7所示。

3.3 GPS数据解析子程序

GPS数据存储在GPS_DAT数组变量中，该数据是从USARTx_RX_BUF中复制的字符串信息。子程序首先解析GPGSV，该信息中包含卫星总数、卫星编号、卫星仰角、卫星方位角以及卫星信噪比等信息；接着解析GNGGA代码段，包含卫星定位状态、用于定位的卫星总数以及海拔高度等信息[14]。流程如图8所示。

GNGGA代码段解析完成后，然后对GNRMC代码段进行解析，这段代码最为重要，包括：经纬度、RTC日期；最后对GNVTG代码段进行解析，得到其中的地面速率。地面速率是用来判断警报发生的最重要信息。在得到每个数据后，程序都将相应的字符串数据转化为数值信息并保存在相应的结构体变量中，等待程序调用。

图7 整体设计流程

图8 GPS数据解析子程序流程图

3.4 距离计算子程序

由于地球是不规则的椭球体，利用两点经纬度信息计算两点的距离S(m)是系统难点。为提高计算的精度减小误差，系统采用成熟计算方法。其中自身经度纬度A_La、A_Lo都通过GPS模块得到，而目标的经纬度数据则通过无线模块接收。纬度平均1°的长度Lo_E的定义：每隔1°的维度线之间的平均距离，这个数值约为111 km。相同纬度所在位置1°径向长度La_E的定义：同一纬度上，每隔1°的经线间的弧长。这意味着不同纬度下La_E的大小是不同的[15]。这个数值通过查表可以得到，最后利用两点的距离公式得到S(m)。流程如图9所示。

图9 距离计算子程序流程图

4 系统功能测试

首先将指示灯装置启动后放置在跑道内侧，然后将事故检测装置打开固定在自行车上。当车辆速度保持在15 km/h，开启高速路模式，待装置定位成功后，无警报提示。当车辆静止后装置开始提示是否有紧急情况发生，按照提示操作后，警示灯开始闪烁报警。表2中的S1指钮子开关；KEY1～6指1～6号独立按键。在静态模拟测试模式下，实验结果见表2。

表2 模式切换测试表(事故检测装置和警示灯报警装置处

经过多次测试，系统功能能够正常执行,实验表明，该系统基本能够达到设计要求。为了验证系统的可行性，不仅除了进行室内调试，还进行了室外实验。但是，由于场地及工具的限制，没有进行远距离的数据测量及高速路上的实际应用情况测试。事故检测装置和警示灯报警装置实物如图10所示。

(a) 事故检测(b) 警示灯报警

图10 装置实物图

对经纬度距离计算精度多次测试，测量的两点距离的最大误差不超过4 m，完全符合设计要求；完成无线通信测试，系统丢包率小于1%,设计合理。

5 结 语

基于高速公路交通事故分析调查，总结出高速公路二次事故的诱因，提出二次事故的预防对策。采用STM32F4单片机作为事故检测装置的主控制芯片，采用STM32F1单片机作为警示灯报警装置的主控芯片，结合GPS定位和无线传输技术完成系统的构建。经过现场模拟测试，对系统性能进行验证，系统各项指标正常，设计合理，能够有效对前方路况进行预警，减少高速公路二次事故的发生。由于本系统完全自主设计，难免有所不足，很多功能在以后工作中加以完善。