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基于RFID和衛(wèi)星導航技術的車距監(jiān)測預警系統(tǒng)
作者：維庫
來源：RFID世界網(wǎng)
日期：2011-07-25 10:45:07
摘要：本文基于RFID和衛(wèi)星導航技術實現(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，實時計算獲取車輛距離。
引言
汽車為人類社會的發(fā)展做出了突出的貢獻，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)星導航技術實現(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，實時計算獲取車輛距離。
此方案與雷達測距等其他實現(xiàn)方案相比，具有成本低、結構簡單、精準度高等優(yōu)點。
1 RFID和衛(wèi)星導航技術簡介
RFID技術最早出現(xiàn)在二戰(zhàn)時期，當時成功應用于飛機的敵我識別系統(tǒng)?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為21世紀最重要的技術之一。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，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。
衛(wèi)星導航技術最早應用于20世紀70年代由美國陸海空三軍聯(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)星到接收機的距離，應用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置（X、Y、Z），實現(xiàn)對對象位置的確定。
2 系統(tǒng)整體設計方案
本系統(tǒng)設計包括單片機控制模塊、射頻通信模塊、衛(wèi)星導航模塊、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電源轉換為5V電源，以凌陽SPCE061A型16位單片機為控制中心，使用nRF2401無線射頻收發(fā)模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，使用OTrack-32北斗/GPS/GLONASS多模兼容導航芯片模塊實現(xiàn)經(jīng)緯度坐標的獲取，同時使用12864型LCD顯示模塊實時顯示車距檢測信息，并使用蜂鳴器和LED實現(xiàn)聲光報警。系統(tǒng)框圖如圖1所示。
當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防碰撞算法進行處理。單片機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行數(shù)據(jù)結構隊列排序處理。
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的安全車距進行對照，當汽車車距小于安全距離時，通過聲音和燈光向駕駛員進行報警。
3 系統(tǒng)硬件設計
3.1 微控制器
SPCE061A是臺灣凌陽科技生產(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(tǒng)的控制領域，還可擴展應用于控制處理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字信號處理等領域，具有廣泛的應用空間。本系統(tǒng)以凌陽單片機為控制中心，實現(xiàn)對射頻收發(fā)模塊、衛(wèi)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的單片無線射頻收發(fā)芯片，可同時實現(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(shù)據(jù)；接口2接收數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)信息的雙向傳輸。
3.3 衛(wèi)星導航模塊
本系統(tǒng)所需衛(wèi)星導航模塊采用北京東方聯(lián)星所產(chǎn)衛(wèi)星導航芯片Otrack-32，可同時接收北斗二號、GPS、GLONASS衛(wèi)星信號，實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)合導航定位、測速、定時。Otrack-32芯片實現(xiàn)了當今世界上最快速的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；通過了嚴格的地面測試和多種載體動態(tài)試驗。Otrack-32芯片為導航、測量、授時等專業(yè)導航領域提供了完全國產(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)緯度等相關信息。點陣型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，縱向顯示64點，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
當車距較近時，通過單片機輸出信號，使聲光報警器工作。本系統(tǒng)采用一個LED和蜂鳴器實現(xiàn)聲光報警，使用2個單片機輸出端口分別實現(xiàn)對LED和蜂鳴器的控制。
電路原理如圖2所示。
系統(tǒng)工作時，首先進行系統(tǒng)自檢和初始化設置，并通過LCD模塊顯示“歡迎使用”界面。然后通過衛(wèi)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進行處理。
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３所示。
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時經(jīng)緯度信息進行動態(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：
5.2 汽車行駛方向判定模型
在實際情況中，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，及與[An-1,Bn-1]的值進行比較，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。設汽車駛向的方向為1，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)測試和驗收測試重點在于檢驗設計的合理性和驗證系統(tǒng)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(tǒng)硬件模塊測試、軟件系統(tǒng)測試和軟硬件聯(lián)合調試四個方面進行。
?。?）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，可滿足系統(tǒng)應用要求。
?。?）對12864LCD顯示模塊進行測試，實現(xiàn)了字符、漢字及特定圖像的顯示，模塊測試無誤。
?。?）衛(wèi)星導航模塊測試。將程序寫入單片機，連接衛(wèi)星導航模塊，將接收到的數(shù)據(jù)在LCD顯示器上顯示，顯示結果穩(wěn)定。
?。?）射頻收發(fā)模塊測試。連接單片機，用兩組模塊進行收發(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寫入單片機中，該模塊可正常發(fā)出聲光信號。
7 結語
本系統(tǒng)利用衛(wèi)星導航和RFID技術實現(xiàn)車距測量，通過調試，系統(tǒng)運行正常，達到了預期目標。但是，還有許多地方需要進一步探究，比如衛(wèi)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。
汽車為人類社會的發(fā)展做出了突出的貢獻，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)星導航技術實現(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，實時計算獲取車輛距離。
此方案與雷達測距等其他實現(xiàn)方案相比，具有成本低、結構簡單、精準度高等優(yōu)點。
1 RFID和衛(wèi)星導航技術簡介
RFID技術最早出現(xiàn)在二戰(zhàn)時期，當時成功應用于飛機的敵我識別系統(tǒng)?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展成為21世紀最重要的技術之一。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，實現(xiàn)對被識別物體的自動識別。
衛(wèi)星導航技術最早應用于20世紀70年代由美國陸海空三軍聯(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)星到接收機的距離，應用三維坐標中的距離公式，利用3顆衛(wèi)星，就可以組成3個方程式，解出觀測點的位置（X、Y、Z），實現(xiàn)對對象位置的確定。
2 系統(tǒng)整體設計方案
本系統(tǒng)設計包括單片機控制模塊、射頻通信模塊、衛(wèi)星導航模塊、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電源轉換為5V電源，以凌陽SPCE061A型16位單片機為控制中心，使用nRF2401無線射頻收發(fā)模塊實現(xiàn)數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，使用OTrack-32北斗/GPS/GLONASS多模兼容導航芯片模塊實現(xiàn)經(jīng)緯度坐標的獲取，同時使用12864型LCD顯示模塊實時顯示車距檢測信息，并使用蜂鳴器和LED實現(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
當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防碰撞算法進行處理。單片機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行數(shù)據(jù)結構隊列排序處理。
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的安全車距進行對照，當汽車車距小于安全距離時，通過聲音和燈光向駕駛員進行報警。
3 系統(tǒng)硬件設計
3.1 微控制器
SPCE061A是臺灣凌陽科技生產(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(tǒng)的控制領域，還可擴展應用于控制處理、數(shù)據(jù)處理以及數(shù)字信號處理等領域，具有廣泛的應用空間。本系統(tǒng)以凌陽單片機為控制中心，實現(xiàn)對射頻收發(fā)模塊、衛(wèi)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的單片無線射頻收發(fā)芯片，可同時實現(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(shù)據(jù)；接口2接收數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)信息的雙向傳輸。
3.3 衛(wèi)星導航模塊
本系統(tǒng)所需衛(wèi)星導航模塊采用北京東方聯(lián)星所產(chǎn)衛(wèi)星導航芯片Otrack-32，可同時接收北斗二號、GPS、GLONASS衛(wèi)星信號，實現(xiàn)多系統(tǒng)聯(lián)合導航定位、測速、定時。Otrack-32芯片實現(xiàn)了當今世界上最快速的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；通過了嚴格的地面測試和多種載體動態(tài)試驗。Otrack-32芯片為導航、測量、授時等專業(yè)導航領域提供了完全國產(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)緯度等相關信息。點陣型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，縱向顯示64點，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。
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3.5 聲光報警電路
當車距較近時，通過單片機輸出信號，使聲光報警器工作。本系統(tǒng)采用一個LED和蜂鳴器實現(xiàn)聲光報警，使用2個單片機輸出端口分別實現(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
系統(tǒng)工作時，首先進行系統(tǒng)自檢和初始化設置，并通過LCD模塊顯示“歡迎使用”界面。然后通過衛(wèi)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進行處理。
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３所示。
圖３ 系統(tǒng)軟件流程圖
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時經(jīng)緯度信息進行動態(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：
5.2 汽車行駛方向判定模型
在實際情況中，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，及與[An-1,Bn-1]的值進行比較，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。設汽車駛向的方向為1，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)測試和驗收測試重點在于檢驗設計的合理性和驗證系統(tǒng)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(tǒng)硬件模塊測試、軟件系統(tǒng)測試和軟硬件聯(lián)合調試四個方面進行。
?。?）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，可滿足系統(tǒng)應用要求。
?。?）對12864LCD顯示模塊進行測試，實現(xiàn)了字符、漢字及特定圖像的顯示，模塊測試無誤。
?。?）衛(wèi)星導航模塊測試。將程序寫入單片機，連接衛(wèi)星導航模塊，將接收到的數(shù)據(jù)在LCD顯示器上顯示，顯示結果穩(wěn)定。
?。?）射頻收發(fā)模塊測試。連接單片機，用兩組模塊進行收發(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寫入單片機中，該模塊可正常發(fā)出聲光信號。
7 結語
本系統(tǒng)利用衛(wèi)星導航和RFID技術實現(xiàn)車距測量，通過調試，系統(tǒng)運行正常，達到了預期目標。但是，還有許多地方需要進一步探究，比如衛(wèi)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。
