摘 要： 本文主要研究基于“射頻識別技術”（RFID）的汽車記錄儀的設計。該系統(tǒng)在傳統(tǒng)車輛行駛記錄儀的基礎上添加了射頻識別模塊與一個攝像頭模塊,，射頻識別模塊實現(xiàn)了即使不停車也能獲取實時車輛行駛狀態(tài)參數(shù)的功能,，幫助交通執(zhí)法部門實時監(jiān)控車輛行駛狀況,，有效地控制超速和其他違規(guī)行為。攝像頭模塊使駕駛員能夠隨時掌控汽車行駛時的周邊環(huán)境,。整個系統(tǒng)工作在可靠性高,、實行性強的RTOS UCOS-II之上。
關鍵詞： 汽車記錄儀,；射頻識別技術,；UCOS-II；攝像頭模塊
0 引言
現(xiàn)代交通工具的急劇發(fā)展為人類帶來了便捷,，但交通事故的比率也隨之增加,。汽車行駛狀態(tài)記錄儀可以有效預防駕駛員的違章駕駛，降低車輛發(fā)生交通事故的可能性,，因此它已被廣泛應用在多個國家和地區(qū),。據(jù)統(tǒng)計顯示使用汽車行駛狀態(tài)記錄儀可成功減少交通事故的37%~52%[1]。
射頻識別技術是射頻技術和IC卡技術高度集成的產(chǎn)物,，源于20世紀90年代,。射頻識別技術是一種非接觸性的自動識別技術，已被廣泛應用于生產(chǎn),、管理,、生活等多個領域。與傳統(tǒng)的條型碼,、磁卡及IC卡相比,，射頻卡具有非接觸、閱讀速度快,、無損,、不受環(huán)境影響、壽命長,、便于使用的特點,，并具有防沖突功能，能同時處理多張卡片,。在國外,，射頻識別技術已被廣泛應用于工業(yè)自動化、商業(yè)自動化,、交通運輸控制管理等眾多領域,。
把射頻識別技術應用到車輛行駛記錄儀上，就可以在不停車的情況下獲取車輛的狀態(tài)參數(shù),。一方面方便了交通管理部門對行車的管制,，例如疲勞駕駛和超速；另一方面可以提高駕駛員的責任意識。與此同時車輛行駛數(shù)據(jù)記錄儀的數(shù)據(jù)記錄還可以為交通事故的分析提供真實,、有效,、科學的證據(jù)。
1 總體設計方案
本課題所設計的汽車行駛記錄儀主要實現(xiàn)以下功能：自檢功能,；實時時間,、日期及駕駛時間的采集、記錄,、存儲功能,；車輛行駛速度的測量、記錄,、存儲功能,；車輛行駛里程的測量、記錄,、存儲功能,；駕駛員身份記錄功能；鍵盤操作功能,；數(shù)據(jù)顯示,；數(shù)據(jù)通信功能；周邊環(huán)境的觀測,、記錄、存儲功能,；記憶永久性,、不可刪除、恢復性強,?？傮w結(jié)構如圖1所示。
2 硬件結(jié)構
2.1 微處理器
根據(jù)系統(tǒng)設計需要,，采用意法半導體的STM32F103ZET6作為主控制芯片,。STM32F103ZET6是一款基于CortexTM-M3的32位微處理器。CortexTM-M3是一款基于ARMV-7體系結(jié)構的處理器核,，具有低功耗,、短延時中斷、低成本等優(yōu)點,，適用于微控制系統(tǒng),、汽車控制系統(tǒng)、工業(yè)控制系統(tǒng)等,。STM32F103ZET6芯片工作頻率可達72 MHz,，具有內(nèi)置高速存儲器（高達512 KB的閃存和64 KB的SRAM），豐富的增強I/O端口和連接到兩條APB總線的外設。包含3個12位的ADC,、4個通用16位定時器和2個PWM定時器,，還包含標準和先進的通信接口：2個I2C接口、3個SPI接口,、2個I2S接口,、1個SDIO接口、5個USART接口,、一個USB接口和一個CAN接口,。該芯片的性能和外設配置非常適合做主控制板的核心芯片[2]。
2.2 FRID技術原理
RFID技術利用無線射頻方式在閱讀器和射頻卡之間進行非接觸雙向數(shù)據(jù)傳輸,，以達到目標識別和數(shù)據(jù)交換的目的,。最基本的RFID系統(tǒng)由三部分組成：標簽、閱讀器,、天線,。系統(tǒng)的基本工作流程是：閱讀器通過發(fā)射天線發(fā)送一定頻率的射頻信號，當射頻卡進入發(fā)射天線工作區(qū)域時產(chǎn)生感應電流,，射頻卡獲得能量被激活,；射頻卡將自身編碼等信息通過卡內(nèi)置發(fā)送天線發(fā)送出去；系統(tǒng)接收天線接收到從射頻卡發(fā)送來的載波信號,，經(jīng)天線調(diào)節(jié)器傳送到閱讀器,，閱讀器對接收的信號進行解調(diào)和解碼，然后送到后臺主系統(tǒng)進行相關處理,；主系統(tǒng)根據(jù)邏輯運算判斷該卡的合法性,，針對不同的設定做出相應的處理和控制，發(fā)出指令信號控制執(zhí)行機構動作,。按照不同的方式,，射頻卡有幾種不同分類。按供電方式分為有源卡和無源卡,。有源是指卡內(nèi)有電池提供電源,，其作用距離較遠，但壽命有限,、體積較大,、成本高，且不適合在惡劣環(huán)境下工作,；無源卡內(nèi)無電池,，它利用波束供電技術將接收到的射頻能量轉(zhuǎn)化為直流電源為卡內(nèi)電路供電，其作用距離相對有源卡短,，但壽命長且對工作環(huán)境要求不高,。按載波頻率分為低頻射頻卡、中頻射頻卡和高頻射頻卡。低頻射頻卡主要有125 kHz和134.2 kHz兩種,。低頻系統(tǒng)主要用于短距離,、低成本的應用中，如多數(shù)的門禁控制,、校園卡,、動物監(jiān)管、貨物跟蹤等,。中頻射頻卡頻率主要為13.56 MHz,，用于門禁控制和需傳送大量數(shù)據(jù)的應用系統(tǒng)。高頻射頻卡主要為433 MHz,、 915 MHz,、2.45 GHz、5.8 GHz等,，應用于需要較長的讀寫距離和高讀寫速度的場合[3],。
2.3 攝像頭模塊
此系統(tǒng)采用的攝像頭模塊OV7670是OV（Omni Vision）公司生產(chǎn)的CMOS VGA圖像傳感器。該傳感器體積小,、工作電壓低,，提供單片VGA攝像頭和影像處理器的所有功能。通過SCCB總線控制,，可以整幀,、子采樣、取窗口等方式輸出各種分辨率為8位影像數(shù)據(jù),。該產(chǎn)品采集VGA圖像最高達到30 幀/s,。用戶可以完全控制圖像質(zhì)量、數(shù)據(jù)格式和傳輸方式,。
ALIENTEK OV7670攝像頭模塊通過FIFO讀取,，用于暫存圖像數(shù)據(jù),，且便于獲取圖像數(shù)據(jù),，而不再需要單片機具有高速I/O，也不會耗費多少CPU,。攝像頭模塊存儲圖像數(shù)據(jù)的過程為：等待OV7670同步信號,，F(xiàn)IFO寫指針復位，F(xiàn)IFO寫使能,，等待第二個OV7670同步信號,，F(xiàn)IFO寫禁止。通過以上5個步驟,，即可完成1幀圖像數(shù)據(jù)的存儲,。在存儲完一幀圖像以后開始讀取圖像數(shù)據(jù)。讀取過程為：FIFO讀指針復位給FIFO讀時鐘（FIFO_RCLK）讀取第一個像素高字節(jié)，給FIFO讀時鐘,，讀取第一個像素低字節(jié),，給FIFO讀時鐘，讀取第二個像素高字節(jié),，循環(huán)讀取剩余像素,，結(jié)束。把這些數(shù)據(jù)寫入LCD模塊,，就可以看到攝像頭捕捉到的畫面了[2],。
OV7670的功能框圖如圖2所示。
2.4 數(shù)據(jù)采集
數(shù)據(jù)采集模塊主要包括輸入通道,、I/O接口,、計數(shù)器、A/D轉(zhuǎn)換器,。此系統(tǒng)的所有信號采集都基于現(xiàn)有的車載傳感器,。信號采集可分為3類：模擬量、開關量,、瞬間量,。模擬量主要指車內(nèi)溫度、濕度等,。開關量主要包括駕駛員信息,、制動器、指示燈,、車門,、壓力制動和手制動，所有的開關量經(jīng)光耦合隔離,。瞬間量包括速度,、里程、駕車時間及汽車行駛狀態(tài)記錄和周邊壞境監(jiān)控等,?？紤]到車內(nèi)有許多干擾源，該系統(tǒng)進行了駕駛室信號和采集通道信號的光學隔離和信號調(diào)節(jié),。信號設置成開關值,，以便于這些狀態(tài)變量可以直接作為處理器的輸入。
溫濕度數(shù)據(jù)采集由傳感器DHT11完成,。數(shù)據(jù)采用校驗和方式進行校驗,，有效地保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_性。每隔100 ms左右讀取一次數(shù)據(jù),，并把溫濕度顯示在LCD上,。里程和速度數(shù)據(jù)采集通過一款高性能GPS定位模塊ATK-NEO-6M完成,。該模塊自帶可充電后備電池，在主電源斷電后,，可以維持半小時左右的GPS數(shù)據(jù)接收和保存,。
2.5 信息存儲
根據(jù)國家相關機構的標準，車輛行駛數(shù)據(jù)記錄儀存儲的數(shù)據(jù)應該包括兩部分：一是汽車的實時數(shù)據(jù),，要求提供事故前后20 s的數(shù)據(jù),。二是汽車的歷史數(shù)據(jù)，應該包括車輛和駕駛員360小時內(nèi)的行駛狀態(tài),。車輛實時數(shù)據(jù)存儲要求嚴格,，其存儲不但要求高實時還應該是安全的，掉電后存儲的數(shù)據(jù)不丟失,。因此這個系統(tǒng)選擇SRAM作為數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng),。SRAM速度快而且可多次復寫，掉電以后仍可以存儲數(shù)據(jù),，具備了Flash和EEPROM的優(yōu)點,，此外SRAM有充電電容，它不僅僅可以簡化系統(tǒng)電路,，而且成本低,，可以提高系統(tǒng)可靠性，非常適合這個系統(tǒng),。此系統(tǒng)采用SD卡作為外部存儲器,，它不僅容量大（32 GB以上），而且編程簡單,、支持SPI接口,、方便移動，并且可保證信息存儲的永久性和可靠性[4],。
2.6 人機交互
本系統(tǒng)通過液晶顯示器顯示行車參數(shù),，例如瞬時速度、每分鐘速度,、每十分鐘的速度,、時間、日期,、車內(nèi)溫濕度和總的行駛里程,。還通過液晶實現(xiàn)觸摸屏鍵盤輸入法用來采集駕駛員信息,。為了方便用戶查閱不同的內(nèi)容和輸入相應駕駛員信息,，系統(tǒng)設置了主菜單，菜單單項有已存數(shù)據(jù),、圖片記錄,、GPS,、USB連接、開始記錄,、系統(tǒng)設置,、照相機、時鐘,、輸入信息[5-6],。
3 軟件結(jié)構
軟件設計采用
C/OS-II操作系統(tǒng)。因為
C/OS-II有開源代碼,、代碼簡短,、條理清晰、實時性及安全性能很高的優(yōu)點,。車輛行駛數(shù)據(jù)記錄儀的軟件主要功能是完成實時監(jiān)測和車輛行駛狀態(tài)記錄,。此系統(tǒng)中有監(jiān)測記錄的主程序。主程序可以完成各個子系統(tǒng)的基本功能,，甚至還包括數(shù)據(jù)采集模塊,、數(shù)據(jù)存儲模塊、人機接口模塊,。如圖3所示,。
此系統(tǒng)有兩種模式：記錄模式和通信模式。記錄模式是車輛行駛時,，系統(tǒng)周期性地收集所有的狀態(tài)和當前駕駛員的行車信息,，例如速度、行駛時間,、車內(nèi)溫濕度,、行車周圍環(huán)境等。它將收集的數(shù)據(jù)以及日期和時間等參數(shù)存儲到數(shù)據(jù)存儲器中,。通信模式是當車輛停止時系統(tǒng)通過通信接口和PC機交換數(shù)據(jù),，這些數(shù)據(jù)可以上傳也可以下載。當用USB進行通信時,，系統(tǒng)提供鍵盤選擇相應的操作,。當用RS232進行通信時，數(shù)據(jù)傳輸?shù)牟倏赜蒔C機完成,，一些很強的實時工作如時間校準也由PC完成,。
系統(tǒng)工作流程如下：
（1）上電后初始化自檢,；
?。?）駕駛員認證；
?。?）LCD界面展示,；
?。?）當車輛行駛時，采集,、分析,、存儲、顯示所有的信號,。
4 調(diào)試及現(xiàn)象
該系統(tǒng)總體由STM32開發(fā)板及外設模塊,、ＧＰＳ模塊、射頻識別模塊,、攝像頭模塊,、溫濕度模塊構成。
該系統(tǒng)人機交互界面的主頁面設計由
C/OS-II操作系統(tǒng)完成,，主頁面主菜單項包括：已存數(shù)據(jù),、圖片記錄、GPS,、USB連接,、開始記錄、系統(tǒng)設置,、照相機,、時鐘、輸入信息,。
該系統(tǒng)所采集到的數(shù)據(jù),，例如駕駛員信息、汽車駕駛時間,、車內(nèi)溫濕度,、汽車行駛速度等參數(shù),，均可在屏幕上實時閱覽及存儲到ＳＤ卡上供事后查詢,。
此系統(tǒng)中漢字輸入采用T9輸入法。該系統(tǒng)通過一個和數(shù)字串對應的拼音索引表來實現(xiàn)T9拼音輸入,，只需要將輸入的數(shù)字串與索引表里所有成員進行對比,，將所有完全匹配的情況記錄下來，用戶要輸入的漢字就被確定了,，然后由用戶選擇可能的拼音組成（假設有多個匹配的項目）,，再選擇對應的漢字，即完成一次漢字輸入,。
5 結(jié)論
RFID是一個嵌入式系統(tǒng),，此系統(tǒng)使用高性能的
32位的RISC內(nèi)核，采用
C/OS-II操作系統(tǒng),。RFID是一種新的自動化識別技術,。因為它的多項優(yōu)點，如遠程識別,、存儲和攜帶更多信息,、更快的閱讀速度、廣泛應用等,，從而被廣泛地推廣應用,。系統(tǒng)中攝像頭模塊的應用可以讓駕駛員在車內(nèi)隨時觀察車周圍情況以便調(diào)整駕駛速度、方向,。這不僅能保障駕駛員安全,，還可以有效制止現(xiàn)如今社會關注的“碰瓷”問題，保障駕駛員利益,。
參考文獻
[1] 葉里莎.RFID技術的應用[J].通信技術,，2007，40（12）：267-271.
[2] 劉軍．例說STM32[M]．北京：北京航天航空大學出版社,，2011．
[3] 趙斌,，張紅雨．RFID技術的應用及發(fā)展[J].電子設計工程，2010,，18（10）：123-126．
[4] 廖義奎.Cortex-M3之STM32嵌入式系統(tǒng)設計[M].北京：中國電力出版社,，2012.
[5] 王曉薇.嵌入式操作系統(tǒng)μC/OS—II及應用開發(fā)[M]．北京：清華大學出版社，2012．