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。該系統在傳統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，射頻識別模塊實現了即使不停車也能獲取實時車輛行駛狀態參數的功能，幫助交通執法部門實時監控車輛行駛狀況，有效地控制超速和其他違規行為。攝像頭模塊使駕駛員能夠隨時掌控汽車行駛時的周邊環境。整個系統工作在可靠性高、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

　　現代交通工具的急劇發展為人類帶來了便捷，但交通事故的比率也隨之增加。汽車行駛狀態記錄儀可以有效預防駕駛員的違章駕駛，降低車輛發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。據統計顯示使用汽車行駛狀態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、管理、生活等多個領域。與傳統的條型碼、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自動化、商業自動化、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參數。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據記錄儀的數據記錄還可以為交通事故的分析提供真實、有效、科學的證據。

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；數據顯示；數據通信功能；周邊環境的觀測、記錄、存儲功能；記憶永久性、不可刪除、恢復性強。總體結構如圖1所示。

2 硬件結構

　　2.1 微處理器

　　根據系統設計需要，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體系結構的處理器核，具有低功耗、短延時中斷、低成本等優點，適用于微控制系統、汽車控制系統、工業控制系統等。STM32F103ZET6芯片工作頻率可達72 MHz，具有內置高速存儲器（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據傳輸，以達到目標識別和數據交換的目的。最基本的RFID系統由三部分組成：標簽、閱讀器、天線。系統的基本工作流程是：閱讀器通過發射天線發送一定頻率的射頻信號，當射頻卡進入發射天線工作區域時產生感應電流，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置發送天線發送出去；系統接收天線接收到從射頻卡發送來的載波信號，經天線調節器傳送到閱讀器，閱讀器對接收的信號進行解調和解碼，然后送到后臺主系統進行相關處理；主系統根據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，發出指令信號控制執行機構動作。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，且不適合在惡劣環境下工作；無源卡內無電池，它利用波束供電技術將接收到的射頻能量轉化為直流電源為卡內電路供電，其作用距離相對有源卡短，但壽命長且對工作環境要求不高。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。低頻系統主要用于短距離、低成本的應用中，如多數的門禁控制、校園卡、動物監管、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據的應用系統。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

　　此系統采用的攝像頭模塊OV7670是OV（Omni Vision）公司生產的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位影像數據。該產品采集VGA圖像最高達到30 幀/s。用戶可以完全控制圖像質量、數據格式和傳輸方式。

　　ALIENTEK OV7670攝像頭模塊通過FIFO讀取，用于暫存圖像數據，且便于獲取圖像數據，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據的過程為：等待OV7670同步信號，FIFO寫指針復位，FIFO寫使能，等待第二個OV7670同步信號，FIFO寫禁止。通過以上5個步驟，即可完成1幀圖像數據的存儲。在存儲完一幀圖像以后開始讀取圖像數據。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，給FIFO讀時鐘，讀取第一個像素低字節，給FIFO讀時鐘，讀取第二個像素高字節，循環讀取剩余像素，結束。把這些數據寫入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 數據采集

　　數據采集模塊主要包括輸入通道、I/O接口、計數器、A/D轉換器。此系統的所有信號采集都基于現有的車載傳感器。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記錄和周邊壞境監控等。考慮到車內有許多干擾源，該系統進行了駕駛室信號和采集通道信號的光學隔離和信號調節。信號設置成開關值，以便于這些狀態變量可以直接作為處理器的輸入。

　　溫濕度數據采集由傳感器DHT11完成。數據采用校驗和方式進行校驗，有效地保證數據傳輸的準確性。每隔100 ms左右讀取一次數據，并把溫濕度顯示在LCD上。里程和速度數據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數據接收和保存。

　　2.5 信息存儲

　　根據國家相關機構的標準，車輛行駛數據記錄儀存儲的數據應該包括兩部分：一是汽車的實時數據，要求提供事故前后20 s的數據。二是汽車的歷史數據，應該包括車輛和駕駛員360小時內的行駛狀態。車輛實時數據存儲要求嚴格，其存儲不但要求高實時還應該是安全的，掉電后存儲的數據不丟失。因此這個系統選擇SRAM作為數據存儲系統。SRAM速度快而且可多次復寫，掉電以后仍可以存儲數據，具備了Flash和EEPROM的優點，此外SRAM有充電電容，它不僅僅可以簡化系統電路，而且成本低，可以提高系統可靠性，非常適合這個系統。此系統采用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

　　本系統通過液晶顯示器顯示行車參數，例如瞬時速度、每分鐘速度、每十分鐘的速度、時間、日期、車內溫濕度和總的行駛里程。還通過液晶實現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容和輸入相應駕駛員信息，系統設置了主菜單，菜單單項有已存數據、圖片記錄、GPS、USB連接、開始記錄、系統設置、照相機、時鐘、輸入信息[5-6]。

3 軟件結構

　　軟件設計采用C/OS-II操作系統。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點。車輛行駛數據記錄儀的軟件主要功能是完成實時監測和車輛行駛狀態記錄。此系統中有監測記錄的主程序。主程序可以完成各個子系統的基本功能，甚至還包括數據采集模塊、數據存儲模塊、人機接口模塊。如圖3所示。

　　此系統有兩種模式：記錄模式和通信模式。記錄模式是車輛行駛時，系統周期性地收集所有的狀態和當前駕駛員的行車信息，例如速度、行駛時間、車內溫濕度、行車周圍環境等。它將收集的數據以及日期和時間等參數存儲到數據存儲器中。通信模式是當車輛停止時系統通過通信接口和PC機交換數據，這些數據可以上傳也可以下載。當用USB進行通信時，系統提供鍵盤選擇相應的操作。當用RS232進行通信時，數據傳輸的操控由PC機完成，一些很強的實時工作如時間校準也由PC完成。

　　系統工作流程如下：

　　（1）上電后初始化自檢；

　　（2）駕駛員認證；

　　（3）LCD界面展示；

　　（4）當車輛行駛時，采集、分析、存儲、顯示所有的信號。

4 調試及現象

　　該系統總體由STM32開發板及外設模塊、ＧＰＳ模塊、射頻識別模塊、攝像頭模塊、溫濕度模塊構成。

　　該系統人機交互界面的主頁面設計由C/OS-II操作系統完成，主頁面主菜單項包括：已存數據、圖片記錄、GPS、USB連接、開始記錄、系統設置、照相機、時鐘、輸入信息。

　　該系統所采集到的數據，例如駕駛員信息、汽車駕駛時間、車內溫濕度、汽車行駛速度等參數，均可在屏幕上實時閱覽及存儲到ＳＤ卡上供事后查詢。

　　此系統中漢字輸入采用T9輸入法。該系統通過一個和數字串對應的拼音索引表來實現T9拼音輸入，只需要將輸入的數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 結論

　　RFID是一個嵌入式系統，此系統使用高性能的 32位的RISC內核，采用C/OS-II操作系統。RFID是一種新的自動化識別技術。因為它的多項優點，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。系統中攝像頭模塊的應用可以讓駕駛員在車內隨時觀察車周圍情況以便調整駕駛速度、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嵌入式系統設計[M].北京：中國電力出版社，2012.

　　[5] 王曉薇.嵌入式操作系統μC/OS—II及應用開發[M]．北京：清華大學出版社，2012．