基于無線收發(fā)的緊急路況救援提示裝置

高旭峰 付超 栗家旺

摘要：近年來，救援車輛被堵事件時(shí)有發(fā)生，路段車輛無法提前得知救援車輛經(jīng)過，導(dǎo)致避讓緩慢。針對道路中車流高峰時(shí)期，如何保證救援時(shí)效性的問題，文章提出了一種基于單片機(jī)及CC1125芯片的無線信號收發(fā)器的設(shè)計(jì)。文章提出發(fā)射器總體設(shè)計(jì)的方案，在方案的基礎(chǔ)上分別從硬件及軟件角度闡述了中遠(yuǎn)距離收發(fā)無線信號的實(shí)現(xiàn)原理。經(jīng)過收發(fā)通信傳輸穩(wěn)定性的測試仿真實(shí)驗(yàn)，最終表明該設(shè)計(jì)傳輸穩(wěn)定性高，救援效率有了一定的提高，對幫助緊急救援車輛快速到達(dá)救援地點(diǎn)具有重要的意義。

關(guān)鍵詞：射頻；緊急救援；無線收發(fā)芯片CC1125

中圖分類號：TN92 ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全國每年救援車輛（如救護(hù)車、消防車等）被堵在救援路上的事時(shí)有發(fā)生，其主要是由于路段車輛未及時(shí)避讓，導(dǎo)致路段擁擠，救援車輛無法通過，從而不能第一時(shí)間到達(dá)救援地點(diǎn)，錯(cuò)失最佳救援時(shí)機(jī)，造成不可挽回的損失。隨著科技的發(fā)展，車輛的隔音效果越來越好，救援車輛拉響警報(bào)，附近的車輛多數(shù)無法及時(shí)察覺，從而耽誤救援時(shí)間。傳統(tǒng)的車載警示燈，警示范圍小，僅可提醒附近車輛而無法提醒稍遠(yuǎn)路段車輛。另外，路上車輛較多時(shí)，救援車輛可能會(huì)被其他車輛擋住，無法提示其他車輛做出避讓。救援車輛每耽誤一秒對于救援行動(dòng)來說都是致命的。

如何讓緊急救援車輛通暢行駛是我國目前在緊急救援方面的痛點(diǎn)，在此大背景下，本文設(shè)計(jì)了一種路況緊急救援提示裝置。該裝置提前讓路段上的司機(jī)知曉后方有緊急救援車輛以便及時(shí)做出避讓，讓救援車輛能通暢快速到達(dá)救援地點(diǎn)，從而解決緊急救援車輛被堵塞的問題。

1 總體方案設(shè)計(jì)

緊急救援是一個(gè)綜合性的問題，涉及環(huán)境、人員安全等多個(gè)方面。傳統(tǒng)的路況設(shè)備難以滿足突發(fā)事件發(fā)生時(shí)及時(shí)地救助和處置。裝置設(shè)計(jì)采用軟硬件結(jié)合將已有的無線傳播技術(shù)運(yùn)用到救援車輛警示上，實(shí)現(xiàn)技術(shù)再創(chuàng)新，再結(jié)合新型警示燈實(shí)現(xiàn)對路段車輛的提示。與傳統(tǒng)的車載警示燈相比較，路況緊急救援提示裝置將警示燈搬運(yùn)到路邊，采用范圍式發(fā)射信號，讓更遠(yuǎn)處的警示燈提前點(diǎn)亮，將后方會(huì)有緊急救援車輛通過的信息傳遞給路段車輛，以提前做出避讓。本文設(shè)計(jì)了一種新型裝置來替代傳統(tǒng)裝置：STM32單片機(jī)作為該系統(tǒng)核心控制器，通過射頻收發(fā)裝置采集信號并將數(shù)據(jù)傳輸給中央處理器模塊進(jìn)行處理后再輸出警示信息。

裝置采用軟件和硬件結(jié)合，其中硬件系統(tǒng)將基于CC1125無線信號收發(fā)芯片作為信號發(fā)射端，采用STM32處理器作為主控芯片［1］。硬件系統(tǒng)主要分為控制模塊、電源穩(wěn)壓模塊、無線收發(fā)模塊、RF放大電路、按鍵模塊、天線模塊、顯示模塊。硬件系統(tǒng)的中心頻率為433MHz，系統(tǒng)工作于410～480MHz的頻率范圍，最大輸出功率可達(dá)15 dBm，在無障礙場地傳輸距離在1 200 m以上，符合裝置需求。裝置應(yīng)用無線通信原理通過無線發(fā)射模塊發(fā)射數(shù)據(jù)，接收模塊接收到數(shù)據(jù)后做出相應(yīng)應(yīng)答，再通過接收模塊發(fā)射反饋信號給檢測端，實(shí)現(xiàn)全雙工通信。信號接收裝置采取路段式安裝，在同一路段同一側(cè)安裝同一種觸發(fā)信號的信號接收裝置，將相鄰的多個(gè)警示燈連接在同一個(gè)觸發(fā)器上，可節(jié)省大量資源。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 芯片控制

主控芯片采用STM32系列單片機(jī)［2］。STM32系列單片機(jī)是專為高性能、低成本、低功耗要求的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的內(nèi)核，具有超前的體系結(jié)構(gòu)，簡單易用、自由度大、低風(fēng)險(xiǎn)且程序資源豐富，可移植性高。綜合本次設(shè)計(jì)的需求，在電路中單片機(jī)通過按鍵輸入模塊采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并控制無線收發(fā)模塊發(fā)射相應(yīng)信號?？紤]MSP430的案例較少且價(jià)格較高，所以采用STM32單片機(jī)作為此次設(shè)計(jì)的控制中心，這款單片機(jī)在滿足所有設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，還極大地降低了整體的設(shè)計(jì)成本。

2.2 無線收發(fā)模塊

無線收發(fā)模塊采用TI公司的CC1125無線收發(fā)芯片。它是一款完備的、體積小、低功耗的全集成單芯片超高性能射頻（RF）窄帶收發(fā)器。該芯片得益于強(qiáng)大的鄰道抑制比（>60 dB），使得其抗干擾能力強(qiáng)于同類型其他產(chǎn)品。CC1125芯片內(nèi)部集成所有濾波器無須再添加濾波電路。芯片外接TG5032溫度補(bǔ)償晶體振蕩器，TG5032溫度補(bǔ)償晶體振蕩器質(zhì)地輕薄、體積小具有較優(yōu)的頻率溫度特征且穩(wěn)定性強(qiáng)，其頻率不會(huì)隨著使用時(shí)間的推移而發(fā)生大的變化，由于寬泛的工作溫度（-40℃～85℃）使其信號頻率誤差很小，即使工作溫度發(fā)生一定變化，該芯片的精準(zhǔn)度依然能保持在穩(wěn)定的狀態(tài)，對于安裝環(huán)境嚴(yán)苛的條件依然可以正常使用。

2.3 電源穩(wěn)壓模塊

電源穩(wěn)壓模塊包括穩(wěn)壓電路、Type-C接口電路、USB轉(zhuǎn)串口電路和復(fù)位按鍵電路。電源穩(wěn)壓模塊連接到車載電源為單片機(jī)、CC1125收發(fā)模塊和顯示模塊等提供5 V/1 A的穩(wěn)定電源。車載電源輸入采用更為普及的Type-C接口，相對于安卓接口Type-C接口傳輸速度更快、效率更高。

穩(wěn)壓電路由TPS799線性穩(wěn)壓器來控制，其帶有EN切換的涌入電流保護(hù)，運(yùn)用電阻電容調(diào)節(jié)電路電壓供給芯片，從而保證電壓穩(wěn)定。TPS799穩(wěn)壓器交流性能突出、僅消耗40 μA接地電流，還具備高電源抑制比、快速啟動(dòng)和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)特性。與陶瓷電容器搭配使用時(shí)可保持穩(wěn)定，并且TPS799使用先進(jìn)的BiCMOS制造工藝，擁有精密電壓基準(zhǔn)和反饋環(huán)路，可在全部負(fù)載、線路、過程和溫度變化范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)2%的總精度。

USB轉(zhuǎn)串口電路采用CH340E驅(qū)動(dòng)芯片控制［3］。CH340E兼容USB 2.0，在串口模式下，提供常用的MODEM聯(lián)絡(luò)信號，用于升級原串口外圍設(shè)備，或者通過USB總線為計(jì)算機(jī)增加額外串口。其外加電平轉(zhuǎn)換器，可提供RS232，RS422等接口［4］。CH340E在計(jì)算機(jī)端的Windows操作系統(tǒng)下，驅(qū)動(dòng)程序能夠仿真標(biāo)準(zhǔn)串口，所以絕大部分原串口應(yīng)用程序完全兼容，通常不需要做任何修改，其串口發(fā)送信號的波特率誤差小于0.3％，且為硬件全雙工串口，本身自帶晶振和收發(fā)緩沖區(qū)，支持3.3 V/5 V電源電壓、50 bps～2Mbps波特率通信，可直接應(yīng)用于電路中。

2.4 RF放大電路

RF放大電路使用ADL5536 RF放大器。ADL5536是一個(gè)20分貝的線性放大器，工作頻率1 GHz。ADL5536提供了內(nèi)部匹配的中頻增益塊可用的最高動(dòng)態(tài)范圍，這是通過在整個(gè)1 GHz頻率范圍內(nèi)同時(shí)提供極低的噪聲數(shù)字和非常高的OIP3規(guī)格來實(shí)現(xiàn)的。它還提供非常平坦的增益和P1dB頻率，在溫度、電源和設(shè)備之間都很穩(wěn)定。

3 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

當(dāng)救援車出任務(wù)時(shí)，隨車人員可通過該軟件選擇需要經(jīng)過的路段，然后通過軟件控制無線信號發(fā)射裝置發(fā)射需要經(jīng)過路段的信號，點(diǎn)亮警示燈。同時(shí)在軟件地圖上顯示警示燈的亮滅狀況。

路況緊急救援提示裝置的軟件設(shè)計(jì)包括主控電路中央處理器控制軟件和發(fā)射電路中STM32單片機(jī)工作軟件兩部分。程序流程如圖1所示。

主控電路中央處理器控制軟件除了目的地的設(shè)置，主要負(fù)責(zé)與路口燈的通信聯(lián)絡(luò)。它們之間的通信格式如表1所示。

系統(tǒng)開始后，將發(fā)射端串口初始化并置開中斷，CC1125和工作頻率設(shè)置、編碼格式、無線數(shù)據(jù)速率等初始化設(shè)置。系統(tǒng)置為發(fā)射狀態(tài)后，發(fā)射端發(fā)射信號，接收端的CC1125為接收狀態(tài)。當(dāng)接收端接收到觸發(fā)信號后控制警示燈亮，然后接收端的CC1125置為發(fā)射狀態(tài)，將警示燈的亮滅狀態(tài)反饋給發(fā)射端，如果警示燈不亮則重新發(fā)射信號；如果警示燈亮則發(fā)射端接收數(shù)據(jù)解碼后，經(jīng)串口送主控電路顯示警示燈已亮。

圖1 軟件流程

4 系統(tǒng)性能測試

系統(tǒng)穩(wěn)定性測試主要針對CC1125的信號發(fā)射與接收之間通信傳輸穩(wěn)定性進(jìn)行測試。結(jié)果如表2所示。

實(shí)際測試表明，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，接收端的警示燈能及時(shí)點(diǎn)亮，發(fā)射端能實(shí)時(shí)定位和顯示警示燈的亮滅狀況。

系統(tǒng)的發(fā)射端接車載電壓12 V經(jīng)降壓后采用3.3 V供給能量，在低功耗模式下，電流小于0.3 μA;在發(fā)射模式下，工作電流小于51mA;在接收模式下，工作電流小于26mA。接收端采用太陽能發(fā)電板為警示燈供電，極大地節(jié)省了經(jīng)費(fèi)，同時(shí)最大化滿足了系統(tǒng)工作的需求。

5 結(jié)語

本文針對救援車輛被堵在前往救援路上的問題設(shè)計(jì)了一種救援提示裝置，該裝置將單片機(jī)與CC1125無線收發(fā)芯片結(jié)合，通過無線傳輸技術(shù)對救援路段其他車輛進(jìn)行提示，減少救援車輛被堵情況，救援效率將有效提高。該設(shè)計(jì)也存在不足，對于救援車輛已經(jīng)經(jīng)過但是仍在無線信號范圍內(nèi)的路段，警示燈會(huì)依然點(diǎn)亮，這會(huì)誤導(dǎo)該路段司機(jī)，從而無法準(zhǔn)確判斷救援車輛是否經(jīng)過。

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（編輯 李春燕）

Emergency road condition rescue warning device based on wireless transceiver

Gao? Xufeng， Fu? Chao， Li? Jiawang

（College of Electronic and Electrical Engineering， Anhui Sanlian University， Hefei 230601， China）

Abstract：? In recent years， rescue vehicles have been blocked from time to time， and the vehicles on the road cannot know in advance the passing of rescue vehicles， resulting in slow avoidance. Aiming at the problem of how to ensure the timeliness of rescue during the traffic peak period， a wireless signal transceiver based on single chip microcomputer and CC1125 chip is proposed. Firstly， the overall design scheme of the transmitter is proposed， and secondly， the realization principle of transmitting and receiving wireless signals from the hardware and software perspectives is expounded on the basis of the scheme. Through the test and simulation experiment of the transmission stability of sending and receiving communication， the final result shows that the design has high transmission stability， and the rescue efficiency has been improved to a certain extent， which is of great significance for the relief of emergency rescue vehicles stuck on the rescue road.

Key words： RF; emergency rescue; wireless transceiver chip CC1125