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UNIVERSIDADE POSITIVO
NÚCLEO DE CIÊNCIAS EXATAS E TECNOLÓGICAS
ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO
Leonardo Romanowski
Rodrigo Wisniewski
SISTEMA DE DETECÇÃO E NOTIFICAÇÃO DE COLISÕES DE TRÂNSITO
Orientador: Amarildo Geraldo Reichel
Curitiba, 2015
RESUMO
Em emergências médicas a “hora de ouro” refere-se à primeira hora após
um traumatismo, e quanto mais rápido for a intervenção médica dentro deste
período, maiores são as chances de sobrevivência da vítima. Este princípio tem
guiado o desenvolvimento e a implementação de serviços de emergência no
mundo inteiro.
A fim de diminuir o tempo de atendimento às vítimas de acidentes de
trânsito é proposto um sistema que notificaria as autoridades de forma
automatizada, podendo ser aplicado em qualquer veículo, desde caminhões até
motocicletas.
O sistema é composto por duas partes, uma é instalada no veículo,
responsável por detectar a colisão e notificar a central informando dados da
posição GPS do veículo, força da colisão, data e hora de ocorrência. A segunda
parte é instalada na central de emergências das autoridades, sendo responsável
por receber os dados e disponibilizá-los aos operadores via software de PC. A
comunicação entre as duas partes é feita através de troca de mensagens SMS.
Palavras-chave: aviso de colisão, emergência, colisão de veículos, acidentes.
ABSTRACT
In medical emergencies, “the golden hour” refers to the first hour after a
trauma and the faster medical intervention within this period, the greater the
chances of victim’s survival. This principle has guided the development and
implementation of emergency services worldwide.
In order to reduce the service time to the victims of traffic accidents, a
system is proposed which would notify the authorities automatically, and can be
applied to any vehicle, from trucks to motorcycles.
Basically the system consists of two parts, one that is installed in the
vehicle, which is responsible for detecting the collision and notify the central
reporting of GPS position data, the collision force and date and time of
occurrence. The second part is installed at the center of the authority’s
emergencies, responsible for receiving the data and making them available to
operators via PC software. Communication between the two parties is done
through exchange of SMS messages.
Keywords: traffic, emergency, system, collision, accidents.
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ...................................................................................................................1
1.1 OBJETIVO GERAL ...................................................................................................1
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS ...................................................................................1
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ......................................................................................2
2.1 TRABALHOS SIMILARES ......................................................................................5
3 ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA ..........................................................................................6
3.1 ANÁLISE DE REQUISITOS ....................................................................................8
3.2 RESTRIÇÕES ............................................................................................................8
4 DESENVOLVIMENTO MÓDULO CENTRAL ...............................................................8
4.1 HARDWARE ..............................................................................................................9
4.2 SOFTWARE .............................................................................................................10
5 DESENVOLVIMENTO MÓDULO VEÍCULO ...............................................................12
5.1 HARDWARE ............................................................................................................12
6 TESTES E RESULTADOS ............................................................................................16
6.1 Alimentação e autonomia da bateria ................................................................16
6.2 Tempo sincronização GPS ..................................................................................16
6.3 Precisão das aferições do GPS ..........................................................................17
6.4 Observações gerais ..............................................................................................18
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS DE TRABALHOS FUTUROS ......................................19
8 BIBLIOGRAFIA ...............................................................................................................20
1
1 INTRODUÇÃO
A “hora de ouro” é conhecida como a primeira hora entre um acidente e a
estabilização de uma vítima de poli traumatismo, estima-se que para cada minuto
perdido a chance de sobrevivência reduza em 1%. O tempo entre o acidente e o
pedido de ajuda pode variar muito dependendo das condições em que o acidente
ocorra (ATLS, 2008).
Quando a vítima fica inconsciente, por exemplo, ela depende de outros
motoristas ou de testemunhas do acidente para solicitar ajuda, o que nem
sempre ocorre devidos às condições da pista, do transito ou climáticas. O
objetivo deste projeto é reduzir o tempo de aviso de acidente aos órgãos
competentes, reduzindo consequentemente a chegada de ajuda.
1.1 OBJETIVO GERAL
Este projeto tem como objetivo criar um sistema remoto de detecção de
colisão de veículo automotor, reduzindo o tempo de pedido de socorro e
consequentemente reduzindo o tempo total entre o acidente e a ajuda médica
especializada, aumentando a chance de sobrevivência de vítimas.
1.2 OBJETIVOS ESPECÍFICOS
Estudo de métodos para detecção de impactos em veículos automotores,
determinação da magnitude de força a ser medida, escolha de componentes
mais adequados ao projeto;
Teste dos módulos GPS, GSM e sensores separadamente;
Junção dos módulos em um único circuito embarcado, desenvolvimento e
confecção de uma placa para comportar todos módulos, desenvolvimento do
código firmware;
Desenvolvimento do firmware e do software de recepção da informação de
colisão;
2
Testes de avaliação de desempenho do sistema.
2 FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
Segundo relatórios da World Health Organization (WHO), acidentes de
trânsito são atualmente a terceira maior causa de mortes no mundo, ficando
atrás apenas de doenças cardíacas e do câncer. Deste total de mortes no
trânsito, aproximadamente 50% representa morte resultante por colisão entre
veículos (OMS, 2013).
Diversas inovações urbanas e tecnológicas têm ajudado a reduzir o
número de vítimas de acidentes de transito na última década. Como exemplo, o
simples aumento em 1% do uso do cinto de segurança estima-se que seja
suficiente para salvar 136 vidas (Cohen and L. Einav, 2003). Mesmo com todas
as inovações, a partir do momento em que um acidente ocorre, muitas vezes o
tempo se torna fator primordial no auxílio das vítimas. Cada minuto entre o
acidente e chegada do socorro pode fazer uma grande diferença na chance de
sobrevivência. Segundo análises, o atraso de 1 minuto no tempo de resposta a
uma vítima de acidente equivale a uma redução de 6% na quantidade de vidas
salvas (Evanco, 1996).
Um dos principais fatores de mortalidade em acidentes de transito é o
trauma craniano. Estima-se que a taxa de mortalidade de pessoas com um
hematoma intracraniano pode atingir de 40 a 90%, dependendo principalmente
do tempo entre o atendimento, a identificação e o procedimento operatório.
Mesmo em casos de menos criticidade, existiriam diversos benefícios de
um sistema de aviso automático de colisão. Podem ser citados como exemplo
alguns dos casos estudados pela Crash Injury Research CIREN. Como o
motorista que ficou 8 dias preso nas ferragens após sair da estrada e cair em
um declive (figura 1.1), sobreviveu após um longo tratamento em uma unidade
de traumatologia. Ou o casal de idosos que após colidir com uma árvore acabou
caindo em uma vala fora da visão de outros motoristas (figura 1.2). O casal não
foi encontrado até a manhã seguinte após o acidente. A esposa, passageira, foi
3
encontrada morta e o motorista em estado crítico. Após exames de necropsia,
foram encontrados aproximadamente 3 litros de sangue na cavidade torácica da
vítima, concluindo-se que se o acidente houvesse sido relatado a tempo ela
poderia ter sobrevivido. (CIREN, 2012).
Figura 1 – Exemplos de acidentes estudados pelo CIREN.
De acordo com estudos realizados por Evanco (1996), o tempo médio de
notificação de um acidente em áreas urbanas é de 5.2 minutos.
Para definir qual intensidade de força g seria o gatilho para ação de envio
das informações, foi utilizado um estudo realizado por Nordhoff (2005), que
identificou que o pico de desaceleração deveria ser menor que 26 g, para que
se possa reduzir o risco de fraturas mais graves para menos de 25%.
A força “g” é uma unidade de aceleração que causa peso, e pode ser
medida com um acelerômetro. É um efeito da inércia que pode ser sentido pelo
corpo humano, como uma sensação de peso, principalmente em grandes
variações de velocidade como por exemplo o impacto de um carro, como pode
ser observado na Tabela 1, onde podem ser vistos diversos resultados de crash
4
tests produzidos pela GM (EDR, 2007). A unidade g se baseia na aceleração da
gravidade da terra.
Tabela 1 – Exemplos de força g em crash tests.
Test
# Veículo Velocidade (km/h)
Força g
máxima
4923 2004 Cadillac SRX 56.7 −39.5
4244 2002 Chev Trailblazer 56.5 −35.3
4238 2002 Cadillac De Ville 56.8 −32.5
4487 2003 Saturn Ion 56.1 −32.0
4899 2004 Chevrolet Colorado 57.0 −31.1
4198 2002 Saturn Vue 56.3 −31.0
4445 2003 Chevrolet Cavalier 55.9 −26.0
4918 2004 GMC Envoy XUV 56.7 −25.4
4472 2003 Chevrolet Silverado 55.9 −25.4
Fonte: EDR, 2007.
Na tabela 2 podem ser vistos alguns outros exemplos de intensidade de
força g e suas aplicações em sistemas de medição e controle.
Tabela 2 – Intensidades de forças g x aplicações.
Fonte: Saber, 2008.
5
2.1 TRABALHOS SIMILARES
Recentemente, um dos principais órgãos de avaliação de segurança
veicular do mundo o European New Car Assessment Programme, concedeu
prêmios a diversos fabricantes pelos sistemas desenvolvidos de alerta de
colisão automático.
Dentre os diversos premiados pelos sistemas conhecidos como eCall, um
dos mais notáveis é o desenvolvido pela empresa BMW. O sistema
desenvolvido por eles detecta colisões e envia automaticamente a posição do
carro para uma central remota.
Esta central remota recebe além da informação da posição do veículo,
informações enviadas por diversos sensores presentes no carro, como por
exemplo, se houve ativação dos airbags, capotamento, ou se o usuário fazia
uso do cinto de segurança no momento da colisão. Utilizando um algoritmo
desenvolvido pela própria empresa, o URGENCY, que faz a análise das
informações. Com essa analise pode ser estimada a gravidade do acidente
ajudando o atendente a enviar a assistência mais adequada à situação. Este
sistema de emergência tem custo de 199 euros anuais e atualmente só está
disponível em alguns países da Europa(BMW, 2009).
Outro sistema comercial semelhante em uma realidade nacional, é o do
novo Ford Ka, que em caso de acidente com acionamento de airbags ou corte
da bomba de combustível, entrará em contato com o Serviço de Atendimento
Móvel de Urgência SAMU. A ligação é feita através de um celular conectado ao
sistema SYNC do carro via bluethoot. O sistema realiza uma chamada telefônica
padrão informando que “um veículo Ford se envolveu em um acidente nas
coordenadas X e Y” e depois abre a linha para tentativa de comunicação. O
sistema da Ford não possui acionamento manual para evitar chamadas falsas
(FORD, 2015).
Um dos primeiros trabalhos encontrados, desenvolvido na Índia, (DRATS,
2012) utiliza um acelerômetro e um sistema GSM próprio embarcado, para
enviar uma mensagem padrão a um número pré-determinado informando que o
veículo está envolvido em um acidente. Para o envio da mensagem, foram
6
determinados valores e atribuídos índices de gravidade ao acidente que enviaria
a mensagem apenas em casos de acidentes de maior gravidade. O grande
problema deste trabalho é que não há informação da posição onde o acidente
ocorreu, e tentar determinar a gravidade de um acidente sem conhecimento de
todas variáveis é extremamente complexo.
No trabalho AVADS, 2013, em caso de colisão o sistema envia as
coordenadas GPS via SMS para um celular registrado. Um dos problemas deste
trabalho é que foi utilizado um sensor de baixa força-g entre -1,5g e +1,5g
portanto qualquer freada brusca já enviaria uma mensagem de colisão. Um
problema comum aos trabalhos anteriores é que não possuem uma interface
pronta de recepção da mensagem.
3 ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA
O objetivo principal desde projeto é o desenvolver um sistema capaz de
identificar o momento em que um veículo sofre uma colisão, avaliar a intensidade
do choque e de forma automática notificar uma central em menos de um minuto
com dados de posição GPS, força da colisão, data e hora de ocorrência,
possibilitando que o socorro às vítimas seja mais rápido.
O projeto apresenta dois módulos principais e um software de PC. O
módulo do veículo é composto por um acelerômetro, um módulo GPS, um
módulo GSM/GPRS controlados por um módulo Arduino MEGA responsável por
enviar os dados do acelerômetro e GPS via um SMS pelo módulo GSM.
O segundo módulo é o da central, composto por um dispositivo
GSM/GPRS controlado por um micro controlador ATmega328P. O módulo é
responsável por receber o SMS, enviado pelo módulo do veículo com os dados
do acelerômetro e GPS, e redirecionar estes dados para o software do PC via
porta USB.
Por fim o software do PC é composto de um navegador Internet Explorer
que utiliza a API do Google Maps para fazer a apresentação dos dados recebidos
a partir da leitura da porta USB.
7
A Figura 2 apresenta uma visão geral do projeto com a interligação dos
componentes principais.
Figura 2 – Visão geral do projeto.
Desta forma, pode-se dizer que o sistema apresenta as seguintes
funcionalidades:
Detecção do momento (data e hora) da colisão;
Detecção da força da colisão;
Detecção do posicionamento GPS do veículo no momento da colisão;
Envio e recebimento de dados da colisão via mensagem SMS;
Apresentação de forma gráfica a localização, momento e força da colisão;
MÓDULO VEÍCULO
ACELERÔMETRO GPS GSM/GPRS
ARDUINO MEGA
MÓDULO CENTRAL
ARDUINO UNO
GSM/GPRS
USB
SOFTWARE
PC
GSM via SMS
8
3.1 ANÁLISE DE REQUISITOS
Para a medição da força g foi utilizado um acelerômetro com capacidade
de detectar colisões acima de 60km/h e com nível lógico de operação compatível
com Arduino.
Para o software do PC foi utilizado uma aplicação WPF nativa (Windows
Presentation Fundation) para que o acesso à porta USB fosse direto, podendo
assim se comunicar com o módulo central. Para a apresentação dos dados da
colisão no navegador foi utilizado a API do Google Maps por ter amplo suporte
e documentação, ser conhecido mundialmente, além de ser fácil de usar.
Para a obtenção do posicionamento GPS foi utilizado um módulo com
precisão de pelo menos 30 metros, e com nível lógico de operação compatível
com Arduino.
Para a comunicação via SMS foi utilizado um módulo GSM/GPRS com
operação nas quatro principais bandas (850/900/1850/1900), suporte a
comandos AT, e com nível lógico de operação compatível com Arduino.
Para o controle foi utilizado um módulo Arduino com clock de 16MHz para
atender aos níveis de acuracidade necessárias para detectar uma colisão. Além
de interface UART para comunicação com os módulos de GPS e GSM, e portas
analógicas para a leitura do acelerômetro.
3.2 RESTRIÇÕES
O módulo do veículo deve ser construído de forma que resista o impacto
de uma colisão com intensidade de pelo menos 200g, valor máximo que o
acelerômetro é capaz de detectar.
4 DESENVOLVIMENTO DO MÓDULO CENTRAL
9
4.1 HARDWARE
Para o módulo central foi utilizado o módulo Arduino UNO e o módulo
GSM/GPRS da EFCom.
As razões pela escolha do ATmega328P foram pelo seu custo reduzido,
simplicidade em sua arquitetura, e pela possibilidade de alimentação através de
uma fonte externa. O microcontrolador tem 32 kB de memória flash e 2kB de
memória RAM, sendo o suficiente para gravar e rodar o firmware.
O módulo GSM/GPRS da EFCom foi escolhido por ter disponibilidade em lojas
do Brasil, fazendo com que o custo fosse baixo, além de ter a disponibilidade de
vir montado em um shield compatível com o Arduino UNO, o que facilitou o
interfaceamento entre as duas partes. Além disso, vem equipado com um chip
da SIMCom modelo SIM900, com suporte aos comandos AT e consegue operar
nas quatro principais bandas 800/900/1800/1900. O shield também conta com a
possibilidade de escolha da tensão de operação de 3.3V ou 5V através de um
jumper.
Um detalhe importante do projeto do módulo central, foi a necessidade de utilizar
uma fonte externa de 9V com capacidade de corrente de saída de 1A, devido ao
módulo GSM/GPRS, em momentos de pico de processamento consumir até 2A.
A seguir são apresentadas as Figuras 3 e 4, ilustrando respectivamente o
hardware do protótipo da central e o fluxograma da lógica do firmware que é
executado no protótipo da central.
10
Figura 3 – Módulo da central.
Figura 4 – Fluxograma do firmware do módulo da central.
4.2 SOFTWARE
O software do PC foi desenvolvido em linguagem C# com WPF para a plataforma
Windows 7 ou superior, utilizando a IDE de desenvolvimento MS Visual Studio
10. Tem como função ler o buffer da porta USB, extrair os dados da colisão, e
plotar no Google Maps um marcador com as informações. A Figura 5 mostra o
Início
Inicializa comunicação serial
Inicializa módulo GSM/GPRS
Existe
alguma
mensage
m não
lida?
Não
Sim
Lê mensagem do módulo
Envia string para a porta serial
Fim
Formata string da mensagem
11
fluxograma de funcionamento do software da central de recepção e a principal
tela do programa pode ser observada na Figura 6.
Figura 5 – Fluxograma do software da central de recepção no PC.
Início
Dado
disponível no
buffer da porta
USB?
Inicializa comunicação
serial
Inicializa componente do
browser
Não
Sim
Lê buffer da serial
Faz chamada JavaScript na API do
Google Maps
Adiciona marcador no mapa com
informações da colisão
Fim
12
Figura 6 – Tela principal do programa de recepção e visualização.
5 DESENVOLVIMENTO MÓDULO VEÍCULO
5.1 HARDWARE
Após a definição da magnitude de força a ser detectada pelo acelerômetro
e da definição de escopo do projeto, foram selecionados os componentes de
hardware a serem utilizados. O primeiro componente para o módulo do veículo
foi o micro controlador Atmega 1280, utilizado principalmente pela ampla
disponibilidade de portas UART.
O acelerômetro escolhido para o projeto foi o ADXL377. A faixa de
medição de acelerações é da ordem de -200g a +200g nos 3 eixos, e
sensibilidade de 6,5mV/g. Foi utilizado o módulo ADXL377 da Adafruit, com
regulador 3.3V e saídas analógicas radio métricas, isto é, a medida 0g metade
da escala total, será sempre metade da tensão total 1,65V. O módulo da Adafruit
também já vem com capacitores de 0,01uF para cada saída analógica,
resultando em uma largura de banda de 500Hz.
13
O módulo GSM escolhido foi o da Adafruit FONA, com um circuito de
carga onboard com bateria própria, não exigindo uma alimentação externa. O
módulo possui diversas funcionalidades que poderiam ser utilizadas em
trabalhos futuros como por exemplo adicionar chamadas de voz direto do
módulo.
Para aquisição da posição do veículo foi escolhido o módulo GPS da
ITEAD com interface para cartão SD, uma antena de recepção de alta
sensibilidade e extrema velocidade para primeira aquisição mesmo com sinal
não favorável.
Após o teste de cada módulo separadamente, foi realizada a união dos
módulos em protoboard conforme o diagrama da Figura 7 e desenvolvido o
firmware final representado pelo fluxograma da Figura 8.
Figura 7 – Diagrama elétrico do módulo do carro.
14
Figura 8 – Fluxograma do firmware do módulo do veículo.
Após o teste de funcionamento do firmware na versão final foi
desenvolvida a placa no software fritzing. O software é open-source e utilizado
principalmente para confecção de placas de circuito impresso. Ele possui uma
ampla biblioteca de fabricantes tornando mais simples o desenvolvimento de
hardware. O resultado final são as trilhas da Figura 9, obtendo como resultado
final o protótipo apresentado no EngWorkshop 2015 representado na Figura 10.
15
Figura 9 – Trilhas do fritzing.
Figura 10 – Protótipo final apresentado no EngWorkshop 2015 da
Universidade Positivo.
16
6 TESTES E RESULTADOS
6.1 Alimentação e autonomia da bateria
Como o projeto foi baseado no micro controlador Atmega, e a demanda
de corrente dos componentes utilizadas é baixa, toda a alimentação é feita pelo
próprio microcontrolador, que pode ser alimentado pelo 12V do veículo. A
bateria do FONA de 500mAh é utilizada apenas quando for necessário o envio
do sms. No modo standby o consumo do FONA é muito baixo, o que faz com
que a bateria dure vários dias.
6.2 Tempo sincronização GPS
Foram realizadas 10 inicializações do sistema para verificar o tempo
mínimo de sincronismo do GPS. Os testes foram realizados em ambiente
interno, levemente desfavorável quando comparado ao ambiente externo:
Tabela 3 – Tempo de sincronização do GPS.
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Em ambientes como subsolos ou estruturas com paredes de concreto ou
grossas o tempo de sincronização é muito superior, chegando a valores como
12 minutos em alguns testes.
6.3 Precisão das aferições do GPS
Foram feitas 10 medições com o módulo GPS em ambiente fechado para
verificar a precisão do GPS, sendo obtidos os resultados demonstrados na
tabela 4:
Tabela 4: Medições com o módulo GPS.
Como pode-se verificar na Figura 11, todas medidas ficaram muito
próximas mesmo em um ambiente não favorável, obtendo uma margem de erro
de 7 m no pior dos casos.
18
Figura 11 – Posições das coordenadas da Tabela 2 no Google Earth.
6.4 Observações gerais
O módulo FONA se mostrou extremamente disponível, em nenhum dos
testes realizados houve problema no envio das mensagens por falta de sinal, e
os tempos de recebimento da mensagem utilizando simcards da mesma
operadora ficaram entre 3 s e 7 s.
O acelerômetro ADXL377 apresentou boa precisão, o que pode ser
confirmado com base no módulo em repouso alinhado com a própria gravidade.
Em testes de impacto é impossível precisar a força real sem utilizar outros
métodos ou um ambiente controlado.
Para os testes de impacto foi utilizado um carro em escala e utilizada
como referência a força resultante de 5 g para disparo da mensagem para a
central.
19
7 CONSIDERAÇÕES FINAIS E TRABALHOS FUTUROS
Para o ganho de velocidade na transmissão da informação da colisão, o
sistema é extremamente dependente da infraestrutura de telefonia disponível
no lugar e no momento da colisão. O projeto demonstrou resultados satisfatórios
quando utilizado em ambientes externos, sem atenuação do sinal GPS e GSM
por estruturas como paredes.
Uma das grandes melhorias para o projeto seria determinar a gravidade
das colisões, com esta informação a pessoa que recebê-la poderia determinar
o tipo de socorro mais adequado para cada caso. O problema é que para
determinar a gravidade de colisões, o nível de complexidade e de integração
entre sistemas do carro fica extremamente grande, como por exemplo, o
simples fato de um passageiro estar ou não utilizando o cinto de segurança. O
que pode fazer grande diferença na gravidade do impacto para a vítima até
mesmo em uma colisão de baixa força. O ideal seria a integração de todos os
sistemas já existentes com o projeto desenvolvido, como ativação de airbags,
corte da bomba de combustível, aviso de utilização de cinto de segurança,
verificação da velocidade em que o carro estava no momento da colisão, entre
outros.
Outra adição a este projeto que traria benefícios, seria a criação de um
banco de dados com informações de todas as batidas detectadas, com o
objetivo de determinar trechos em rodovias e cidades com maior quantidade de
colisões. Com estas informações poderiam ser realizadas ações preventivas
nos trechos com maiores índices de acidentes.
20
8 BIBLIOGRAFIA
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