蜂群式交通運(yùn)輸系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與發(fā)展

王沛國(guó)

摘 要 如今我們的生活節(jié)奏越來(lái)越快，車(chē)輛成為人們生活中的必需品，伴隨而至的交通問(wèn)題也層出不窮，在我們上班上學(xué)的過(guò)程中堵車(chē)可謂是家常便飯各大一線(xiàn)城市的堵車(chē)更是壯觀(guān)。行車(chē)過(guò)程中，剮蹭、碰撞也是屢見(jiàn)不鮮，重特大交通事故也時(shí)有發(fā)生。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計(jì)（WHO）統(tǒng)計(jì)全球每年有120萬(wàn)人死于車(chē)禍，平均每25秒就有一人死于車(chē)禍。我國(guó)平均有200人每天因車(chē)禍死亡或受傷，平均每五分鐘就有一人死于車(chē)禍。我國(guó)汽車(chē)世界保有量為世界的3%但卻造成了世界上16%的車(chē)禍，而目前，我國(guó)2017年汽車(chē)保有量將突破2.9億，如何防止和避免各類(lèi)車(chē)禍的發(fā)生，提高公路系統(tǒng)的運(yùn)行效率，使人民群眾出行生活更便捷，成為了一種迫在眉睫需要解決的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】擁堵 交通規(guī)則 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

而目前以沈陽(yáng)市位例，沈陽(yáng)市警方統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明無(wú)序駕駛，隨意變換車(chē)道，疲勞駕駛，粗心大意成為了車(chē)禍的主因。通過(guò)交通安全教育，民眾交通安全意識(shí)增強(qiáng)的同時(shí)，我們是否可以從技術(shù)層面對(duì)于車(chē)輛進(jìn)行升級(jí)，讓交通事故少發(fā)生，不發(fā)生呢，這當(dāng)然是可以的。既然無(wú)序駕駛成為了目前交通事故頻發(fā)的主要原因，那么是否可以從技術(shù)層面在車(chē)輛的設(shè)計(jì)上對(duì)于無(wú)序駕駛進(jìn)行杜絕呢。其實(shí)在生物界我們就有很多類(lèi)似的例子。以蜜蜂為例，看似無(wú)序的蜂群其實(shí)存在著非常嚴(yán)格的秩序，即使再密集的蜂群也不會(huì)出現(xiàn)撞擊同伴的空難，這源于蜜蜂腹部的超流磁性，根據(jù)地球的磁場(chǎng)對(duì)蜂群進(jìn)行規(guī)劃。所以對(duì)于龐大的交通網(wǎng)絡(luò)是否可以運(yùn)用蜂群式控制方式來(lái)進(jìn)行管理，保證到杜絕無(wú)序駕駛，提高出行效率，更加方便人民群眾的出行。

1 關(guān)于蜂群式控制系統(tǒng)

1.1 流程略圖

如圖1所示。

1.2 分步說(shuō)明

車(chē)輛：車(chē)輛的主要針對(duì)對(duì)象是民用私家車(chē)、運(yùn)輸車(chē)輛、民用特種車(chē)輛。

路況反應(yīng)機(jī)制：

路況反應(yīng)機(jī)制由車(chē)載傳感器（溫度，濕度，震動(dòng)，光學(xué)傳感器，計(jì)時(shí)器組成，分別檢測(cè)地面溫度，地面濕度，積水水深，能見(jiàn)度，路面顛簸程度，擁堵程度等路況問(wèn)題）北斗衛(wèi)星導(dǎo)航（負(fù)責(zé)計(jì)算擁堵程度，重新規(guī)劃路線(xiàn)，導(dǎo)航等作用）組成。其作用主要是對(duì)路況信息進(jìn)行匯總，將路面的自然狀況和人為狀況首先反映給北斗衛(wèi)星，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將所有信息匯總給并為擁堵區(qū)域車(chē)主規(guī)劃新的行駛路線(xiàn)，在規(guī)劃的同時(shí)將匯總過(guò)的路況信息反饋給城市智能交通系統(tǒng)，并由城市智能交通系統(tǒng)進(jìn)行下一步行動(dòng)。

信息交互機(jī)制：

信息交互機(jī)制由紅外傳感器（計(jì)算車(chē)距和行車(chē)方向）車(chē)載計(jì)算機(jī)（1、對(duì)于紅外傳感器的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算；2、接收和發(fā)送相關(guān)信息；3、對(duì)車(chē)輛的相關(guān)功能進(jìn)行控制；4、車(chē)流物聯(lián)網(wǎng)）旨在對(duì)于外界信息的接受和反饋，對(duì)于內(nèi)在信息的上傳和分析，以及對(duì)車(chē)輛的控制。

藍(lán)牙遙控機(jī)制：

由藍(lán)牙遙控軟件，藍(lán)牙，車(chē)載計(jì)算機(jī)組成，針對(duì)酒駕，疲勞駕駛等問(wèn)題設(shè)計(jì)，車(chē)主可以利用手機(jī)APP與車(chē)載藍(lán)牙和車(chē)載計(jì)算機(jī)鏈接，并下達(dá)指令，在自動(dòng)模式下車(chē)主可以讓車(chē)輛獨(dú)自去接送家人，運(yùn)輸貨物等活動(dòng)；在手動(dòng)模式下，車(chē)主可以通過(guò)手機(jī)對(duì)車(chē)輛進(jìn)行遙控，讓車(chē)輛在車(chē)主的遙控下行駛。

2 智能車(chē)模藍(lán)牙遙控系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案

2.1 創(chuàng)作目的

通過(guò)把步進(jìn)電機(jī)作為可移動(dòng)輪式車(chē)模的動(dòng)力部分，同時(shí)增加一些任務(wù)，將步進(jìn)電機(jī)的控制和單片機(jī)、模電、數(shù)電、算法等知識(shí)一起糅合，已經(jīng)具有初步的系統(tǒng)性框架，是一種帶有智能的步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)，本次設(shè)計(jì)主要體現(xiàn)在軟件流程編輯上。

2.2 所需硬件

電腦：處理器 AMD Opteron（tm） Processor 6320、內(nèi)存 16G 以上、硬盤(pán) 500G以上；

STC89C52RC單片機(jī)；

手機(jī)：安卓系統(tǒng) 內(nèi)存1G及以上。

STC89C52標(biāo)準(zhǔn)功能：

具有以下標(biāo)準(zhǔn)功能：8k字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM， 32 位I/O 口線(xiàn)，看門(mén)狗定時(shí)器，內(nèi)置4KB EEPROM，MAX810復(fù)位電路，3個(gè)16 位定時(shí)器/計(jì)數(shù)器，4個(gè)外部中斷，一個(gè)7向量4級(jí)中斷結(jié)構(gòu)（兼容傳統(tǒng)51的5向量2級(jí)中斷結(jié)構(gòu)），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護(hù)方式下，RAM內(nèi)容被保存，振蕩器被凍結(jié)，單片機(jī)一切工作停止，直到下一個(gè)中斷或硬件復(fù)位為止。

2.3 創(chuàng)作過(guò)程

根據(jù)車(chē)模的功能要求，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)程序流程圖，編寫(xiě)了車(chē)模基本運(yùn)動(dòng)子程序、藍(lán)牙子程序，并根據(jù)車(chē)模驅(qū)動(dòng)模塊驅(qū)動(dòng)芯片的工作原理，編寫(xiě)了車(chē)模驅(qū)動(dòng)程序，最終，通過(guò)主程序調(diào)用將其連為一個(gè)整體。完成了系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)。

2.4 技術(shù)描述部分

2.4.1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

智能車(chē)模藍(lán)牙遙控系統(tǒng)軟件整體示意圖，如圖2所示，其中手機(jī)部分，包括手機(jī)APP、手機(jī)的藍(lán)牙模塊，控制部分包括單片機(jī)最小系統(tǒng)、藍(lán)牙從機(jī)模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊。

2.4.2 小車(chē)模型底盤(pán)結(jié)構(gòu)

小車(chē)模型底盤(pán)包括車(chē)輪4個(gè)，直流電機(jī)4個(gè)，車(chē)身底板1個(gè)，以及單片機(jī)控制系統(tǒng)電路板。其中，每個(gè)車(chē)輪由一個(gè)直流電機(jī)控制，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊控制直流電機(jī)的正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)小車(chē)模型的前進(jìn)后退等基本動(dòng)作。

設(shè)輪子1正轉(zhuǎn)為前進(jìn)，小車(chē)模型基本動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)如表1，根據(jù)車(chē)輪正轉(zhuǎn)反轉(zhuǎn)的不同，可以實(shí)現(xiàn)前進(jìn)、后退、左轉(zhuǎn)、右轉(zhuǎn)、停止等基本動(dòng)作。

L298電機(jī)驅(qū)動(dòng)芯片，可以通過(guò)兩位數(shù)字信號(hào)控制一個(gè)電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)，因此，需要兩個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，控制四個(gè)直流電機(jī)的正、反轉(zhuǎn)。

2.4.3 單片機(jī)與藍(lán)牙模塊的連接

本次藍(lán)牙模塊設(shè)計(jì)綜合考慮市場(chǎng)上的主流方案，我依據(jù)技術(shù)較成熟最成熟及成本較低的原則，采用了CC2540藍(lán)牙芯片作為的單模式低功率藍(lán)牙解決方案。

藍(lán)牙模塊與單片機(jī)的連接有兩種方案，一種是利用CC2540的GPIO口與單片機(jī)的IO口連接，傳輸數(shù)字信號(hào)；一種是利用CC2540的URAT串口進(jìn)行數(shù)據(jù)透?jìng)?，傳輸給單片機(jī)的串行緩沖寄存器。本次我選用了第一種方案，CC2540具有19個(gè)GPIO口，這些IO口一般都有各自的特殊功能，一般不適用他們作為GPIO口，這里選擇不影響研究目標(biāo)功能的三個(gè)GPIO口P0.7、P0.6和P0.5，分別連接單片機(jī)的P2.7、P2.6和P2.5。

2.4.4 智能手機(jī)APP的設(shè)計(jì)

目前市場(chǎng)上有很多基于CC2540的APP共享軟件成熟方案，可以很方便的下載來(lái)進(jìn)行二次設(shè)計(jì)。此處也可以描述成借助親戚朋友等外力來(lái)完成二次匹配，畢竟此次設(shè)計(jì)的著重點(diǎn)在控制。

APP運(yùn)行平臺(tái)選擇Android系統(tǒng)，APP的開(kāi)發(fā)環(huán)境，為Windows7 64bit旗艦版，開(kāi)發(fā)軟件選擇eclipse。開(kāi)發(fā)語(yǔ)言使用java語(yǔ)言。APP需要實(shí)現(xiàn)的功能，包括調(diào)用手機(jī)藍(lán)牙模塊作為主機(jī)模塊，掃描到從機(jī)模塊，建立連接，并通過(guò)模擬串口傳遞數(shù)據(jù)。

如圖3所示，我在上述流程的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了用戶(hù)界面，包括動(dòng)作按鈕，掃描從機(jī)按鈕，以及更多的命令開(kāi)發(fā)按鈕。

src-com.nordisemi.xxx下的java文件為安卓工程的主程序文件， MainActivity.java中為主程序，負(fù)責(zé)調(diào)用其他函數(shù)完成APP的工作；DeviceListActivity.java中定義了諸多函數(shù)，在APP調(diào)用藍(lán)牙模塊掃描從機(jī)時(shí)調(diào)用。它定義了一個(gè)public class，包括匹配設(shè)備時(shí)需要各種設(shè)備表單存放。

UartService.java中定義了串口傳輸中的諸多宏，包括串口對(duì)應(yīng)的char，主機(jī)UUID，以及數(shù)據(jù)發(fā)送函數(shù)。定義了RX和TX的UUID，與藍(lán)牙協(xié)議棧不同，在安卓工程中，UUID由完整的128位十六進(jìn)制數(shù)表示。

前進(jìn)按鈕的功能代碼中，massage為要通過(guò)藍(lán)牙串口傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，定義為GO，并在listAdapter中顯示，通過(guò)writeRXCharacteristic函數(shù)傳輸。其中，函數(shù)傳輸?shù)牟皇侵苯拥膍assage，而是將message轉(zhuǎn)碼儲(chǔ)存在value中。其他按鈕代碼與此類(lèi)似，其中send按鈕稍微不同，massage得到的字符不是固定的，而是獲取text欄數(shù)據(jù)。

2.4.5 單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

單片機(jī)程序的流程圖如圖4所示。

其中，串口初始化主要設(shè)置串口的比特率為9600，同時(shí)藍(lán)牙協(xié)議棧中的串口初始化也需要將串口比特率設(shè)置為9600。默認(rèn)藍(lán)牙串口比特率為115200，單片機(jī)在11.0594MHz晶振下很難準(zhǔn)確達(dá)到這個(gè)比特率。在11.0592MHz晶振、9600波特率下，單片機(jī)可以與藍(lán)牙模塊串口保持良好的通訊。

藍(lán)牙模塊將數(shù)據(jù)通過(guò)串口，傳給單片機(jī)時(shí)，會(huì)存放在單片機(jī)的SBUF緩存中，RI會(huì)自動(dòng)置1，此時(shí)將緩存區(qū)的數(shù)據(jù)存在char型變量kumo中，方便主程序調(diào)用處理。串口檢測(cè)函數(shù)如下：

void bluetooth（）

{

if（RI） //是否有數(shù)據(jù)傳過(guò)來(lái)

{

RI=0；

kumo = SBUF； //接收命令

2.5 后期設(shè)計(jì)的思路

通過(guò)這次設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制，加入藍(lán)牙模塊配合APP可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。

通過(guò)設(shè)計(jì)對(duì)STC89C52RC單片機(jī)有了更深入的理解，通過(guò)該芯片還可以開(kāi)發(fā)完善更多的功能，例如：加上語(yǔ)音識(shí)別芯片可以實(shí)現(xiàn)控；

加入傳感器實(shí)現(xiàn)自主尋跡、避障；

因?yàn)閷?duì)于實(shí)驗(yàn)材料和相關(guān)知識(shí)的缺失，無(wú)法對(duì)其他兩大機(jī)制進(jìn)行研究，故本文僅對(duì)于藍(lán)牙遙控機(jī)制作為介紹。

感想：

在日后的將來(lái)，我希望蜂群式交通系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)。因?yàn)槲覉?jiān)信通過(guò)這種控制系統(tǒng)在某種程度上降低車(chē)禍發(fā)生的幾率，挽救更多無(wú)辜的生命。同時(shí)也可以提高交通運(yùn)輸體系的運(yùn)行效率，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，也為我們的生活出行多添一份方便、一份安全、一份保障。

但蜂群式系統(tǒng)的思維不僅僅是交通運(yùn)輸，還可以是更多的領(lǐng)域，在軍事領(lǐng)域，蜂群思維下的無(wú)人機(jī)可以更好的協(xié)作完成任務(wù)，在高空或海底布置雷區(qū)，對(duì)建筑物進(jìn)行偵查，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行突襲等。不但成本低，還可以減少傷亡，何樂(lè)而不為。在信息工程的領(lǐng)域，例如美國(guó)洛杉磯市啟動(dòng)過(guò)的“深藍(lán)計(jì)劃”，育碧游戲公司的《看門(mén)狗》系列作品中的CTOS城市中央控制系統(tǒng)。他們都利用蜂群式思維對(duì)城市的一切進(jìn)行控制，讓人們的生活井井有條，讓犯罪分子無(wú)處可逃。

這將是一種趨勢(shì)，蜂群式控制系統(tǒng)將會(huì)是一種新的物與物之間的秩序模式，也將是軍事，交通，信息工程，航空航天的新型控制理念。

作者單位

西安高新第一中學(xué) 陜西省西安市 710075