高速公路ZigBee通訊主動(dòng)安全系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

康作寧

1（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)軟件學(xué)院，合肥230000）2（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)計(jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，合肥230000）3（中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)蘇州研究院，江蘇蘇州215123）

1 引 言

近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)是指日常智能終端對(duì)象的網(wǎng)絡(luò)互連，通過(guò)整合每一個(gè)對(duì)象，通過(guò)嵌入式系統(tǒng)，從而形成一個(gè)高密度分布的人類(lèi)周邊的所有其他通信設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)［7］提出的“高速公路車(chē)輛智能安全預(yù)警系統(tǒng)”采用的是GPRS＋GPS，服務(wù)器端＋車(chē)載終端的方式.該系統(tǒng)需要在四通八達(dá)的道路上搭建服務(wù)器，難度較高，特別是在高速公路等廣闊的區(qū)域內(nèi)搭建服務(wù)器，其成本和資源利用率較低.而且高速公路又往往是事故頻發(fā)場(chǎng)地，所以設(shè)計(jì)研發(fā)一款實(shí)用的高速公路主動(dòng)安全預(yù)警系統(tǒng)很重要.

2 研究?jī)?nèi)容

2.1 背景

在高速公路上時(shí)常發(fā)生車(chē)輛連環(huán)相撞事故，在大霧天和陰雨天等天氣惡劣的環(huán)境下，連環(huán)相撞事故發(fā)生的頻率也大大增加.連環(huán)相撞事故發(fā)生的原因一般是前車(chē)緊急制動(dòng)，后車(chē)駕駛員來(lái)不及反應(yīng)，沒(méi)有及時(shí)采取制動(dòng)措施，從而釀成了車(chē)禍［8］.后車(chē)駕駛員不能及時(shí)反應(yīng)并采取制動(dòng)措施的原因有兩點(diǎn)，一是惡劣天氣環(huán)境下，人眼可見(jiàn)度大幅降低；二是在高速公路上，長(zhǎng)時(shí)間行車(chē)，人的注意力難免下降，這也增加了駕駛員的反應(yīng)時(shí)間.所以在高速公路上，如何及時(shí)有效的對(duì)車(chē)輛進(jìn)行安全距離判斷，如何及時(shí)發(fā)送預(yù)警信息給目標(biāo)車(chē)輛，這兩點(diǎn)是研究的重點(diǎn).本系統(tǒng)從這兩個(gè)問(wèn)題出發(fā)，旨在提升安全距離判斷的能力，并且建立前后車(chē)之間信息便捷交互平臺(tái)，解決惡劣天氣環(huán)境下可視度低的問(wèn)題和減少駕駛員制動(dòng)前的反應(yīng)時(shí)間.

2.2 系統(tǒng)簡(jiǎn)介

目前行業(yè)內(nèi)研究的重點(diǎn)都是放在搭建車(chē)聯(lián)網(wǎng)服務(wù)器端＋車(chē)載終端的架構(gòu)上，本系統(tǒng)是基于ZigBee＋車(chē)載終端的架構(gòu)，利用ZigBee的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，使高速公路上的前后車(chē)之間能進(jìn)行信息交互.相比于其他通訊手段而言，ZigBee可以滿足廣泛的現(xiàn)實(shí)工業(yè)需求，更大的使用范圍，靈活的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)通信，可靠性高［5］.本系統(tǒng)通過(guò)GPS和加速度傳感器獲取車(chē)輛自身的狀態(tài)信息，通過(guò)ZigBee無(wú)線通訊建立車(chē)輛之間信息交互平臺(tái)，通過(guò)語(yǔ)音模塊及時(shí)預(yù)警.

3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 需求分析

3.1.1 硬件需求分析

定義1.安全車(chē)距.前后車(chē)在行駛狀態(tài)下，從前車(chē)緊急制動(dòng)時(shí)開(kāi)始，到后車(chē)發(fā)現(xiàn)緊急情況并采取制動(dòng)措施將車(chē)速降為0時(shí)所行駛的距離.設(shè)S［10］.

如圖1所示，安全車(chē)距公式為：

S＝S1＋S2＋S3

（1）

由安全車(chē)距公式的定義可知，行車(chē)安全距離由三部分組成：駕駛員反應(yīng)時(shí)間內(nèi)行駛距離S1；制動(dòng)器作用時(shí)間內(nèi)行駛距離S2；持續(xù)制動(dòng)時(shí)間內(nèi)行駛距離S3.

將制動(dòng)器作用時(shí)間內(nèi)行駛距離S2和持續(xù)制動(dòng)時(shí)間內(nèi)S3合并為制動(dòng)距離，行車(chē)安全距離的實(shí)際調(diào)研如表1所示.

圖1 安全車(chē)距計(jì)算模型Fig.1 Safety vehicle distance calculation model

由表1可知，在冰雪路面上，摩擦系數(shù)非常小，當(dāng)車(chē)速為90km/h時(shí)，安全距離最遠(yuǎn)為187.5m.通過(guò)行車(chē)安全距離的調(diào)研［12］.

表1 行車(chē)安全距離調(diào)研結(jié)果Table 1 Traffic safety distance survey results

表2 無(wú)線模塊技術(shù)指標(biāo)Table 2 Technical index of Wireless module

從表2中可知，有效通信距離為1200米，在4.1有效通信距離測(cè)試部分，進(jìn)行了系統(tǒng)實(shí)際通信距離測(cè)試，滿足通信模塊最短通信距離187.5m的要求.

3.1.2 軟件需求分析

定義2.信息相關(guān).本車(chē)接受到其他車(chē)輛的預(yù)警信號(hào)后，判斷會(huì)發(fā)生追尾碰撞，即為信息相關(guān).

下頁(yè)圖2（a）表示單個(gè)車(chē)輛節(jié)點(diǎn)的軟件控制流程.系統(tǒng)啟動(dòng)后，即不斷接受其他車(chē)輛的信息，并進(jìn)行判斷是否信息相關(guān).若信息相關(guān)，則進(jìn)行語(yǔ)音預(yù)警；若信息不相關(guān)，則丟棄信息.繼續(xù)接受其他車(chē)輛發(fā)送過(guò)來(lái)的信息，進(jìn)行信息相關(guān)的判斷.

本系統(tǒng)無(wú)線模塊負(fù)責(zé)接收GPS模塊的數(shù)據(jù)來(lái)獲得車(chē)輛的位置信息，接收加速度模塊的數(shù)據(jù)來(lái)獲得車(chē)輛的行駛狀態(tài).在實(shí)際行駛過(guò)程中，預(yù)警機(jī)制如圖2（b）所示，當(dāng)車(chē)輛B加速度大于特定值時(shí)，即可以認(rèn)為B正在進(jìn)行緊急制動(dòng)，同時(shí)通過(guò)無(wú)線模塊向周?chē)?chē)輛發(fā)出預(yù)警信號(hào).當(dāng)周?chē)?chē)輛A收到預(yù)警信號(hào)后，會(huì)根據(jù)自身與制動(dòng)車(chē)輛B之間的距離來(lái)判斷是否信息相關(guān).如果信息相關(guān)，車(chē)輛A的無(wú)線模塊將調(diào)用語(yǔ)音模塊發(fā)出預(yù)警播報(bào)；否則，將忽略掉B車(chē)的預(yù)警信號(hào).

圖2 軟件控制流程和行車(chē)預(yù)警模型Fig.2 Control flows of software and the vehicle warning model

3.2 硬件系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)硬件框架

系統(tǒng)的硬件框架如圖3（a）所示，車(chē)輛從GPS模塊和加速度模塊獲得自身的地理位置、速度和方向等信息；無(wú)線模塊將收到的車(chē)輛行駛狀態(tài)信息發(fā)送出去，同時(shí)接收來(lái)自其他車(chē)輛的信息；語(yǔ)音模塊接收控制模塊發(fā)出的警報(bào)指令后，發(fā)出語(yǔ)音預(yù)警信息提醒駕駛員.

圖3 硬件系統(tǒng)框架和硬件選型Fig.3 Hardware system framework and the module selection of hardware

3.2.2 硬件模塊選型

硬件型號(hào)的選擇實(shí)物如圖3（b），從左到右分別為：主控芯片CC2530PA，加速度模塊ADXL345，GPS模塊NEO-6，語(yǔ)音模塊WT588D.具體如表3所示.

3.2.3 硬件各模塊基本電路原理圖

加速度模塊基本工作電路如圖4（a），其中SDO為串行數(shù)據(jù)輸出，SDA為串行數(shù)據(jù)輸入，SCL為串行通信時(shí)鐘.

GPS模塊基本工作電路如圖4（b），其中RF＿IN為GPS信號(hào)輸入口，RxD1為串行輸入端口，TxD1為串行輸出端口.

語(yǔ)音模塊基本工作電路如圖4（c），采用三線串口控制PWM輸出方式.

表3 模塊性能和型號(hào)Table 3 Model performance and type

圖4 各模塊基本電路原理圖Fig.4 Basic circuit diagram of each module

3.3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)要設(shè)計(jì)三個(gè)方面，如表4所示.

表4 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)Table 4 Design of software system

3.3.1 無(wú)線模塊的通信功能

無(wú)線模塊的基本功能是進(jìn)行車(chē)輛間的無(wú)線通信.行駛車(chē)輛不斷采集自身的位置信息和加速度信息，當(dāng)圖2（b）中的車(chē)輛B緊急剎車(chē)時(shí)，B的無(wú)線模塊將向周?chē)鷱V播數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一定義為下頁(yè)表5所示.

3.3.2 無(wú)線模塊信息處理功能實(shí)現(xiàn)

整個(gè)系統(tǒng)信息處理功能的流程如圖2（a）所示，具體的追尾碰撞預(yù)警算法如下.

在收到一個(gè)正常數(shù)據(jù)包后，程序依次執(zhí)行三步：判別行駛方向是否相關(guān)；判別前后位置關(guān)系；計(jì)算兩車(chē)距離判別安全等級(jí).

表5 數(shù)據(jù)格式定義Table 5 Definition of data format

表6 追尾碰撞預(yù)警算法Table 6 Algorithm of rear impact early warning

定義3.車(chē)輛0°方向.設(shè)置正北方為0°，由GPS獲得車(chē)輛的具體位置信息.

步驟1.判別方向

本車(chē)行駛方向角度與鄰車(chē)的行駛方向角度相差在30度以內(nèi)都看作有可能發(fā)生追尾碰撞，返回true，否則返回false.令a表示本車(chē)的行駛方向，b表示鄰車(chē)的行駛方向，c＝（ab＋360）%360表示本車(chē)與鄰車(chē)的方向角度差，函數(shù)isSame-Beaing判別行駛方向相關(guān)性：

圖5 行駛方向相關(guān)性判斷Fig.5 Judgment of travel direction correlation

步驟2.判別前后

只有當(dāng)鄰車(chē)在本車(chē)前方時(shí)執(zhí)行追尾預(yù)警算法，準(zhǔn)備提示本車(chē)駕駛員.令Lat1、Lng1表示本車(chē)的緯度和經(jīng)度，Lat2、Lng2表示鄰車(chē)的緯度和經(jīng)度，bearing表示本車(chē)的行駛方向，用BR表示.函數(shù)isInRegion把平面直角坐標(biāo)系旋轉(zhuǎn)bear-ing°，用BR°表示.重新計(jì)算本車(chē)與鄰車(chē)的經(jīng)緯度坐標(biāo)，如果鄰車(chē)在本車(chē)前方區(qū)域內(nèi)返回true：

圖6 前后車(chē)判斷Fig.6 Judgment of front and rear vehicle

旋轉(zhuǎn)后的本車(chē)坐標(biāo)＝

圖7 坐標(biāo)變換公式Fig.7 Coordinate transformation formula

步驟3.判別安全等級(jí)

由GPS獲得前后兩車(chē)的實(shí)際距離dis，然后用兩車(chē)速度差乘以駕駛員的反應(yīng)時(shí)間（可調(diào)整）獲取反應(yīng)距離RD，然后用dis與RD的比值計(jì)算出安全等級(jí).當(dāng)前車(chē)速度大于等于本車(chē)，不會(huì)發(fā)生追尾.當(dāng)實(shí)際距離大于反應(yīng)距離時(shí)，不會(huì)發(fā)生追尾.具體算法流程圖如圖8所示.

圖8 安全等級(jí)判斷流程圖Fig.8 Flow chart of safety grade judgment

3.3.3 無(wú)線模塊與GPS、加速度和語(yǔ)音的接口設(shè)計(jì)

無(wú)線模塊作為核心處理器，需要與其他模塊進(jìn)行交互，但是GPS模塊、加速度模塊和語(yǔ)音模塊的原理和接口各不相同，所以需要進(jìn)行接口的基本設(shè)計(jì).由于其他模塊不需要軟件設(shè)計(jì)，所以本系統(tǒng)只進(jìn)行了無(wú)線模塊的接口設(shè)計(jì)，接口設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖9所示.

3.3.4 硬件模塊的寄存器

各個(gè)模塊的程序讀取函數(shù)和寫(xiě)入函數(shù)接口如表7所示，其中加速度模塊只有讀取函數(shù)，GPS模塊只有讀取函數(shù)，語(yǔ)音模塊有讀取函數(shù)和寫(xiě)入函數(shù)（在同一函數(shù)里）：

圖9 無(wú)線模塊接口結(jié)構(gòu)Fig.9 Interface structure of Wireless module

表7 模塊程序的函數(shù)接口Table 7 Function interface of module program

GPS模塊［14］關(guān)鍵變量如表9.

表8 加速度模塊關(guān)鍵寄存器Table 8 Critical accelerometer registers

表9 GPS模塊關(guān)鍵變量Table 9 Critical variable of GPS module

語(yǔ)音模塊［15］命令碼和端口分配如表10.

表10 語(yǔ)音模塊命令碼和端口分配Table 10 Command code and port allocation of voice module

4 系統(tǒng)測(cè)試

系統(tǒng)測(cè)試主要分為4個(gè)部分.第1部分是有效通信距離的測(cè)試，第2部分是GPS模塊數(shù)據(jù)讀取測(cè)試，第3部分是靜態(tài)模擬行駛環(huán)境測(cè)試，第4部分是上車(chē)動(dòng)態(tài)行駛測(cè)試.測(cè)試用樣板如圖11（c）所示，有兩套樣板，供電為5.0V直流輸入的電池.

4.1 有效通信距離

有效通信距離如圖10（a）所示，將兩個(gè)測(cè)試節(jié)點(diǎn)分別放置A、B兩處，A、B兩處相隔200米.然后進(jìn)行傳包測(cè)試，如圖10（b）所示一共傳送了269個(gè)數(shù)據(jù)包，誤碼率為0.

圖10 有效通信距離測(cè)試Fig.10 Effective communication distance test

4.2 GPS模塊數(shù)據(jù)讀取

通過(guò)串口讀取的GPS模塊數(shù)據(jù)如表11、表12所示，其中各字段意義請(qǐng)查閱表5和表9.

表11 GPS模塊串口數(shù)據(jù)Table 11 Serial data of GPS module

4.3 靜態(tài)行駛環(huán)境測(cè)試

靜態(tài)行駛環(huán)境測(cè)試如圖11（a）所示，在兩輛車(chē)上各放置一套本系統(tǒng)，人工 晃進(jìn)行加速度信號(hào)的產(chǎn)生，然后檢測(cè)信號(hào)是否能正常接收和處理.為了方便檢測(cè)信號(hào)是否產(chǎn)生，除了語(yǔ)音模塊外，本系統(tǒng)還設(shè)置了一個(gè)LED信號(hào)燈，當(dāng)預(yù)警信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，信號(hào)燈就會(huì)亮，具體如圖11（c）所示.

圖11 模擬行駛環(huán)境測(cè)試Fig.11 Simulation driving environment test

4.4 上車(chē)動(dòng)態(tài)行駛測(cè)試

上車(chē)動(dòng)態(tài)測(cè)試如圖11（b）所示，前方車(chē)輛突然緊急剎車(chē)，后方車(chē)輛觸發(fā)語(yǔ)音預(yù)警，效果如圖11（c）所示.

4.5 測(cè)試指標(biāo)

如表12所示，每組進(jìn)行20次數(shù)據(jù)測(cè)試，其中1至5組為靜態(tài)行駛環(huán)境測(cè)試，6至10組為上車(chē)動(dòng)態(tài)行駛環(huán)境測(cè)試.靜態(tài)行駛環(huán)境和動(dòng)態(tài)行駛環(huán)境各測(cè)試100個(gè)數(shù)據(jù)，計(jì)算正常觸發(fā)率；將兩種環(huán)境下的平均通信延遲均化處理后得到116ms 和142ms兩個(gè)通信延遲指標(biāo)；分別取兩種行駛環(huán)境下的最大通信延遲作為通信延遲極大值.

表12 模擬環(huán)境測(cè)試指標(biāo)Table 12 Simulation driving environment test index

5 總 結(jié)

本文提出了一種基于ZigBee的高速公路主動(dòng)安全系統(tǒng)，并且利用市面上一些常用的傳感器模塊進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì).通過(guò)進(jìn)行需求分析、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和寄存器配置等，最終設(shè)計(jì)出了一套車(chē)輛之間的主動(dòng)安全系統(tǒng).

該系統(tǒng)可以在前車(chē)進(jìn)行緊急制動(dòng)時(shí)，通過(guò)無(wú)線模塊向周?chē)l(fā)送預(yù)警信號(hào).周?chē)?chē)輛收到預(yù)警信號(hào)后，通過(guò)判斷信號(hào)相關(guān)性進(jìn)行語(yǔ)音預(yù)警，降低了駕駛員的反應(yīng)時(shí)間，能有效解決在惡劣天氣環(huán)境下可見(jiàn)度低的問(wèn)題.系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，進(jìn)行模擬環(huán)境測(cè)試，得出測(cè)試指標(biāo)中的通信延遲極大值為166ms，當(dāng)車(chē)輛在100km/h的時(shí)速下，延遲時(shí)間內(nèi)行駛的距離為4.6m，符合基本要求.

但是在系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實(shí)效性方面還有待提升，如何更加有效的進(jìn)行安全預(yù)警，如果降低系統(tǒng)整體延遲.這些將是我們下一步要研究的重點(diǎn).

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