機(jī)動(dòng)車安全帶聯(lián)防聯(lián)控機(jī)制設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

王 艇 李 博 韓楚鵬

（江蘇電子信息職業(yè)學(xué)院電子網(wǎng)絡(luò)學(xué)院，江蘇 淮安 223003）

0 引言

安全帶就是生命帶。在一些交通事故中，特別是在有較大傷亡的事故調(diào)查取證中，可以發(fā)現(xiàn)未佩戴安全帶的乘客傷亡程度較為嚴(yán)重。行車時(shí)系安全帶是一個(gè)常識(shí)，但每次都會(huì)出現(xiàn)司機(jī)或乘客因未系安全帶而導(dǎo)致的交通事故。

有些司機(jī)或乘客為了不系安全帶，將安全帶從背后繞過或安裝安全帶卡扣，更有甚者通過穿一件有安全帶標(biāo)識(shí)的衣服來躲避監(jiān)控，一旦發(fā)生事故，將產(chǎn)生很嚴(yán)重的后果［1］。安全帶是救命帶，司機(jī)或乘客一定要加強(qiáng)出行安全意識(shí)，因?yàn)榘踩珟苡行Х乐苟闻鲎?，并能有效降低傷亡率。由交通事故調(diào)查結(jié)果可知，在遇到事故時(shí)，佩戴安全帶比不佩戴安全帶的正面碰撞死亡率要低57%、側(cè)面碰撞死亡率低44%、翻車死亡率低80%，如圖1所示。由數(shù)據(jù)可知，正確佩戴安全帶能有效保護(hù)隨車出行人員的安全。

圖1 佩戴安全帶成效

為解決安全帶未系屢禁不止的問題，筆者設(shè)計(jì)出一款安全帶聯(lián)防聯(lián)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實(shí)時(shí)監(jiān)測安全帶的使用情況，若發(fā)現(xiàn)司機(jī)或乘客未佩戴安全帶，則會(huì)發(fā)生報(bào)警，并將機(jī)動(dòng)車信息實(shí)時(shí)上報(bào)至交管終端，交管將根據(jù)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行處罰。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

近年來，隨著社會(huì)的快速發(fā)展，汽車數(shù)量持續(xù)增加，交通事故也越來越多。降低汽車事故率是實(shí)現(xiàn)出行車輛安全的關(guān)鍵。根據(jù)調(diào)查，在交通事故中，因車子本身故障而引起的交通事故不到1%，大多數(shù)交通事故是因司機(jī)安全意識(shí)淡薄而造成的。特別是在有較大傷亡的交通事故中，經(jīng)交警取證分析后發(fā)現(xiàn)，有很大一部分原因是司機(jī)或乘客沒有正確佩戴安全帶［2］。為降低交通事故的傷亡率，本研究設(shè)計(jì)了一套安全帶聯(lián)防聯(lián)控系統(tǒng)，整體設(shè)計(jì)框架如圖2 所示。該系統(tǒng)基于對座位上安全帶的檢測信息來構(gòu)建ZigBee 組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)座位安全帶信息實(shí)時(shí)監(jiān)控，并及時(shí)將數(shù)據(jù)上傳到車內(nèi)中控大屏。為確保采集到的數(shù)據(jù)可靠、可信、可用，該系統(tǒng)將車子的速度和定位信息同時(shí)上傳到中控大屏，從而實(shí)現(xiàn)司機(jī)對車內(nèi)情況的實(shí)時(shí)觀測。為便于交管部門的實(shí)時(shí)監(jiān)管，該系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)通過4G 或5G網(wǎng)絡(luò)上傳到服務(wù)器，交管部門可在監(jiān)控中心實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛相關(guān)情況。

圖2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

安全帶聯(lián)防聯(lián)控系統(tǒng)通過安全帶來實(shí)現(xiàn)對機(jī)動(dòng)車的聯(lián)防聯(lián)控。由于乘客的安全意識(shí)不夠，不佩戴安全帶的情況時(shí)有發(fā)生。本研究通過安全帶檢測來實(shí)現(xiàn)對車內(nèi)司機(jī)或乘客的實(shí)時(shí)監(jiān)測，可增強(qiáng)安全意識(shí)，保證安全出行。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)通過嵌入式來實(shí)現(xiàn)對座椅信息的采集［3］，使用ZigBee 模塊來實(shí)現(xiàn)ZigBee 組網(wǎng)，將信息通過無線網(wǎng)上傳至遠(yuǎn)程終端。硬件系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)示意

選擇國產(chǎn)芯片“龍芯”作為核心處理器，來實(shí)現(xiàn)對安全帶信息的采集［4］，將座椅的實(shí)時(shí)信息上傳至ZigBee 模塊。為便于交管部門對車輛的有效監(jiān)控和對事故的針對性分析，需要將車輛的定位和速度信息上傳到遠(yuǎn)程終端。

2.1 安全帶設(shè)計(jì)

一般情況下，車輛的座位無法滿足本研究的設(shè)計(jì)要求，這時(shí)就要對座椅進(jìn)行改裝。改裝座椅的方法相對簡單，只要將薄膜壓力傳感器放置在座椅下面，將壓力傳感器與單片機(jī)相連，時(shí)刻采集座椅上是否有人落座的信息，同時(shí)將安全帶的卡扣與單片機(jī)相連。座椅改裝設(shè)備如圖4 所示。

圖4 座椅改裝設(shè)備示意

在對座椅和安全帶改裝完成后，基于單片機(jī)來完成對座椅和安全帶的監(jiān)測設(shè)計(jì)，具體實(shí)現(xiàn)流程如圖5 所示。當(dāng)車輛啟動(dòng)后，單片機(jī)將時(shí)刻循環(huán)檢測安全帶佩戴情況。先檢測是否有人落座，當(dāng)有人落座后，將檢測安全帶卡扣是否正確閉合，如果沒有閉合，將通過語音進(jìn)行提示，并將不閉合狀態(tài)上傳至ZigBee 模塊；如果閉合，也將信息上傳至ZigBee模塊。整個(gè)流程循環(huán)往復(fù)，從而實(shí)現(xiàn)對安全帶的實(shí)時(shí)監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)通過ZigBee 模塊實(shí)時(shí)上傳至中控大屏和遠(yuǎn)程終端。

圖5 安全帶檢測程序流程

安全帶數(shù)據(jù)采集的整體示意如圖6 所示。由于不同車型的座位數(shù)量不同，因此要在每個(gè)座位上都安裝ZigBee 節(jié)點(diǎn)（終端節(jié)點(diǎn)），座位上的數(shù)據(jù)通過各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)匯聚到ZigBee 協(xié)調(diào)器，并通過GPRS上傳至遠(yuǎn)程終端。

圖6 安全帶數(shù)據(jù)采集示意

2.2 ZigBee自組網(wǎng)設(shè)計(jì)

基于ZigBee 協(xié)議體系，在CC2530 平臺(tái)上通過Z_Stack 協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)ZigBee 具有自愈功能的自組網(wǎng)［5］。傳感器節(jié)點(diǎn)對安全帶信息進(jìn)行采集，經(jīng)過嵌入式（龍芯）處理后上傳至ZigBee 節(jié)點(diǎn)。將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee 子節(jié)點(diǎn)匯聚到ZigBee 協(xié)調(diào)器，再使用無線通信（GPRS）的方式上傳到監(jiān)控中心，從而實(shí)現(xiàn)對安全帶數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控。ZigBee 組網(wǎng)示意如圖7所示。

圖7 ZigBee組網(wǎng)示意

由于設(shè)計(jì)的系統(tǒng)所涉及的傳感器終端ZigBee節(jié)點(diǎn)較少，只需要一個(gè)ZigBee 協(xié)調(diào)器，其他節(jié)點(diǎn)均作為子節(jié)點(diǎn)（終端節(jié)點(diǎn)或路由器）來使用。為了便于數(shù)據(jù)的傳輸，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有兩個(gè)地址，即64 位IEEE 擴(kuò)展地址和16 位網(wǎng)絡(luò)地址。64 位IEEE 擴(kuò)展地址類似于MAC 地址，相當(dāng)于公民的身份證ID，可用來唯一標(biāo)識(shí)設(shè)備。16 位網(wǎng)絡(luò)地址僅在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)才使用，當(dāng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)該地址才由父節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)分配。

ZigBee 組網(wǎng)可分為樹狀地址分配和靜態(tài)地址分配兩種模式。整個(gè)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)數(shù)目由ZigBee 協(xié)調(diào)器來確定。網(wǎng)絡(luò)深度是指父子鏈路上傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器所需的最小跳數(shù)。網(wǎng)絡(luò)深度由協(xié)調(diào)器決定，且每個(gè)ZigBee 節(jié)點(diǎn)都具有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)深度。例如，ZigBee協(xié)調(diào)器的深度為0，其子節(jié)點(diǎn)深度為1，則多跳網(wǎng)絡(luò)中深度大于1。

ZigBee 協(xié)調(diào)器要建立一個(gè)無線網(wǎng)絡(luò)，通過Z_Stack 協(xié)議棧中的函數(shù)對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行初始化設(shè)置。當(dāng)系統(tǒng)檢測到任務(wù)事件后，會(huì)調(diào)用處理函數(shù)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的組建。網(wǎng)絡(luò)組建完成并允許新節(jié)點(diǎn)（終端節(jié)點(diǎn)）加入時(shí)，才可請求加入網(wǎng)絡(luò)［6］。

如果有終端節(jié)點(diǎn)因某些未知故障導(dǎo)致離網(wǎng)，使得原有網(wǎng)絡(luò)線路被破壞時(shí)，ZigBee 組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自愈功能。在軟硬件配合下，可實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)自愈，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)不因子節(jié)點(diǎn)的變動(dòng)而離網(wǎng)，從而保證整個(gè)網(wǎng)絡(luò)正常持續(xù)工作。具體實(shí)現(xiàn)如下：在終端節(jié)點(diǎn)的射頻范圍有可用路由器，當(dāng)有終端節(jié)點(diǎn)故障時(shí)，其他節(jié)點(diǎn)會(huì)再次啟動(dòng)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)、加入網(wǎng)絡(luò)過程。在ZStack 協(xié)議棧中，如果要訪問NV 存儲(chǔ)器中的信息，通過調(diào)用zb_ReadConfiguration()函數(shù)來實(shí)現(xiàn)。該存儲(chǔ)器NV 中重要信息包含節(jié)點(diǎn)的設(shè)備類型logical-Type、節(jié)點(diǎn)的IEEE 地址、節(jié)點(diǎn)的啟動(dòng)模式startOptions 等。同時(shí)，調(diào)用zb_WriteConfiguration()函數(shù)來完成設(shè)備信息的寫入，這樣能在協(xié)議棧中靈活地配置網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)自啟動(dòng)、自組網(wǎng)及自愈等功能，提高網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性、健壯性及工作效率。

3 軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為便于實(shí)時(shí)監(jiān)測車輛狀態(tài)，不僅要將數(shù)據(jù)上傳至車內(nèi)中控大屏，更要將數(shù)據(jù)上傳至遠(yuǎn)程終端，提供給相關(guān)部門進(jìn)行實(shí)時(shí)管控。根據(jù)要求提供一個(gè)專門Web 端，Web 端包含登錄界面，如圖8 所示。在進(jìn)入登錄界面后，可根據(jù)需要來選擇某一區(qū)域，并對該區(qū)域車輛的整體情況進(jìn)行跟蹤分析，如圖9所示。從界面中可以清楚地看到車輛型號(hào)、位置、當(dāng)前速度、安全帶佩戴情況等信息。當(dāng)車輛超速時(shí)、安全帶未佩戴時(shí)，會(huì)被標(biāo)紅，可使相關(guān)部門有針對性地監(jiān)測相關(guān)車輛。對一些特殊車輛，也可選擇詳細(xì)信息進(jìn)行單獨(dú)查看，可實(shí)現(xiàn)對某一車輛的實(shí)時(shí)跟蹤，實(shí)時(shí)監(jiān)測當(dāng)前速度、位置及一段時(shí)間內(nèi)的車速變化等，這樣能有效約束司機(jī)或乘客的違規(guī)行為。

圖8 登錄界面

圖9 某區(qū)域車輛監(jiān)測示意

4 結(jié)語

通過對座椅進(jìn)行改裝，給所有座位安裝薄膜壓力傳感器，這樣既不用大幅改造車座，也無須破壞車座原有樣貌，性價(jià)比較高。修改完成后，將嵌入式處理器和ZigBee節(jié)點(diǎn)模塊封裝成一個(gè)盒子，完成對座位信息的實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)，并通過ZigBee節(jié)點(diǎn)上傳到ZigBee 協(xié)調(diào)器。同時(shí)，通過單片機(jī)將車輛的速度和定位信息通過GPRS一起上傳到遠(yuǎn)程終端。通過對系統(tǒng)進(jìn)行測試，信息傳輸穩(wěn)定，車內(nèi)中控大屏信息準(zhǔn)確，遠(yuǎn)程終端顯示穩(wěn)定，經(jīng)測試遠(yuǎn)程傳輸丟包率在1%以內(nèi)，滿足需求。該系統(tǒng)能較好地實(shí)現(xiàn)對車輛的聯(lián)防聯(lián)控，司機(jī)或乘客的交通安全意識(shí)將進(jìn)一步提高。