高速公路ZigBee通訊主動安全系統研究與實現

康作寧

1（中國科學技術大學軟件學院，合肥230000）2（中國科學技術大學計算機科學與技術學院，合肥230000）3（中國科學技術大學蘇州研究院，江蘇蘇州215123）

1 引 言

近年來物聯網行業迅猛發展，物聯網是指日常智能終端對象的網絡互連，通過整合每一個對象，通過嵌入式系統，從而形成一個高密度分布的人類周邊的所有其他通信設備的網絡［7］提出的“高速公路車輛智能安全預警系統”采用的是GPRS＋GPS，服務器端＋車載終端的方式.該系統需要在四通八達的道路上搭建服務器，難度較高，特別是在高速公路等廣闊的區域內搭建服務器，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場地，所以設計研發一款實用的高速公路主動安全預警系統很重要.

2 研究內容

2.1 背景

在高速公路上時常發生車輛連環相撞事故，在大霧天和陰雨天等天氣惡劣的環境下，連環相撞事故發生的頻率也大大增加.連環相撞事故發生的原因一般是前車緊急制動，后車駕駛員來不及反應，沒有及時采取制動措施，從而釀成了車禍［8］.后車駕駛員不能及時反應并采取制動措施的原因有兩點，一是惡劣天氣環境下，人眼可見度大幅降低；二是在高速公路上，長時間行車，人的注意力難免下降，這也增加了駕駛員的反應時間.所以在高速公路上，如何及時有效的對車輛進行安全距離判斷，如何及時發送預警信息給目標車輛，這兩點是研究的重點.本系統從這兩個問題出發，旨在提升安全距離判斷的能力，并且建立前后車之間信息便捷交互平臺，解決惡劣天氣環境下可視度低的問題和減少駕駛員制動前的反應時間.

2.2 系統簡介

目前行業內研究的重點都是放在搭建車聯網服務器端＋車載終端的架構上，本系統是基于ZigBee＋車載終端的架構，利用ZigBee的點對點通信，使高速公路上的前后車之間能進行信息交互.相比于其他通訊手段而言，ZigBee可以滿足廣泛的現實工業需求，更大的使用范圍，靈活的網狀網絡通信，可靠性高［5］.本系統通過GPS和加速度傳感器獲取車輛自身的狀態信息，通過ZigBee無線通訊建立車輛之間信息交互平臺，通過語音模塊及時預警.

3 系統設計

3.1 需求分析

3.1.1 硬件需求分析

定義1.安全車距.前后車在行駛狀態下，從前車緊急制動時開始，到后車發現緊急情況并采取制動措施將車速降為0時所行駛的距離.設S［10］.

如圖1所示，安全車距公式為：

S＝S1＋S2＋S3

（1）

由安全車距公式的定義可知，行車安全距離由三部分組成：駕駛員反應時間內行駛距離S1；制動器作用時間內行駛距離S2；持續制動時間內行駛距離S3.

將制動器作用時間內行駛距離S2和持續制動時間內S3合并為制動距離，行車安全距離的實際調研如表1所示.

圖1 安全車距計算模型Fig.1 Safety vehicle distance calculation model

由表1可知，在冰雪路面上，摩擦系數非常小，當車速為90km/h時，安全距離最遠為187.5m.通過行車安全距離的調研［12］.

表1 行車安全距離調研結果Table 1 Traffic safety distance survey results

表2 無線模塊技術指標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有效通信距離測試部分，進行了系統實際通信距離測試，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.本車接受到其他車輛的預警信號后，判斷會發生追尾碰撞，即為信息相關.

下頁圖2（a）表示單個車輛節點的軟件控制流程.系統啟動后，即不斷接受其他車輛的信息，并進行判斷是否信息相關.若信息相關，則進行語音預警；若信息不相關，則丟棄信息.繼續接受其他車輛發送過來的信息，進行信息相關的判斷.

本系統無線模塊負責接收GPS模塊的數據來獲得車輛的位置信息，接收加速度模塊的數據來獲得車輛的行駛狀態.在實際行駛過程中，預警機制如圖2（b）所示，當車輛B加速度大于特定值時，即可以認為B正在進行緊急制動，同時通過無線模塊向周圍車輛發出預警信號.當周圍車輛A收到預警信號后，會根據自身與制動車輛B之間的距離來判斷是否信息相關.如果信息相關，車輛A的無線模塊將調用語音模塊發出預警播報；否則，將忽略掉B車的預警信號.

圖2 軟件控制流程和行車預警模型Fig.2 Control flows of software and the vehicle warning model

3.2 硬件系統

3.2.1 系統硬件框架

系統的硬件框架如圖3（a）所示，車輛從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；無線模塊將收到的車輛行駛狀態信息發送出去，同時接收來自其他車輛的信息；語音模塊接收控制模塊發出的警報指令后，發出語音預警信息提醒駕駛員.

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

3.2.2 硬件模塊選型

硬件型號的選擇實物如圖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為串行數據輸出，SDA為串行數據輸入，SCL為串行通信時鐘.

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

語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

軟件系統要設計三個方面，如表4所示.

表4 軟件系統設計Table 4 Design of software system

3.3.1 無線模塊的通信功能

無線模塊的基本功能是進行車輛間的無線通信.行駛車輛不斷采集自身的位置信息和加速度信息，當圖2（b）中的車輛B緊急剎車時，B的無線模塊將向周圍廣播數據.數據格式統一定義為下頁表5所示.

3.3.2 無線模塊信息處理功能實現

整個系統信息處理功能的流程如圖2（a）所示，具體的追尾碰撞預警算法如下.

在收到一個正常數據包后，程序依次執行三步：判別行駛方向是否相關；判別前后位置關系；計算兩車距離判別安全等級.

表5 數據格式定義Table 5 Definition of data format

表6 追尾碰撞預警算法Table 6 Algorithm of rear impact early warning

定義3.車輛0°方向.設置正北方為0°，由GPS獲得車輛的具體位置信息.

步驟1.判別方向

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

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

步驟2.判別前后

只有當鄰車在本車前方時執行追尾預警算法，準備提示本車駕駛員.令Lat1、Lng1表示本車的緯度和經度，Lat2、Lng2表示鄰車的緯度和經度，bearing表示本車的行駛方向，用BR表示.函數isInRegion把平面直角坐標系旋轉bear-ing°，用BR°表示.重新計算本車與鄰車的經緯度坐標，如果鄰車在本車前方區域內返回true：

圖6 前后車判斷Fig.6 Judgment of front and rear vehicle

旋轉后的本車坐標＝

圖7 坐標變換公式Fig.7 Coordinate transformation formula

步驟3.判別安全等級

由GPS獲得前后兩車的實際距離dis，然后用兩車速度差乘以駕駛員的反應時間（可調整）獲取反應距離RD，然后用dis與RD的比值計算出安全等級.當前車速度大于等于本車，不會發生追尾.當實際距離大于反應距離時，不會發生追尾.具體算法流程圖如圖8所示.

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

3.3.3 無線模塊與GPS、加速度和語音的接口設計

無線模塊作為核心處理器，需要與其他模塊進行交互，但是GPS模塊、加速度模塊和語音模塊的原理和接口各不相同，所以需要進行接口的基本設計.由于其他模塊不需要軟件設計，所以本系統只進行了無線模塊的接口設計，接口設計結構如下頁圖9所示.

3.3.4 硬件模塊的寄存器

各個模塊的程序讀取函數和寫入函數接口如表7所示，其中加速度模塊只有讀取函數，GPS模塊只有讀取函數，語音模塊有讀取函數和寫入函數（在同一函數里）：

圖9 無線模塊接口結構Fig.9 Interface structure of Wireless module

表7 模塊程序的函數接口Table 7 Function interface of module program

GPS模塊［14］關鍵變量如表9.

表8 加速度模塊關鍵寄存器Table 8 Critical accelerometer registers

表9 GPS模塊關鍵變量Table 9 Critical variable of GPS module

語音模塊［15］命令碼和端口分配如表10.

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

4 系統測試

系統測試主要分為4個部分.第1部分是有效通信距離的測試，第2部分是GPS模塊數據讀取測試，第3部分是靜態模擬行駛環境測試，第4部分是上車動態行駛測試.測試用樣板如圖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，將兩個測試節點分別放置A、B兩處，A、B兩處相隔200米.然后進行傳包測試，如圖10（b）所示一共傳送了269個數據包，誤碼率為0.

圖10 有效通信距離測試Fig.10 Effective communication distance test

4.2 GPS模塊數據讀取

通過串口讀取的GPS模塊數據如表11、表12所示，其中各字段意義請查閱表5和表9.

表11 GPS模塊串口數據Table 11 Serial data of GPS module

4.3 靜態行駛環境測試

靜態行駛環境測試如圖11（a）所示，在兩輛車上各放置一套本系統，人工 晃進行加速度信號的產生，然后檢測信號是否能正常接收和處理.為了方便檢測信號是否產生，除了語音模塊外，本系統還設置了一個LED信號燈，當預警信號產生時，信號燈就會亮，具體如圖11（c）所示.

圖11 模擬行駛環境測試Fig.11 Simulation driving environment test

4.4 上車動態行駛測試

上車動態測試如圖11（b）所示，前方車輛突然緊急剎車，后方車輛觸發語音預警，效果如圖11（c）所示.

4.5 測試指標

如表12所示，每組進行20次數據測試，其中1至5組為靜態行駛環境測試，6至10組為上車動態行駛環境測試.靜態行駛環境和動態行駛環境各測試100個數據，計算正常觸發率；將兩種環境下的平均通信延遲均化處理后得到116ms 和142ms兩個通信延遲指標；分別取兩種行駛環境下的最大通信延遲作為通信延遲極大值.

表12 模擬環境測試指標Table 12 Simulation driving environment test index

5 總 結

本文提出了一種基于ZigBee的高速公路主動安全系統，并且利用市面上一些常用的傳感器模塊進行系統設計.通過進行需求分析、硬件系統設計、軟件設計和寄存器配置等，最終設計出了一套車輛之間的主動安全系統.

該系統可以在前車進行緊急制動時，通過無線模塊向周圍發送預警信號.周圍車輛收到預警信號后，通過判斷信號相關性進行語音預警，降低了駕駛員的反應時間，能有效解決在惡劣天氣環境下可見度低的問題.系統設計完成后，進行模擬環境測試，得出測試指標中的通信延遲極大值為166ms，當車輛在100km/h的時速下，延遲時間內行駛的距離為4.6m，符合基本要求.

但是在系統的穩定性和實效性方面還有待提升，如何更加有效的進行安全預警，如果降低系統整體延遲.這些將是我們下一步要研究的重點.

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