路政夜間施工車輛闖入報警提示系統

姜亮　曹帥　李桂秋　劉培　權雨欣

摘要：應用物聯網的技術實現路政夜間施工車輛闖入報警提示系統。采用物聯網無線傳感網絡技術在傳統夜間施工警示牌的基礎上，構建無線傳感器警戒預警網絡。并通過與GPS、NB-IOT模塊相結合，將獲取到的信息送到路政安全施工系統平臺，實現了路政夜間施工區域安全信息的在線實時監測。

關鍵詞 ：物聯網;無線傳感網絡;路政夜間施工;zigbee

中圖分類號：TP311 ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）13-0043-03

1 背景介紹 ??

完善的道路交通體系是國家現代化的重要標志，隨著我國經濟水平的不斷發展，對道路交通建設的需求越來越強烈。在“十五”與“十一五”計劃期間，我國的道路交通建設高速展開，其中高速公路建設、城市道路建設效果顯著。截至2015年4月，根據交通運輸部網站發布的中國道路交通統計公報顯示，我國公路總里程已達446.39萬公里，圍繞著高速公路的國家公路干線網絡已基本形成。但是隨著我國汽車保有量的飛速增長，一些公路網絡已不能滿足日益增加的車流量需求，產生交通擁堵現象日益嚴重，所以我國“十二五”期間，對現有道路交通硬件設施的改造與擴建，提高交通流量，加強維護，提升通行效率，是重點發展方向。

由于大多數道路的交通流量較大，為了減少對正常車輛通行的影響，路政部門在對道路進行改造、擴建與養護時，一般不會對道路進行封閉施工，都是施工作業與車輛通行同時進行。路政部門的施工時間大多選在夜間，在此時間段，道路上的車流量小，大型施工設備與材料運輸方面進行作業時可有效減少對交通的干擾，避免擁堵現象產生，降低環境污染與能源消耗。但是由于夜間道路光線強度偏弱，道路上物體的可見度降低，難以辨識，車輛駕駛人員獲取道路環境信息的難度較大，加上施工區域導致的道路車輛通行寬度變窄與車道變換，而且司機此時間段易疲勞，容易產生嚴重的交通事故。根據美國高速公路合作研究組織第 627 號報告《白天和夜間施工區交通安全評價》（Traffic Safety Evaluation of Nighttime and Daytime Work Zones）中對紐約州 2000～2005 年高速公路施工作業區交通事故的統計見表 1所示，從中可以發現，夜間在施工作業區范圍內發生死亡事故的比例要比白天高[1]。

當前道路夜間施工通常會布置現場警示牌，給予司機道路施工提醒，這對夜間正常駕駛的司機起到預警提示作用，能有效地避開施工區域。但針對夜間疲勞駕駛的司機，警示牌很容易被忽略，這些司機往往撞上警示牌后繼續前行直至撞上施工區域人員與設備才會反應過來，造成巨大的人員傷亡與經濟損失。

2總體方案設計

2.1 關鍵技術研究

Zigbee是一種新興的近距離，低復雜度，低功耗，低數據速率，低成本的無線網絡技術。Zigbee采用ZigBee/802.15.4 協議自組織方式組網，這種架構被稱為無線基礎構架的無線局域網，這種架構對網絡內部的設備按功能可分為3類[2]。

協調器是一個zigbee網絡中啟動的第一個設備，負責初始化一個zigbee網絡，發布網絡標識，使后續啟動的路由器與終端節點可加入網絡。路由器節點加入網絡后執行路由功能，為后續節點設備提供接入點與信息傳遞路徑。終端節點用于連接傳感器與執行器設備，通過路由器加入網絡與傳遞信息。

路政夜間施工環境中布線困難，通信環境復雜，zigbee設備低功耗、低復雜度、可自組網的特點，便于在路政夜間施工復雜環境中的使用。

2.2 無線傳感器網絡拓撲結構的選擇

Zigbee網絡的拓撲結構有以下三種（圖1）。

星狀網絡是zigbee網絡中最簡單的一種，以協調器為中心，構建點對多點的單跳通信網絡，通信半徑為單跳距離，適用于類似智能家居的小范圍網絡覆蓋場景。

樹狀網絡是以協調器為核心構建的層級多跳網絡，網絡構建時需設定的網絡深度與網絡容量。協調器作為初始父節點，次級節點作為子節點的加入網絡，多層之間依次構建網絡。子節點只能與父節點通信，網絡結構固定，適合網絡覆蓋范圍大，但通信路徑固定的場合。

優點：網絡覆蓋范圍可調，通信路徑固定，路由節點傳遞信息時，無須在存儲空間查找路由表，直接對目標網絡地址進行判定便可進行傳輸，通信時延短，實時性高。缺點：由于樹狀網絡通信路徑固定，子節點只能與其父節點通信，通信路徑單一，父節點一旦發生問題，其子節點將脫離網絡。

網狀網絡在樹狀網絡的基礎上添加Z-AODV路由算法，Z-AOVD路由算法能為信息幀傳遞發現路由成本最佳的路由，并把路由信息保存到路由表當中，Z-AODV適用于連續的數據傳輸，彌補了樹狀網絡無法選擇最佳路由，網絡穩定性不好的缺點，路由節點間可以相互通信，為信息幀傳遞提供多條路由選擇，一個路由節點出現問題不影響整個網絡的運行[3]。

在路政夜間施工的復雜環境中，需求穩定可靠無線通信網絡，網絡中單個節點出現問題不影響整個通信。所以本系統的zigbee路政夜間施工安全監測網絡采用網狀拓撲結構。

2.3 方案設計

路政夜間施工車輛闖入報警提示系統采用zigbee自組網技術與傳感器技術相結合，設計基于zigbee技術的便攜式激光對射報警器、便攜式激光對射報警器網關、便攜式報警接收器，在傳統夜間施工警示牌的基礎上，構建無線傳感器警戒預警網絡（便攜式激光對射報警器網關為協調器，便攜式激光對射報警器與便攜式報警接收器為路由器或者終端節點）。當車輛接近施工區域時，無線傳感器警戒預警網絡會根據傳感器獲取的信息進行二個級別的預警，首先當車輛接近時駛入預警區域時，啟動一級預警提醒駕駛人員，當一級預警無效，車輛繼續闖入警戒區域時啟動二級預警，驚醒司機，同時施工人員佩帶的報警接收器也會以聲音和振動的方式提醒施工人員，提前進行安全避讓。并且基于zigbee技術與GPS、NB-IOT模塊相結合構建的網關，將把獲取到的信息送到路政安全施工系統平臺，平臺上實時展示路政夜間施工點實時地理分布信息與施工安全信息.系統框圖如下（圖2）：

3 硬件設計

3.1 基于zigbee的便攜式激光探測報警器設計

基于zigbee的便攜式激光探測報警器是路政夜間施工車輛闖入報警提示系統的無線傳感器網絡的感知節點（如圖3）。該節點應用毫米波雷達檢測車輛接近方向與速度，預測車輛是否會闖入施工區域，如果判定車輛行駛方向與速度對施工區域構成威脅，啟動一級預警進行間歇性初步聲光預警，警醒車輛駕駛人員。在預警沒有起作用的情況下，車輛闖入施工區域，節點的激光對射傳感器將檢測到車輛闖入，啟動二級預警，節點的聲光報警連續開啟，并通過zigbee網絡發送車輛闖入信息至施工人員隨身佩戴的便攜式報警接收器，提醒施工人員進行安全避讓。

3.2 便攜式激光探測報警器網關設計

NB-IOT，Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯網，是一種專為萬物互聯打造的蜂窩網絡連接技術。NB-IOT所占用的帶寬很窄，只需約180KHz，而且其使用頻段為License，采用保護帶、帶內、獨立載波三種方式部署，融入現有基礎網絡，并且能夠直接部署在GSM、UMTS或LTE網絡，即2/3/4G的網絡上，實現現有網絡的復用，降低部署成本，實現平滑升級。路政施工區域環境復雜，不方便布線與供電，上傳數據量不大，NB-IOT正好滿足要求。

便攜式激光探測報警器網關應用CC2530與GPS、NB-IOT模塊相結合構建網關（如圖4），通過GPS模塊獲取路政施工區域位置信息，通過NB-IOT模塊上傳數據至服務器平臺。

3.3便攜式報警接收器設計

便攜式報警器接收器應用CC2530與MP3語音解碼電路模塊、繼電器、震動器相結合（如圖5），通過無線傳感器警戒預警網絡獲取施工區域安全信息，然后通過震動與MP3語音解碼模塊播放相應的提示警示信息，提醒路政施工人員。

4 軟件設計

4.1 系統運行流程

網關節點上電初始化建立一個zigbee網絡，獲取GPS信息與初始化NB—IOT模塊，上傳數據至路政安全施工平臺。便攜式激光探測報警器與便攜式報警接收器上電后加入網絡，其中便攜式激光探測報警器通過傳感器采集路政施工區域安全信息，在觸發報警啟動聲光報警的同時，發送數據至網關與便攜式報警接收器，便攜式報警接收器接收報警信號開啟語音與震動提醒。

在以上的基礎上，系統可以實現對路政夜間施工區域車輛闖入的有效預警，在驚醒司機的同時，提醒施工人員提前進行安全避讓，并在路政安全施工平臺上實時展示路政夜間施工點實時地理分布信息與施工安全信息。

5 結語

本系統應用zigbee自組網技術與傳感器技術相結合，搭建的路政夜間施工車輛闖入報警提示系統，相比傳統道路夜間施工標識牌，增加了聲光報警與車輛闖入提前預警。施工人員通過本系統的可及時獲取警戒區域車輛闖入預警信息與定位車輛闖入方向，從而獲取更多的時間來有效的處理意外情況，有效減少人員傷亡與財產損失。同時路政部門路政安全施工平臺也使更有效的了解路政施工情況，方便管理。

參考文獻：

[1] 張圣.高速公路改擴建施工作業區夜間臨時交通安全設施設置研究[D].長安大學，2015.

[2] 王繼水，曹帥.基于物聯網的礦山環境在線實時監測系統研究與實現[J].計算機測量與控制，2012，20（2）：342-344，366.

[3] 曹帥.基于zigbee技術的智能家居對象控制與組網方案研究[D].武漢紡織大學，2010.

【通聯編輯：聞翔軍】