基于ZigBee技術(shù)的車(chē)路協(xié)同調(diào)速系統(tǒng)

 國(guó)外研究表明，車(chē)速的差值越大，車(chē)速分布越離散， 事故率就會(huì)越高。蒙納斯大學(xué)事故研究中心在1993年進(jìn)行研 究得出的U型曲線，表明車(chē)速與平均車(chē)速的差值越大，事故 率越高。英國(guó)交通研究實(shí)驗(yàn)室的EURO模型也表明事故率與 車(chē)速分布有很大關(guān)系，平均車(chē)速和車(chē)速差異都會(huì)影響事故 率，當(dāng)均速為60km/h時(shí)，車(chē)速差異每降低1km/h，事故率將 降低2.56%。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201702/344139.htm

圖1 基于ZigBee技術(shù)的智能車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)框

圖2 基于ZigBee技術(shù)的智能車(chē)路協(xié)同硬件系統(tǒng)框圖

國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)京津塘高速公路全線事故率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)研究 的結(jié)果表明： 尾隨相撞占事故率的53.6%; 速度差在15—

2 0 k m / h 內(nèi)事故率顯著上升。 國(guó)內(nèi)其他研究也表明， 可將20km/h視為速度差的安全閾值[1-2]。但是，高速公路的主線 與匝道之間的平均車(chē)速卻存在顯著差異：高速主車(chē)道均速一 般為100km/h，匝道出入口均速為60km/h。二者存在40km/h 的速度差，遠(yuǎn)大于安全閾值。因此，高速公路匝道出入口處 是事故多發(fā)路段。為了改善事故多發(fā)現(xiàn)狀，僅僅在匝道附近設(shè)置路標(biāo)的 效果非常有限。本設(shè)計(jì)基于車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計(jì)了一種基于 Zigbee技術(shù)的車(chē)速輔助調(diào)節(jié)系統(tǒng)，旨在改善車(chē)速分布的離散

程度，輔助駕駛員安全通過(guò)事故多發(fā)路段。

1 系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

智能車(chē)路協(xié)同系統(tǒng)主要用于高速匝道地段，旨在實(shí)現(xiàn)

智能輔助駕駛。整個(gè)系統(tǒng)分為路測(cè)和車(chē)載兩大部分，兩者之 間通過(guò)低功耗局域網(wǎng)協(xié)議ZigBee(又稱(chēng)紫蜂協(xié)議)技術(shù)進(jìn)行 通訊，使車(chē)路更加緊密協(xié)調(diào)，智能地連成一個(gè)整體。系統(tǒng)如 圖1所示。

路測(cè)部分包括車(chē)輛自動(dòng)檢測(cè)模塊、微控制單元模塊、 ZigBee無(wú)線發(fā)射模塊和電源供電模塊。鑒于高速公路匝道出 入口的野外應(yīng)用環(huán)境，系統(tǒng)內(nèi)部選用超小型、低功耗的器 件，這樣既可以有效緩解電源供電的問(wèn)題，又便于安裝和維

護(hù)。

車(chē)載部分包括車(chē)載設(shè)備和ZigBee無(wú)線接收模塊;接收模

圖3 動(dòng)態(tài)車(chē)輛檢測(cè)電路原理圖

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

塊接收發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)，車(chē)載設(shè)備處理接收數(shù)據(jù)并以聲音或 圖像的方式提醒駕駛員，實(shí)現(xiàn)智能輔助駕駛的設(shè)計(jì)目標(biāo)。

2 各部分硬件設(shè)計(jì)

整個(gè)硬件系統(tǒng)由車(chē)輛自動(dòng)檢測(cè)模塊、Msp430F169微控 制器模塊、ZigBee通信模塊、車(chē)載設(shè)備模塊和電源供電模塊 構(gòu)成。結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

2.1 車(chē)輛檢測(cè)模塊

模塊主要由地感線圈和車(chē)輛檢測(cè)器構(gòu)成。其中，地感 線圈采用0.75mm鐵氟龍導(dǎo)線繞制;車(chē)輛檢測(cè)器采用單通道 探測(cè)器(型號(hào)TLD-110)，通過(guò)內(nèi)部繼電器動(dòng)作完成信號(hào)的 輸出。

其工作原理為：車(chē)輛駛過(guò)埋置有地感線圈檢測(cè)單元的

圖5 基于Android系統(tǒng)的APP客戶(hù)端

路 面 時(shí) ， 會(huì) 引 起

地 感 線 圈 電 感 值 的 變 化 ( 經(jīng) 測(cè) 量 繞 制 的 地 感 線 圈 電感量為100uH左 右 ， 車(chē) 輛 碾 壓 會(huì) 產(chǎn) 生 5 0 u H 左 右 的

變 化 ) ， 進(jìn) 而 導(dǎo)致振蕩電路輸出波形頻率出現(xiàn)明顯的變化，從而產(chǎn)生觸發(fā)信 號(hào)，使MCU對(duì)接受到的信號(hào)進(jìn)行分析處理。兩組地感線圈 檢測(cè)單元的間隔距離一定，通過(guò)觸發(fā)時(shí)間差就可計(jì)算出車(chē)輛 行駛的速度。車(chē)輛檢測(cè)電路原理圖如圖3所示。

整個(gè)電路由地感線圈耦合電路、諧振電路、鎖相環(huán)電 路組成。設(shè)計(jì)采用電容反饋三點(diǎn)式諧振電路，將起始基準(zhǔn)頻 率設(shè)計(jì)在100kHz左右以提高測(cè)量精度，完全滿(mǎn)足交通部下 發(fā)的GB/T26942-2011規(guī)定。T1為隔離變壓器，匝數(shù)比為1：

1，地感線圈L1作為諧振電路中的電感元件。利用鎖相環(huán)譯 碼器LM567與外接的環(huán)路低通濾波網(wǎng)絡(luò)來(lái)檢測(cè)車(chē)輛引起的頻 率變化，并將地感線圈的頻率變化轉(zhuǎn)變?yōu)楦叩碗娖捷敵鼋o后 續(xù)的控制模塊。

2.2 微控制模塊

采用TI公司Msp430F169作為微控制器， 單片機(jī)的結(jié) 構(gòu)以低功耗為核心，設(shè)計(jì)了五種低功耗模式，可最大延長(zhǎng) 電池壽命以利于無(wú)線組網(wǎng)的測(cè)量應(yīng)用。它采用“馮-紐曼” 結(jié)構(gòu)， R A M、 ROM和全部外圍模塊都位于同一個(gè)地址空 間內(nèi)。超低功耗Flash型16位RISC指令集、16位CPU、16位 計(jì)數(shù)器和恒定的時(shí)鐘頻率，使得單片機(jī)可以最大效率執(zhí)行 程序， 自身強(qiáng)大的處理能力和分時(shí)復(fù)用的I/O口資源、 12 位DAC可滿(mǎn)足車(chē)流高峰期的要求。這些顯著的特點(diǎn)正適用 于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)等低功耗系統(tǒng)。模塊間的數(shù)據(jù)傳輸選用 RS485，其具有占用資源少、傳輸速率高、可實(shí)現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)等特 點(diǎn)。

2.3 ZigBee通信模塊

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個(gè)域網(wǎng)協(xié)議， CC2530作為新一代2.4GHz SoC片上系統(tǒng)芯片，內(nèi)部集成了 抗干擾性強(qiáng)和靈敏度高的RF收發(fā)器控制無(wú)線傳輸。另外， 標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)型8051微處理器能更好地執(zhí)行讀取狀態(tài)、發(fā)出命 令、自動(dòng)操作和確定無(wú)線設(shè)備等功能。無(wú)線設(shè)備還包括一個(gè) 數(shù)據(jù)包過(guò)濾和地址識(shí)別模塊。

CC2530內(nèi)部的USART 0和USART 1適合高吞吐量的全

雙工應(yīng)用，滿(mǎn)足高速密集車(chē)流量的應(yīng)用。它內(nèi)部集成12位 ADC、支持IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議的MAC定時(shí)器、豐富的I/ O引腳資源、用于供電模式轉(zhuǎn)換的超低功耗睡眠定時(shí)器，需 要的外圍分立元件很少，提高了ZigBee通信模塊的穩(wěn)定性。 模塊選用雙極PCB非平衡天線，振蕩頻率滿(mǎn)足信號(hào)的發(fā)射需 求。整個(gè)系統(tǒng)具有使用方便、價(jià)格低廉、工作可靠等特點(diǎn)。 電源模塊采用電池供電即可滿(mǎn)足需求;如有必要可加上太陽(yáng)能充電裝置。

3 內(nèi)部系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

整個(gè)軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集與車(chē)速換算程序、數(shù)據(jù)打 包無(wú)線發(fā)送程序、車(chē)載接收和處理顯示程序。為了滿(mǎn)足低 功耗的設(shè)計(jì)要求，路測(cè)系統(tǒng)內(nèi)部程序采用睡眠和工作兩種 模式。車(chē)輛檢測(cè)器檢測(cè)不到觸發(fā)信號(hào)時(shí)，Msp430F169進(jìn)入 睡眠模式;檢測(cè)不到串口傳輸時(shí)，CC2530也會(huì)進(jìn)入睡眠模 式。地感線圈一旦檢測(cè)到車(chē)輛的到來(lái)，整個(gè)系統(tǒng)就會(huì)被喚醒 進(jìn)入正常工作狀態(tài)!程序流程圖如圖4所示。

路測(cè)系統(tǒng)初始化完成后便進(jìn)入低功耗模式。初始化包 括定時(shí)器預(yù)分頻器和中斷的設(shè)置。Msp430F169的定時(shí)器是 帶有七種捕獲功能的16位定時(shí)/計(jì)數(shù)器，支持倍數(shù)捕獲，并 具有強(qiáng)大的中斷能力，可在計(jì)數(shù)器溢出時(shí)和捕獲比較時(shí)觸發(fā) 中斷。數(shù)據(jù)采集與換算、同設(shè)定值比較和數(shù)據(jù)打包發(fā)送與反 饋是軟件設(shè)計(jì)的重點(diǎn)和難點(diǎn)。DMA控制器允許不經(jīng)CPU干 預(yù)直接處理數(shù)據(jù)，加快車(chē)速的換算與比較，同時(shí)，它能夠在 向CC2530串口發(fā)送數(shù)據(jù)前使CPU保持在睡眠狀態(tài)來(lái)減少功 耗。

4 測(cè)試實(shí)驗(yàn)

結(jié)合實(shí)際需要，分別在“變道分流”路段和“變道行 駛”路段提供車(chē)速調(diào)整提示信息，因此地感線圈布設(shè)兩處， “變道分流”路段起始處參照《道路交通標(biāo)志標(biāo)線設(shè)計(jì)規(guī)范

(GB5768-2009)》規(guī)定的預(yù)告標(biāo)志處，確定布設(shè)在逆行車(chē) 方向距高速公路匝道出口2km處。

第二處地感線圈的布設(shè)位置由“變道行駛”路段長(zhǎng)度 決定，還要結(jié)合車(chē)輛變道安全距離模型確定;以西寶高速

(單向4車(chē)道)構(gòu)建模型，基于最不利情況考慮，即要進(jìn)入 匝道的車(chē)輛由最內(nèi)側(cè)快車(chē)道變換至最外側(cè)。求得西寶高速 “禁止變道行駛”路段的長(zhǎng)度為584m，計(jì)算過(guò)程如下：

車(chē) 輛 換 道 期 間 行 駛 距 離 ： 車(chē) 道 寬 3 . 7 5 m ， 車(chē) 速 按

1 0 0 k m / h ， 換 道 時(shí) 間 ∆t 取 值 7.5 ~ 11.25s 。 t0 為 制 動(dòng) 預(yù) 備 時(shí) 間 ， 是 駕 駛 人 反 應(yīng) 時(shí) 間 t01 和 制 動(dòng) 器 作 用 時(shí) 間 t02 的 總 和 0 . 5 - 1 s 。 地 面 制 動(dòng) 力 ， 其 中 G = mg ， g 取

9.8 m2 s ， 為 制 動(dòng) 力 系 數(shù) ; 汽 車(chē) 能 達(dá) 到 的 減 速 度 為

; 鑒于A BS 的廣泛運(yùn)用， 取 ， 平均減

速度 。文獻(xiàn)[6]定為0.4，則 a =9.1× 0.4 = 3.64m2 / s

。 實(shí) 際 換 道 過(guò) 程 取 a = 0.8a = 0.8 × 3.64 = 2.91m2 s 。

S = 10.5v + 3 v ∆t − 9 a∆t 2 =10.5 ×100 ÷ 3.6+ 3 × (100 ÷ 3.6)×11.25- 9 × 2.91×11.252 = 422.4m

車(chē)輛制動(dòng)距離 S = t v + v 2 2a S = 100 ÷ 3.6 × 2.0 + (100 ÷ 3.6)2 ÷ (2 × 3.64) = 161.6m

安 全 車(chē) 距 D = S = 161.6m ， 最 大 安 全 換 道 距 離 E =S1 +D=584m 所以，第二處地感線圈應(yīng)布設(shè)在逆行車(chē)方向 距匝道出口600m處。

車(chē) 載 設(shè) 備 向 駕 駛 人 提 供 輔 助 駕 駛 等 信 息 。 設(shè) 計(jì) 基 于

Android系統(tǒng)的APP軟件，模擬車(chē)載設(shè)備對(duì)接收信息的處理與 顯示，并通過(guò)聲音、圖像向駕駛?cè)藛T提供智能輔助調(diào)速的功 能。如圖5所示。

5 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一種基于ZigBee技術(shù)的車(chē)速輔助調(diào)節(jié)系 統(tǒng)，智能輔助車(chē)輛按照設(shè)定標(biāo)準(zhǔn)行駛，在整體上調(diào)節(jié)高速匝 道出、入口等路段的車(chē)速分布離散情況，從而最大程度地降 低車(chē)輛在匝道出入口路段發(fā)生碰撞事故的可能性，有效提高 高速公路的安全服務(wù)水平。隨著車(chē)聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展， 可以進(jìn)一步對(duì)駛?cè)胩厥饴范蔚母鱾€(gè)車(chē)輛進(jìn)行跟蹤式監(jiān)測(cè)，從 而達(dá)到動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)每一輛行駛汽車(chē)，并通過(guò)車(chē)載設(shè)備隨時(shí)將變 化路況實(shí)時(shí)顯示給駕駛員的目標(biāo)!