梁子龍，徐 偉，謝 芬，劉守印

（華中師范大學(xué) 湖北 武漢 430079）

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國(guó)汽車數(shù)量和高速公路里程數(shù)逐年增加。高速公路汽車行駛速度速度快、流量大的特點(diǎn)，在給人們帶來(lái)便利的同時(shí)，也因其事故頻率高、波及范圍廣，給人們生命財(cái)產(chǎn)造成巨大的安全隱患。

據(jù)統(tǒng)計(jì)截至2011年底，全國(guó)的機(jī)動(dòng)車保有量為2.25億輛，其中汽車1.06億輛。2011年我國(guó)新增公路通車?yán)锍?.14萬(wàn)km，其中新增高速公路1.10萬(wàn)km，截至2011年底，我國(guó)高速公路總里程達(dá)8.5萬(wàn)km。在汽車和公路數(shù)量不斷增加的同時(shí)，高速公路汽車連環(huán)相撞事故也頻頻發(fā)生，例如2011年7月11日，京港澳（京珠）高速公路北行樂(lè)昌梅花段發(fā)生6車連環(huán)追尾交通事故，造成4人死亡、26人受傷。

在諸多交通事故中，高速公路汽車連環(huán)相撞事故以其發(fā)生頻率高、波及車輛多、造成傷害大而顯得尤為突出。因此，為了進(jìn)一步減少此類事故的發(fā)生，最大限度地保護(hù)人民生命財(cái)產(chǎn)不受損失，以新的思路提出基于傳感器的事故檢測(cè)、短距離無(wú)線通信與GPRS通信聯(lián)合預(yù)警的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方案。

1 方案介紹

目前已有的車輛安全預(yù)警系統(tǒng)大多基于測(cè)距技術(shù)。通過(guò)紅外線、超聲波、激光雷達(dá)和毫米波雷達(dá)等技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)車輛間距離的測(cè)量和保持，當(dāng)車距小于一定閾值時(shí)，發(fā)出預(yù)警信號(hào)，或者在自動(dòng)巡航駕駛系統(tǒng)中，用于車距的保持[1]。另一些新型的基于多車自組網(wǎng)絡(luò)的蟻群式車輛預(yù)警方案，則是通過(guò)單車GPS數(shù)據(jù)獲取及多車之間數(shù)據(jù)交互來(lái)實(shí)現(xiàn)車輛距離的測(cè)量和保持[2]?；诶走_(dá)測(cè)距的的系統(tǒng)一般成本較高，且易受天氣等環(huán)境因素影響；而基于GPS數(shù)據(jù)交互測(cè)距的系統(tǒng)通常數(shù)據(jù)通信量大，網(wǎng)絡(luò)不穩(wěn)定，測(cè)距可靠性低。針對(duì)這些問(wèn)題及為了進(jìn)一步減少汽車連環(huán)相撞的發(fā)生，本文提出了一種新的方案，即先利用傳感器進(jìn)行事故檢測(cè)，然后在一定區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)事故實(shí)時(shí)播報(bào)預(yù)警，同時(shí)利用GPS[3－9]和GPRS通信方式實(shí)現(xiàn)事故定位，以達(dá)到事故被及時(shí)處理的目的。

汽車連環(huán)相撞事故發(fā)生的一個(gè)主要原因就是駕駛員對(duì)事故信息的缺乏，反應(yīng)時(shí)間不足。當(dāng)前方發(fā)生了事故，行駛在后方的車輛不能及時(shí)獲取該事故信息，從而不能及時(shí)采取措施，而導(dǎo)致連環(huán)事故的發(fā)生。為了減少這種連環(huán)相撞事故的發(fā)生，本方案采用了下述機(jī)制：

如圖1所示，當(dāng)車輛A在行駛中突然發(fā)生事故時(shí)，車載預(yù)警系統(tǒng)能夠通過(guò)傳感器及時(shí)檢測(cè)出發(fā)生的事故，并使用短距離無(wú)線通信和GPRS兩種方式實(shí)施報(bào)警。首先車輛A通過(guò)短距離無(wú)線通信的方式向周圍車輛發(fā)出報(bào)警信號(hào)，行駛在A車后方的車輛B收到該報(bào)警信號(hào)后，就可以及時(shí)采取措施，避免與A車發(fā)生碰撞，同時(shí)B車根據(jù)收到信息跳數(shù)級(jí)別來(lái)確定是否將自己作為中繼，轉(zhuǎn)發(fā)該報(bào)警信號(hào)。這樣通過(guò)中繼轉(zhuǎn)發(fā)可以實(shí)現(xiàn)更大區(qū)域內(nèi)的事故預(yù)警，從而避免連環(huán)相撞事故的發(fā)生。當(dāng)車輛A向周圍車輛發(fā)出預(yù)警信號(hào)時(shí)，它同時(shí)會(huì)通過(guò)GPS和GPRS向公路管理中心發(fā)出事故定位、時(shí)間等信息，使事故能夠得到及時(shí)處理，交通得到疏散。

圖1 系統(tǒng)功能演示圖Fig.1 Diagram of system function demo

2 系統(tǒng)硬件原理設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用單片CC2530芯片作為主控制器，它由一個(gè)增強(qiáng)型8051核與一個(gè)2.4G頻段的射頻核構(gòu)成。該增強(qiáng)型8051核與標(biāo)準(zhǔn)的8051核相比速度更快（前者每個(gè)指令周期是一個(gè)時(shí)鐘，而后者為12個(gè)時(shí)鐘），數(shù)據(jù)指針和中斷源也相對(duì)增多。而2.4G頻段的射頻核具有16個(gè)可選的頻率通道，默認(rèn)采用IEEE802.15.4中規(guī)定的調(diào)制格式和幀格式，同時(shí)它可以進(jìn)行具備硬件支持的空閑信道評(píng)估、幀過(guò)濾、幀校驗(yàn)、CSMA/CA處理等操作。它的最遠(yuǎn)通信距離可以達(dá)到100 m左右，加上功放芯片CC2591可以達(dá)到1 000 m左右。因此通過(guò)中繼轉(zhuǎn)發(fā)的方式，利用該芯片可以實(shí)現(xiàn)幾公里范圍內(nèi)的無(wú)線信號(hào)預(yù)警。

系統(tǒng)的事故檢測(cè)部分由一個(gè)三維加速度傳感器和一個(gè)陀螺儀來(lái)完成。加速度傳感器LIS3LV02DQ和陀螺儀ITG-3200可以準(zhǔn)確測(cè)量汽車行駛狀態(tài)，及時(shí)檢測(cè)車輛側(cè)翻、碰撞、追尾等事故的發(fā)生。這些傳感器通過(guò)IIC總線與主控芯片通信。GPS模塊CT-3631采用SIRF star III高性能GPS芯片組，追蹤靈敏度達(dá)到-159 dBm，它具有20條信道，定位精度達(dá)到10 m（2D RMS），當(dāng)使用WWAS時(shí)精度可達(dá)到3m（2D RMS）。它能夠?yàn)橄到y(tǒng)提供車輛的位置、速度、方向以及事故日期、時(shí)間等信息。GSM模塊使用華為的EM310來(lái)實(shí)現(xiàn)，利用標(biāo)準(zhǔn)的AT指令就能夠?qū)PS數(shù)據(jù)及報(bào)警信息通過(guò)GPRS的通信方式發(fā)送到公路管理中心，實(shí)現(xiàn)事故的報(bào)告及交通的及時(shí)舒緩。

系統(tǒng)的整體硬件框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件框圖Fig.2 Block diagram of system hardware

3 系統(tǒng)軟件流程設(shè)計(jì)

系統(tǒng)事故檢測(cè)是由加速度傳感器和陀螺儀來(lái)完成的。將加速度傳感器和陀螺儀所采集的數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)校準(zhǔn)及滑動(dòng)窗口濾波后，與車輛行駛狀態(tài)門限值相比較，來(lái)判斷車輛所處的狀態(tài)。系統(tǒng)經(jīng)過(guò)車輛狀態(tài)的測(cè)量，可判斷正碰，側(cè)碰，側(cè)翻等事故。如果發(fā)生事故，則通過(guò)近距離無(wú)線通信立即發(fā)送報(bào)警信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)其他車輛的預(yù)警，同時(shí)本車通過(guò)LED、蜂鳴器等進(jìn)行聲光報(bào)警及GPRS報(bào)警。當(dāng)車輛收到其他車輛發(fā)送來(lái)的報(bào)警信號(hào)時(shí)，立即會(huì)發(fā)出聲光報(bào)警，同時(shí)根據(jù)接收信息中的轉(zhuǎn)發(fā)跳數(shù)來(lái)決定是否作為中繼，繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)該報(bào)警信號(hào)。對(duì)于重復(fù)收到已經(jīng)接收過(guò)的轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)警信息，系統(tǒng)將予以過(guò)濾，不做處理。由于信道共享，當(dāng)報(bào)警信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)過(guò)程中可能發(fā)生信道沖突，程序中采用了CSMA/CA機(jī)制，用來(lái)進(jìn)行沖突避免。

系統(tǒng)的簡(jiǎn)化軟件流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)程序流程圖Fig.3 Flow chart of system software

4 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)與測(cè)試

圖4為系統(tǒng)原型設(shè)計(jì)的實(shí)物圖，經(jīng)過(guò)軟硬件調(diào)試及實(shí)際測(cè)試，系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)車輛事故的檢測(cè)、對(duì)周圍車輛的預(yù)警及向公路管理部門的報(bào)告事故信息等功能。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)實(shí)物圖Fig.4 Implementation diagram of system design

由于不同類型的車輛因車輛重量、動(dòng)力性能、操控性能等因素的不同，事故門限值參數(shù)也不盡相同。在限定的實(shí)驗(yàn)條件下，筆者采用了最高時(shí)速在10 km/h、重量為4 kg的模型車對(duì)事故門限進(jìn)行了相應(yīng)的測(cè)試，并確定軟件程序中事故檢測(cè)的門限值，目前系統(tǒng)可以準(zhǔn)確檢測(cè)出小車正碰、側(cè)碰、側(cè)翻和急速轉(zhuǎn)彎等危險(xiǎn)情況。當(dāng)然對(duì)于實(shí)際的生產(chǎn)和應(yīng)用，事故門限值的測(cè)試還有待進(jìn)一步完善。

系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間是衡量一個(gè)預(yù)警系統(tǒng)有效性的重要參量，對(duì)于本系統(tǒng)的反應(yīng)時(shí)間，根據(jù)具體程序執(zhí)行過(guò)程估算，忽略電磁波傳輸時(shí)間，得到最大系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間為5 ms左右，即從前方汽車狀態(tài)超過(guò)事故門限值起，到后面車輛收到該報(bào)警信號(hào)并發(fā)出聲光報(bào)警的時(shí)間。一般車輛追尾碰撞時(shí)間約為0.2 s左右，相比系統(tǒng)反應(yīng)時(shí)間有很大的余量，因此系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)事故的實(shí)時(shí)預(yù)警，為駕駛員提供盡可能多的反應(yīng)時(shí)間。

對(duì)于短距離無(wú)線通信預(yù)警，由于信道共享，當(dāng)兩輛汽車同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)報(bào)警信息時(shí)，就會(huì)發(fā)生信道沖突，因此系統(tǒng)引入了CSMA/CA（載波偵聽(tīng)多路訪問(wèn)/沖突避免）機(jī)制。對(duì)于該機(jī)制的測(cè)試過(guò)程如下：準(zhǔn)備一個(gè)事故源節(jié)點(diǎn)、一個(gè)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)、三至四個(gè)中繼節(jié)點(diǎn)。將所有中繼節(jié)點(diǎn)放在源節(jié)點(diǎn)和驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)的中間同一位置，這樣當(dāng)源節(jié)點(diǎn)發(fā)送報(bào)警信息時(shí)，中繼節(jié)點(diǎn)會(huì)幾乎同時(shí)收到該報(bào)警信息并同時(shí)轉(zhuǎn)發(fā)該信息，在將驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)串口傳到上位機(jī)，可以看到事故源節(jié)點(diǎn)地址及此跳的中繼節(jié)點(diǎn)地址。由于CSMA/CA機(jī)制的實(shí)現(xiàn)，在驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)每次都可以正常接收到經(jīng)過(guò)中繼節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)的源節(jié)點(diǎn)的報(bào)警信息。

另外，經(jīng)過(guò)測(cè)試，GPS定位及GSM通信報(bào)警均也可以正常實(shí)現(xiàn)，測(cè)定GPS定位精度在10 m以內(nèi)（參考谷歌地球坐標(biāo)），GSM的報(bào)警內(nèi)容包括事故的經(jīng)度、緯度、時(shí)間、日期及事故類型等。

5 結(jié)束語(yǔ)

系統(tǒng)主要分為兩個(gè)方面：事故檢測(cè)部分和事故預(yù)警部分。攜帶本系統(tǒng)的車輛，在行駛中發(fā)生了追尾或側(cè)翻等事故時(shí)，系統(tǒng)能夠及時(shí)檢測(cè)出車輛事故，通過(guò)短距離無(wú)線通信和GPRS通信兩種方式發(fā)出報(bào)警信號(hào)。一方面使行駛在其后方的車輛及時(shí)收到報(bào)警信息，采取相應(yīng)措施，避免連環(huán)相撞事故的發(fā)生；另一方面通知交通管理部門，及時(shí)處理事故，疏散交通。本系統(tǒng)是一種新型多車聯(lián)合事故預(yù)警方案，融合了傳感技術(shù)、短距離無(wú)線通信、GPS技術(shù)、GPRS通信等，針對(duì)高速公路連環(huán)相撞事故有很好的預(yù)防效果，其功能滿足實(shí)際需求，具備可觀的市場(chǎng)前景，對(duì)于其應(yīng)用和推廣可以進(jìn)一步加強(qiáng)。

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