曹城，廖惜春

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基于車聯(lián)網(wǎng)的高速公路安全預警系統(tǒng)的設計

曹城，廖惜春

（五邑大學 信息工程學院，廣東 江門 529020）

高速公路交通事故時有發(fā)生，并伴有二次事故，危害車內(nèi)人員生命安全，而遇到地質(zhì)災害時，又容易造成交通擁堵. 為了提高我國高速公路智能化、信息化的管理水平，保證行車人員人身安全、提高道路暢通率，本文運用無線通信與組網(wǎng)技術，設計了由車載設備、路由節(jié)點和控制中心等組成的高速公路安全預警系統(tǒng)，并針對高速公路的特定環(huán)境，設計了基于TDMA的MAC協(xié)議與分簇式鏈式路由協(xié)議解決信息沖突、信息干擾以及路由路徑選擇等問題，借鑒無線傳感網(wǎng)絡的通信協(xié)議，實現(xiàn)無線鏈狀網(wǎng)絡組網(wǎng)，以確保對高速公路路況、安全隱患、交通事故定位以及其他交通信息進行實時監(jiān)測和廣播，提升高速公路智能化管理水平.

無線通信；車聯(lián)網(wǎng)；智能化管理；安全預警

車聯(lián)網(wǎng)技術已廣泛應用于高速公路智能化、信息化管理系統(tǒng)之中，如美國使用射頻識別（Radio Frequency Identification，RFID）技術，通過在高速公路兩側安裝的RFID讀取設備實現(xiàn)對行駛在高速公路上的車輛的實時、準確的定位. 但是，由于該系統(tǒng)需要不停地讀取車輛的數(shù)據(jù)，導致整個網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)量大、系統(tǒng)的能耗高、運行成本高. 目前國內(nèi)高速公路智能化、信息化的管理建設還在起步階段，主要是采用高清視頻監(jiān)控；針對高速公路安全預警系統(tǒng)的研究多數(shù)是理論性研究，無法針對高速公路的實際交通情況對事故或意外及時處理[1-2]. 文獻[3]所述的高速公路安全預警系統(tǒng)用攝像頭及各類傳感器作為信息感知層，使用GPS（或北斗定位系統(tǒng)）進行導航或定位，通過3G或4G網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)傳輸，采用云計算技術對海量交通數(shù)據(jù)進行處理，可以實現(xiàn)對事故地點的定位以及預警等功能，但是對海量交通數(shù)據(jù)和GPS頻繁的定位信息的處理增加了能源消耗，而且GPS價格不菲，增加了用戶的使用成本.

本文提出的基于車聯(lián)網(wǎng)的高速公路預警系統(tǒng)，采用無線通信及組網(wǎng)技術，通過使用標準的無線數(shù)據(jù)傳輸模塊，實現(xiàn)車輛與車輛、車輛與路由節(jié)點之間中短距離的無線信息交互，并針對高速公路的特定環(huán)境，設計了基于TDMA的MAC協(xié)議與分簇式鏈式路由協(xié)議解決信息沖突、信息干擾以及路由路徑選擇等問題，借鑒無線傳感網(wǎng)絡的通信協(xié)議，實現(xiàn)了無線鏈狀網(wǎng)絡組網(wǎng)，以確保高速公路安全信息的實時傳送.

1 高速公路安全預警系統(tǒng)設計

1.1 系統(tǒng)需求分析

高速公路安全預警系統(tǒng)要實現(xiàn)車與車、車與路、路與監(jiān)控中心之間的實時信息傳輸，關鍵是要構建無線通信收發(fā)系統(tǒng)和路由控制技術. 本研究設計了如圖1所示的系統(tǒng)結構，為保證無線鏈路的暢通，系統(tǒng)中采用了STR-30無線通信模塊，并設計了基于TMDA的MAC協(xié)議以及鏈式路由協(xié)議.

圖1 系統(tǒng)組成框圖

根據(jù)預警需求，無線通信網(wǎng)絡應能實現(xiàn)以下功能：

1）事故發(fā)生時，車內(nèi)人員能使用車載電路（下位機）上的功能按鍵，通過無線通信的方式，將相關信息通過無線鏈路發(fā)送給路由節(jié)點電路（上位機）.

2）行駛中的車輛遇到嚴重交通事故時（事故觸發(fā)了安全氣囊即默認為嚴重交通事故），車載設備能自動發(fā)送緊急告警信息到周圍的車載設備與路由節(jié)點，提示后面車輛注意安全，避免二次事故的發(fā)生.

3）遇到交通擁堵（如，因塌方等地質(zhì)災害等）時，首車能向上位機發(fā)出相應信息，接收到該信息的上位機路由節(jié)點能及時將“位置信息+信息”轉發(fā)至下一跳路由節(jié)點；路由節(jié)點之間也通過無線通信的方式將信息轉發(fā)至監(jiān)控中心，同時通過各路由節(jié)點向該路段的下位機轉發(fā)該信息，以防止出現(xiàn)更嚴重的交通擁堵；

4）監(jiān)控中心能根據(jù)交通信息對事故點進行定位，通知管理人員處理.

5）下位機發(fā)送的信息能對車輛型號（小汽車、客車、大貨車等）、事故類別（交通堵塞、交通事故、車內(nèi)人員身體問題等）進行分類，以便高速管理人員區(qū)分并及時做出處理；

6）車載單元能對車內(nèi)環(huán)境（如CO2濃度）進行檢測，并對異常及時報警.

1.2 系統(tǒng)的拓撲結構

合理的拓撲結構可以降低系統(tǒng)軟件的設計難度以及系統(tǒng)的制作及運行成本. 基于車聯(lián)網(wǎng)的高速公路安全預警系統(tǒng)的室外節(jié)點主要有2類：車載設備和路由節(jié)點. 系統(tǒng)拓撲結構如圖2：車載終端是應用層，路由節(jié)點是路由層，控制終端是控制層. 針對帶狀環(huán)境的高速公路，路由節(jié)點的設計采用分簇的鏈式拓撲結構，其簇頭節(jié)點固定，并直接通過光纖網(wǎng)絡與控制中心連接；應用層與路由層之間的拓撲結構隨著車輛的移動而動態(tài)變化. 每個控制中心根據(jù)實際情況管理一定區(qū)域內(nèi)的交通信息（例如，廣昆高速公路中的廣梧高速公路段，其交通信息可由一個控制中心管理），不同的控制中心之間通過Internet共享交通信息.

圖2 系統(tǒng)拓撲結構圖

2 硬件設計

如圖1所示，路由節(jié)點和車載設備均由微處理器、STR-30無線通信模塊以及相應的傳感器等組成. 系統(tǒng)的主要硬件設計如下.

2.1 STR-30無線通信模塊

本研究使用上海桑博電子科技有限公司生產(chǎn)的STR-30型無線通信模塊. 該模塊具有高抗干擾性、低誤碼率、傳輸距離遠（當天線高度大于時，其可靠傳輸距離大于）、低功耗等優(yōu)點. 同時，STR-30的通信信道是半雙工的，適合單點對多點的通信方式，其最大發(fā)射功率為，最大發(fā)射電流小于，最大接收電流小于，休眠時電流小于，支持多種波特率接口速率通信，工作在ISM頻段，頻率為.

2.2 車載設備

車載設備采用MSC51系列單片機作為微處理器，設有預警按鍵模塊、緊急預警模塊、ISD4004語音模塊及STR-30無線數(shù)據(jù)傳輸模塊等，能實現(xiàn)如下功能：1）通過車載設備預先存入的識別碼對車載節(jié)點進行分類，如小型客車、小貨車、大客車和重型車輛等；2）當高速公路出現(xiàn)交通堵塞或者其他事故時，車內(nèi)人員可以通過預警按鍵將交通信息發(fā)送給預警系統(tǒng)，由預警系統(tǒng)告知后車以便車主注意安全并做出合適的選擇（如減速、避讓、停車、繞道、提示附近車輛注意安全等）；3）緊急預警模塊由車輛的安全氣囊自動觸發(fā)，并向周圍的路由節(jié)點及車載設備發(fā)送緊急預警信息，避免二次事故的發(fā)生；4）車載設備接收到路由節(jié)點發(fā)送的下行預警信息后，MCU將控制語音模塊播報預警信息.

車載設備與路由節(jié)點之間的信息交互由STR-30無線收發(fā)模塊來完成.

2.3 路由節(jié)點

路由節(jié)點用STC12C5A60S2單片機作處理器，使用STR-30無線收發(fā)模塊進行通信，節(jié)點固定布置在高速公路沿途的相應位置，其電路圖如圖3所示.

圖3 路由節(jié)點電路圖

2.4 控制中心

控制中心是高速公路監(jiān)控中心的一部分，由計算機、協(xié)調(diào)器等構成，并設計了相應的人機交互控制界面. 控制中心主要負責向高速公路管理人員提供交通信息并存儲交通信息，同時當交通狀況處理完畢后控制中心將發(fā)送重置信息提示車載設備進行初始化. 不同區(qū)域的控制中心需實現(xiàn)信息共享.

3 系統(tǒng)通信協(xié)議的設計

合理的通信協(xié)議是保證系統(tǒng)穩(wěn)定運作、避免信息沖突、保障信息實時高效傳輸?shù)那疤幔疚闹饕芯棵襟w訪問（Medium Access Control，MAC）協(xié)議和路由協(xié)議.

3.1 MAC協(xié)議的研究與設計

MAC協(xié)議是控制網(wǎng)絡信道接入的協(xié)議，是網(wǎng)絡能否高效率進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)年P鍵. MAC協(xié)議可以劃分為競爭性MAC協(xié)議、非競爭型MAC協(xié)議以及混合性MAC協(xié)議. 高速公路安全預警系統(tǒng)的MAC協(xié)議設計將借鑒無線傳感網(wǎng)中部分MAC協(xié)議的設計理念，并在其基礎做出了調(diào)整. 在高速公路安全預警系統(tǒng)的無線通信過程當中需要解決的主要問題是信息沖突和串音，而非競爭型MAC協(xié)議在避免沖突和串音方面具有較大優(yōu)勢. 非競爭型MAC協(xié)議主要是通過TDMA的方式來分配信道. 由于本系統(tǒng)STR-30通信模塊的信號輻射范圍有限，設定其輻射范圍為，且路由節(jié)點相隔距離（）和地理位置均為固定，每個路由節(jié)點發(fā)送信息時最多只有相鄰的4個路由節(jié)點可以接收，所以只需要將這5個路由節(jié)點收發(fā)信息的時間分配好，則路由過程中就不會產(chǎn)生信息沖突；同時，每個路由節(jié)點所擁有的時隙可預留出車載設備訪問的時間段. 這種分區(qū)域的時隙分配的方式可以較好地解決高速公路上路由層傳輸信息沖突的問題.

設計MAC協(xié)議時，本文采用了TDMA的方式對車載終端和路由節(jié)點通信在時間上進行分配：每個通信周期分為8個收發(fā)時隙，路由節(jié)點根據(jù)自身的身份識別碼選擇時隙1～7中的一個進行數(shù)據(jù)收發(fā)，0時隙用于路由節(jié)點向車載設備廣播預警信息以及車載設備之間選舉簇頭時的通信. 由于STR-30無線收發(fā)模塊每個數(shù)據(jù)幀從發(fā)送到接收的耗時小于，每次發(fā)送信息都需重發(fā)一次，以便驗證信息是否準確，為此系統(tǒng)設計以作為路由節(jié)點的接收時隙（該時隙由路由節(jié)點本身的身份碼確定）：前用于接收下行信息，中間預留給車載設備訪問，后上行信息. ID為xxxxx010的路由節(jié)點的工作時序圖如圖4所示，其中T1S2是該節(jié)點在時隙1的最后向xxxxx001節(jié)點發(fā)送上行信息，T2G1表示該節(jié)點在時隙2的首個接收xxxxx001節(jié)點發(fā)送的下行信息，T2G0表示該節(jié)點在時隙2的中間接收車載信息，T2G2表示該節(jié)點在時隙2的最后接收xxxxx011節(jié)點發(fā)送的上行信息，T3S1表示該節(jié)點在時隙3的首個時隙向節(jié)點xxxxx011節(jié)點發(fā)送下行信息.

圖4 ID為xxxxx010的路由節(jié)點的工作時序圖

這種媒體接入方式配合車載設備0時隙的問詢機制，可以保證每一區(qū)域同一時刻只有一個節(jié)點發(fā)送信息，避免了信息沖突. 當高速公路上出現(xiàn)交通堵塞時，可能存在許多車輛同時發(fā)送預警信息而造成的信息堵塞，為此系統(tǒng)設計當車載設備接收到其他車載發(fā)送的上行預警信息后屏蔽按鍵，并針對事故信息設定優(yōu)先級別，只有當車主觸發(fā)的事故類型優(yōu)先級別高于其他車載發(fā)送的信息時才會取消屏蔽再次發(fā)送預警信息.

3.2 路由協(xié)議的研究與設計

本系統(tǒng)的路由協(xié)議類似于無線傳感網(wǎng)中的層次路由協(xié)議. 典型的層次路由協(xié)議有低功耗自適應的聚類路由（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH）協(xié)議、PEGASIS協(xié)議等. LEACH協(xié)議的優(yōu)點在于具有隨機的自組織、自適應的分簇結構，但其簇頭選舉機制不完善. PEGASIS協(xié)議是在LEACH協(xié)議基礎上發(fā)展而來的鏈式無線路由協(xié)議，它只需要選舉一個簇頭，同時將全網(wǎng)視為一個簇群并稱之為鏈. PEGASIS協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸結構示意圖如圖5所示，每個節(jié)點必須根據(jù)自己的地理位置采用貪心策略將數(shù)據(jù)分別從鏈的兩邊傳輸?shù)酱仡^節(jié)點. 我們用軟件設計了本系統(tǒng)路由節(jié)點的身份識別碼：包括節(jié)點段碼和段內(nèi)碼，均為一個字節(jié). 其中，段內(nèi)碼的高5位為組碼，低3位為組內(nèi)碼，由于路由節(jié)點固定，身份識別碼映射的是節(jié)點的地理位置.

圖5 PEGASIS協(xié)議數(shù)據(jù)傳輸示意圖

當高速公路安全預警系統(tǒng)的應用層訪問路由層時，車載設備之間發(fā)送“問詢”信息即可視為選擇“簇頭”的過程. 由于每個路由節(jié)點的微處理器內(nèi)存中存儲了上一跳、下一跳路由節(jié)點的身份碼以及上一跳、下一跳預備路由節(jié)點的身份碼（預備路由節(jié)點是為上（下）一跳路由節(jié)點出現(xiàn)故障時應急使用的），路由節(jié)點可通過身份碼來確定路由路線. 每個路由節(jié)點根據(jù)下一跳路由節(jié)點身份碼的組內(nèi)碼選擇時隙開啟STR-30模塊發(fā)送（接收）交通信息. 車載設備會在每個時隙向路由節(jié)點發(fā)送一次交通信息，直到接收到路由節(jié)點發(fā)送的應答信息為止；如果在3個時隙周期發(fā)送均失敗，則默認發(fā)送信息失敗，并向車內(nèi)人員示警. 上一跳路由節(jié)點的身份碼用于驗證信息來源，若該身份碼是車載設備ID，則默認本路由節(jié)點為源路由節(jié)點，同時將交通信息附帶上自身身份碼后按原定路線轉發(fā)，控制中心在接收到該交通信息后，根據(jù)源路由節(jié)點的身份碼對該交通信息發(fā)送地進行定位. 信息在路由層的轉發(fā)要歷經(jīng)靠近組內(nèi)與監(jiān)控中心連接的所有路由節(jié)點，類似于貪婪算法的傳輸路徑. 用NS2網(wǎng)絡仿真器對路由算法進行仿真，結果如圖6所示：下方節(jié)點為車載節(jié)點N0，上方節(jié)點從左到右依次為N1至N6，當N0在時隙發(fā)送信息時，路由路徑為N0→N1→N2→N3→N4→N5→N6；當N0在時隙放送信息時，路由路徑則為N0→N2→N3→N4→N5→N6.

圖6 路由路徑仿真圖

4 實驗樣機的測試

為測試系統(tǒng)功能，實驗模擬了S272高速公路某段出現(xiàn)各種交通突發(fā)狀況時，不同車型發(fā)出預警信息后監(jiān)控中心是否能夠接收正確的預警信息并對事故地點定位進了驗證。模擬實驗的路由節(jié)點間隔距離為，車載設備分為兩種類型：貨車與小客車. 模擬實驗的地點為五邑大學北門的院士路. 實驗樣機的測試數(shù)據(jù)如表1所示.

表1 系統(tǒng)測試數(shù)據(jù)表

測試結果表明，系統(tǒng)初步實現(xiàn)了人為按鍵觸發(fā)報警、事故定位（事故地點默認為源路由節(jié)點位置，精度與路由節(jié)點之間的距離相關）、地質(zhì)災害預警以及事故預警等功能.

5 結語

本文基于車聯(lián)網(wǎng)的高速公路安全預警系統(tǒng)完成了車載節(jié)點、路由節(jié)點的硬件設計，節(jié)點體積小巧，易于普及；采用STR-30無線通信模塊實現(xiàn)車與車、車與路之間的通信，并設計了基于TDMA的MAC協(xié)議和分簇式鏈式路由協(xié)議避免了信息沖突、保證了無線鏈路的暢通. 本系統(tǒng)的設計始終采用市場化、性價比高的方案：在車載設備設計上降低了節(jié)點復雜度；不需要使用GPS定位系統(tǒng)，降低了硬件成本；增加了預警等功能按鍵，減少了網(wǎng)絡信息冗余量，降低了網(wǎng)絡負擔. 但是，由于條件限制，還有部分功能如語音播報、緊急預警等功能暫未實現(xiàn).

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[責任編輯：熊玉濤]

Design of Expressway Security Early Warning Systems Based on Internet of Vehicles

CAOCheng, LIAOXi-chun

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Traffic accidents occur frequently on expressways with secondary accidents following, endangering the safety of occupants of the related vehicles. Also geological disasters can often cause traffic congestion. In order to improve our expressways’ intelligent information management, ensure the personnel safety of drivers and passengers, and improve the road flow rate, we designed an expressway safety early warning system consisting of vehicle-borne equipment, routing nodes and control centers, by using wireless communication and networking technology. In addition, in light of the specific environment of expressways, we designed a MAC protocol based on TDMA and a cluster based on a routing protocol to solve the problems of conflict of information chains, information interference and routing and path choice. We further set up a wireless chain network by means of the communication protocol for wireless sensor networks to ensure real-time monitoring and broadcasting of the information of the road conditions, safety hazards, traffic accident location positioning and other traffic information, and improve the intelligent management of expressways.

wireless communication; internet of vehicles; intelligent management; safety pre-warning

1006-7302（2015）03-0063-07

TN92

A

2014-11-05

江門市科技計劃項目（江財工[2011]131號）

曹城（1989—），男，湖南郴州人，在讀碩士生，主要研究智能家居及物理網(wǎng)技術的應用；廖惜春，教授，碩士生導師，通信作者，主要研究無線傳感器網(wǎng)絡及其應用、物聯(lián)網(wǎng)技術及其應用.