［劉恒 羅棟梁 劉峰］

基于MEMS與擴(kuò)頻組網(wǎng)高速公路二次事故防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

［劉恒 羅棟梁 劉峰］

高速公路二次事故防撞系統(tǒng)對(duì)于人員的自救和財(cái)產(chǎn)的保護(hù)具有重要的意義。針對(duì)傳統(tǒng)的高速公路防相撞系統(tǒng)的傳輸距離近、抗干擾能力弱、穿透能力弱、可靠性差等缺點(diǎn)，提出了一種結(jié)合SX1278擴(kuò)頻組網(wǎng)技術(shù)和MEMS姿態(tài)測(cè)量技術(shù)的高速公路二次事故防相撞系統(tǒng)的方案，并分析了相應(yīng)的防撞算法，給出了不同場(chǎng)景時(shí)的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了該方案的可行性。

擴(kuò)頻組網(wǎng) 姿態(tài)測(cè)量 二次事故 應(yīng)急救援

劉恒

重慶郵電大學(xué)，重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，碩士研究生，研究方向?yàn)樽藨B(tài)測(cè)量、導(dǎo)航雷達(dá)。

羅棟梁

重慶郵電大學(xué)，重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，碩士研究生，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信、導(dǎo)航雷達(dá)。

劉峰

重慶郵電大學(xué)，重慶郵電大學(xué)移動(dòng)通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o(wú)線定位、移動(dòng)通信。

1 引言

駕乘人員在汽車(chē)故障和發(fā)生交通事故時(shí)，按照道路交通安全法的規(guī)定，在車(chē)輛后方50～150米（各級(jí)道路要求不同）需要放置警示裝置，用來(lái)提醒后來(lái)車(chē)輛注意避讓。但在惡劣氣候或復(fù)雜道路情況下，后面車(chē)輛駕駛員往往很難觀察到前方警示牌，二次事故隨之產(chǎn)生［1］。同時(shí)，駕乘人員在外出旅途中，遇到緊急情況時(shí)，無(wú)法通過(guò)現(xiàn)有手段通知就近的交警、醫(yī)療單位、車(chē)輛救援裝置及保險(xiǎn)公司，往往需要層層聯(lián)系才能解決實(shí)際需求，誤時(shí)誤事。

為有效降低高速公路二次相撞事故的發(fā)生率，提高高速公路管理的自動(dòng)化程度，本文提出了基于SX1278擴(kuò)頻組網(wǎng)技術(shù)和MEMS姿態(tài)測(cè)量技術(shù)的高速公路防相撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由SX1278網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個(gè)自組織無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的每個(gè)子節(jié)點(diǎn)利用MEMS模塊判斷交通錐的姿態(tài)變化；同時(shí)每個(gè)子節(jié)點(diǎn)與主控節(jié)點(diǎn)相連，主控節(jié)點(diǎn)連有報(bào)警器和GPS、GPRS模塊，使得救援人員可以第一時(shí)間做出防備和撤離，同時(shí)把駕乘人員的相關(guān)信息報(bào)告給就近的交警、醫(yī)療單位、車(chē)輛救援裝置及保險(xiǎn)公司等，及時(shí)做出救援和處理。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的基于SX1278擴(kuò)頻組網(wǎng)技術(shù)、MEMS姿態(tài)測(cè)量技術(shù)的高速公路防相撞系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點(diǎn)與控制中心兩部分組成。傳感器節(jié)點(diǎn)分為兩部分：車(chē)載接收單元節(jié)點(diǎn)和交通錐發(fā)射單元節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)置成星型網(wǎng)絡(luò)，其中交通錐發(fā)射單元節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，車(chē)載接收單元節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，也為星型網(wǎng)絡(luò)的集中器，多個(gè)交通錐發(fā)射單元節(jié)點(diǎn)（子節(jié)點(diǎn)）與唯一的車(chē)載接收單元（主節(jié)點(diǎn)）采取點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信，點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信模式可以避免使用路由的模式，減少信息傳遞時(shí)間和傳輸錯(cuò)誤?？刂浦行姆譃閮深?lèi)：本地控制中心和遠(yuǎn)程控制中心。本地控制中心主要通過(guò)車(chē)載接收模塊上的藍(lán)牙與手機(jī)進(jìn)行通信，當(dāng)發(fā)生誤報(bào)時(shí)，駕乘人員可通過(guò)手機(jī)控制聲光報(bào)警停止；當(dāng)沒(méi)發(fā)生誤報(bào)或者駕乘人員需要幫助時(shí)，可通過(guò)手機(jī)藍(lán)牙軟件控制模塊打開(kāi)GPS/ GPRS服務(wù)，將自己的定位信息以及車(chē)主之前預(yù)設(shè)好的信息通過(guò)GPS/GPRS模塊發(fā)送出去；遠(yuǎn)程控制中心分為服務(wù)類(lèi)控制中心和救援類(lèi)控制中心，服務(wù)類(lèi)控制中心主要包括附近的4S店和保險(xiǎn)公司，救援類(lèi)控制中心主要包括交警和醫(yī)療機(jī)構(gòu)，控制中心可以通過(guò)發(fā)送反饋短信等方式確定駕乘人員是否需要服務(wù)或者救援。圖1為高速公路防二次相撞系統(tǒng)總體框圖。

圖1 高速公路防相撞系統(tǒng)總體框圖

圖1 中，MCU（處理器）本設(shè)計(jì)選用的是具有ARM內(nèi)核的STM32F103芯片，用于控制整個(gè)節(jié)點(diǎn)的初始化、數(shù)據(jù)處理、協(xié)調(diào)各個(gè)模塊的工作［2］；GPS/GPRS模塊選用simcom公司的SIM808模塊，此模塊內(nèi)部鑲嵌了高性能GSM/GPRS引擎和GPS引擎，用于獲取當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的實(shí)時(shí)定位信息，并可以將定位信息和預(yù)設(shè)的車(chē)輛、駕乘人員的相關(guān)信息發(fā)送出去；SX1278射頻模塊負(fù)責(zé)維護(hù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)，與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，交換控制信息和收發(fā)數(shù)據(jù)；MEMS模塊選用InvenSense公司的MPU6050姿態(tài)傳感器，此傳感器集成了3軸MEMS陀螺儀和3軸MEMS加速度計(jì)，用于判斷交通錐的狀態(tài)是否發(fā)生變化；聲光報(bào)警模塊用于當(dāng)交通錐發(fā)生撞擊時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警，從而附近的人員可以第一時(shí)間進(jìn)行躲避，防止造成人員傷害；藍(lán)牙模塊用于模塊與手機(jī)之間的通信；其中車(chē)載單元還有LCD模塊，用于提供人機(jī)接口。

2.2無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前的高速公路防相撞系統(tǒng)多采用ZigBee技術(shù)，ZigBee技術(shù)是一種具有低成本、低功耗、組網(wǎng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)的新興的無(wú)線組網(wǎng)通信技術(shù)，適合于各種監(jiān)測(cè)領(lǐng)域［3］。但是ZigBee具有傳輸距離近、抗干擾能力弱、穿透能力弱等缺點(diǎn)。比如在高速公路的彎道，特別是在叢林、山坡附近時(shí)ZigBee技術(shù)就不再適用。再加上ZigBee網(wǎng)絡(luò)有時(shí)會(huì)發(fā)生斷網(wǎng)情況，在不能漏報(bào)、誤報(bào)的前提下，ZigBee技術(shù)就不能滿足高速公路的這種特殊場(chǎng)合。

相比于ZigBee技術(shù)，本文采用的是SX1278收發(fā)器，該收發(fā)器具有 LoRaTM 遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器，提供超長(zhǎng)距離擴(kuò)頻通信，高抗干擾性，同時(shí)最大限度地減少電流消耗，適用于電池待機(jī)的收發(fā)電路。在自動(dòng)抄表、家庭樓宇自動(dòng)化、無(wú)線報(bào)警和安全系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)控中得到廣泛的應(yīng)用。它具有能獲得超過(guò)-148 dBm的高靈敏度，頻率范圍137～1 020 MHz，帶 寬 7.8 ～37.5 kHz，數(shù)據(jù)傳輸速率180 bit/s～37.5 kbit/s，能夠檢測(cè)信號(hào)強(qiáng)度，并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)［4］。該收發(fā)器運(yùn)用自擴(kuò)頻組網(wǎng)技術(shù)，可以完成一點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)、一點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的通訊。

本文設(shè)計(jì)了一種嵌入式車(chē)載SX1278擴(kuò)頻網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過(guò)在車(chē)輛上配置這些節(jié)點(diǎn)，可以在高速公路局部范圍內(nèi)建立一個(gè)自組織無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在高速公路其中一個(gè)方向上局部范圍的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)分為車(chē)載單元的主控節(jié)點(diǎn)和多個(gè)交通錐的子節(jié)點(diǎn)，每個(gè)子節(jié)點(diǎn)都與主控節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)，不含有路由節(jié)點(diǎn)，為的是獲得更少的時(shí)間傳遞信息從而給駕乘人員或者救援人員有多一點(diǎn)的時(shí)間做出反應(yīng)。

圖2 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.3系統(tǒng)功能

如上所述，在建立基于SX1278擴(kuò)頻組網(wǎng)技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)和姿態(tài)測(cè)量傳感器的基礎(chǔ)上，通過(guò)交通錐被撞擊后的狀態(tài)，可以為駕駛員和救援人員提供如下主要功能：

（1）告警功能：告警功能為最主要的功能，當(dāng)某一個(gè)或幾個(gè)交通錐發(fā)生撞擊后，車(chē)載端的聲光報(bào)警器馬上進(jìn)行聲光報(bào)警，為駕駛員或者救援人員第一時(shí)間做出反應(yīng)，防止二次傷害造成巨大的人身及財(cái)產(chǎn)損失；

（2）SOS一鍵報(bào)警功能：車(chē)載單元根據(jù)不同市場(chǎng)（國(guó)內(nèi)、國(guó)際）內(nèi)置BD/GPS模塊，根據(jù)不同需求內(nèi)置GPRS/北斗短報(bào)文等通訊模塊，設(shè)置SOS一鍵報(bào)警功能，后臺(tái)根據(jù)用戶提前設(shè)計(jì)的應(yīng)急預(yù)案完成“通知應(yīng)急聯(lián)系人、通知交警、通知附近的修理店”等措施；

（3）后臺(tái)系統(tǒng)功能：由第三方設(shè)計(jì)的后臺(tái)系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集及接入如：駕駛?cè)思败?chē)輛信息、交警系統(tǒng)、汽車(chē)銷(xiāo)售商、指定醫(yī)院、汽車(chē)維修店、保險(xiǎn)公司等信息，便于在需要時(shí)幫助駕乘人員聯(lián)絡(luò)。

3 防撞算法設(shè)計(jì)

3.1加速度標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算原理

在交通錐被撞的情況下，MEMS模塊中的加速度信號(hào)將發(fā)生異于靜止?fàn)顟B(tài)的不規(guī)則變化，通過(guò)分析某一段時(shí)間段內(nèi)的加速度信號(hào)的變化情況可以判斷出交通錐被撞事件的發(fā)生，由于加速度信號(hào)的不連續(xù)性和不規(guī)則性給分析造成了極大困難［5-7］。本文提出了采用標(biāo)準(zhǔn)差分析法對(duì)加速度信號(hào)進(jìn)行分析，這可以平滑加速度信號(hào)，使得分析處理的更為方便也更為準(zhǔn)確。

當(dāng)處理器采集到加速度傳感器X軸、Y軸、Z軸的值

通過(guò)分析標(biāo)準(zhǔn)差，可以得到加速度值分散程度利用

3.2節(jié)的算法能夠?qū)煌ㄥF的撞擊事件做出判斷。

3.2防撞檢測(cè)算法設(shè)計(jì)

由于高速公路的特殊環(huán)境，以及為了降低功耗和達(dá)到最佳判斷效果，處理器的采集頻率設(shè)置為50 Hz，當(dāng)車(chē)載主節(jié)點(diǎn)和交通錐子節(jié)點(diǎn)構(gòu)建無(wú)線網(wǎng)絡(luò)后，便開(kāi)始數(shù)據(jù)采集工作，為了時(shí)間的可靠性，讓加速度傳感器一直處于工作狀態(tài)［12-13］。處理過(guò)程如下：不斷計(jì)算當(dāng)前50個(gè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值，如果在1s內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差的值超過(guò)預(yù)設(shè)值，便認(rèn)為交通錐出現(xiàn)了撞擊（撞飛與一定的距離平移）事件，其中具體的預(yù)設(shè)值可以通過(guò)多次試驗(yàn)所得，本項(xiàng)目用的預(yù)設(shè)值為當(dāng)有40%的標(biāo)準(zhǔn)差的值超過(guò)2時(shí)，即為發(fā)生了撞擊事件，雖然在交通錐掀起一定角度并復(fù)位時(shí)有誤報(bào)的情況，但應(yīng)用在關(guān)乎人身安全的特殊場(chǎng)合是允許的，因?yàn)橐坏┌l(fā)生誤報(bào)，可能會(huì)造成嚴(yán)重的后果。

當(dāng)處理器判斷為事件（交通錐遭到撞擊）發(fā)生，會(huì)立即把撞擊信號(hào)通過(guò)SX1278模塊的通信傳給車(chē)載終端，聲光報(bào)警器會(huì)立即產(chǎn)生聲光報(bào)警，將撞擊的事件傳遞給駕乘人員或者救援人員。節(jié)點(diǎn)的工作流程圖如圖3所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了檢測(cè)加速度標(biāo)準(zhǔn)差防撞算法的正確性，論文對(duì)3種事件進(jìn)行了模仿實(shí)驗(yàn)：（1）交通錐傾斜一定的角度后復(fù)位；（2）交通錐平移一段距離；（3）交通錐撞倒或者撞飛。具體的試驗(yàn)過(guò)程如下：

（1）針對(duì)事件1選擇將交通錐快速傾斜到接近45度然后松開(kāi)，靜止時(shí)加速度矢量和為10，標(biāo)準(zhǔn)差略高于0。當(dāng)交通準(zhǔn)偶然發(fā)生傾斜后復(fù)位時(shí)，400 ms到800 ms的標(biāo)準(zhǔn)差超過(guò)了2，可以看出在交通錐下落的瞬間標(biāo)準(zhǔn)差變化較大，在此時(shí)間段加速度矢量和在10的上下進(jìn)行劇烈變化，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程圖

圖4 事件1加速度矢量和仿真圖

圖5 事件1標(biāo)準(zhǔn)差變化仿真圖

（2）針對(duì)事件2選擇將交通錐沿著某一方向快速平移一段距離，在這種情況下，加速度傳感器的某一個(gè)方向的值急劇變化，標(biāo)準(zhǔn)差在150 ms到450 ms之間數(shù)值都超過(guò)了2，在此時(shí)間段加速度矢量和基本上在10以上變化系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 事件2加速度矢量和仿真圖

圖7 事件2標(biāo)準(zhǔn)差變化仿真圖

（3）針對(duì)事件3選擇交通錐進(jìn)行翻滾，在這種事件下，在150 ms到550 ms標(biāo)準(zhǔn)差的值超過(guò)了2，由于翻滾時(shí)加速度各方向均有變化，則在此時(shí)間段加速度矢量和在10上下進(jìn)行劇烈變化，系統(tǒng)進(jìn)行報(bào)警，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖9 事件3標(biāo)準(zhǔn)差變化仿真圖

on Wireless and Mobile Computing，Networking and Communications，2010: 368-375

12Lan Bing .Li Bingbing.Liu Jia.Chang Junsheng.Potential game resource allocation algorithm for high density D2D users.GuangZhou:Journal of South China University of Technology，2015:1-5

13MARCO B，GABOR F，ANDREA A.Performance analysis of a distributed resource allocation scheme for（D2D）communications［C］//In IEEE Workshop on Machine-to-Machine Communications，2014：358-362

14PIRO G，GRIECO L A，BOGGIA G，et al.Simulating LTE cellular systems：an open source framework ［J］.IEEE Transactions on Vehicular Technology，2011，60（2）:498-513 Selection procedures for the choice of radio transmission

15technologies of the UMTS ［Z］.3GPP TR 30.03U，version3.2.0，1998 JANIS P，KOIVUNEN V，RIBEIRO C，et al.Interference-

16aware resource allocation for Device-to-Device radio underlaying cellular network ［C］//Proc of IEEE VTC’ 09.Barcelona，Spain，2009郜偉偉，易輝躍，胡艷軍，等.D2D 通信中基于信噪比均衡

17的資源分配算法［J］.計(jì)算機(jī)工程，2012黃俊偉 .基于Kuhn_Munkres最優(yōu)匹配的D2D資源分配算法

18設(shè)計(jì).重慶郵電大學(xué)學(xué)報(bào).2015

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.10.013

國(guó)家自然科學(xué)基金（61301126），重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計(jì)劃項(xiàng)目（cstc2013jcyjA40041）。

（2016-09-19）