康作寧

1（中國科學技術(shù)大學軟件學院，合肥230000）2（中國科學技術(shù)大學計算機科學與技術(shù)學院，合肥230000）3（中國科學技術(shù)大學蘇州研究院，江蘇蘇州215123）

1 引 言

近年來物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)迅猛發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)是指日常智能終端對象的網(wǎng)絡互連，通過整合每一個對象，通過嵌入式系統(tǒng)，從而形成一個高密度分布的人類周邊的所有其他通信設(shè)備的網(wǎng)絡［7］提出的“高速公路車輛智能安全預警系統(tǒng)”采用的是GPRS＋GPS，服務器端＋車載終端的方式.該系統(tǒng)需要在四通八達的道路上搭建服務器，難度較高，特別是在高速公路等廣闊的區(qū)域內(nèi)搭建服務器，其成本和資源利用率較低.而且高速公路又往往是事故頻發(fā)場地，所以設(shè)計研發(fā)一款實用的高速公路主動安全預警系統(tǒng)很重要.

2 研究內(nèi)容

2.1 背景

在高速公路上時常發(fā)生車輛連環(huán)相撞事故，在大霧天和陰雨天等天氣惡劣的環(huán)境下，連環(huán)相撞事故發(fā)生的頻率也大大增加.連環(huán)相撞事故發(fā)生的原因一般是前車緊急制動，后車駕駛員來不及反應，沒有及時采取制動措施，從而釀成了車禍［8］.后車駕駛員不能及時反應并采取制動措施的原因有兩點，一是惡劣天氣環(huán)境下，人眼可見度大幅降低；二是在高速公路上，長時間行車，人的注意力難免下降，這也增加了駕駛員的反應時間.所以在高速公路上，如何及時有效的對車輛進行安全距離判斷，如何及時發(fā)送預警信息給目標車輛，這兩點是研究的重點.本系統(tǒng)從這兩個問題出發(fā)，旨在提升安全距離判斷的能力，并且建立前后車之間信息便捷交互平臺，解決惡劣天氣環(huán)境下可視度低的問題和減少駕駛員制動前的反應時間.

2.2 系統(tǒng)簡介

目前行業(yè)內(nèi)研究的重點都是放在搭建車聯(lián)網(wǎng)服務器端＋車載終端的架構(gòu)上，本系統(tǒng)是基于ZigBee＋車載終端的架構(gòu)，利用ZigBee的點對點通信，使高速公路上的前后車之間能進行信息交互.相比于其他通訊手段而言，ZigBee可以滿足廣泛的現(xiàn)實工業(yè)需求，更大的使用范圍，靈活的網(wǎng)狀網(wǎng)絡通信，可靠性高［5］.本系統(tǒng)通過GPS和加速度傳感器獲取車輛自身的狀態(tài)信息，通過ZigBee無線通訊建立車輛之間信息交互平臺，通過語音模塊及時預警.

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 需求分析

3.1.1 硬件需求分析

定義1.安全車距.前后車在行駛狀態(tài)下，從前車緊急制動時開始，到后車發(fā)現(xiàn)緊急情況并采取制動措施將車速降為0時所行駛的距離.設(shè)S［10］.

如圖1所示，安全車距公式為：

S＝S1＋S2＋S3

（1）

由安全車距公式的定義可知，行車安全距離由三部分組成：駕駛員反應時間內(nèi)行駛距離S1；制動器作用時間內(nèi)行駛距離S2；持續(xù)制動時間內(nèi)行駛距離S3.

將制動器作用時間內(nèi)行駛距離S2和持續(xù)制動時間內(nèi)S3合并為制動距離，行車安全距離的實際調(diào)研如表1所示.

圖1 安全車距計算模型Fig.1 Safety vehicle distance calculation model

由表1可知，在冰雪路面上，摩擦系數(shù)非常小，當車速為90km/h時，安全距離最遠為187.5m.通過行車安全距離的調(diào)研［12］.

表1 行車安全距離調(diào)研結(jié)果Table 1 Traffic safety distance survey results

表2 無線模塊技術(shù)指標Table 2 Technical index of Wireless module

從表2中可知，有效通信距離為1200米，在4.1有效通信距離測試部分，進行了系統(tǒng)實際通信距離測試，滿足通信模塊最短通信距離187.5m的要求.

3.1.2 軟件需求分析

定義2.信息相關(guān).本車接受到其他車輛的預警信號后，判斷會發(fā)生追尾碰撞，即為信息相關(guān).

下頁圖2（a）表示單個車輛節(jié)點的軟件控制流程.系統(tǒng)啟動后，即不斷接受其他車輛的信息，并進行判斷是否信息相關(guān).若信息相關(guān)，則進行語音預警；若信息不相關(guān)，則丟棄信息.繼續(xù)接受其他車輛發(fā)送過來的信息，進行信息相關(guān)的判斷.

本系統(tǒng)無線模塊負責接收GPS模塊的數(shù)據(jù)來獲得車輛的位置信息，接收加速度模塊的數(shù)據(jù)來獲得車輛的行駛狀態(tài).在實際行駛過程中，預警機制如圖2（b）所示，當車輛B加速度大于特定值時，即可以認為B正在進行緊急制動，同時通過無線模塊向周圍車輛發(fā)出預警信號.當周圍車輛A收到預警信號后，會根據(jù)自身與制動車輛B之間的距離來判斷是否信息相關(guān).如果信息相關(guān)，車輛A的無線模塊將調(diào)用語音模塊發(fā)出預警播報；否則，將忽略掉B車的預警信號.

圖2 軟件控制流程和行車預警模型Fig.2 Control flows of software and the vehicle warning model

3.2 硬件系統(tǒng)

3.2.1 系統(tǒng)硬件框架

系統(tǒng)的硬件框架如圖3（a）所示，車輛從GPS模塊和加速度模塊獲得自身的地理位置、速度和方向等信息；無線模塊將收到的車輛行駛狀態(tài)信息發(fā)送出去，同時接收來自其他車輛的信息；語音模塊接收控制模塊發(fā)出的警報指令后，發(fā)出語音預警信息提醒駕駛員.

圖3 硬件系統(tǒng)框架和硬件選型Fig.3 Hardware system framework and the module selection of hardware

3.2.2 硬件模塊選型

硬件型號的選擇實物如圖3（b），從左到右分別為：主控芯片CC2530PA，加速度模塊ADXL345，GPS模塊NEO-6，語音模塊WT588D.具體如表3所示.

3.2.3 硬件各模塊基本電路原理圖

加速度模塊基本工作電路如圖4（a），其中SDO為串行數(shù)據(jù)輸出，SDA為串行數(shù)據(jù)輸入，SCL為串行通信時鐘.

GPS模塊基本工作電路如圖4（b），其中RF＿IN為GPS信號輸入口，RxD1為串行輸入端口，TxD1為串行輸出端口.

語音模塊基本工作電路如圖4（c），采用三線串口控制PWM輸出方式.

表3 模塊性能和型號Table 3 Model performance and type

圖4 各模塊基本電路原理圖Fig.4 Basic circuit diagram of each module

3.3 軟件系統(tǒng)

軟件系統(tǒng)要設(shè)計三個方面，如表4所示.

表4 軟件系統(tǒng)設(shè)計Table 4 Design of software system

3.3.1 無線模塊的通信功能

無線模塊的基本功能是進行車輛間的無線通信.行駛車輛不斷采集自身的位置信息和加速度信息，當圖2（b）中的車輛B緊急剎車時，B的無線模塊將向周圍廣播數(shù)據(jù).數(shù)據(jù)格式統(tǒng)一定義為下頁表5所示.

3.3.2 無線模塊信息處理功能實現(xiàn)

整個系統(tǒng)信息處理功能的流程如圖2（a）所示，具體的追尾碰撞預警算法如下.

在收到一個正常數(shù)據(jù)包后，程序依次執(zhí)行三步：判別行駛方向是否相關(guān)；判別前后位置關(guān)系；計算兩車距離判別安全等級.

表5 數(shù)據(jù)格式定義Table 5 Definition of data format

表6 追尾碰撞預警算法Table 6 Algorithm of rear impact early warning

定義3.車輛0°方向.設(shè)置正北方為0°，由GPS獲得車輛的具體位置信息.

步驟1.判別方向

本車行駛方向角度與鄰車的行駛方向角度相差在30度以內(nèi)都看作有可能發(fā)生追尾碰撞，返回true，否則返回false.令a表示本車的行駛方向，b表示鄰車的行駛方向，c＝（ab＋360）%360表示本車與鄰車的方向角度差，函數(shù)isSame-Beaing判別行駛方向相關(guān)性：

圖5 行駛方向相關(guān)性判斷Fig.5 Judgment of travel direction correlation

步驟2.判別前后

只有當鄰車在本車前方時執(zhí)行追尾預警算法，準備提示本車駕駛員.令Lat1、Lng1表示本車的緯度和經(jīng)度，Lat2、Lng2表示鄰車的緯度和經(jīng)度，bearing表示本車的行駛方向，用BR表示.函數(shù)isInRegion把平面直角坐標系旋轉(zhuǎn)bear-ing°，用BR°表示.重新計算本車與鄰車的經(jīng)緯度坐標，如果鄰車在本車前方區(qū)域內(nèi)返回true：

圖6 前后車判斷Fig.6 Judgment of front and rear vehicle

旋轉(zhuǎn)后的本車坐標＝

圖7 坐標變換公式Fig.7 Coordinate transformation formula

步驟3.判別安全等級

由GPS獲得前后兩車的實際距離dis，然后用兩車速度差乘以駕駛員的反應時間（可調(diào)整）獲取反應距離RD，然后用dis與RD的比值計算出安全等級.當前車速度大于等于本車，不會發(fā)生追尾.當實際距離大于反應距離時，不會發(fā)生追尾.具體算法流程圖如圖8所示.

圖8 安全等級判斷流程圖Fig.8 Flow chart of safety grade judgment

3.3.3 無線模塊與GPS、加速度和語音的接口設(shè)計

無線模塊作為核心處理器，需要與其他模塊進行交互，但是GPS模塊、加速度模塊和語音模塊的原理和接口各不相同，所以需要進行接口的基本設(shè)計.由于其他模塊不需要軟件設(shè)計，所以本系統(tǒng)只進行了無線模塊的接口設(shè)計，接口設(shè)計結(jié)構(gòu)如下頁圖9所示.

3.3.4 硬件模塊的寄存器

各個模塊的程序讀取函數(shù)和寫入函數(shù)接口如表7所示，其中加速度模塊只有讀取函數(shù)，GPS模塊只有讀取函數(shù)，語音模塊有讀取函數(shù)和寫入函數(shù)（在同一函數(shù)里）：

圖9 無線模塊接口結(jié)構(gòu)Fig.9 Interface structure of Wireless module

表7 模塊程序的函數(shù)接口Table 7 Function interface of module program

GPS模塊［14］關(guān)鍵變量如表9.

表8 加速度模塊關(guān)鍵寄存器Table 8 Critical accelerometer registers

表9 GPS模塊關(guān)鍵變量Table 9 Critical variable of GPS module

語音模塊［15］命令碼和端口分配如表10.

表10 語音模塊命令碼和端口分配Table 10 Command code and port allocation of voice module

4 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)測試主要分為4個部分.第1部分是有效通信距離的測試，第2部分是GPS模塊數(shù)據(jù)讀取測試，第3部分是靜態(tài)模擬行駛環(huán)境測試，第4部分是上車動態(tài)行駛測試.測試用樣板如圖11（c）所示，有兩套樣板，供電為5.0V直流輸入的電池.

4.1 有效通信距離

有效通信距離如圖10（a）所示，將兩個測試節(jié)點分別放置A、B兩處，A、B兩處相隔200米.然后進行傳包測試，如圖10（b）所示一共傳送了269個數(shù)據(jù)包，誤碼率為0.

圖10 有效通信距離測試Fig.10 Effective communication distance test

4.2 GPS模塊數(shù)據(jù)讀取

通過串口讀取的GPS模塊數(shù)據(jù)如表11、表12所示，其中各字段意義請查閱表5和表9.

表11 GPS模塊串口數(shù)據(jù)Table 11 Serial data of GPS module

4.3 靜態(tài)行駛環(huán)境測試

靜態(tài)行駛環(huán)境測試如圖11（a）所示，在兩輛車上各放置一套本系統(tǒng)，人工 晃進行加速度信號的產(chǎn)生，然后檢測信號是否能正常接收和處理.為了方便檢測信號是否產(chǎn)生，除了語音模塊外，本系統(tǒng)還設(shè)置了一個LED信號燈，當預警信號產(chǎn)生時，信號燈就會亮，具體如圖11（c）所示.

圖11 模擬行駛環(huán)境測試Fig.11 Simulation driving environment test

4.4 上車動態(tài)行駛測試

上車動態(tài)測試如圖11（b）所示，前方車輛突然緊急剎車，后方車輛觸發(fā)語音預警，效果如圖11（c）所示.

4.5 測試指標

如表12所示，每組進行20次數(shù)據(jù)測試，其中1至5組為靜態(tài)行駛環(huán)境測試，6至10組為上車動態(tài)行駛環(huán)境測試.靜態(tài)行駛環(huán)境和動態(tài)行駛環(huán)境各測試100個數(shù)據(jù)，計算正常觸發(fā)率；將兩種環(huán)境下的平均通信延遲均化處理后得到116ms 和142ms兩個通信延遲指標；分別取兩種行駛環(huán)境下的最大通信延遲作為通信延遲極大值.

表12 模擬環(huán)境測試指標Table 12 Simulation driving environment test index

5 總 結(jié)

本文提出了一種基于ZigBee的高速公路主動安全系統(tǒng)，并且利用市面上一些常用的傳感器模塊進行系統(tǒng)設(shè)計.通過進行需求分析、硬件系統(tǒng)設(shè)計、軟件設(shè)計和寄存器配置等，最終設(shè)計出了一套車輛之間的主動安全系統(tǒng).

該系統(tǒng)可以在前車進行緊急制動時，通過無線模塊向周圍發(fā)送預警信號.周圍車輛收到預警信號后，通過判斷信號相關(guān)性進行語音預警，降低了駕駛員的反應時間，能有效解決在惡劣天氣環(huán)境下可見度低的問題.系統(tǒng)設(shè)計完成后，進行模擬環(huán)境測試，得出測試指標中的通信延遲極大值為166ms，當車輛在100km/h的時速下，延遲時間內(nèi)行駛的距離為4.6m，符合基本要求.

但是在系統(tǒng)的穩(wěn)定性和實效性方面還有待提升，如何更加有效的進行安全預警，如果降低系統(tǒng)整體延遲.這些將是我們下一步要研究的重點.

［1］Xia F，Yang L T，Wang L，et al.Internet of things［J］.International Journal of Communication Systems，2012，25（9）：1101-1102.

［2］Bi Z，Chen D，Wang C，et al.Adopting WirelessHART for In-vehi-cle-Networking［C］.Institute of Electrical and Electronics Engi-neers，International Conference on High Performance Computing and Communications，IEEE，2015.

［3］Huang C L，F(xiàn)allah Y P，Sengupta R，et al.Intervehicle transmission rate control for cooperative active safety system［J］.Institute of E-lectrical and Electronics Engineers，Transactions on Intelligent Transportation Systems，2011，12（3）：645-658.

［4］Lee K C，Man H K，Lee S，et al.Institute of electrical and electron-ics engineers 1451 based smart module for in-vehicle networking systems of intelligent vehicles［C］.Industrial Electronics Society，IECON′03.the，Conference of the Institute of Electrical and Elec-tronics Engineers.IEEE，2003：1796-1801.

［5］Lee J S，Su Y W，Shen C C.A comparative study of wireless proto-cols：bluetooth，UWB，ZigBee，and Wi-Fi［J］.Institute of Electrical and Electronics Engineers，2007：46-51.

［6］Li Ke-qiang，Wang Jian-qiang，Guo Lei，et al.Lateral active safety system based on THASV-Ⅱ［J］.Sciencepaper Online，2007，2 （9）：646-650.

［7］Zhao Tai-fei，Zhang Xiao-fei，Lou Jun-peng.Vehicle system with intelligent security pre-warning in expressway［J］.Comput Syst Appl，2015，24（10）：38-45.

［8］Wu Yong-hao，Yu Zheng-hong，Li Cong.Highway safety warning system based on internet of things［J］.Computer＆Digital Engi-neering，2014，42（2）：280-285.

［9］Yang Xiu-fang，Zhang Xin，Chang Gui-xiu，et al.Development sta-tus and trends of automobile active safety technology［J］.Journal of Chongqing Institute of Technology，2008，22（4）：15-17.

［10］Yang Chao，Hu Yun.Automobile safety distance model on high-way［J］.Journal of East China Jiaotong University，2010，27（5）：63-66.

［11］Ma Jun.A study on safe distance between the vehicles in freeway ［J］.Journal of Xian Highway University，1998，（4）：90-94.

［12］Arue system-on-chip solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee applications.texas instruments［EB/OL］.http://www.ti.com/product/cc2530，2015.

［13］Digital accelerometer DataSheet［EB/OL］.http://www.analog.com/cn/products/mems/accelerometers/adxl345.html＃productoverview，2015.

［14］NEO－6m datasheet［EB/OL］.https：//www.u－blox.com/zh/position－time，2015.

［15］Guangzhou Chuang Chuang Electronics Co.，Ltd.［EB/OL］.http://www.w1999c.com/yuying＿show.asp？productid＝246，2015.

附中文參考文獻：

［6］李克強，王建強，郭 磊，等.基于THASV-Ⅱ的橫向主動安全系統(tǒng)［J］.中國科技論文，2007，2（9）：646-650.

［7］趙太飛，張曉飛，婁俊鵬.高速公路車輛智能安全預警系統(tǒng)［J］.計算機系統(tǒng)應用，2015，24（10）：38-45.

［8］伍永豪，余正紅，李 聰.基于物聯(lián)網(wǎng)的高速公路安全預警系統(tǒng)研究［J］.計算機與數(shù)字工程，2014，42（2）：280-285.

［9］楊秀芳，張 新，常桂秀，等.汽車主動安全技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢［J］.重慶工學院學報，2008，22（4）：15-17.

［10］楊 超，胡 瑜.高速公路汽車安全距離模型［J］.華東交通大學學報，2010，27（5）：63-66.

［11］馬 駿.高速公路行車安全距離的分析與研究［J］.西安公路交通大學學報，1998，（4）：90-94.