張漢卿 蔡啟仲 張嘉晨 趙永超 潘紹明

【摘 要】一種自主設(shè)計(jì)的基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)的高速公路汽車防碰撞預(yù)警系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由車載裝置、監(jiān)測通信裝置、出入口裝置、頻率設(shè)置裝置組成，構(gòu)建Zigbee無線通信網(wǎng)絡(luò)。描述了該系統(tǒng)的工作流程，重點(diǎn)闡述了各個(gè)功能模塊的電路設(shè)計(jì)及運(yùn)行機(jī)理。測試該系統(tǒng)的各個(gè)功能裝置滿足高速公路汽車防碰撞預(yù)警系統(tǒng)的應(yīng)用要求。

【關(guān)鍵詞】高速公路；汽車防撞；Zigbee

中圖分類號： U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）21-0110-005

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.049

【Abstract】A self-designed highway anti-collision warning system based on ZigBee wireless network，which is mainly composed of vehicle-mounted device，monitoring communication device，entrance and exit device and frequency setting device，and constructs Zigbee wireless communication network.The workflow of the system is described，and the circuit design and operation mechanism of each functional module are highlighted.The various functional devices of the system have been tested to meet the application requirements of the highway anti-collision warning system.

【Key words】Highway；Anti-collision；Zigbee

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們的生活水平的提高，汽車已成為人們的首要出行工具。汽車行駛安全問題就成為了重中之重，據(jù)研究顯示，高速上的發(fā)生的事故大部分是由于司機(jī)注意力不集中引起的[1]。由此，有必要研究一個(gè)高速公路汽車防碰撞預(yù)警系統(tǒng)，在有安全隱患的情況下對司機(jī)進(jìn)行提示，達(dá)到預(yù)警并且減少交通事故的目的。目前高速公路車輛防碰撞預(yù)警系統(tǒng)的研究大多圍繞著利用本車的車載超聲波、雷達(dá)或激光測距等手段來測量車輛間的相對距離[2]，測試結(jié)果表明如果本車處于不安全行駛的狀態(tài)給予警示，這是一種主動性防碰撞系統(tǒng)。這種汽車防碰撞系統(tǒng)沒有大量投入市場的主要原因是由于其成本高、處理雷達(dá)信號技術(shù)復(fù)雜、誤警率高等，通常只在高中檔轎車上裝備[3]。另外，由于車輛只能通過傳感器測量得到本車行駛的狀態(tài)，而無法獲知相鄰車輛的數(shù)據(jù)信息，且判斷本車處于不安全行駛的狀態(tài)時(shí)，不能夠告知附近相鄰的車輛。所以這種預(yù)警系統(tǒng)的功能不全面，在高速路這樣龐大的系統(tǒng)中，方法顯得比較單一。

本文提出一種被動和主動防碰撞的系統(tǒng)，利用無線通信技術(shù)建立無線傳感網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn)車輛間的通信，系統(tǒng)的主動性體現(xiàn)在本車車載裝置自主測試運(yùn)行狀態(tài)的功能，被動性體現(xiàn)在本車車載裝置能夠向后方車輛發(fā)送本車運(yùn)行異常的信息，以及接收前方車輛運(yùn)行異常的信息。系統(tǒng)在任何天氣、任何車速狀態(tài)下能及時(shí)接收到本車前方車輛行駛異常的信息，以及提醒后方駕駛員謹(jǐn)慎駕駛的目的。

1 高速公路汽車防碰撞預(yù)警系統(tǒng)概述

高速公路汽車防碰撞預(yù)警系統(tǒng)包括車載裝置、監(jiān)測通信裝置、出入口裝置、頻率設(shè)置裝置。由于不同向車道發(fā)生事故互不影響，故給兩個(gè)不同方向的車道分配兩個(gè)不同的通信頻率，避免因收發(fā)信息混淆而產(chǎn)生錯(cuò)誤。本系統(tǒng)通過構(gòu)建Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)來進(jìn)行通訊。

ZigBee技術(shù)是一種新興的高可靠性、短距離、低數(shù)據(jù)傳輸速率的無線通信組網(wǎng)技術(shù)，主要是基于小型無線網(wǎng)絡(luò)而開發(fā)的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)[4-6]?；赯igBee的無線網(wǎng)絡(luò)所使用的工作頻段為868MHz、915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz是全球統(tǒng)一、無須申請ISM頻段，適合ZigBee設(shè)備推廣[7-9]，物理層采用16相調(diào)制技術(shù)，能夠提供250kbps的傳輸速率，其傳輸距離一般在10m到300m的范圍內(nèi)，并可以通過功率放大進(jìn)行傳輸距離擴(kuò)展，達(dá)到千米級別[10-12]。

預(yù)警系統(tǒng)工作過程為，在汽車駛?cè)敫咚俟啡肟跁r(shí)，入口測試啟動裝置激活，和車載裝置進(jìn)行性能通信連接并進(jìn)行測試，然后啟動車載裝置，設(shè)置該路段的安全行駛速度的信息。如果行駛過程中，車載裝置通過GPS模塊實(shí)時(shí)獲取車輛的速度值，當(dāng)汽車有速度不符合當(dāng)前道路行駛速度或者有停車的情況時(shí)，車載裝置將車輛的行駛信息發(fā)送給道路一側(cè)的監(jiān)測通信裝置，然后監(jiān)測通信裝置在接收到汽車的速度與故障信息后，發(fā)送給后一級監(jiān)測裝置前方車輛的信息并且向前方車輛發(fā)送警報(bào)詢問，后一級監(jiān)測裝置發(fā)出響應(yīng)的警示給后方車輛，達(dá)到預(yù)警的效果。當(dāng)汽車駛離高速的時(shí)候，在高速公路出口的禁閉裝置通過無線通信的方式，將車載裝置關(guān)閉。

如圖1所示，現(xiàn)對監(jiān)測路段的劃分作出規(guī)定：車輛從一個(gè)收費(fèi)站的入口，按照汽車的行駛方向，與該行駛方向最近的收費(fèi)站出口構(gòu)成一個(gè)高速公路監(jiān)測段。其在每一個(gè)高速公路監(jiān)測路段，從高速公路入口到高速公路出口作為一個(gè)小的通信局域網(wǎng)絡(luò)，由高速公路車載裝置和高速公路監(jiān)測通信裝置相互協(xié)作，對有異常路段后方的汽車進(jìn)行預(yù)警。

假設(shè)一輛汽車從左邊的收費(fèi)站進(jìn)入高速公路，從輔道進(jìn)入主車道，經(jīng)過高速公路監(jiān)測段進(jìn)入出口輔道，然后從右邊收費(fèi)站駛出高速公路。高速公路汽車防碰撞預(yù)警系統(tǒng)的工作流程大致如下：

第一步，汽車駛?cè)敫咚俟啡肟谔帲紫扔神{駛員手動開啟車載裝置，然后收費(fèi)站入口測試啟動裝置開始工作，入口測試裝置經(jīng)無線通信發(fā)信息給車載裝置，進(jìn)而測試車載裝置與入口測試裝置是否正常工作；

第二步，汽車駛?cè)胼o道，這時(shí)，安裝在輔道入口處的高速公路行駛方向頻率設(shè)置裝置通過無線通信發(fā)送一個(gè)固定的頻率給車載裝置，車載裝置根據(jù)收到的頻率值重新初始化通信頻率，之后在該車輛在此段高速公路上行駛就按照剛剛設(shè)定好的頻率值來進(jìn)行通信；

第三步，汽車駛?cè)敫咚俟?，進(jìn)入高速公路防碰撞預(yù)警系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)區(qū)，接受高速公路監(jiān)測裝置的監(jiān)測。車載裝置自主測速并判斷自身速度是否低于（超出）設(shè)定的安全閾值，當(dāng)汽車行駛速度低于（超出）規(guī)定的數(shù)值時(shí)，就自動會以低于（超出）的百分比來計(jì)算危險(xiǎn)等級，然后將危險(xiǎn)等級發(fā)送給監(jiān)測裝置，此時(shí)監(jiān)測裝置接收到車速較慢或有車停車時(shí)發(fā)詢問信息給車載裝置，然后駕駛員操作按鍵通過無線通信發(fā)送本車異狀信息給監(jiān)測裝置，監(jiān)測裝置根據(jù)危險(xiǎn)等級決定通過網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋵悹钚畔ⅲㄍ＼嚮虻退?、超速）發(fā)送給后N級監(jiān)測裝置，后級監(jiān)測裝置將收到的前方路況信息發(fā)給對應(yīng)管轄區(qū)域的車輛，后面車輛的車載裝置接收到后，通過不同的報(bào)警聲音和顯示屏提醒駕駛員注意前方路況，以達(dá)到提前預(yù)警效果，可以有效防止高速公路汽車防撞，特別是杜絕了連環(huán)相撞的嚴(yán)重事故的發(fā)生。

第四步，車輛到達(dá)收費(fèi)站出口時(shí)，收費(fèi)站出口禁閉裝置通過無線通信向車載裝置發(fā)出關(guān)閉車載裝置的功能指令，車載裝置將處于休眠狀態(tài)，降低車載裝置的功耗，等待再次進(jìn)入高速公路時(shí)被喚醒。

如此一來，高速公路入口、高速公路輔道、高速公路路段和高速公路上的車輛以及高速公路出口就構(gòu)成了整套高速公路汽車防碰撞預(yù)警系統(tǒng)，保證了行駛在高速路上的車輛的安全性和可靠性。

2 硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)總共包括四大部分，車載裝置、出入口禁閉裝置、監(jiān)測通信裝置、頻率設(shè)置裝置。

2.1 車載裝置

車載裝置是系統(tǒng)的核心，交由其完成的工作有：對所在車輛進(jìn)行測速；通過LED、語音提示模塊和按鍵進(jìn)行簡單的人機(jī)交互；與其他各個(gè)裝置進(jìn)行通信。經(jīng)對功能分析，本系統(tǒng)決定采用32位基于ARM內(nèi)核的stm32f103rbt6作為車載裝置的主控制器。車載裝置的硬件框圖如圖2所示。

車載裝置由STM32主控制器的最小系統(tǒng)和外設(shè)兩部分組成。最小系統(tǒng)包括電源電路晶振電路復(fù)位電路及調(diào)試接口電路。其中主控芯片和ZigBee模塊以及顯示屏需要3.3V供電，語音模塊和GPS模塊需要5V供電。故采用帶有USB接口的車載充電器將汽車電瓶的12V直流電轉(zhuǎn)為5V通過USB口輸出，然后通過一個(gè)AMS1117-3.3穩(wěn)壓芯片把USB轉(zhuǎn)出的5V電壓再轉(zhuǎn)化為3.3V。為了盡可能降低原件耦合到電源端的噪聲，設(shè)計(jì)在芯片電源端增加去耦電容。電源電路如圖2-2所示。

2.1.1 ZigBee無線通信模塊

ZigBee無線通信模塊是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，本設(shè)計(jì)選用CC2530F256芯片，在其內(nèi)部集成了8051內(nèi)核和射頻模塊。ZigBee無線通信模塊電路主要包含CC2530核心芯片、天線電路和通用外圍電路，將天線射頻電路與芯片的輸出引腳連接，然后將芯片的GPIO引腳全部接出，供電由安裝在車載裝置上的插座來實(shí)現(xiàn)。CC2530核心板原理圖如圖4所示。

如若對片上的閃存進(jìn)行編程，設(shè)計(jì)一個(gè)兩線的調(diào)試接口，一來方便調(diào)試，二來可以方便訪問存儲器和寄存器的內(nèi)容，并且對于修改寄存器和debug中的斷點(diǎn)和單步操作就極為快捷。其中使用I/O口中的P2.1作為調(diào)試數(shù)據(jù)引腳，P2.2作為調(diào)試時(shí)鐘引腳，然后將該調(diào)試接口接出，來配合調(diào)試器的使用。調(diào)試接口電路如圖5所示。

ZigBee無線通信模塊與STM32主控制器的信息交互通過串口USART1來實(shí)現(xiàn)，STM32的串口UART1的發(fā)送端（PA9）和接收端（PA10）分別和CC2530串口的接收端（P0.2）和發(fā)送端（P0.3）相連接。無線通信模塊和主控的引腳連接圖如圖6所示。

2.1.2 GPS模塊

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)將GPS模塊安裝在車載裝置上，如此一來，就可以很方便地獲取GPS數(shù)據(jù)，然后通過串口將獲取的數(shù)據(jù)發(fā)送給主控制器，主控制器把接收到的數(shù)據(jù)解析出來，得到汽車行駛的速度值。GPS模塊與STM32主控制器通過UART2串口來進(jìn)行信息交互。其連接電路如圖7所示。

2.1.3 語音模塊

STM32和語音模塊的信息交互同樣通過串口來實(shí)現(xiàn)，連接該模塊的2、3、6、7、8、14引腳，將STM32的波特率設(shè)置為9600，8個(gè)數(shù)據(jù)位，一個(gè)停止位，未設(shè)有校驗(yàn)位。這樣STM32主控芯片即可通過串口發(fā)送的不同數(shù)據(jù)來對語音模塊進(jìn)行播放暫停的操作。串口控制協(xié)議命令格式為：

語音模塊使用STM32主控制器的UART3串口，其接線如圖8所示。

2.2 監(jiān)測通信裝置硬件設(shè)計(jì)

監(jiān)測通信裝置安裝在高速公路兩側(cè)，在整個(gè)系統(tǒng)無線通信中扮演著重要的角色。由于是靠電池供電，所以要盡可能要降低其功耗，這里同樣采用CC2530作為監(jiān)測通信裝置的主控制器，得益于CC2530集成了8051內(nèi)核且低功耗，完全可以作為一個(gè)單片機(jī)內(nèi)核來使用。調(diào)試接口、供電電路與車載裝置大同小異，在此不再贅述。

2.3 出入口禁閉裝置硬件設(shè)計(jì)

出入口禁閉裝置分為入口禁閉裝置和出口禁閉裝置。入口禁閉裝置，用來開啟車載裝置，并對其進(jìn)行初始化，而出口禁閉裝置則是用來在汽車經(jīng)過高速出口的時(shí)候?qū)囕d裝置進(jìn)行休眠，達(dá)到省電的效果。出入口裝置在硬件功能上是一致的，只是具體通信在軟件端體現(xiàn)有不同。故將出入口禁閉裝置設(shè)為相同的，既節(jié)省了開發(fā)成本也節(jié)約了時(shí)間。其同樣采用CC2530芯片。為了操作方便及更好的用戶體驗(yàn)，設(shè)計(jì)增加了顯示屏和語音模塊，使之作為人機(jī)交互的外設(shè)。下面來簡要介紹下顯示屏硬件電路。

顯示屏模塊采用基于ST7735S內(nèi)核的TFT1.44寸彩色液晶顯示屏，其具有128×128的基礎(chǔ)像素點(diǎn)。其通過SPI接口和CC2530主控芯片進(jìn)行連接通信。其硬件連接如圖9所示。

2.4 行駛方向頻率設(shè)置裝置硬件設(shè)計(jì)

行駛方向的設(shè)置是系統(tǒng)正確的運(yùn)行的保障，其安裝于高速公路入口的輔道處。當(dāng)汽車駛?cè)霑r(shí)，其需要建立該汽車行駛方向頻率的Zigbee網(wǎng)絡(luò)，然后將車載裝置的Zigbee無線通信模塊設(shè)置為該方向的頻率。為了方便查看，為其增加一個(gè)數(shù)碼管來顯示信道信息。數(shù)碼管選用四位一體共陽極數(shù)碼管，通過I/O口連接PNP三極管9012作為驅(qū)動電路來實(shí)現(xiàn)位選，用CC2530主控芯片的GPIO作為段選開關(guān)，數(shù)碼管選擇低電平點(diǎn)亮。其硬件連接如圖10所示。

3 硬件功能測試

硬件功能測試按照車載裝置、出入口禁閉裝置、監(jiān)測裝置、頻率設(shè)置裝置順序來進(jìn)行測試，通過測試各個(gè)裝置的外設(shè)功能實(shí)現(xiàn)情況來判斷硬件設(shè)計(jì)是否正確。

3.1 車載裝置硬件測試

ZigBee無線通信模塊的測試，硬件部分只需要測試STM32主控制器通過串口是否可以把數(shù)據(jù)準(zhǔn)確地通過串口1發(fā)給無線通信模塊。為了方便，通過按鍵來模擬車速異常的情況，按鍵按下時(shí)表示高速低級異常，STM32就通過串口發(fā)送字符串“0x123494”，然后利用USB轉(zhuǎn)TTL，連接ZigBee無線通信模塊的串口，通過串口助手顯示，ZigBee無線通信模塊能夠正確接收STM32發(fā)來的字符串?dāng)?shù)據(jù)，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了無線通信模塊硬件設(shè)計(jì)是正確的。

GPS模塊測試是通過將GPS模塊放到室外，通過編寫程序，每接收一次數(shù)據(jù)，然后將數(shù)據(jù)打印在屏幕上，然后紫色的LED會閃爍一次，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了GPS模塊的硬件設(shè)計(jì)是正確的。

語音模塊和STM32是通過串口來連接的，驗(yàn)證時(shí)候通過按鍵來產(chǎn)生外部中斷，STM32通過外部語音模塊發(fā)送播放指令，語音模塊播放時(shí)，其自帶的白色LED會亮起，播放結(jié)束隨之熄滅。通過播放TF卡中的語音文件，驗(yàn)證了語音模塊硬件設(shè)計(jì)的正確。

3.2 監(jiān)測通信裝置、出入口裝置、頻率設(shè)置裝置的硬件測試

監(jiān)測通信裝置的外設(shè)測試，通過按鍵點(diǎn)亮LED，來測試硬件設(shè)計(jì)的正確性。通過按鍵可以成功點(diǎn)亮LED燈，說明外設(shè)功能正常，硬件設(shè)計(jì)正確。

測試出入口禁閉裝置這兩個(gè)模塊的原理與測試車載裝置原理相同，不同的是其主控制器是直接利用CC2530來控制。利用按鍵產(chǎn)生中斷，CC2530通過串口發(fā)送命令語句給語音模塊使其工作。通過實(shí)驗(yàn)可以驗(yàn)證出入口裝置硬件電路設(shè)計(jì)的正確性。

頻率設(shè)置裝置的外設(shè)主要是數(shù)碼管，用來顯示組網(wǎng)選擇的信道信息。通過協(xié)議棧編程將頻率設(shè)置裝置選為協(xié)調(diào)器，在程序中通過信道設(shè)置函數(shù)MAC_RADIO_SET_CHANNEL（x）來選擇信道，在程序初始化設(shè)置語句完成后，添加數(shù)碼管顯示程序，將x的值通過數(shù)碼管顯示，下載程序到頻率設(shè)置裝置，觀察數(shù)碼管的顯示內(nèi)容。然后再在程序中修改x的值為22，再次下載觀察。通過對比驗(yàn)證，可以看出數(shù)碼管可以正確顯示頻率設(shè)置裝置組網(wǎng)選擇的信道號，可以驗(yàn)證頻率設(shè)置裝置硬件電路設(shè)計(jì)是正確的。

通過過對各裝置外設(shè)功能進(jìn)行了測試，驗(yàn)證了電路設(shè)計(jì)的正確性。

4 結(jié)束語

文章在綜合現(xiàn)階段已有高速公路汽車防碰撞預(yù)警系統(tǒng)的成本高、技術(shù)復(fù)雜、虛警率高等缺點(diǎn)前提下，在分析了自主設(shè)計(jì)的高速公路汽車防碰撞預(yù)警系統(tǒng)的功能實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)上，利用ZigBee無線通信和嵌入式技術(shù)，設(shè)計(jì)了基于CC2530無線通信模塊的硬件電路，實(shí)現(xiàn)了高速公路防碰撞預(yù)警的效果。并且通過外設(shè)的測試，驗(yàn)證了硬件設(shè)計(jì)的正確性。

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