孫浩凱，劉 博，佟世繼

（連云港杰瑞電子有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引 言

近幾年，私家車擁有量快速增加，城市交通壓力越來越大，擁堵時間逐步增加，擁堵面積逐年擴(kuò)大。經(jīng)常出現(xiàn)交通擁堵的城市也由一、二線蔓延至三、四線。交通壓力的增加也促進(jìn)了城市交通建設(shè)理念的不斷進(jìn)步，倡導(dǎo)公共交通、提倡綠色出行成為社會共識。在此背景下，越來越多的城市開通并運(yùn)營了快速公交（BRT）和智軌列車（ART），提升了城市交通的運(yùn)行效力。傳統(tǒng)交通模式下，通行BRT和ART的專用車道禁止社會車輛進(jìn)入，在沒有公交車輛運(yùn)行的時間，專用車道處于閑置狀態(tài)，雖保證了通行安全，但也造成了交通資源的浪費(fèi)。為了提高專用車道利用率，在保證安全的同時提升交通容量，本文綜合了LoRa和ZigBee技術(shù)，研究了一種可以安全、高效、有序、可靠地引導(dǎo)社會車輛利用公交專用道的路權(quán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)支持狀態(tài)上傳，設(shè)備維護(hù)簡便，兼顧安全原則與路權(quán)原則，充分考慮到中國交通現(xiàn)狀與特點(diǎn)，對解決城市交通擁堵有著積極的探索意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與作用方式

系統(tǒng)由路面信標(biāo)設(shè)備、車載網(wǎng)關(guān)設(shè)備和后臺管理軟件組成。

路面信標(biāo)沿公交專用車道外側(cè)布置，具有指令接收、狀態(tài)上傳和燈態(tài)顯示功能。車載網(wǎng)關(guān)設(shè)備安裝在BRT或ART車輛內(nèi)部，可向信標(biāo)下發(fā)控制命令，接收信標(biāo)上傳的狀態(tài)信息，通過4G網(wǎng)絡(luò)向后臺管理軟件上傳狀態(tài)參數(shù)。

每個發(fā)光信標(biāo)在出廠時設(shè)置唯一ID，所有信標(biāo)等間距安裝，安裝時或安裝后記錄并上傳部分信標(biāo)的GPS信息至后臺管理中心。其余信標(biāo)的GPS信息由后臺軟件根據(jù)信標(biāo)安裝間距自動生成。信標(biāo)實(shí)行分組管理模式，考慮車輛行駛速度和通信時延，每50 m內(nèi)的信標(biāo)為一組。每組編號和信標(biāo)ID按BRT行駛方向遞增。

BRT沿公交專用車道行駛時，車載網(wǎng)關(guān)以LoRa模式連續(xù)向路面信標(biāo)發(fā)送控制命令，車輛前后一定范圍內(nèi)的信標(biāo)接收指令并做出響應(yīng)，控制燈態(tài)變化。BRT前方300 m范圍內(nèi)信標(biāo)隨車輛行駛依次顯示紅色燈態(tài)，BRT后方200 m范圍內(nèi)信標(biāo)隨車輛行駛依次顯示綠燈。BRT靠近信標(biāo)時，車載網(wǎng)關(guān)以ZigBee模式發(fā)送狀態(tài)查詢命令，信標(biāo)接收命令后回傳自身狀態(tài)信息。社會車輛根據(jù)信標(biāo)燈態(tài)被允許或禁止進(jìn)入公交專用車道。為保證社會車輛的視覺效果，信標(biāo)安裝間距應(yīng)小于2 m。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 路面信標(biāo)硬件設(shè)計

信標(biāo)由殼體、太陽能板、可充電電池、充放電管理單元、微控制器、上行無線數(shù)傳單元、下行無線數(shù)傳單元和發(fā)光單元組成。總體設(shè)計如圖2所示。

圖2 信標(biāo)硬件總體方案

微控制器選用TI公司MSP430G2553型低功耗MCU，1 MHz頻率條件下，電流小于220 μA，休眠電流小于0.1 μA。

太陽能電池板采用浙江奉化金星的S55型太陽能板，單晶硅結(jié)構(gòu)，尺寸為55.5 mm×44.5 mm，輸出電壓為5.5 V，輸出功率為0.4 W。

電池采用廣東金鳳凰的1 000 mAh三元鋰電池，支持-40～70 ℃放電、-30～70 ℃充電。

充放電控制單元中，充電電路采用上海如韻電子的CN3063鋰電池充電管理芯片，該器件內(nèi)部包括功率晶體管，應(yīng)用時不需要外部的電流檢測電阻和阻流二極管。內(nèi)部包含8位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動調(diào)整充電電流，用戶不需要考慮最壞情況，可最大限度地利用輸入電壓源的電流輸出能力，適合利用太陽能板等電流輸出能力有限的電壓源供電的鋰電池充電應(yīng)用。恒壓充電電壓為4.2 V。當(dāng)輸入電壓掉電時，CN3063自動進(jìn)入低功耗的睡眠模式，此時漏電流小于3 μA。

放電電路中，穩(wěn)壓電源采用赫爾微的HE7233芯片，最大輸出電流為350 mA，漏電流為1 μA。該芯片優(yōu)秀的漏電流指標(biāo)有助于增加信標(biāo)的續(xù)航能力。充放電管理單元原理如圖3所示。

圖3 信標(biāo)充放電管理單元

下行數(shù)傳單元（信標(biāo)接收車載網(wǎng)關(guān)指令）采用源自軍用戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的LoRa調(diào)制方式。相較傳統(tǒng)調(diào)制方式，其在抑制同頻干擾的性能方面具有明顯優(yōu)勢，解決了傳統(tǒng)設(shè)計方案無法同時兼顧距離、抗擾和功耗的弊端，適合小數(shù)據(jù)量在負(fù)載環(huán)境中的超遠(yuǎn)距離傳輸。硬件選用致遠(yuǎn)電子的ZM433SX-M型LoRa模塊，基于Semtech公司的SX1276芯片，載波頻率為410～525 MHz，發(fā)射功率為20 dBm，接收靈敏度為-148 dBm，理論最高傳輸速率為37.5 Kb/s。下行數(shù)傳單元原理如圖4所示。

圖4 信標(biāo)下行數(shù)傳單元

上行數(shù)傳單元采用ZigBee制式，理論傳輸速率為250 Kb/s。硬件選用致遠(yuǎn)電子AW5161型基于NXP5161芯片的ZigBee模塊。上行數(shù)傳單元原理如圖5所示。

圖5 信標(biāo)上行數(shù)傳單元

3 車載網(wǎng)關(guān)詳細(xì)系統(tǒng)設(shè)計

BRT或ART車輛長度普遍在18 m以上。為保證車載網(wǎng)關(guān)與路面信標(biāo)有良好的通信效果，車載網(wǎng)關(guān)采用分布式設(shè)計，分為主機(jī)和從機(jī)兩部分，主從機(jī)之間通過以太網(wǎng)通信，支持TCP協(xié)議，主機(jī)為Server模式，從機(jī)為Client模式。BRT車輛與主機(jī)的數(shù)據(jù)交互（主要為車輛行駛速度）經(jīng)路由器通過以太網(wǎng)傳輸。總體架構(gòu)如圖6所示。主機(jī)放置在車頭，從機(jī)放置在車尾，下行指令傳輸需要遠(yuǎn)距離通信，故主機(jī)和從機(jī)的LoRa天線選用專用的玻璃鋼定制天線，放置在車輛外側(cè)。ZigBee天線僅需與車輛附近信標(biāo)通信，與4G天線一起放置在車內(nèi)靠窗的隱蔽位置。

圖6 車載網(wǎng)關(guān)總體架構(gòu)

當(dāng)車輛需要向前方信標(biāo)下發(fā)控制命令時，由主機(jī)下發(fā)命令。當(dāng)車輛需要向后方信標(biāo)下發(fā)控制命令時，主機(jī)通過以太網(wǎng)將命令發(fā)送至從機(jī)，由從機(jī)下發(fā)。

3.1 主機(jī)硬件詳細(xì)設(shè)計

主機(jī)由電源、控制單元、以太網(wǎng)傳輸單元、下行數(shù)傳單元（LoRa）、上行數(shù)傳單元（ZigBee）、4G通信單元組成。硬件組成如圖7所示。

圖7 車載網(wǎng)關(guān)主機(jī)硬件組成

電源采用12 V直流供電，可由車載點(diǎn)煙器獲得。

MCU選用STM32F105型單片機(jī)，工作主頻為72 MHz。

以太網(wǎng)傳輸單元采用WIZnet公司的W5500型全硬件TCP/IP嵌入式以太網(wǎng)控制器，支持 TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP、PPPoE等多種協(xié)議；集成了TCP/IP協(xié)議棧、MAC層和PHY層，支持客戶端或服務(wù)端32 KB片上緩存、8個硬件Socket獨(dú)立通信、SPI總線接口，如圖8所示。

圖8 車載網(wǎng)關(guān)主機(jī)以太網(wǎng)傳輸單元

下行數(shù)傳單元和上行數(shù)傳單元的硬件設(shè)計與信標(biāo)相同。采用致遠(yuǎn)電子的ZM433SX-M型LoRa通信模塊和AW5161型ZigBee通信模塊。

GPS定位單元采用天工測控SKG09D型模塊，基于聯(lián)發(fā)科MT3333芯片，接收靈敏度達(dá)-165 dBm。

4G通信單元采用濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)公司的WH-LTE-7S4型4G通信模塊，有獨(dú)立SIM卡接口。

3.2 從機(jī)硬件設(shè)計

從機(jī)由電源、控制單元、以太網(wǎng)傳輸單元、下行數(shù)傳單元（LoRa）組成，各子單元電路設(shè)計與主機(jī)相同。組成框圖如圖9所示。

圖9 車載網(wǎng)關(guān)從機(jī)組成

4 傳輸機(jī)制分析及參數(shù)計算

4.1 下行傳輸機(jī)制分析及LoRa參數(shù)計算

4.1.1 指令下行控制機(jī)制分析

車輛行駛時，車載網(wǎng)關(guān)根據(jù)自身的實(shí)時GPS信息、車輛行駛速度和預(yù)先配置的信標(biāo)控制距離（即BRT行駛時控制前后一定距離范圍內(nèi)的信標(biāo)），結(jié)合預(yù)先存儲的信標(biāo)的實(shí)際GPS信息和分組信息（每50 m距離內(nèi)的信標(biāo)為一組），獲得車輛前后控制距離范圍內(nèi)（該距離信息已預(yù)先配置）信標(biāo)的組內(nèi)ID，并對這個目標(biāo)組信標(biāo)下發(fā)控制指令。

信標(biāo)收到控制指令后，解析并比較指令中的目標(biāo)燈態(tài)與信標(biāo)當(dāng)前燈態(tài)。若兩者一致，則信標(biāo)不改變自身燈態(tài)；若兩者不一致，則信標(biāo)需改變自身燈態(tài)。信標(biāo)改變自身燈態(tài)前，將自身組內(nèi)ID編號與車載網(wǎng)關(guān)下發(fā)指令中的延遲時間參數(shù)相乘，獲得自身延遲執(zhí)行的時間。保證所有信標(biāo)按排布順序依次點(diǎn)亮或熄滅。

4.1.2 LoRa參數(shù)計算

影響LoRa通信距離的參數(shù)主要有發(fā)射功率、擴(kuò)頻因子SF、帶寬BW、編碼率CR。LoRa擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)采用多個信息碼片代表有效負(fù)載信息的每個位。擴(kuò)頻信息的發(fā)送速度稱為符號速率，碼片速率與符號速率之間的比值為擴(kuò)頻因子。

為獲得較遠(yuǎn)的通信距離，車載網(wǎng)關(guān)的發(fā)射功率選擇最高檔20 dBm。

2．2．4 哮喘治療情況 480例現(xiàn)患哮喘兒童在哮喘發(fā)作時使用抗生素者409例（85．21%）、全身或吸入性激素389例（81．04%）、支氣管擴(kuò)張劑340例（70．83%）、抗白三烯治療310例（64．58%）、免疫調(diào)節(jié)劑283例（58．96%）、中藥治療339例（70．62%），抗過敏治療55例（11．46%）和脫敏治療2例（0．42%）。

SX1276的擴(kuò)頻因子范圍為6～12，帶寬范圍為7.8～500 kHz，循環(huán)編碼率范圍為1～4，對應(yīng)實(shí)際開銷比率為1.25～2。

帶寬越大，擴(kuò)頻因子越小，傳輸速率越快，但接收靈敏度越低。其中符號速率=BW/(2)，

為節(jié)約功耗，信標(biāo)的LoRa模塊在CAD模式下工作，平時休眠，每0.5 s喚醒一次，喚醒后檢測是否收到前導(dǎo)碼，若收到前導(dǎo)碼，則信標(biāo)轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)接收模式，隨后再次休眠。設(shè)前導(dǎo)碼傳輸時間為，負(fù)載數(shù)據(jù)傳輸時間為，車輛最高行駛速度=100 km/h，信標(biāo)分組距離=50 m，則需滿足>(+)。其中也為信標(biāo)休眠時間，保證信標(biāo)不會丟失前導(dǎo)碼數(shù)據(jù)。為充分保證通信的可靠性，車載網(wǎng)關(guān)和信標(biāo)的可靠傳輸距離應(yīng)遠(yuǎn)大于實(shí)際需求。綜合以上需求和傳輸距離測試結(jié)果，最終選擇SF=12，BW=500 kHz，CR=4/8。

LoRa傳輸時間相關(guān)計算公式如下：

（2）有效數(shù)據(jù)的傳輸符號數(shù)：

其中PL為負(fù)載數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)+CRC校驗(yàn)字節(jié)數(shù)，這里為12字節(jié)負(fù)載數(shù)據(jù)+4字節(jié)CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)。代入數(shù)值得到：

因此，數(shù)據(jù)包理論傳輸時間：=+=(730+256) ms=986 ms。

經(jīng)過實(shí)測發(fā)現(xiàn)，由于MCU處理延時、CRC校驗(yàn)延時等因素，數(shù)據(jù)包實(shí)際傳輸時間為1 050 ms。車輛行駛速度為100 km/h時，1 050 ms內(nèi)車輛行駛距離為29.17 m，遠(yuǎn)小于信標(biāo)分組距離50 m。在市中心無線干擾較嚴(yán)重的區(qū)域，車載網(wǎng)關(guān)與信標(biāo)之間的實(shí)際通信距離為800 m左右，遠(yuǎn)超過300～400 m的指標(biāo)需求，有充足的安全余量。

4.2 上行數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制分析及參數(shù)計算

4.2.1 上行數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制分析

與下行控制相似，車輛行駛時，根據(jù)GPS信息向指定信標(biāo)發(fā)送查詢命令；信標(biāo)收到命令后，上傳自身狀態(tài)信息。有所不同的是，下行控制是按組控制，而上行傳輸是對信標(biāo)單點(diǎn)查詢。ZigBee采用了CSMA避免碰撞機(jī)制，避免信息自動重傳時各節(jié)點(diǎn)相互干擾。

與LoRa相同，為節(jié)約功耗，信標(biāo)的ZigBee模塊平時處于休眠態(tài)。當(dāng)接收到正確的LoRa信息時，根據(jù)RSSI粗略判斷車輛的距離，并按最高車速計算達(dá)到時間，再取一定的提前量，獲得喚醒ZigBee模塊的等待時間。等待時間到達(dá)后，喚醒ZigBee模塊，ZigBee接收查詢命令并完成上傳信息后，轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)?？紤]無線傳輸不可避免會有丟包現(xiàn)象，為節(jié)約功耗，喚醒ZigBee模塊后，若超出設(shè)定時間仍未接收到查詢命令，則自動轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。

4.2.2 上行傳輸參數(shù)計算

車載網(wǎng)關(guān)下發(fā)查詢命令起至信標(biāo)收到查詢命令止，耗時10 ms；信標(biāo)上傳狀態(tài)信息起至車載網(wǎng)關(guān)收到狀態(tài)信息止，耗時10 ms。雙向傳輸共耗時20 ms。車輛行駛速度為100 km/h時，20 ms行進(jìn)距離為0.6 m。信標(biāo)安裝間距為1 m條件下（典型值），為保證每一個信標(biāo)的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)均不丟失，車輛需滿足20 ms行進(jìn)距離小于1 m，即車輛行駛速度<166.6 km/h，遠(yuǎn)超過100 km/h的車速上限，有著充足余量。

5 信標(biāo)工作壽命計算

（1）上行鏈路等效電流計算

信標(biāo)發(fā)射電流144 mA，平均接收電流26 mA。發(fā)送耗時8 ms。

假設(shè)每次BRT經(jīng)過時，上行通信單元喚醒時間為20 000 ms，每天經(jīng)過100次，平均消耗電流：(26 mA×20 000 ms+144 mA×8 ms)×100/(24×3 600 s)≈ 0.60 mA。

（2）下行鏈路等效電流計算

平均接收電流10.8 mA。接收耗時15.1 ms，接收間隔為0.000 5 ms。平均消耗電流：(10.8 mA×15.1 ms)/0.000 5 ms=0.326 mA。

（3）LED等效電流計算

單顆LED工作電流為10 mA，每次點(diǎn)亮3顆，每次閃爍時長為5 s。

平均消耗電流：(10 mA×3×5 s)/(24×3 600 s)≈0.001 7 mA；無線休眠電流+MCU平均工作電流等于0.8 mA。

總電流=(0.60+0.326+0.001 7+0.8) mA≈1.73 mA。每天消耗電量=1.73 mA×24 h=41.52 mAh，電池電量為1 000 mAh，無光照條件下可持續(xù)工作時間：1 000 mAh/1.73 mA=578.0 h≈ 24.1 d。

根據(jù)實(shí)測結(jié)果，太陽能充電電路在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下的充電電流可達(dá)60 mA，中國日照時間最少的四川、貴州地區(qū)，其標(biāo)準(zhǔn)光照條件下的等效年均日照時間為2.5～3.1 h，梅雨季節(jié)的等效日照時間為僅為0.8 h。在此條件下，每天可充電電量為60 mA×0.8 h=48 mAh，大于總信標(biāo)每天消耗電量。因此，在產(chǎn)品壽命范圍內(nèi)，信標(biāo)可實(shí)現(xiàn)無限續(xù)航。

6 嵌入式軟件流程及后臺軟件設(shè)計

6.1 路面信標(biāo)嵌入式軟件流程

信標(biāo)嵌入式軟件主要分為兩個線程，MCU內(nèi)部通過定時器中斷和在主函數(shù)設(shè)置標(biāo)志字實(shí)現(xiàn)兩線程同步執(zhí)行。如圖10所示的線程1中通過LoRa設(shè)置燈態(tài)流程圖。

圖10 基于LoRa的燈態(tài)流程設(shè)置

設(shè)BRT車輛標(biāo)準(zhǔn)行駛速度=80 km/h，每組信標(biāo)的分布距離（即從該組第一個信標(biāo)到最后一個信標(biāo)的距離）=50 m，經(jīng)過每組信標(biāo)的時間為/，信標(biāo)切換燈態(tài)的延遲等待時間為，信標(biāo)間距=1 m，每組信標(biāo)數(shù)量=50，則有：=信標(biāo)在組內(nèi)的相對ID×(/)×/(-1)≈46 ms。

圖11為線程2中ZigBee狀態(tài)信息查詢流程。

圖11 信標(biāo)狀態(tài)信息查詢流程

設(shè)信標(biāo)喚醒ZigBee的延遲等待時間為，車輛行駛速度為，車輛下發(fā)LoRa命令時距離目標(biāo)組第一個信標(biāo)的距離為，則有：=/（系數(shù)為實(shí)際測試的經(jīng)驗(yàn)值，0<<1，本項(xiàng)目=0.73）。

6.2 車載網(wǎng)關(guān)嵌入式軟件流程

車載網(wǎng)關(guān)嵌入式軟件流程如圖12所示。

圖12 車載網(wǎng)關(guān)嵌入式軟件流程

6.3 后臺軟件設(shè)計

后臺軟件采用C#語言設(shè)計，分為數(shù)據(jù)交換層和應(yīng)用層。與車載網(wǎng)關(guān)通過4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，軟件在服務(wù)器模式下工作。具有以下功能：

（1）按道路、分路段、實(shí)時顯示區(qū)域內(nèi)所有車載網(wǎng)關(guān)和路面信標(biāo)的狀態(tài)。監(jiān)視數(shù)據(jù)刷新顯示時間≤100 ms。

（2）車載網(wǎng)關(guān)或信標(biāo)設(shè)備異常時，提示故障信息，報警顯示。報警信息響應(yīng)時間≤100 ms?？刂栖浖缑嫒鐖D13所示。

圖13 控制軟件顯示界面

7 結(jié) 語

系統(tǒng)基于嵌入式技術(shù)，創(chuàng)新性地結(jié)合LoRa和ZigBee雙模通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了上行和下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆蛛x，保證了通信可靠性。以此提升公交專用車道的利用率。在當(dāng)下城市交通越發(fā)擁擠的情況下，本項(xiàng)目具有積極的探索意義。