于凡媛，孫 寧

（南京林業(yè)大學(xué)汽車與交通工程學(xué)院，南京 210037）

1 引言

隨著經(jīng)濟(jì)社會(huì)快速發(fā)展與民眾生活品質(zhì)的相應(yīng)改善，私家車輛數(shù)量增加很快，尤其自公路重大節(jié)日免費(fèi)優(yōu)惠政策實(shí)施以來(lái)，假期車流量更是持續(xù)上升，甚至遠(yuǎn)遠(yuǎn)突破開初高速公路的設(shè)計(jì)流量，達(dá)到飽和狀態(tài)，各類交通問題也是層出不窮。車速高低、車距失當(dāng)、惡劣環(huán)境等因素，也會(huì)使交通過程中斷或形成交通瓶頸，造成嚴(yán)重堵塞。近年來(lái)，相關(guān)方案不斷被提出，嘗試緩解高速公路擁堵及安全隱患等問題[1]。本研究基于現(xiàn)有研究成果，提出一款高速公路擁堵路段緩解系統(tǒng)。系統(tǒng)具有車速監(jiān)測(cè)、車距雷達(dá)、超車預(yù)測(cè)和智能扣費(fèi)等特色功能，可有效監(jiān)測(cè)高速公路行車的車速高低和車距大??；通過雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行車距分析，綜合判斷道路車輛是否存在超車風(fēng)險(xiǎn)，以預(yù)測(cè)和警報(bào)的方式規(guī)范駕駛員駕車，保證行車效率和駕駛員安全。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)原理如圖1所示，它是以樹莓派處理器為核心，運(yùn)用車速監(jiān)測(cè)、車距雷達(dá)功能對(duì)高速公路上的車輛的車速和車距進(jìn)行監(jiān)測(cè)和分析，同時(shí)根據(jù)是否具有超車風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估駕駛?cè)藛T的駕車水平，若出現(xiàn)超車情況則對(duì)駕駛員進(jìn)行智能扣費(fèi)，以此約束駕駛員行為。

圖1 系統(tǒng)總體方案

根據(jù)“車聯(lián)網(wǎng)”理念[2]，該系統(tǒng)將車載無(wú)線連接網(wǎng)絡(luò)與車載設(shè)備連接，共享實(shí)時(shí)信息與數(shù)據(jù)，從而獲得車輛自身設(shè)備信息、駕駛員情況、道路周邊環(huán)境信息、車載設(shè)備情況等。使高速公路上的行車情況更加具體，更具有準(zhǔn)確性。

3 硬件電路設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要由電源模塊、主處理器模塊、無(wú)線車載通信模塊、駕駛員視頻監(jiān)控模塊、汽車加速傳感器模塊組成。

3.1 供電模塊

供電模塊電路圖由圖2所示。該模塊由5.0 V的蓄電池供電。在模塊電路中，AMS1117-3.3是一種高效能的、低電壓差分線性穩(wěn)壓器，用于高效能線性調(diào)整器的輸出功率調(diào)節(jié)器，能夠?qū)崿F(xiàn)把5V的電源轉(zhuǎn)換到3.3V。

圖2 供電模塊電路

電容C1和C2是用于防止電源斷電后的電壓反轉(zhuǎn)，在一般情況下，輸入電容器的容量要比輸出電容器大。C3和C4為輸出濾波器，其功能是抑制自激振動(dòng)，保持輸出電壓穩(wěn)定[3]。PIN是一種二極管，它是將一層薄的低摻雜的本征半導(dǎo)體層加入到P類半導(dǎo)體材料與N類半導(dǎo)體材料之間來(lái)實(shí)現(xiàn)的。本征半導(dǎo)體的導(dǎo)電性介于導(dǎo)體與絕緣體之間，作用是減少結(jié)電容、載流子的渡越時(shí)間，改善頻率響應(yīng)，同時(shí)也能擴(kuò)展光電變換的工作范圍，增加其靈敏度。

3.2 處理器模塊

處理器模塊電路如圖3所示。該部分模塊以樹莓派為核心，以Linux為基礎(chǔ)，具有小型、多功能、多處理量的特點(diǎn)，能夠?qū)⑽C(jī)和微機(jī)的I/O功能很好地融合在一起。該系統(tǒng)包括應(yīng)用程序處理器和多媒體處理器，由5V微型USB連接供電，運(yùn)行流暢、速度快。

圖3 處理器模塊電路

由圖中可見，系統(tǒng)核心選用BCM2835，這將性能提升到原來(lái)的近10倍，內(nèi)存翻了近一倍。串行通訊采用485接口來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備的控制和讀取[4]。通過處理器的工作，汽車行駛狀態(tài)、道路自身狀況、道路周圍環(huán)境等得到大規(guī)模的分析與處理，能夠高效地實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)車輛監(jiān)測(cè)，提高數(shù)據(jù)精準(zhǔn)度。

3.3 無(wú)線通信模塊

無(wú)線通信模塊選用SIMCom公司的SIM900A芯片，以GSM/GPRS雙頻模式在900MHz和1800MHz上實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信、數(shù)據(jù)、傳真等多種通信方式。

該模塊具有RS232和LVTTL串行接口，通過硬件流程進(jìn)行控制，可在很大工作范圍內(nèi)工作，方便用戶使用。GSM基帶、存儲(chǔ)器、GSM射頻[5]、天線接口以及其它接口等都是它的重要組成部分。

該部分模塊電路圖如圖4所示。GND接口接電源，RXD和TXD接MCU、TXD[6]。它的無(wú)線通訊模塊能夠很容易地與用戶的產(chǎn)品相聯(lián)系并提供包括語(yǔ)音、短信、GPRS等多種功能。該模塊需要5V的電源，能與MCU直連，并提供短信、數(shù)據(jù)、網(wǎng)絡(luò)等多種功能。采用復(fù)位排針[7]，便于現(xiàn)場(chǎng)無(wú)人值守、DTMF等遠(yuǎn)程遙控，提高了軟件使用與開發(fā)的便利性。

圖4 無(wú)線通信模塊電路

3.4 駕駛員監(jiān)測(cè)模塊

駕駛員監(jiān)測(cè)模塊電路如圖5所示。模塊以攝像頭為中心[8]，通過多方聯(lián)通，對(duì)駕駛員自身情況和道路周邊情況進(jìn)行分析。通過上位計(jì)算機(jī)對(duì)高速公路上的車輛、路況進(jìn)行實(shí)時(shí)視頻顯示，滿足監(jiān)控需求。

圖5 駕駛員監(jiān)測(cè)模塊電路

模塊選用uPD3575D傳感器[9]，這是一款具有高靈敏度、低暗電流和1024像素的內(nèi)置傳感器。其功能是保持、放大線陣CCD的圖像[10]，常應(yīng)用于傳真、圖像掃描、OCR等領(lǐng)域[11]。該電路的內(nèi)部部分包括一系列1024象元的感光二極管和兩列CCD電荷傳輸寄存器。光敏陣列將照射到CCD上的光轉(zhuǎn)化成電荷信號(hào)，然后分別轉(zhuǎn)移到兩側(cè)的轉(zhuǎn)移柵[12]。其正常工作電壓條件為5V～12V。

3.5 加速度傳感器模塊

該模塊電路圖如圖6所示。它的功能是加速監(jiān)測(cè)，利用感應(yīng)加速度，將其轉(zhuǎn)換為電子信號(hào)。傳感器把測(cè)量點(diǎn)的加速度信號(hào)轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的電子信號(hào)后，將其輸入到一個(gè)預(yù)處理電路中，通過這個(gè)電路提高信號(hào)的信噪比，再利用ADC變換獲得數(shù)字信號(hào)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的儲(chǔ)存、調(diào)用和顯示。

圖6 加速度傳感器模塊電路

圖6中的電路是通過一個(gè)電荷放大器和一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。第一階段為電荷放大器，它的低頻響應(yīng)取決于反饋電容器C1和反饋電阻器R1；低頻截止頻率為0.053Hz。Rf為過載保護(hù)電阻器。第二個(gè)階段是一個(gè)輸出調(diào)節(jié)放大器。調(diào)節(jié)電位計(jì)W1可以產(chǎn)生大約50mV/l的輸出。A2是一種低功率的多功能可編程運(yùn)放，它可以在它的第8腳輸出一個(gè)合適的工作電流以減少聲音的影響。Cc表示電纜電容，C0表示傳感電容。

4 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)選用Visual Basic6.0軟件，以此搭建高速公路擁堵路段緩解系統(tǒng)的軟件界面。軟件主界面如圖7所示。通過主界面上的各功能按鍵，對(duì)各高速及擁堵路口上通行車輛之間的車輛速度、路口前后及左右二側(cè)車輛之間的相對(duì)車距等，系統(tǒng)便可實(shí)時(shí)做出檢測(cè)，并對(duì)司機(jī)的車速規(guī)范性做出綜合評(píng)價(jià)，實(shí)現(xiàn)高速智能快速扣車費(fèi)。

圖7 軟件主界面

系統(tǒng)軟件整體工作流程如圖8所示。首先在界面上點(diǎn)擊開始按鍵，輸入賬號(hào)和密碼，對(duì)使用者身份進(jìn)行選擇。管理員和用戶身份均可相應(yīng)地進(jìn)入車速監(jiān)測(cè)、車距雷達(dá)、智能扣費(fèi)、超車預(yù)測(cè)、設(shè)備檢測(cè)等特色界面。通過主處理器的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理，實(shí)現(xiàn)全方位的細(xì)致動(dòng)態(tài)觀測(cè)。軟件設(shè)定了使用者權(quán)限，一般使用者登陸后只能瀏覽界面資訊，而系統(tǒng)管理員則可手動(dòng)調(diào)度、發(fā)送調(diào)度信息、設(shè)定界面。使用過程想要退出或者使用完畢后，用戶或管理員點(diǎn)擊退出按鍵，即可返回最初開始界面。

圖8 系統(tǒng)軟件流程圖

車速監(jiān)測(cè)界面如圖9所示。單擊車速監(jiān)測(cè)按鈕，該界面先識(shí)別出高速公路上正在行駛的車輛信息，通過識(shí)別車輛型號(hào)和使用性質(zhì)確定該車的行駛標(biāo)準(zhǔn)速度，然后從加速度和速度兩個(gè)方面用電腦繪制出該車近幾個(gè)小時(shí)的數(shù)據(jù)曲線[13]，從兩個(gè)維度進(jìn)行精確分析，觀察行車速度和加速度的發(fā)展趨勢(shì)，觀察完畢之后，單擊返回按鈕可返回到菜單界面。

圖9 車速監(jiān)測(cè)

車距雷達(dá)界面如圖10所示。雷達(dá)同樣先識(shí)別行駛車輛的型號(hào)和使用性質(zhì)，確定與前后左右行駛車輛的安全距離，通過雷達(dá)系統(tǒng)自動(dòng)掃描出與各車之間的距離。若車輛間距小于安全距離，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)發(fā)起警報(bào)，提示存在安全風(fēng)險(xiǎn)，提高駕駛員的安全意識(shí)；若車輛間距在安全行駛距離內(nèi)，則無(wú)警報(bào)，可單擊掃描完畢按鈕，返回主界面。

圖10 車距雷達(dá)

智能扣費(fèi)功能如圖11所示。單擊智能扣費(fèi)，進(jìn)入智能扣費(fèi)界面，由系統(tǒng)之前對(duì)車速和車距的精確監(jiān)測(cè)確定該車輛的當(dāng)前行駛速度，自動(dòng)和該高速道路當(dāng)前限速做比較，判斷是否發(fā)生超速或慢速，提醒駕駛員調(diào)整當(dāng)前行駛車速。若在正常安全的行駛速度內(nèi)，則無(wú)任何顯示，點(diǎn)擊正常行駛按鈕，界面將無(wú)任何變化。

圖11 智能扣費(fèi)

超車情況顯示功能如圖12所示。若當(dāng)前行駛車輛已超速，單擊超速，進(jìn)入超速情況界面。系統(tǒng)通過超速的程度，遵循正比例曲線圖，對(duì)該行駛車輛進(jìn)行智能扣費(fèi)[14]。收費(fèi)方法多種多樣，既可以用微信、支付寶的二維碼，也可以直接從駕照卡上扣錢，還可以到就近的監(jiān)控站點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)金付款。若扣費(fèi)成功，單擊返回按鈕，回到智能扣費(fèi)界面。

圖12 超車情況

超車預(yù)測(cè)功能界面如圖13所示。單擊超車預(yù)測(cè)按鍵之后，系統(tǒng)會(huì)先對(duì)當(dāng)?shù)氐奶鞖馇闆r進(jìn)行監(jiān)測(cè)，用戶和后臺(tái)管理員將通過氣象監(jiān)測(cè)設(shè)備，比如衛(wèi)星探測(cè)、車輛傳感器、GPS定位等，得到天氣、風(fēng)力和風(fēng)向等環(huán)境信息，隨后這些實(shí)時(shí)天氣數(shù)據(jù)信息會(huì)被快速傳遞給處理器進(jìn)行分析，顯示出近期天氣情況。結(jié)合天氣信息，通過GPS、地圖等手段，識(shí)別出前方的交通信號(hào)燈和后面車輛數(shù)量，進(jìn)而判斷出當(dāng)前車輛有無(wú)超車危險(xiǎn)。

圖13 超車預(yù)測(cè)

5 結(jié)束語(yǔ)

基于樹莓派處理器，運(yùn)用智能監(jiān)測(cè)技術(shù)，將車載無(wú)線網(wǎng)絡(luò)與車載設(shè)備相連接，通過車速和車距監(jiān)測(cè)，對(duì)車輛是否會(huì)超車進(jìn)行預(yù)測(cè)，并對(duì)駕駛員是否能夠在高速公路上安全駕駛進(jìn)行評(píng)估和智能扣費(fèi)，以此便發(fā)揮了智能交通的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。使信息安全和物聯(lián)網(wǎng)相結(jié)合，便可有效地解決高速公路擁堵問題。該設(shè)計(jì)方案適應(yīng)高速公路情況，提高高速公路車輛行駛的規(guī)范性、高效性，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，有一定的實(shí)用價(jià)值。