張賓，王辰，洪軻

（無(wú)錫城市職業(yè)技術(shù)學(xué)院，江蘇無(wú)錫，214000）

0 引言

根據(jù)國(guó)家統(tǒng)計(jì)局的數(shù)據(jù)[1]，近五年（2017-2022）我國(guó)民用汽車保有量和駕駛?cè)藛T數(shù)量逐年增加，由汽車引發(fā)的交通事故數(shù)量、傷亡人數(shù)和經(jīng)濟(jì)損失雖有波動(dòng)，但一直保持在較高水平，對(duì)人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了巨大的威脅。根據(jù)道路交通安全法的規(guī)定，車輛在道路上發(fā)生故障、事故或其他緊急情況時(shí)，駕駛員應(yīng)立即設(shè)置警示標(biāo)志。三角警示牌是一種常用的警示標(biāo)志，用于提醒其他車輛減速慢行，避免二次交通事故的發(fā)生[2]。根據(jù)安靜芳[3]等人的研究，二次交通事故的主要原因包括駕駛員超速、疲勞駕駛、應(yīng)急操作不當(dāng)?shù)?，同時(shí)道路結(jié)冰濕滑、團(tuán)霧等極端惡劣天氣也是造成二次交通事故的關(guān)鍵因素。避免二次交通事故的關(guān)鍵是及時(shí)有效地警示來(lái)車方向的駕駛?cè)藛T，使其有足夠長(zhǎng)的時(shí)間和距離余量處理突發(fā)情況。因此，提升三角警示牌的警示效果對(duì)于減少二次交通事故的發(fā)生至關(guān)重要。普通三角警示牌的警示距離有限，在事故風(fēng)險(xiǎn)更高的惡劣天氣情況下，其警示效果更差。另一方面，普通三角警示牌只能被動(dòng)地由駕乘人員發(fā)現(xiàn)，缺乏主動(dòng)警示的功能。綜上所述，迫切需要有效的手段來(lái)提高三角警示牌的警示效果，以降低二次交通事故發(fā)生的概率和減少二次事故發(fā)生后的損失。

1 整體方案設(shè)計(jì)

當(dāng)代社會(huì)，智能交通、物聯(lián)網(wǎng)、車聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)已經(jīng)發(fā)展成為保障道路交通安全的重要手段。本文基于ESP32單片機(jī)模組，設(shè)計(jì)了一種智能三角警示牌，旨在通過(guò)智能化技術(shù)的應(yīng)用，提高三角警示牌警示效果。

■1.1 主要功能

在普通三角警示牌的基礎(chǔ)上，為通過(guò)多種方式和手段提警示效果，本文所設(shè)計(jì)的智能三角警示牌主要增加了以下功能：

（1）通過(guò)北斗和GPS 模塊獲取智能三角警示牌的精準(zhǔn)位置；

（2）通過(guò)撥碼配置影響占用的車道，提供更精確的事故位置數(shù)據(jù)；

（3）通過(guò)4G 模塊將上述位置上傳至服務(wù)器端，為事故告警等系統(tǒng)服務(wù)提供精準(zhǔn)數(shù)據(jù)支撐；

（4）通過(guò)ESP32 單片機(jī)模組的藍(lán)牙或者WiFi 連接手機(jī)APP；

（5）通過(guò)添加碰撞傳感器，在探測(cè)到即將發(fā)生碰撞時(shí)向手機(jī)APP 發(fā)送報(bào)警信息。

■1.2 系統(tǒng)構(gòu)成

為實(shí)現(xiàn)上述功能，本文設(shè)計(jì)的智能三角警示牌的原理框圖如圖1 所示，主要包括ESP32 單片機(jī)模組、電源模塊、定位模塊、撥碼配置模塊、4G 通信模塊和碰撞檢測(cè)模塊。

圖1 智能三角警示牌原理框圖

ESP32 單片機(jī)模組是智能三角警示牌的核心控制單元，負(fù)責(zé)與其他模塊交互，實(shí)現(xiàn)位置獲取、碰撞檢測(cè)、數(shù)據(jù)發(fā)送等系統(tǒng)需求的功能。

定位模塊實(shí)現(xiàn)通過(guò)衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲取所在的經(jīng)緯度坐標(biāo)，能夠通過(guò)串口接收控制模塊的查詢指令并返回位置數(shù)據(jù)，用于定位三角警示牌的擺放位置。

撥碼配置模塊采用一個(gè)8 位撥碼開關(guān)，每位代表一個(gè)車道，用于配置智能三角警示牌占用影響的車道，實(shí)現(xiàn)對(duì)車道級(jí)的精確定位，最多支持單向8 車道。

4G 通信模塊通過(guò)串口與主控模塊交互，用于將定位模塊和撥碼配置模塊生成的精確定位信息通過(guò)蜂窩網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)發(fā)至服務(wù)器上。

碰撞檢測(cè)模塊利用超聲波測(cè)距模塊，它能夠測(cè)量智能三角警示牌與后方物體的距離和速度，ESP32 模塊根據(jù)預(yù)設(shè)的參數(shù)來(lái)判斷是否存在碰撞的危險(xiǎn)。

電源模塊采用電池組供電，電池組輸出電壓12V，經(jīng)過(guò)電源調(diào)整電路后輸出3.3V 電源供ESP32 單片機(jī)模組和其他模塊使用。

2 硬件設(shè)計(jì)

■2.1 主控系統(tǒng)電路

本文選用的主控模塊為樂(lè)鑫公司的ESP32-S3-WROOM-1 模組，它包含一顆32bit 主頻高達(dá)240MHz 的雙核處理器，并內(nèi)嵌了2.4GHz WiFi 和Bluetooth 5（LE）模塊，適用于多種應(yīng)用場(chǎng)景[4]。其外圍電路原理圖如圖2 所示。

圖2 ESP32 主控模塊外圍電路原理圖

圖2 中所包括主控模組的最小系統(tǒng)電路和功能模塊的接口電路。最小系統(tǒng)電路包括晶振電路、復(fù)位電路、調(diào)試UART 接口電路、JTAG 電路及啟動(dòng)方式選擇電路等，這些內(nèi)容本文不再贅述。功能模塊包括前述電源模塊、撥碼配置模塊、定位模塊、4G 通信模塊、撥碼配置模塊及碰撞檢測(cè)模塊等，它們的內(nèi)部電路或接口將在后面的章節(jié)進(jìn)行介紹。

主控模塊ESP32-S3-WROOM-1 模組中的核心芯片ESP32-S3 集成了2.4 GHz WiFi （802.11 b/g/n），支持40 MHz 帶寬。ESP32 的Bluetooth 5（LE）可通過(guò)Coded PHY 與廣播擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信，在使用編碼方案時(shí)，可以較小的輸出功率達(dá)到更大的覆蓋范圍，在接收機(jī)靈敏度為-95 d Bm 時(shí)傳輸距離可以達(dá)到400 m[5]。2.4G WiFi 在室外環(huán)境下的傳輸距離可以達(dá)到150～400m，因此在三角警示牌的擺放范圍內(nèi)（普通道路100m，高速公路200m）能夠通過(guò)WiFi 或Bluetooth 5（LE）與手機(jī)終端進(jìn)行正常通信。

■2.2 定位模塊

定位模塊選用中科微電子的ATGM336H 模塊，該模塊支持多種導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)，包括GPS、格洛納斯、北斗和伽利略。它能同時(shí)接收多個(gè)衛(wèi)星信號(hào)，提供準(zhǔn)確的位置、速度和時(shí)間信息[6]。定位模塊通過(guò)圖2 中的JP6 與ESP32 模組的IO4 和IO5 連接，通過(guò)串口將定位數(shù)據(jù)發(fā)送給單片機(jī)。

■2.3 撥碼配置模塊電路

為解決GPS 和北斗定位精度達(dá)不到車道級(jí)的問(wèn)題，考慮到很多情況下交通事故會(huì)占用影響不止一個(gè)行車道，本文設(shè)計(jì)了由用戶手動(dòng)選擇撥碼開關(guān)來(lái)標(biāo)識(shí)占用車道情況的方案，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能三角警示牌所影響車道的準(zhǔn)確定位。如圖2 中SW2 所示，本設(shè)計(jì)將一個(gè)8 位撥碼開關(guān)通過(guò)上拉電阻接入ESP32 的IO 引腳，車道從左到右依次對(duì)應(yīng)第1、2……8 個(gè)撥碼開關(guān)，最多支持8個(gè)車道。受影響的車道開關(guān)閉合，對(duì)應(yīng)的IO引腳為低電平。未受影響正常的車道開關(guān)打開，對(duì)應(yīng)的IO 引腳為高電平。閉合多位撥碼開關(guān)表示多條車道同時(shí)受到影響，ESP32通過(guò)檢測(cè)IO 引腳電平情況，即可得到車道占用情況。

■2.4 4G 數(shù)據(jù)傳輸模塊

為降低開發(fā)難度和風(fēng)險(xiǎn)，本文選用成熟的4G 模組作為數(shù)據(jù)傳輸模塊，ESP32 模組只需要通過(guò)串口與之交互即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸功能。本文選用的成都移訊通科技有限公司4G 數(shù)據(jù)傳輸 模 組， 該 通 信 模 組 支 持GSM、WCDMA、CDMA2000、TDSCDMA、LTE-FDD、LTE-TDD 等 多 種2G/3G/4G 網(wǎng) 絡(luò) 頻 段，在不同網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下性能穩(wěn)定。模組支持多種工作協(xié)議模式，包括AT 命令模式、透?jìng)髂Ｊ胶蛥f(xié)議模式。本文使用的是AT 命令模式，ESP32 單 片機(jī) 的IO4 和IO5 與 模 塊RX-TTL 和TX-TTL 通過(guò)接插件相連，通過(guò)串口向4G 模組發(fā)送AT 命令實(shí)現(xiàn)服務(wù)器地址配置、定位數(shù)據(jù)發(fā)送等功能。

■2.5 碰撞檢測(cè)電路

常見(jiàn)的碰撞傳感器包括接觸式傳感器和非接觸式傳感器兩類。接觸式傳感器通過(guò)物理接觸來(lái)檢測(cè)碰撞，如壓力傳感器、力傳感器等。非接觸式傳感器則通過(guò)測(cè)量物體之間的距離或反射信號(hào)來(lái)檢測(cè)碰撞，如超聲波傳感器、激光傳感器、紅外線傳感器等。在本文應(yīng)用場(chǎng)景中，智能三角警示牌有可能會(huì)被高速行駛的車輛撞擊毀壞，如果采用接觸式傳感器，很難在電路斷電之前完成碰撞檢測(cè)和數(shù)據(jù)發(fā)送，所以接觸式傳感器不適用本文場(chǎng)景。

綜合考慮成本及檢測(cè)速度和精度，本文選擇非接觸式的超聲波測(cè)距傳感器模組HC-SR04 用于碰撞檢測(cè)。HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供 2cm ～400cm 的非接觸式距離感測(cè)功能，模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路，對(duì)外有四個(gè)接口，分別是：（1）Vcc：+3V～5.5V 電源供電；（2）Trig：觸發(fā)信號(hào)；（3）Echo：回響信號(hào)；（4）Gnd：接地。HC-SR04 通 過(guò) 圖2 中JP5 接 插 件 連 接 到ESP32 的IO17 和IO18 兩個(gè)引腳，ESP32 控制IO17 引腳發(fā)出脈沖觸發(fā)信號(hào)，并在IO18 引腳上檢測(cè)相應(yīng)的回響信號(hào)，通過(guò)回響信號(hào)寬度即可計(jì)算出目標(biāo)距離。

■2.6 電源模塊電路

為確保智能三角警示牌能正常工作足夠長(zhǎng)的時(shí)間，本文設(shè)計(jì)電源采用大容量電池組供電，輸出電壓為12V，而ESP32 等模塊的工作電壓為3.3V，需要通過(guò)電源電路對(duì)其進(jìn)行降壓和穩(wěn)壓，電源電路的原理圖設(shè)計(jì)如圖3 所示。本文選用了上海貝嶺公司的國(guó)產(chǎn)BL8033 作為電源轉(zhuǎn)換芯片，它是一個(gè)完全集成的、高效的3A 同步整流降壓轉(zhuǎn)換器，支持4.5V～16V 的輸入電壓范圍，轉(zhuǎn)換效率高達(dá)96%，且能在一個(gè)較寬的輸出電流負(fù)載范圍內(nèi)高效工作，能夠滿足智能三角警示牌所有模塊的電源需求。

圖3 電源電路原理圖

3 軟件設(shè)計(jì)

ESP32 芯片整合了WiFi 和藍(lán)牙功能，其高性能和低成本的特點(diǎn)使其在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）領(lǐng)域中占據(jù)重要地位。同時(shí)，樂(lè)鑫官方開源了大量的開發(fā)板和開發(fā)工具鏈，因此，ESP32在開源社區(qū)中受到了熱烈的歡迎，并為MicroPython 和Arduino 提供了強(qiáng)大的支持。MicroPython 的目標(biāo)是為嵌入式系統(tǒng)提供Python 解釋器，與傳統(tǒng)的C 語(yǔ)言開發(fā)相比，使用MicroPython 可以更快速、更簡(jiǎn)單地構(gòu)建嵌入式程序。因此，本文選擇使用MicroPython 對(duì)ESP32 主控模塊進(jìn)行開發(fā)。

軟件的運(yùn)行流程如圖4 所示，整個(gè)軟件采用單循環(huán)的方式運(yùn)行，不使用中斷程序。在智能三角警示牌上電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化工作，然后依次初始化外圍的4G 模塊和定位模塊，連接手機(jī)藍(lán)牙和WiFi 熱點(diǎn)（手機(jī)端告警APP 打開后會(huì)創(chuàng)建手機(jī)WiFi 熱點(diǎn)），最后通過(guò)向4G 模塊發(fā)送AT指令的方式配置接收定位數(shù)據(jù)的服務(wù)器地址。在完成初始化工作后，開始循環(huán)判斷是否到達(dá)上傳定位數(shù)據(jù)時(shí)間（20 秒定時(shí)，該時(shí)間可以配置），如果達(dá)到上傳時(shí)間，則開始向定位模塊查詢定位數(shù)據(jù)，并讀取撥碼開關(guān)狀態(tài)，將上述信息打包成json 格式數(shù)據(jù)通過(guò)4G 模塊上傳至服務(wù)器。其余時(shí)間不間斷利用超聲測(cè)距模塊對(duì)后方車輛進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)到3 米以內(nèi)有物體存在，則立刻通過(guò)藍(lán)牙和WiFi 向手機(jī)APP發(fā)送警報(bào)信息。

圖4 系統(tǒng)軟件流程圖

如圖4 所示，軟件的運(yùn)行流程采用單循環(huán)方式，不采用中斷程序。在智能三角警示牌通電后，首先進(jìn)行系統(tǒng)初始化，然后依次初始化外圍的4G 模塊和定位模塊，連接手機(jī)藍(lán)牙和WiFi熱點(diǎn)（手機(jī)端告 警APP 打開后會(huì)創(chuàng)建手機(jī)WiFi 熱點(diǎn)），最后通過(guò)向4G 模塊發(fā)送AT 指令的方式配置接收定位數(shù)據(jù)的服務(wù)器地址。完成初始化后，開始循環(huán)判斷是否到達(dá)上傳定位數(shù)據(jù)的周期（默認(rèn)20秒，該周期可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整），如果到達(dá)上傳時(shí)間，便開始向定位模塊查詢定位數(shù)據(jù)，并讀取撥碼開關(guān)狀態(tài)，將上述信息打包成json 格式數(shù)據(jù)通過(guò)4G 模塊上傳至服務(wù)器。其余時(shí)間則不間斷利用超聲測(cè)距模塊對(duì)后方車輛進(jìn)行檢測(cè)，如果檢測(cè)到3 米以內(nèi)有物體存在，則立即通過(guò)藍(lán)牙和WiFi向手機(jī)APP 發(fā)送警報(bào)信息。

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)普通三角警示牌警示距離近、定位精度不高、缺乏主動(dòng)警示等警示效果不佳的問(wèn)題，利用智能交通、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)手段，基于ESP32 單片機(jī)模組設(shè)計(jì)了一款智能三角警示牌。該智能三角警示牌能夠結(jié)合北斗、GPS 的定位數(shù)據(jù)和撥碼開關(guān)手動(dòng)配置的車道數(shù)據(jù)，通過(guò)4G 模塊將精確的位置數(shù)據(jù)發(fā)送給服務(wù)器，能夠?yàn)槭鹿矢婢到y(tǒng)提供更加精確、詳細(xì)的數(shù)據(jù)支持。同時(shí)，該智能三角警示牌還能利用超聲波測(cè)距模塊對(duì)碰撞進(jìn)行檢測(cè)預(yù)警，并通過(guò)手機(jī)APP 向前方的駕乘人員發(fā)送報(bào)警信息。此智能三角警示牌不僅能為事故后方車輛駕駛?cè)藛T提供精確的事故位置信息，通過(guò)告警系統(tǒng)在足夠遠(yuǎn)的地方提醒他們謹(jǐn)慎駕駛，降低二次事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，即使后方車輛與智能三角警示牌發(fā)生碰撞，也能向前方駕乘人員發(fā)出警報(bào)，保護(hù)他們的生命安全。綜上所述，本文設(shè)計(jì)的智能三角警示牌能夠有效解決普通三角警示牌警示效果不佳的問(wèn)題，有效降低二次交通事故的發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，減少二次交通事故發(fā)生時(shí)的損失。