基于ZigBee技术的车路协同调速系统

 国外研究表明，车速的差值越大，车速分布越离散， 事故率就会越高。蒙纳斯大学事故研究中心在1993年进行研 究得出的U型曲线，表明车速与平均车速的差值越大，事故 率越高。英国交通研究实验室的EURO模型也表明事故率与 车速分布有很大关系，平均车速和车速差异都会影响事故 率，当均速为60km/h时，车速差异每降低1km/h，事故率将 降低2.56%。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201702/344139.htm

图1 基于ZigBee技术的智能车路协同系统框

图2 基于ZigBee技术的智能车路协同硬件系统框图

国内学者对京津塘高速公路全线事故率进行统计研究 的结果表明： 尾随相撞占事故率的53.6%; 速度差在15—

2 0 k m / h 内事故率显著上升。 国内其他研究也表明， 可将20km/h视为速度差的安全阈值[1-2]。但是，高速公路的主线 与匝道之间的平均车速却存在显著差异：高速主车道均速一 般为100km/h，匝道出入口均速为60km/h。二者存在40km/h 的速度差，远大于安全阈值。因此，高速公路匝道出入口处 是事故多发路段。为了改善事故多发现状，仅仅在匝道附近设置路标的 效果非常有限。本设计基于车联网技术，设计了一种基于 Zigbee技术的车速辅助调节系统，旨在改善车速分布的离散

程度，辅助驾驶员安全通过事故多发路段。

1 系统整体设计

智能车路协同系统主要用于高速匝道地段，旨在实现

智能辅助驾驶。整个系统分为路测和车载两大部分，两者之 间通过低功耗局域网协议ZigBee(又称紫蜂协议)技术进行 通讯，使车路更加紧密协调，智能地连成一个整体。系统如 图1所示。

路测部分包括车辆自动检测模块、微控制单元模块、 ZigBee无线发射模块和电源供电模块。鉴于高速公路匝道出 入口的野外应用环境，系统内部选用超小型、低功耗的器 件，这样既可以有效缓解电源供电的问题，又便于安装和维

护。

车载部分包括车载设备和ZigBee无线接收模块;接收模

图3 动态车辆检测电路原理图

图4 系统程序流程图

块接收发射模块的数据，车载设备处理接收数据并以声音或 图像的方式提醒驾驶员，实现智能辅助驾驶的设计目标。

2 各部分硬件设计

整个硬件系统由车辆自动检测模块、Msp430F169微控 制器模块、ZigBee通信模块、车载设备模块和电源供电模块 构成。结构框图如图2所示。

2.1 车辆检测模块

模块主要由地感线圈和车辆检测器构成。其中，地感 线圈采用0.75mm铁氟龙导线绕制;车辆检测器采用单通道 探测器(型号TLD-110)，通过内部继电器动作完成信号的 输出。

其工作原理为：车辆驶过埋置有地感线圈检测单元的

图5 基于Android系统的APP客户端

路 面 时 ， 会 引 起

地 感 线 圈 电 感 值 的 变 化 ( 经 测 量 绕 制 的 地 感 线 圈 电感量为100uH左 右 ， 车 辆 碾 压 会 产 生 5 0 u H 左 右 的

变 化 ) ， 进 而 导致振荡电路输出波形频率出现明显的变化，从而产生触发信 号，使MCU对接受到的信号进行分析处理。两组地感线圈 检测单元的间隔距离一定，通过触发时间差就可计算出车辆 行驶的速度。车辆检测电路原理图如图3所示。

整个电路由地感线圈耦合电路、谐振电路、锁相环电 路组成。设计采用电容反馈三点式谐振电路，将起始基准频 率设计在100kHz左右以提高测量精度，完全满足交通部下 发的GB/T26942-2011规定。T1为隔离变压器，匝数比为1：

1，地感线圈L1作为谐振电路中的电感元件。利用锁相环译 码器LM567与外接的环路低通滤波网络来检测车辆引起的频 率变化，并将地感线圈的频率变化转变为高低电平输出给后 续的控制模块。

2.2 微控制模块

采用TI公司Msp430F169作为微控制器， 单片机的结 构以低功耗为核心，设计了五种低功耗模式，可最大延长 电池寿命以利于无线组网的测量应用。它采用“冯-纽曼” 结构， R A M、 ROM和全部外围模块都位于同一个地址空 间内。超低功耗Flash型16位RISC指令集、16位CPU、16位 计数器和恒定的时钟频率，使得单片机可以最大效率执行 程序， 自身强大的处理能力和分时复用的I/O口资源、 12 位DAC可满足车流高峰期的要求。这些显著的特点正适用 于无线传感器网络等低功耗系统。模块间的数据传输选用 RS485，其具有占用资源少、传输速率高、可实现联网等特 点。

2.3 ZigBee通信模块

ZigBee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议， CC2530作为新一代2.4GHz SoC片上系统芯片，内部集成了 抗干扰性强和灵敏度高的RF收发器控制无线传输。另外， 标准增强型8051微处理器能更好地执行读取状态、发出命 令、自动操作和确定无线设备等功能。无线设备还包括一个 数据包过滤和地址识别模块。

CC2530内部的USART 0和USART 1适合高吞吐量的全

双工应用，满足高速密集车流量的应用。它内部集成12位 ADC、支持IEEE 802.15.4 MAC协议的MAC定时器、丰富的I/ O引脚资源、用于供电模式转换的超低功耗睡眠定时器，需 要的外围分立元件很少，提高了ZigBee通信模块的稳定性。 模块选用双极PCB非平衡天线，振荡频率满足信号的发射需 求。整个系统具有使用方便、价格低廉、工作可靠等特点。 电源模块采用电池供电即可满足需求;如有必要可加上太阳能充电装置。

3 内部系统软件设计

整个软件系统包括数据采集与车速换算程序、数据打 包无线发送程序、车载接收和处理显示程序。为了满足低 功耗的设计要求，路测系统内部程序采用睡眠和工作两种 模式。车辆检测器检测不到触发信号时，Msp430F169进入 睡眠模式;检测不到串口传输时，CC2530也会进入睡眠模 式。地感线圈一旦检测到车辆的到来，整个系统就会被唤醒 进入正常工作状态!程序流程图如图4所示。

路测系统初始化完成后便进入低功耗模式。初始化包 括定时器预分频器和中断的设置。Msp430F169的定时器是 带有七种捕获功能的16位定时/计数器，支持倍数捕获，并 具有强大的中断能力，可在计数器溢出时和捕获比较时触发 中断。数据采集与换算、同设定值比较和数据打包发送与反 馈是软件设计的重点和难点。DMA控制器允许不经CPU干 预直接处理数据，加快车速的换算与比较，同时，它能够在 向CC2530串口发送数据前使CPU保持在睡眠状态来减少功 耗。

4 测试实验

结合实际需要，分别在“变道分流”路段和“变道行 驶”路段提供车速调整提示信息，因此地感线圈布设两处， “变道分流”路段起始处参照《道路交通标志标线设计规范

(GB5768-2009)》规定的预告标志处，确定布设在逆行车 方向距高速公路匝道出口2km处。

第二处地感线圈的布设位置由“变道行驶”路段长度 决定，还要结合车辆变道安全距离模型确定;以西宝高速

(单向4车道)构建模型，基于最不利情况考虑，即要进入 匝道的车辆由最内侧快车道变换至最外侧。求得西宝高速 “禁止变道行驶”路段的长度为584m，计算过程如下：

车 辆 换 道 期 间 行 驶 距 离 ： 车 道 宽 3 . 7 5 m ， 车 速 按

1 0 0 k m / h ， 换 道 时 间 ∆t 取 值 7.5 ~ 11.25s 。 t0 为 制 动 预 备 时 间 ， 是 驾 驶 人 反 应 时 间 t01 和 制 动 器 作 用 时 间 t02 的 总 和 0 . 5 - 1 s 。 地 面 制 动 力 ， 其 中 G = mg ， g 取

9.8 m2 s ， 为 制 动 力 系 数 ; 汽 车 能 达 到 的 减 速 度 为

; 鉴于A BS 的广泛运用， 取 ， 平均减

速度 。文献[6]定为0.4，则 a =9.1× 0.4 = 3.64m2 / s

。 实 际 换 道 过 程 取 a = 0.8a = 0.8 × 3.64 = 2.91m2 s 。

S = 10.5v + 3 v ∆t − 9 a∆t 2 =10.5 ×100 ÷ 3.6+ 3 × (100 ÷ 3.6)×11.25- 9 × 2.91×11.252 = 422.4m

车辆制动距离 S = t v + v 2 2a S = 100 ÷ 3.6 × 2.0 + (100 ÷ 3.6)2 ÷ (2 × 3.64) = 161.6m

安 全 车 距 D = S = 161.6m ， 最 大 安 全 换 道 距 离 E =S1 +D=584m 所以，第二处地感线圈应布设在逆行车方向 距匝道出口600m处。

车 载 设 备 向 驾 驶 人 提 供 辅 助 驾 驶 等 信 息 。 设 计 基 于

Android系统的APP软件，模拟车载设备对接收信息的处理与 显示，并通过声音、图像向驾驶人员提供智能辅助调速的功 能。如图5所示。

5 结语

本设计开发了一种基于ZigBee技术的车速辅助调节系 统，智能辅助车辆按照设定标准行驶，在整体上调节高速匝 道出、入口等路段的车速分布离散情况，从而最大程度地降 低车辆在匝道出入口路段发生碰撞事故的可能性，有效提高 高速公路的安全服务水平。随着车联网技术的进一步发展， 可以进一步对驶入特殊路段的各个车辆进行跟踪式监测，从 而达到动态监测每一辆行驶汽车，并通过车载设备随时将变 化路况实时显示给驾驶员的目标!