基于ZigBee和GSM的高速公路自適應限速系統*

張 凱,劉用滲,秦斌斌,江 慧

(1.南京信息工程大學信息與控制學院,南京 210044;2.范德堡大學電氣工程和計算機科學學院,美國 田納西州 37235)

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基于ZigBee和GSM的高速公路自適應限速系統*

張 凱1*,劉用滲1,秦斌斌1,江 慧2

(1.南京信息工程大學信息與控制學院,南京 210044;2.范德堡大學電氣工程和計算機科學學院,美國 田納西州 37235)

為了讓駕駛員及時獲得不良天氣下高速公路車輛限速信息,設計了基于ZigBee和GSM的高速公路自適應限速系統。系統中MSP430對氣象數據進行處理,并根據限速準則計算出當前天氣條件下的限速信息,若判斷和上1 min計算的值不同則通過GSM網絡更新路邊裝置限速信息。當車輛行駛至路邊裝置的ZigBee網絡范圍內時就會收到限速信息,若限速信息發生變化則車載裝置液晶顯示并語音播報。測試結果表明:在路邊裝置ZigBee網絡范圍內車載裝置能夠正常接收到限速信息。

ZigBee;限速準則;氣象數據;MSP430;GSM

天氣是影響高速公路交通安全和效率的一個重要因素。當高速公路遭遇不良天氣時,現有的高速公路管理系統基本上都是通過道路上的電子顯示牌向駕駛員提供限速信息。但電子顯示牌數量有限而且間隔長遠,并不能夠及時有效的反映給每位駕駛員。宋文山[1]對上述問題進行了相應的研究,但其所設計的系統中每個路邊裝置都包含一個自動氣象站,成本高;所有信息的處理都在車載裝置中進行,增加了車載裝置的負擔且不利于系統升級;氣象數據與限速準則之間未量化。針對上述情況,本文設計了一個以ZigBee和GSM無線網絡通信為基礎的高速公路限速系統,首先在監控裝置中計算限速信息,若限速準則發生了變化則只需要升級監控裝置的程序即可;然后在路邊裝置中用GSM模塊取代了自動氣象站,降低了成本,車載裝置也只要進行簡單地顯示和播報。最后,氣象數據和限速準則之間有明確的量化關系,可以求出當前氣象數據下更為貼切的限速信息。

1 系統總體設計

本設計的總體結構圖如圖1所示,分為監控裝置、路邊裝置和車載裝置。監控裝置中自動氣象站負責采集當前高速公路的氣象數據,每隔1 min對當前時刻采集到的一次數據進行封裝打包后通過串口傳遞給MSP430單片機。單片機根據限速準則對數據進行處理獲得相應的限速信息,若判斷和上1 min計算的限速信息不一致則封裝好限速信息通過GSM模塊發送給路邊裝置。考慮到區域間的氣象條件的差異性,一個監控裝置只負責一條路段上20 km長的距離。路邊裝置每隔1.1 km安裝一個,20 km長的路段上共需安裝18個,裝置中的GSM模塊接收到短信后傳遞給MSP430進行處理,若判斷是標準的限速信息則傳送給CC2530協調器更新其里面的限速信息。當協調器與車載裝置中的終端節點建立連接后就將限速信息發送給終端節點,終端節點收到協調器傳遞來的限速信息后,就立即斷開與協調器的連接,然后將限速信息傳遞給STC89C52單片機,傳遞完后延時30 s再重新搜索加入ZigBee網絡。STC89C52單片機收到限速信息后進行相應的處理,若判斷限速信息發生了變化就更新液晶屏的顯示并播放“請注意當前限速信息已改變請調整駕駛”音頻以提醒駕駛員注意限速值的改變。

圖1 系統總體結構圖

2 系統硬件設計

2.1 MSP430單片機

本系統采用的是TI公司的MSP430F149單片機,是一款具有16位精簡指令集(RISC)的微處理器。MSP430系列單片機供電電壓為1.8 V～3.6 V,其最顯著的特點就是低功耗,待機電流小于1 μA,在RAM數據保持方式時僅為0.1 μA。MSP430F149單片機具有60 kbyte的FLASH程序存儲器和2 kbyte的數據存儲器,在數據處理能力和運算速度上有著卓越的性能。

2.2 ZigBee模塊

本系統中ZigBee模塊采用TI公司的CC2530芯片,完全兼容ZigBee2007協議,工作在2.4 GHz頻段,是符合IEEE802.15.4規范的真正片上系統解決方案。ZigBee時延很短,搜索設備時延為30 ms,休眠激活的時延為15 ms,設備信道接入時延為15 ms,終端節點可以在60 ms的時間里完成組網并進行數據傳輸,而且可以保證高速運行的終端節點進行數據傳輸[2]。外圍硬件電路原理圖如圖2所示。

2.3 GSM模塊

本系統的GSM模塊采用西門子的TC35模塊,TC35模塊集成度高,支持900 MHz/1800 MHz雙頻段,供電電壓為3.3 V～5.5 V,模塊僅重9 g,平均發射功率為300 mA,支持SIM卡3 V/1.8 V,由40線的ZIF(零阻力插座)引出功能引腳。圖3為TC35模塊的電路連接圖,實際上TC35模塊有40個引腳,但我們這里只給出我們用到的引腳,其中與TC35模塊IGT、RXD0和TXD0引腳的連接圖上,P3.6、P3.7和P4.0是MSP430的引腳。在電源和地之間并入電容以去耦濾波,保證TC35的穩定運行。

圖2 CC2530外圍硬件電路原理圖

圖3 TC35模塊的電路連接圖

2.4 顯示和語音模塊

圖4 STC89C52與顯示和語音模塊電路連接圖

顯示模塊采用JM12864A-1漢字圖形點陣液晶顯示模塊,可顯示漢字及圖形,顯示內容為128列×64行,每個中文漢字為16×16點陣,每個字符為8×16點陣,電源范圍為3.3 V～+5 V(內置升壓電路,無需負壓)。

語音模塊采用WT588D-U模塊,封裝DIP28,內置32M Flash存儲器,可存放1000 s 6 kHz采樣的音頻,工作電壓DC 2.8 V～5.5 V,支持加載6 kHz～22 kHz采樣率音頻。STC89C52單片機與顯示和語音模塊的電路連接圖如圖4所示。

3 系統軟件設計

3.1 限速準則設計

如圖5所示,車輛B以速度VB0(km/h)在高速公路上行駛,當駕駛員發現前面有靜止的障礙物后立即剎車,最終車輛B在障礙物前面安全停下而未撞到障礙物,VB0就是需要求取的限速值。

圖5 充分安全行車條件示意圖

由圖5可知,從駕駛員看到障礙物到最終車停下共行駛了SB的距離,其中0到t1時刻為駕駛員制動反應階段,在這段時間內車輛仍以VB0的速度行使,行駛距離為:

(1)

t1到t2時刻為有效制動階段,該階段內車輛近似做勻減速運動,考慮車輛行駛最不利情況,即車輛處于下坡路段并不計空氣阻力的影響,此時

(2)

式中,f為路面附著系數,i為道路縱坡。

最終滿足

(3)

上式中,L為路段的能見度(m),d為車輛靜止時與障礙物的距離(m),d≥0。在確定速限值時,應考慮最不利條件,我們取t1=2.5s,i=0.05,d=10。求解式(3),我們得到

VB0≤3.6×

(4)

高速公路安全間距是指滿足行車安全要求而需要保持的最小車頭間距。王衛亞[3]對安全間距做了充分的研究,最終得到高速公路行駛的安全間距約為車輛行駛速度的1.5倍,即S=1.5VB0。

3.2 監控裝置程序設計

自動氣象站每隔1min將當前時刻采集到的氣象數據處理打包,然后通過串口傳遞給MSP430進行處理,氣象數據結構如表1所示。

表1 氣象數據結構表

數據頭占一個字符:為‘&’。能見度占3個字符:分別為百位、十位和個位,凡是能見度大于200 m的全部令為200 m[4]。濕度占一個字符:為‘A’時天氣干燥,為‘B’時天氣潮濕。溫度占3個字符:分別為符號位、十位、個位,符號位為‘+’,即為正,為‘-’即為負。降水占一個字符:為‘a’時降水,為‘b’時未降水。數據尾占一個字符為‘＄’。

謝靜芳[5]對高速公路路面的附著系數和溫度變化做了詳盡的研究,考慮汽車輪胎處于半磨耗狀態下,路面干燥且溫度在0 ℃以上時f=0.81,路面干燥且溫度在0 ℃以下時f=0.60;在降水條件下f=0.48+0.00624(t-20);在降雪和冰雪道路上:f=0.1896-0.0139t-0.00028t2,t表示溫度。

當MSP430接收到自動氣象站傳來的氣象數據后,首先判斷是否為正確的氣象數據,若是正確的氣象數據才解析和處理該氣象數據,求出路面的附著系數:

If(降水為‘a’or濕度為‘B’)and(溫度大于等于0 ℃)then(f=0.48+0.00624(t-20));

If(降水為‘a’or濕度為‘B’)and(溫度小于0 ℃)then(f=0.1896-0.0139t-0.00028t2);

If(濕度為‘A’)and(溫度大于等于0 ℃)then(f=0.81);

If(濕度為‘A’)and(溫度小于0 ℃)then(f=0.60);

在求出路面附著系數后,通過限速準則求出限速值VB0。在求出VB0后,判斷VB0的個位值m,若0≤m<5,則令m=0;若5≤m≤9,責令m=5,得到一個新限速值VB0,若VB0大于120就令其等于120。然后,MSP430判斷剛求出的VB0與上1 min的VB0是否相同,若相同就不做任何處理;若不相同再根據VB0求出安全間距S,然后MSP430對限速值VB0和安全間距S進行處理和打包,得到的限速信息結構如表2所示。

表2 限速信息結構表

數據頭1位:為‘&’;限速值和安全間距都各占3位:都是它們各自的百、十、個位;數據尾1位:為‘#’。

MSP430單片機打包好限速信息后,通過AT指令控制TC35模塊群發短信給監控裝置所控制的路邊裝置的TC35接收模塊[6]。發送過程如下:

第1步:MSP430F149單片機通過串口UART1發送”AT+CMGF=1 ”指令給TC35模塊,設置發送數據為Text格式。若發送正確,TC35模塊會回復”OK”。

第2步:MSP430F149單片機發送”AT+CMGS=”159********” ”指令給TC35模塊,(159********為單片機中已存儲的路邊裝置的TC35模塊中的一個號碼)。若發送正確,TC35模塊會回復”>”。

第3步:MSP430F149單片機將限速信息作為短信內容傳遞給TC35模塊,最后向TC35模塊發送0x1A,TC35就會將短信內容發送給上一步中所設置的號碼。若短信發送成功,TC35模塊會回復”+CMGS:X”(X是個數字)。

3.3 CC2530程序設計

ZigBee無線傳感器網絡中有3種設備類型:協調器、路由器和終端節點,設備類型是由ZigBee協議棧不同的編譯選項來選擇的,我們把路邊裝置中的CC2530設置為協調器,車載裝置中的CC2530設置為終端節點。本系統采用ZigBee星型網絡進行無線通信,協調器位于網絡的中心,負責建立一個新的網絡,通過NLME-NETWORK-FORMATION.request服務原語來發起一個網絡的建立,建立好網絡之后再通過發送NLME-PERMIT-JOINING.request服務原語允許其他設備與自己建立連接,然后就等待終端節點的加入。終端節點通過發送NLME-NETWORK-DISCOVERY.request服務原語來搜索可以加入的父設備,搜索到合適的父設備后通過發送NLME-JOIN.request原語選擇合適的父設備進行連接。若連接成功,父設備(這里是協調器)就為其分配網絡地址,使其成為自己的子節點加入到網絡中[7]。終端節點若要斷開與協調器的連接就通過發送NLME-LEAVE.request原語請求斷開連接,協調器收到終端節點的斷開連接請求后,就刪除鄰居表中該子節點的信息解除與子節點的連接。CC2530通過AF_DataRequest()函數發送數據,通過osal_memcpy()函數接收數據。當路邊裝置中的MSP430通過串口傳來標準限速信息后,協調器調用串口中斷函數實現對限速信息的更新。協調器和終端節點組網及收發數據流程圖如圖6所示。

圖6 程序流程圖

3.4 顯示和語音播報程序設計

STC89C52單片機收到數據后首先判斷是否是正確的限速信息,若不是則不做任何操作;若是就判斷與上一次接收到的限速信息是否相同,若相同就不做任何操作,若不同就更新液晶屏的顯示并語音播報以提醒駕駛員注意限速值的改變。

LCD12864上的顯示內容除了限速值和安全間距的值是可變的,其余都是一些固定的字符,最關鍵的步驟就是設置各塊內容顯示的起始位置,具體形式如下:

void setLocation(uchar x,uchar y)

{

uchar L;

隨著“生態文明”被寫入政府報告，“綠水青山就是金山銀山”生態理念的提出，地下水環境狀況受到越來越多的關注，下一步應繼續加強地下水監測工作，全面提升監測能力，更好地服務經濟社會發展。

switch(x%4)

{

case 0:L=0x80;break;

case 1:L=0x90;break;

case 2:L=0x88;break;

case 3:L=0x98;break;

}

L+=y;

writeCmd(L);

}

通過VoiceChip配套軟件完成對WT588D-U模塊的功能配置,本文設置WT588D-U模塊工作于三線串行控制方式下,以PWM輸出方式直接驅動0.5W/8Ω揚聲器[8],WT588D的SPI-Flash中就采樣了一段20 kHz頻率的音頻,內容為:“請注意當前限速信息已改變請調整駕駛”,存放地址為00H。STC89C52通過P2.0、P2.1和P2.2按照WT588D三線串行控制時序圖向WT588D發送語音存放地址00H即可產生播報,發送過程如下:首先給CS端一個5 ms低電平,然后通過DATA端發送8位語音地址,WT588D在CLK端的上升沿接收語音地址數據。數據傳輸時低位在前高位在后,當地址數據發送完畢后再置高CS端,20ms后WT588D就開始播放語音了。WT588D播報時,BUSY變為低電平發光二極管亮,播報結束后BUSY變為高電平發光二極管滅。

4 系統可行性分析

我國的高速公路一般為雙向4行車車道,本系統就應用于雙向4行車車道高速公路上,下面對該系統的可行性進行分析。

終端節點與協調器間組網約為60 ms的時間,需要接收的限速信息就8個字符,即8 byte,但ZigBee模塊間進行無線通信時是以數據包的形式發送的,由于有效數據就8 byte,所以整個數據包就幾十個字節。在這里我們假設數據包為100 byte,即800 bit,除以傳輸速率為250 kbit/s,3.2 ms就可以傳輸完數據包。由于電磁波在空氣中的傳播速度為3×108m/s,所以電磁波信號的傳輸時間可以忽略不計。終端節點收到無線數據后就發送斷開連接請求,請求斷開與協調器的連接,終端節點退出網絡的時間肯定不會超過其加入網絡的時間60 ms。綜上所述,我們假設終端節點從加入網絡到退出網絡總共用時200 ms。

若要使所有車載終端節點在經過協調器通信范圍內時都能夠接收到限速數據,則必須滿足式(5):

(5)

式中,x為CC2530的傳輸距離,單位為m,v為車輛行駛速度,4km/h0.13v,取v=120km/h,則x>15.6m,而CC2530的傳輸距離為100m左右,故CC2530能夠滿足本系統無線通信要求。

當車輛都堵在路上時,此時一輛車大約占據6m左右的路面。我們設CC2530傳輸距離為100m,此時雙向4車道上處于路邊裝置ZigBee網絡范圍內的車輛數為132輛,按照上述假設的200ms,全部通信完畢最多需要26.4s,因此終端節點退出網絡后需要延時超過26.4s才能再去嘗試加入網絡,在本系統中我們令延時時間為30s。假設車載終端節點退出網絡后保持120km/h的速度行使,那么30s后車輛行駛了1km,此時車載終端節點又可以嘗試加入網絡了,因此我們每隔1.1km在路邊安裝1個路邊裝置是可行的。

5 系統測試

為了驗證系統的可行性,我們在一處空曠的地方使用6輛裝有車載裝置的車進行實際的測試,由于路面寬度的限制,把6輛車分成兩排,每排3輛,測試時車輛兩兩并行通過路邊裝置,前后車輛保持至少安全間距的距離,看6輛車的車載裝置是否最終都能接收到路邊裝置傳遞過來的限速信息。一共進行6次測試,分別在車輛的統一速度為20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100km/h和120km/h的情況下進行測試。由于實際條件的限制,在監控裝置中用電腦來模擬自動氣象站發送數據,通過串口調試助手向MSP430單片機發送氣象數據“&150B-02a＄”,測試結果如表3和圖7所示。

表3 實際接收情況表

圖7 車載裝置液晶顯示圖

由測試結果可知在高速公路上行駛的車輛能夠通過該系統正常接收當前氣象條件下的限速信息。

6 結論

不良天氣會對高速公路車輛駕駛員駕駛造成很大的影響,而現有的高速公路管理系統又不能及時地為每位駕駛員提供相應的限速信息。針對上述問題,本文設計了基于ZigBee和GSM的高速公路自適應限速系統,系統成本低升級簡單,并從理論上和系統實際測試中驗證了本系統的可行性。通過該系統,駕駛員能夠及時地獲得在當前天氣條件下高速公路車輛限速信息,為高速公路交通安全和效率提供了有效的保障。

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張凱(1965-),男,漢,山東泰安人,南京信息工程大學信息與控制學院教授,碩士生導師,主要研究方向為智能交通、智能檢測,zkark@163.com;

劉用滲(1990-)男,漢,江蘇東臺人,南京信息工程大學信息與控制學院碩士研究生,主要研究方向為智能交通、智能檢測,762319231@qq.com。

AdaptiveSpeedLimitSystemofHighwayBasedonZigBeeandGSM*

ZHANGKai1*,LIUYongshen1,QINBinbin1,JIANGHui2

(1.School of Information and Control,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;2.Department of Electrical Engineering and Computer Science,Vanderbilt University,Nashville,TN 37235,USA)

In order to let drivers acquire highway speed limit information,we design the adaptive speed limit system of highway based on ZigBee and GSM. MSP430 microcontroller deals with meteorological data and calculates speed limit information on the highway in current weather condition according to speed limit formula.If it is different from the value calculated in last minute,speed limit information of roadside devices will be updated by GSM network. Vehicle will receive speed limit information when driving to the scope of ZigBee network of roadside device,if information is changed,vehicle-mounted device will display it on LCD screen and broadcast recording. Test result shows that:vehicle-mounted devices can receive speed limit information normally in the scope of ZigBee network of roadside device.

ZigBee;Speed limit formula;Meteorological data;MSP430;GSM

項目來源:國家自然科學專項基金項目(71341029)

2013-12-25修改日期:2014-01-10

TN925

:A

:1005-9490(2014)06-1193-06

10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.037