基于CC430的急轉(zhuǎn)彎會(huì)車提示預(yù)警系統(tǒng)*

陶 剛，胡海兵，汪國慶，崔世林，楊建德

(1.安徽科力信息產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

基于CC430的急轉(zhuǎn)彎會(huì)車提示預(yù)警系統(tǒng)*

陶 剛1，胡海兵2，汪國慶2，崔世林2，楊建德2

(1.安徽科力信息產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009)

針對(duì)道路中急轉(zhuǎn)彎處因盲區(qū)會(huì)車的信息采集、信息反饋、信息處理失誤而引發(fā)交通事故的問題，設(shè)計(jì)了新型實(shí)用的急轉(zhuǎn)彎會(huì)車提示預(yù)警系統(tǒng)。以TI MSP430MCU和CC1101低功耗多通道無線射頻內(nèi)核的CC430F5137芯片為控制核心,由地磁傳感器檢測(cè)采集車輛信息,系統(tǒng)中的兩塊大面積電子顯示屏給出信息告知預(yù)警,前方車況及時(shí)反饋到來向和去向的駕駛?cè)藛T。道路實(shí)地模擬測(cè)試表明該系統(tǒng)對(duì)于車輛在彎道處的良好檢測(cè)率,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)警示標(biāo)志的不足。急轉(zhuǎn)彎盲區(qū)道路安全解決方案在智能化交通上具有廣闊的應(yīng)用前景。

CC430；低功耗；彎道；安全駕駛

0 引言

隨著社會(huì)對(duì)文明駕駛和交通安全的日益重視，人們不斷提高車輛駕駛的安全性和智能交通設(shè)施建設(shè)。其中我國山區(qū)公路地形復(fù)雜，路窄、彎道多、坡陡。車輛遇到彎道時(shí)，駕駛者對(duì)前方交通狀況缺乏足夠的了解，短暫的應(yīng)變時(shí)間會(huì)使司機(jī)發(fā)生誤判從而導(dǎo)致交通事故。急轉(zhuǎn)彎地形導(dǎo)致事故的問題亟待解決。

交通領(lǐng)域國內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)這一問題主要研究出兩種方法。第一種是將彎道地形作為單獨(dú)研究單元，對(duì)彎道進(jìn)行線形設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)，公路彎道道路線形與交通特性分析顯然是治標(biāo)不治本的途徑。第二種就是科學(xué)改善道路限速和交通安全設(shè)施，增強(qiáng)駕駛?cè)税踩{駛意識(shí)及規(guī)范車輛上路合格檢測(cè)管理。雖然近些年我國交通管理部門和路政機(jī)關(guān)在彎道地形區(qū)域預(yù)先設(shè)立了多種多樣的提示標(biāo)語與警示標(biāo)志，但避免交通事故的效果還是不夠理想[1-2]。

針對(duì)急轉(zhuǎn)彎、陡坡彎道等不利地形的交通安全問題，迫切需要采用智能化交通系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)對(duì)道路交通進(jìn)行即時(shí)動(dòng)態(tài)的偵測(cè)、警告、引導(dǎo)和管制，實(shí)現(xiàn)道路交通安全有序、保障駕駛?cè)松拓?cái)產(chǎn)安全的目標(biāo)。為此，本文設(shè)計(jì)了一種急轉(zhuǎn)彎處會(huì)車的智能提示預(yù)警系統(tǒng)，擬解決急轉(zhuǎn)彎盲區(qū)道路會(huì)車的問題，增強(qiáng)急轉(zhuǎn)彎地形安全會(huì)車的可靠性，減少事故發(fā)生的可能性。

1 急轉(zhuǎn)彎會(huì)車預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

1.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要構(gòu)成部分

急轉(zhuǎn)彎會(huì)車提示預(yù)警系統(tǒng)主要有兩個(gè)部分，在急轉(zhuǎn)、彎處一定距離的前后位置分別設(shè)置兩個(gè)地磁傳感器，電子顯示屏設(shè)置在彎道的入口處和出口處。整體系統(tǒng)平面圖如圖1所示，包括一對(duì)內(nèi)車道的地磁傳感器檢測(cè)器、來向車輛、去向車輛以及一對(duì)電子顯示屏。內(nèi)車道上安裝有所述車輛地磁檢測(cè)器2，地磁檢測(cè)器2位于去向車輛的前方，地磁檢測(cè)器2的另一側(cè)是電子顯示屏2。在急轉(zhuǎn)彎道路的另一個(gè)方向，來向車輛在外車道駛來，此時(shí)來向車輛正處于去向車輛的盲區(qū)。急轉(zhuǎn)彎會(huì)車提示預(yù)警系統(tǒng)給出安全會(huì)車的解決方案：來向車輛的前方路面上設(shè)置有地磁檢測(cè)器1，地磁檢測(cè)器1的另一側(cè)是電子顯示屏1，電子顯示屏1上面顯示去向車輛信息，電子顯示屏2上面顯示來向車輛信息。電子顯示屏提前告知駕駛?cè)藛T前方車況，提醒駕駛?cè)藛T急轉(zhuǎn)彎道后方的車輛信息，便于駕駛?cè)藛T提前減速，保證彎道內(nèi)駕駛的安全性。

圖1 系統(tǒng)平面圖

圖2 系統(tǒng)整體架構(gòu)圖

1.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性對(duì)比分析

與當(dāng)前普及的廣角鏡相比，彎道會(huì)車預(yù)警系統(tǒng)不受視野角度的限制，能夠適應(yīng)各類復(fù)雜路況，對(duì)于夜間行車，大霧陰雨天氣的彎道會(huì)車有著明顯的優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)路況需要合理配置傳感器及顯示模塊的方位，使得駕駛員能夠提早接收前方車況信息。若有超速或低速拐彎的車輛駛來時(shí)，駕駛員也能提前獲知彎道盲區(qū)的來車情況，從而及時(shí)做出減速或規(guī)避等避險(xiǎn)措施。

地磁傳感器檢測(cè)距離范圍覆蓋整個(gè)路面寬度，傳感器提前檢測(cè)到車輛，能夠及時(shí)在系統(tǒng)顯示屏上預(yù)告，從而使司機(jī)能夠在進(jìn)入彎道會(huì)車之前就正確得到來車信息提示。在彎道入口處，由于駛?cè)霃澋篮婉偝鰪澋赖钠嚱?jīng)過兩個(gè)地磁傳感器，引起兩個(gè)地磁傳感器擾動(dòng)信號(hào)變化，從而單片機(jī)CC430F5137(CC430)可識(shí)別出車輛駛?cè)牒婉偝鰪澋罆r(shí)的速度。通過單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)時(shí)器，檢測(cè)車輛引起擾動(dòng)所用時(shí)間，從而計(jì)算車輛速度。顯示模塊實(shí)時(shí)發(fā)布車輛來向和車速，使駕駛?cè)藛T依據(jù)電子屏反饋信息及時(shí)減速或停車避讓，避免會(huì)車失控的事故發(fā)生。

2 系統(tǒng)的硬件模塊和軟件程序設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要用到TI 的CC430F5137芯片。芯片內(nèi)部以MSP430MCU為控制核心，設(shè)置ADC采集地磁傳感器檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)，基于CC1101低功耗多通道無線射頻內(nèi)核，通過外設(shè)天線與對(duì)應(yīng)的電子液晶顯示屏無線通信，其中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信由外設(shè)撥碼開關(guān)設(shè)定地址配對(duì)建立連接，系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖2。

2.1 CC430MCU主控模塊與RF無線通信模塊

CC430MCU主控模塊是車輛信息實(shí)時(shí)采集的硬件基礎(chǔ)。系統(tǒng)主控電路原理圖如圖3所示。MCU具有超低功耗，具有高達(dá)25 MHz的峰值執(zhí)行性能，主動(dòng)模式功耗僅僅為160 μA/MHz，待機(jī)模式(LPM3 RTC模式)：2 μA，關(guān)閉模式(LPM4 RAM保留)：1 μA，處理器8 MHz僅1.3 mA[3]。超低功耗的運(yùn)行模式可增加地磁檢測(cè)器的電源的使用壽命，埋于地下的地磁檢測(cè)器暗盒里可以用獨(dú)立包裝的電池作為采集系統(tǒng)的電源供給。

CC430芯片外部振蕩電路使用26 MHz晶振，程序設(shè)計(jì)通過讀取AD的模塊數(shù)值用一個(gè)定時(shí)器外部中斷控制。程序調(diào)試的下載端口采用最常用的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試接口JTAG接口。射頻收發(fā)器CC1101采用基于433 MHz 的載波頻率，配以合適的阻抗電路。

2.2 基于地磁傳感器的車輛檢測(cè)器模塊

放有地磁檢測(cè)器附近區(qū)域的地球磁場(chǎng)可以看成是均勻磁場(chǎng)空間，車輛一般都有鐵磁體金屬物質(zhì)，均勻磁場(chǎng)就會(huì)發(fā)生擾動(dòng)，地磁檢測(cè)器會(huì)對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生的擾動(dòng)進(jìn)行采集和分析。大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，這種擾動(dòng)對(duì)于磁阻傳感器監(jiān)測(cè)是很敏感的，由此可以判斷車輛的存在，更加精確的磁場(chǎng)檢測(cè)甚至可以測(cè)出車輛引起擾動(dòng)的時(shí)間[4]。實(shí)驗(yàn)測(cè)試運(yùn)動(dòng)小車對(duì)磁場(chǎng)的擾動(dòng)，發(fā)現(xiàn)汽車經(jīng)過地磁傳感器上方時(shí)，磁場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng)，具體表現(xiàn)為地磁場(chǎng)強(qiáng)度在Z軸方向明顯發(fā)生一定幅度的變化。車輛駛離地磁檢測(cè)器附近區(qū)域，地球磁場(chǎng)會(huì)恢復(fù)之前狀態(tài)。通過磁場(chǎng)強(qiáng)度的擾動(dòng)變化，就可以確定車位有無停車。單一的地磁檢測(cè)會(huì)有一定錯(cuò)誤和遺漏，系統(tǒng)可以采用增加光敏傳感器、圖像識(shí)別等其他輔助檢測(cè)手段，提高車速檢測(cè)的準(zhǔn)確性，該文不再贅述。

會(huì)車預(yù)警系統(tǒng)地磁檢測(cè)器主要由飛思卡爾公司的三軸磁阻信號(hào)傳感器MAG3110組成。內(nèi)置高性能鋰亞硫酰氯電池供電，主控芯片采用低功耗運(yùn)行方式，電池為整個(gè)地磁采集功能電路板供電的工作壽命達(dá)3～5年。地磁車輛檢測(cè)器固定于路口中間區(qū)域，采用高強(qiáng)度ABS和PC材料注塑成型，有防水、抗酸堿腐蝕、抗沖撞功能[5]。以芯片CC430為主控電路水平放置于距離地磁檢測(cè)功能印制電路板一側(cè)0.15 m的地方，以防附近電路板對(duì)地磁測(cè)量的干擾。地磁傳感器外圍電路原理圖如圖4所示[6]。

2.3 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)與優(yōu)化

系統(tǒng)低功耗器件的硬件設(shè)計(jì)最大效率地利用電池的能量，延長地磁檢測(cè)器和主控開發(fā)板的使用壽命。與此同時(shí)，靈活的電源管理軟件程序控制CC430單片機(jī)以及高效的糾錯(cuò)矯正能力十分重要。

圖3 系統(tǒng)主控電路原理圖

圖4 地磁傳感器外圍電路原理圖

地磁傳感器的數(shù)據(jù)采集由單片機(jī)端口控制實(shí)現(xiàn),空閑時(shí)段均處于高阻態(tài)，數(shù)據(jù)采集時(shí)為輸入或輸出狀態(tài)。中心接收節(jié)點(diǎn)的MCU狀態(tài)可以由程序設(shè)計(jì)進(jìn)行科學(xué)節(jié)能管理[7]。間歇性地接收探測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，可使CPU同樣常處于低功耗模式，LPM3電壓為3 V，頻率為32 768 Hz，該模式下的工作電流小于2 μA。

維護(hù)人員通過軟件首次由CC430單片機(jī)對(duì)地磁檢測(cè)器參數(shù)(包括產(chǎn)品序列號(hào)、射頻的頻段、發(fā)送功率等)進(jìn)行配置。通過人工初次進(jìn)行八路撥碼開關(guān)地址配置，觸發(fā)進(jìn)入固定頻段的配置模式，實(shí)現(xiàn)地磁檢測(cè)器2與電子顯示屏1(地磁檢測(cè)器1與電子顯示屏2)參數(shù)配置和無線數(shù)據(jù)鏈接，完成車輛監(jiān)測(cè)、無線互傳、電子屏顯示的基本功能。軟件設(shè)計(jì)無線通信部分采用SimpliciTI協(xié)議棧設(shè)計(jì)，系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)遇到外設(shè)破壞，尤其是地磁傳感器檢測(cè)功能出現(xiàn)異常(抑或單片機(jī)端口采集異常)時(shí)，CC430單片機(jī)將進(jìn)入警告提醒模式，及時(shí)把故障反饋給電子顯示屏，便于設(shè)備維護(hù)人員及時(shí)檢修。

圖5 系統(tǒng)程序流程圖

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析

根據(jù)電路原理圖制成電路板，燒入程序，做成地磁檢測(cè)器，埋于地下。急轉(zhuǎn)彎會(huì)車提示預(yù)警系統(tǒng)測(cè)試模擬選址在某山區(qū)急轉(zhuǎn)彎彎道區(qū)域，采用路上隨機(jī)車輛，車輛檢測(cè)裝置的兩套地磁傳感器分別對(duì)單輛車駛?cè)霃澋篮婉偝鰪澋赖倪^程在彎道入口或彎道出口處進(jìn)行了實(shí)地模擬測(cè)試。每種情況做6組測(cè)試，每組測(cè)試由20次車輛通過實(shí)驗(yàn)組成，進(jìn)而統(tǒng)計(jì)檢測(cè)出車輛的次數(shù)和未檢測(cè)出車輛的次數(shù)，計(jì)算車輛的檢測(cè)率。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表1所示。

由表1的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可以知道，當(dāng)單輛車通過車輛檢測(cè)裝置時(shí)，系統(tǒng)有較高的檢測(cè)率。分析得知，系統(tǒng)未檢測(cè)到車輛的原因，主要是周邊環(huán)境復(fù)雜，包括不可避免工作人員走動(dòng)及手機(jī)通信對(duì)無線通信底板有電磁上的干擾，致使地磁檢測(cè)器2與電子顯示屏1(地磁檢測(cè)器1與電子顯示屏2)無線通信傳輸數(shù)據(jù)時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)誤。針對(duì)實(shí)際應(yīng)用可以在每個(gè)通信底板上加蓋金屬盒屏蔽電場(chǎng)和磁場(chǎng)對(duì)通信底板的信號(hào)干擾，同時(shí)盡量使天線露置于金屬盒外端以保證射頻部分正常工作[8]。

表1 車輛檢測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表

4 結(jié)論

基于CC430的急轉(zhuǎn)彎會(huì)車提示預(yù)警系統(tǒng)從山路彎道會(huì)車的實(shí)際安全需求出發(fā)，提出基于地磁傳感器的車輛檢測(cè)方案，設(shè)計(jì)了一種較為經(jīng)濟(jì)的山區(qū)公路彎道會(huì)車預(yù)警系統(tǒng)，不僅彌補(bǔ)了傳統(tǒng)警示標(biāo)志預(yù)警的缺陷，并且為解決山區(qū)彎道安全問題提供了一定的理論指導(dǎo)和研究基礎(chǔ)，滿足了偏遠(yuǎn)地區(qū)低成本交通管理的需求，對(duì)于生產(chǎn)實(shí)踐、交通監(jiān)控領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用參考價(jià)值。

[1] 林濤．山區(qū)公路曲線段車輛加速度及軌跡研究[D]．上海：同濟(jì)大學(xué)，2008．

[2] 徐婷，孫小端，賀玉龍，等.基于駕駛員短期記憶的限速標(biāo)志合理間距研究[J]．中國公路學(xué)報(bào)，2011(1):177-180．

[3] Texas Instruments.CC430F5137[EB/OL].(2012-01-xx)[2016-11-24]http://www.alldatasheet.com/datasheet-pdf/pdf/465991/TI1/CC430F5137.html.2016-09-12.

[4] 肖寶森,程兵兵,陳澤坤，等.基于磁阻傳感器的車流量檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].廈門大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2013，52(3)：366-369.

[5] 馬建程.無線低功耗地磁車輛檢測(cè)傳感器的設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界,2014(5)：44-48.

[6] 3-AXIS Digital Magnetometer [R/OL].(2011-2-xx)[2016-11-24]www.freescale.com.

[7] 陶剛,胡海兵,汪國慶,等.基于CC430的低功耗無線交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(19):35-37．

[8] 劉敏俠,胡署凡,宣曉剛,等.基于自主傳感器信號(hào)調(diào)理芯片應(yīng)用解決方案[J].電子技術(shù)應(yīng)用,2016,42(5):14-17.

The traffic information early-warning system for sharp turning point based on CC430

Tao Gang1，Hu Haibing2，Wang Guoqing2，Cui Shilin2，Yang Jiande2

(1.Anhui KeLi Information Industry Co.,Ltd.,Hefei 230009,China;2.Hefei University of Technology,Hefei 230009,China)

In terms of the problem of the road traffic accident caused by information collection,information feedback,information processing on sharp curves,the new type traffic information early-warning system for sharp turning point was designed.The module of CC430F5137 chip(TI MSP430 MCU and CC1101 low-power multi-channel wireless RF)is used as the system control core.The geomagnetic sensor can collect and check vehicle information.Two large electronic screens give information in early warning-system,and the front condition can be timely fedback to the driver.Experiments show that the system has high accuracy rate of vehicle for sharp turning point,improves the shortcomings of traditional warning signs.The safety solutions of the traffic information early-warning system for sharp turning point has wide application prospects in intelligent transportation as well.

CC430; low power consumption; sharp curve; safe driving

安徽省自然科學(xué)基金青年項(xiàng)目(1408085QKL100)

TN99

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.10.009

陶剛，胡海兵，汪國慶，等.基于CC430的急轉(zhuǎn)彎會(huì)車提示預(yù)警系統(tǒng)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(10)：30-32,36.

2016-11-24)

陶剛(1974-)，男，博士，高級(jí)工程師，主要研究方向：交通信息工程與控制。

胡海兵(1984-)，男，博士，副教授，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng),自動(dòng)控制技術(shù)。

汪國慶(1991-)，男，碩士研究生，主要研究方向：無線傳感網(wǎng)絡(luò),嵌入式系統(tǒng)。