蜂群式交通運輸系統的設計與發展

王沛國

摘 要 如今我們的生活節奏越來越快，車輛成為人們生活中的必需品，伴隨而至的交通問題也層出不窮，在我們上班上學的過程中堵車可謂是家常便飯各大一線城市的堵車更是壯觀。行車過程中，剮蹭、碰撞也是屢見不鮮，重特大交通事故也時有發生。據世界衛生組織統計（WHO）統計全球每年有120萬人死于車禍，平均每25秒就有一人死于車禍。我國平均有200人每天因車禍死亡或受傷，平均每五分鐘就有一人死于車禍。我國汽車世界保有量為世界的3%但卻造成了世界上16%的車禍，而目前，我國2017年汽車保有量將突破2.9億，如何防止和避免各類車禍的發生，提高公路系統的運行效率，使人民群眾出行生活更便捷，成為了一種迫在眉睫需要解決的問題。

【關鍵詞】擁堵 交通規則 網絡規劃

而目前以沈陽市位例，沈陽市警方統計結果表明無序駕駛，隨意變換車道，疲勞駕駛，粗心大意成為了車禍的主因。通過交通安全教育，民眾交通安全意識增強的同時，我們是否可以從技術層面對于車輛進行升級，讓交通事故少發生，不發生呢，這當然是可以的。既然無序駕駛成為了目前交通事故頻發的主要原因，那么是否可以從技術層面在車輛的設計上對于無序駕駛進行杜絕呢。其實在生物界我們就有很多類似的例子。以蜜蜂為例，看似無序的蜂群其實存在著非常嚴格的秩序，即使再密集的蜂群也不會出現撞擊同伴的空難，這源于蜜蜂腹部的超流磁性，根據地球的磁場對蜂群進行規劃。所以對于龐大的交通網絡是否可以運用蜂群式控制方式來進行管理，保證到杜絕無序駕駛，提高出行效率，更加方便人民群眾的出行。

1 關于蜂群式控制系統

1.1 流程略圖

如圖1所示。

1.2 分步說明

車輛：車輛的主要針對對象是民用私家車、運輸車輛、民用特種車輛。

路況反應機制：

路況反應機制由車載傳感器（溫度，濕度，震動，光學傳感器，計時器組成，分別檢測地面溫度，地面濕度，積水水深，能見度，路面顛簸程度，擁堵程度等路況問題）北斗衛星導航（負責計算擁堵程度，重新規劃路線，導航等作用）組成。其作用主要是對路況信息進行匯總，將路面的自然狀況和人為狀況首先反映給北斗衛星，北斗衛星導航系統將所有信息匯總給并為擁堵區域車主規劃新的行駛路線，在規劃的同時將匯總過的路況信息反饋給城市智能交通系統，并由城市智能交通系統進行下一步行動。

信息交互機制：

信息交互機制由紅外傳感器（計算車距和行車方向）車載計算機（1、對于紅外傳感器的數據進行計算；2、接收和發送相關信息；3、對車輛的相關功能進行控制；4、車流物聯網）旨在對于外界信息的接受和反饋，對于內在信息的上傳和分析，以及對車輛的控制。

藍牙遙控機制：

由藍牙遙控軟件，藍牙，車載計算機組成，針對酒駕，疲勞駕駛等問題設計，車主可以利用手機APP與車載藍牙和車載計算機鏈接，并下達指令，在自動模式下車主可以讓車輛獨自去接送家人，運輸貨物等活動；在手動模式下，車主可以通過手機對車輛進行遙控，讓車輛在車主的遙控下行駛。

2 智能車模藍牙遙控系統軟件設計方案

2.1 創作目的

通過把步進電機作為可移動輪式車模的動力部分，同時增加一些任務，將步進電機的控制和單片機、模電、數電、算法等知識一起糅合，已經具有初步的系統性框架，是一種帶有智能的步進電機控制系統，本次設計主要體現在軟件流程編輯上。

2.2 所需硬件

電腦：處理器 AMD Opteron（tm） Processor 6320、內存 16G 以上、硬盤 500G以上；

STC89C52RC單片機；

手機：安卓系統 內存1G及以上。

STC89C52標準功能：

具有以下標準功能：8k字節Flash，512字節RAM， 32 位I/O 口線，看門狗定時器，內置4KB EEPROM，MAX810復位電路，3個16 位定時器/計數器，4個外部中斷，一個7向量4級中斷結構（兼容傳統51的5向量2級中斷結構），全雙工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 靜態邏輯操作，支持2種軟件可選擇節電模式。空閑模式下，CPU 停止工作，允許RAM、定時器/計數器、串口、中斷繼續工作。掉電保護方式下，RAM內容被保存，振蕩器被凍結，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復位為止。

2.3 創作過程

根據車模的功能要求，設計了系統程序流程圖，編寫了車模基本運動子程序、藍牙子程序，并根據車模驅動模塊驅動芯片的工作原理，編寫了車模驅動程序，最終，通過主程序調用將其連為一個整體。完成了系統軟件的設計。

2.4 技術描述部分

2.4.1 系統整體結構

智能車模藍牙遙控系統軟件整體示意圖，如圖2所示，其中手機部分，包括手機APP、手機的藍牙模塊，控制部分包括單片機最小系統、藍牙從機模塊、電機驅動模塊。

2.4.2 小車模型底盤結構

小車模型底盤包括車輪4個，直流電機4個，車身底板1個，以及單片機控制系統電路板。其中，每個車輪由一個直流電機控制，由直流電機驅動模塊控制直流電機的正轉反轉，實現小車模型的前進后退等基本動作。

設輪子1正轉為前進，小車模型基本動作的實現如表1，根據車輪正轉反轉的不同，可以實現前進、后退、左轉、右轉、停止等基本動作。

L298電機驅動芯片，可以通過兩位數字信號控制一個電機的正、反轉，因此，需要兩個電機驅動，控制四個直流電機的正、反轉。

2.4.3 單片機與藍牙模塊的連接

本次藍牙模塊設計綜合考慮市場上的主流方案，我依據技術較成熟最成熟及成本較低的原則，采用了CC2540藍牙芯片作為的單模式低功率藍牙解決方案。

藍牙模塊與單片機的連接有兩種方案，一種是利用CC2540的GPIO口與單片機的IO口連接，傳輸數字信號；一種是利用CC2540的URAT串口進行數據透傳，傳輸給單片機的串行緩沖寄存器。本次我選用了第一種方案，CC2540具有19個GPIO口，這些IO口一般都有各自的特殊功能，一般不適用他們作為GPIO口，這里選擇不影響研究目標功能的三個GPIO口P0.7、P0.6和P0.5，分別連接單片機的P2.7、P2.6和P2.5。

2.4.4 智能手機APP的設計

目前市場上有很多基于CC2540的APP共享軟件成熟方案，可以很方便的下載來進行二次設計。此處也可以描述成借助親戚朋友等外力來完成二次匹配，畢竟此次設計的著重點在控制。

APP運行平臺選擇Android系統，APP的開發環境，為Windows7 64bit旗艦版，開發軟件選擇eclipse。開發語言使用java語言。APP需要實現的功能，包括調用手機藍牙模塊作為主機模塊，掃描到從機模塊，建立連接，并通過模擬串口傳遞數據。

如圖3所示，我在上述流程的基礎上，設計了用戶界面，包括動作按鈕，掃描從機按鈕，以及更多的命令開發按鈕。

src-com.nordisemi.xxx下的java文件為安卓工程的主程序文件， MainActivity.java中為主程序，負責調用其他函數完成APP的工作；DeviceListActivity.java中定義了諸多函數，在APP調用藍牙模塊掃描從機時調用。它定義了一個public class，包括匹配設備時需要各種設備表單存放。

UartService.java中定義了串口傳輸中的諸多宏，包括串口對應的char，主機UUID，以及數據發送函數。定義了RX和TX的UUID，與藍牙協議棧不同，在安卓工程中，UUID由完整的128位十六進制數表示。

前進按鈕的功能代碼中，massage為要通過藍牙串口傳輸的數據，定義為GO，并在listAdapter中顯示，通過writeRXCharacteristic函數傳輸。其中，函數傳輸的不是直接的massage，而是將message轉碼儲存在value中。其他按鈕代碼與此類似，其中send按鈕稍微不同，massage得到的字符不是固定的，而是獲取text欄數據。

2.4.5 單片機程序設計

單片機程序的流程圖如圖4所示。

其中，串口初始化主要設置串口的比特率為9600，同時藍牙協議棧中的串口初始化也需要將串口比特率設置為9600。默認藍牙串口比特率為115200，單片機在11.0594MHz晶振下很難準確達到這個比特率。在11.0592MHz晶振、9600波特率下，單片機可以與藍牙模塊串口保持良好的通訊。

藍牙模塊將數據通過串口，傳給單片機時，會存放在單片機的SBUF緩存中，RI會自動置1，此時將緩存區的數據存在char型變量kumo中，方便主程序調用處理。串口檢測函數如下：

void bluetooth（）

{

if（RI） //是否有數據傳過來

{

RI=0；

kumo = SBUF； //接收命令

2.5 后期設計的思路

通過這次設計實現對步進電機控制，加入藍牙模塊配合APP可實現遠程控制。

通過設計對STC89C52RC單片機有了更深入的理解，通過該芯片還可以開發完善更多的功能，例如：加上語音識別芯片可以實現控；

加入傳感器實現自主尋跡、避障；

因為對于實驗材料和相關知識的缺失，無法對其他兩大機制進行研究，故本文僅對于藍牙遙控機制作為介紹。

感想：

在日后的將來，我希望蜂群式交通系統可以實現。因為我堅信通過這種控制系統在某種程度上降低車禍發生的幾率，挽救更多無辜的生命。同時也可以提高交通運輸體系的運行效率，促進經濟發展，也為我們的生活出行多添一份方便、一份安全、一份保障。

但蜂群式系統的思維不僅僅是交通運輸，還可以是更多的領域，在軍事領域，蜂群思維下的無人機可以更好的協作完成任務，在高空或海底布置雷區，對建筑物進行偵查，對目標進行突襲等。不但成本低，還可以減少傷亡，何樂而不為。在信息工程的領域，例如美國洛杉磯市啟動過的“深藍計劃”，育碧游戲公司的《看門狗》系列作品中的CTOS城市中央控制系統。他們都利用蜂群式思維對城市的一切進行控制，讓人們的生活井井有條，讓犯罪分子無處可逃。

這將是一種趨勢，蜂群式控制系統將會是一種新的物與物之間的秩序模式，也將是軍事，交通，信息工程，航空航天的新型控制理念。

作者單位

西安高新第一中學 陜西省西安市 710075