高速公路汽車防碰撞預警系統硬件設計

張漢卿 蔡啟仲 張嘉晨 趙永超 潘紹明

【摘 要】一種自主設計的基于ZigBee無線網絡的高速公路汽車防碰撞預警系統，該系統主要由車載裝置、監測通信裝置、出入口裝置、頻率設置裝置組成，構建Zigbee無線通信網絡。描述了該系統的工作流程，重點闡述了各個功能模塊的電路設計及運行機理。測試該系統的各個功能裝置滿足高速公路汽車防碰撞預警系統的應用要求。

【關鍵詞】高速公路；汽車防撞；Zigbee

中圖分類號： U463.6 文獻標識碼： A 文章編號： 2095-2457（2018）21-0110-005

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2018.21.049

【Abstract】A self-designed highway anti-collision warning system based on ZigBee wireless network，which is mainly composed of vehicle-mounted device，monitoring communication device，entrance and exit device and frequency setting device，and constructs Zigbee wireless communication network.The workflow of the system is described，and the circuit design and operation mechanism of each functional module are highlighted.The various functional devices of the system have been tested to meet the application requirements of the highway anti-collision warning system.

【Key words】Highway；Anti-collision；Zigbee

0 引言

隨著經濟的發展，人們的生活水平的提高，汽車已成為人們的首要出行工具。汽車行駛安全問題就成為了重中之重，據研究顯示，高速上的發生的事故大部分是由于司機注意力不集中引起的[1]。由此，有必要研究一個高速公路汽車防碰撞預警系統，在有安全隱患的情況下對司機進行提示，達到預警并且減少交通事故的目的。目前高速公路車輛防碰撞預警系統的研究大多圍繞著利用本車的車載超聲波、雷達或激光測距等手段來測量車輛間的相對距離[2]，測試結果表明如果本車處于不安全行駛的狀態給予警示，這是一種主動性防碰撞系統。這種汽車防碰撞系統沒有大量投入市場的主要原因是由于其成本高、處理雷達信號技術復雜、誤警率高等，通常只在高中檔轎車上裝備[3]。另外，由于車輛只能通過傳感器測量得到本車行駛的狀態，而無法獲知相鄰車輛的數據信息，且判斷本車處于不安全行駛的狀態時，不能夠告知附近相鄰的車輛。所以這種預警系統的功能不全面，在高速路這樣龐大的系統中，方法顯得比較單一。

本文提出一種被動和主動防碰撞的系統，利用無線通信技術建立無線傳感網絡來實現車輛間的通信，系統的主動性體現在本車車載裝置自主測試運行狀態的功能，被動性體現在本車車載裝置能夠向后方車輛發送本車運行異常的信息，以及接收前方車輛運行異常的信息。系統在任何天氣、任何車速狀態下能及時接收到本車前方車輛行駛異常的信息，以及提醒后方駕駛員謹慎駕駛的目的。

1 高速公路汽車防碰撞預警系統概述

高速公路汽車防碰撞預警系統包括車載裝置、監測通信裝置、出入口裝置、頻率設置裝置。由于不同向車道發生事故互不影響，故給兩個不同方向的車道分配兩個不同的通信頻率，避免因收發信息混淆而產生錯誤。本系統通過構建Zigbee無線網絡來進行通訊。

ZigBee技術是一種新興的高可靠性、短距離、低數據傳輸速率的無線通信組網技術，主要是基于小型無線網絡而開發的通信協議標準[4-6]。基于ZigBee的無線網絡所使用的工作頻段為868MHz、915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz是全球統一、無須申請ISM頻段，適合ZigBee設備推廣[7-9]，物理層采用16相調制技術，能夠提供250kbps的傳輸速率，其傳輸距離一般在10m到300m的范圍內，并可以通過功率放大進行傳輸距離擴展，達到千米級別[10-12]。

預警系統工作過程為，在汽車駛入高速公路入口時，入口測試啟動裝置激活，和車載裝置進行性能通信連接并進行測試，然后啟動車載裝置，設置該路段的安全行駛速度的信息。如果行駛過程中，車載裝置通過GPS模塊實時獲取車輛的速度值，當汽車有速度不符合當前道路行駛速度或者有停車的情況時，車載裝置將車輛的行駛信息發送給道路一側的監測通信裝置，然后監測通信裝置在接收到汽車的速度與故障信息后，發送給后一級監測裝置前方車輛的信息并且向前方車輛發送警報詢問，后一級監測裝置發出響應的警示給后方車輛，達到預警的效果。當汽車駛離高速的時候，在高速公路出口的禁閉裝置通過無線通信的方式，將車載裝置關閉。

如圖1所示，現對監測路段的劃分作出規定：車輛從一個收費站的入口，按照汽車的行駛方向，與該行駛方向最近的收費站出口構成一個高速公路監測段。其在每一個高速公路監測路段，從高速公路入口到高速公路出口作為一個小的通信局域網絡，由高速公路車載裝置和高速公路監測通信裝置相互協作，對有異常路段后方的汽車進行預警。

假設一輛汽車從左邊的收費站進入高速公路，從輔道進入主車道，經過高速公路監測段進入出口輔道，然后從右邊收費站駛出高速公路。高速公路汽車防碰撞預警系統的工作流程大致如下：

第一步，汽車駛入高速公路入口處，首先由駕駛員手動開啟車載裝置，然后收費站入口測試啟動裝置開始工作，入口測試裝置經無線通信發信息給車載裝置，進而測試車載裝置與入口測試裝置是否正常工作；

第二步，汽車駛入輔道，這時，安裝在輔道入口處的高速公路行駛方向頻率設置裝置通過無線通信發送一個固定的頻率給車載裝置，車載裝置根據收到的頻率值重新初始化通信頻率，之后在該車輛在此段高速公路上行駛就按照剛剛設定好的頻率值來進行通信；

第三步，汽車駛入高速公路，進入高速公路防碰撞預警系統網絡服務區，接受高速公路監測裝置的監測。車載裝置自主測速并判斷自身速度是否低于（超出）設定的安全閾值，當汽車行駛速度低于（超出）規定的數值時，就自動會以低于（超出）的百分比來計算危險等級，然后將危險等級發送給監測裝置，此時監測裝置接收到車速較慢或有車停車時發詢問信息給車載裝置，然后駕駛員操作按鍵通過無線通信發送本車異狀信息給監測裝置，監測裝置根據危險等級決定通過網絡拓撲將異狀信息（停車或低速、超速）發送給后N級監測裝置，后級監測裝置將收到的前方路況信息發給對應管轄區域的車輛，后面車輛的車載裝置接收到后，通過不同的報警聲音和顯示屏提醒駕駛員注意前方路況，以達到提前預警效果，可以有效防止高速公路汽車防撞，特別是杜絕了連環相撞的嚴重事故的發生。

第四步，車輛到達收費站出口時，收費站出口禁閉裝置通過無線通信向車載裝置發出關閉車載裝置的功能指令，車載裝置將處于休眠狀態，降低車載裝置的功耗，等待再次進入高速公路時被喚醒。

如此一來，高速公路入口、高速公路輔道、高速公路路段和高速公路上的車輛以及高速公路出口就構成了整套高速公路汽車防碰撞預警系統，保證了行駛在高速路上的車輛的安全性和可靠性。

2 硬件設計

本系統的硬件設計總共包括四大部分，車載裝置、出入口禁閉裝置、監測通信裝置、頻率設置裝置。

2.1 車載裝置

車載裝置是系統的核心，交由其完成的工作有：對所在車輛進行測速；通過LED、語音提示模塊和按鍵進行簡單的人機交互；與其他各個裝置進行通信。經對功能分析，本系統決定采用32位基于ARM內核的stm32f103rbt6作為車載裝置的主控制器。車載裝置的硬件框圖如圖2所示。

車載裝置由STM32主控制器的最小系統和外設兩部分組成。最小系統包括電源電路晶振電路復位電路及調試接口電路。其中主控芯片和ZigBee模塊以及顯示屏需要3.3V供電，語音模塊和GPS模塊需要5V供電。故采用帶有USB接口的車載充電器將汽車電瓶的12V直流電轉為5V通過USB口輸出，然后通過一個AMS1117-3.3穩壓芯片把USB轉出的5V電壓再轉化為3.3V。為了盡可能降低原件耦合到電源端的噪聲，設計在芯片電源端增加去耦電容。電源電路如圖2-2所示。

2.1.1 ZigBee無線通信模塊

ZigBee無線通信模塊是整個系統的核心部分，本設計選用CC2530F256芯片，在其內部集成了8051內核和射頻模塊。ZigBee無線通信模塊電路主要包含CC2530核心芯片、天線電路和通用外圍電路，將天線射頻電路與芯片的輸出引腳連接，然后將芯片的GPIO引腳全部接出，供電由安裝在車載裝置上的插座來實現。CC2530核心板原理圖如圖4所示。

如若對片上的閃存進行編程，設計一個兩線的調試接口，一來方便調試，二來可以方便訪問存儲器和寄存器的內容，并且對于修改寄存器和debug中的斷點和單步操作就極為快捷。其中使用I/O口中的P2.1作為調試數據引腳，P2.2作為調試時鐘引腳，然后將該調試接口接出，來配合調試器的使用。調試接口電路如圖5所示。

ZigBee無線通信模塊與STM32主控制器的信息交互通過串口USART1來實現，STM32的串口UART1的發送端（PA9）和接收端（PA10）分別和CC2530串口的接收端（P0.2）和發送端（P0.3）相連接。無線通信模塊和主控的引腳連接圖如圖6所示。

2.1.2 GPS模塊

本系統設計將GPS模塊安裝在車載裝置上，如此一來，就可以很方便地獲取GPS數據，然后通過串口將獲取的數據發送給主控制器，主控制器把接收到的數據解析出來，得到汽車行駛的速度值。GPS模塊與STM32主控制器通過UART2串口來進行信息交互。其連接電路如圖7所示。

2.1.3 語音模塊

STM32和語音模塊的信息交互同樣通過串口來實現，連接該模塊的2、3、6、7、8、14引腳，將STM32的波特率設置為9600，8個數據位，一個停止位，未設有校驗位。這樣STM32主控芯片即可通過串口發送的不同數據來對語音模塊進行播放暫停的操作。串口控制協議命令格式為：

語音模塊使用STM32主控制器的UART3串口，其接線如圖8所示。

2.2 監測通信裝置硬件設計

監測通信裝置安裝在高速公路兩側，在整個系統無線通信中扮演著重要的角色。由于是靠電池供電，所以要盡可能要降低其功耗，這里同樣采用CC2530作為監測通信裝置的主控制器，得益于CC2530集成了8051內核且低功耗，完全可以作為一個單片機內核來使用。調試接口、供電電路與車載裝置大同小異，在此不再贅述。

2.3 出入口禁閉裝置硬件設計

出入口禁閉裝置分為入口禁閉裝置和出口禁閉裝置。入口禁閉裝置，用來開啟車載裝置，并對其進行初始化，而出口禁閉裝置則是用來在汽車經過高速出口的時候對車載裝置進行休眠，達到省電的效果。出入口裝置在硬件功能上是一致的，只是具體通信在軟件端體現有不同。故將出入口禁閉裝置設為相同的，既節省了開發成本也節約了時間。其同樣采用CC2530芯片。為了操作方便及更好的用戶體驗，設計增加了顯示屏和語音模塊，使之作為人機交互的外設。下面來簡要介紹下顯示屏硬件電路。

顯示屏模塊采用基于ST7735S內核的TFT1.44寸彩色液晶顯示屏，其具有128×128的基礎像素點。其通過SPI接口和CC2530主控芯片進行連接通信。其硬件連接如圖9所示。

2.4 行駛方向頻率設置裝置硬件設計

行駛方向的設置是系統正確的運行的保障，其安裝于高速公路入口的輔道處。當汽車駛入時，其需要建立該汽車行駛方向頻率的Zigbee網絡，然后將車載裝置的Zigbee無線通信模塊設置為該方向的頻率。為了方便查看，為其增加一個數碼管來顯示信道信息。數碼管選用四位一體共陽極數碼管，通過I/O口連接PNP三極管9012作為驅動電路來實現位選，用CC2530主控芯片的GPIO作為段選開關，數碼管選擇低電平點亮。其硬件連接如圖10所示。

3 硬件功能測試

硬件功能測試按照車載裝置、出入口禁閉裝置、監測裝置、頻率設置裝置順序來進行測試，通過測試各個裝置的外設功能實現情況來判斷硬件設計是否正確。

3.1 車載裝置硬件測試

ZigBee無線通信模塊的測試，硬件部分只需要測試STM32主控制器通過串口是否可以把數據準確地通過串口1發給無線通信模塊。為了方便，通過按鍵來模擬車速異常的情況，按鍵按下時表示高速低級異常，STM32就通過串口發送字符串“0x123494”，然后利用USB轉TTL，連接ZigBee無線通信模塊的串口，通過串口助手顯示，ZigBee無線通信模塊能夠正確接收STM32發來的字符串數據，通過實驗驗證了無線通信模塊硬件設計是正確的。

GPS模塊測試是通過將GPS模塊放到室外，通過編寫程序，每接收一次數據，然后將數據打印在屏幕上，然后紫色的LED會閃爍一次，通過實驗驗證了GPS模塊的硬件設計是正確的。

語音模塊和STM32是通過串口來連接的，驗證時候通過按鍵來產生外部中斷，STM32通過外部語音模塊發送播放指令，語音模塊播放時，其自帶的白色LED會亮起，播放結束隨之熄滅。通過播放TF卡中的語音文件，驗證了語音模塊硬件設計的正確。

3.2 監測通信裝置、出入口裝置、頻率設置裝置的硬件測試

監測通信裝置的外設測試，通過按鍵點亮LED，來測試硬件設計的正確性。通過按鍵可以成功點亮LED燈，說明外設功能正常，硬件設計正確。

測試出入口禁閉裝置這兩個模塊的原理與測試車載裝置原理相同，不同的是其主控制器是直接利用CC2530來控制。利用按鍵產生中斷，CC2530通過串口發送命令語句給語音模塊使其工作。通過實驗可以驗證出入口裝置硬件電路設計的正確性。

頻率設置裝置的外設主要是數碼管，用來顯示組網選擇的信道信息。通過協議棧編程將頻率設置裝置選為協調器，在程序中通過信道設置函數MAC_RADIO_SET_CHANNEL（x）來選擇信道，在程序初始化設置語句完成后，添加數碼管顯示程序，將x的值通過數碼管顯示，下載程序到頻率設置裝置，觀察數碼管的顯示內容。然后再在程序中修改x的值為22，再次下載觀察。通過對比驗證，可以看出數碼管可以正確顯示頻率設置裝置組網選擇的信道號，可以驗證頻率設置裝置硬件電路設計是正確的。

通過過對各裝置外設功能進行了測試，驗證了電路設計的正確性。

4 結束語

文章在綜合現階段已有高速公路汽車防碰撞預警系統的成本高、技術復雜、虛警率高等缺點前提下，在分析了自主設計的高速公路汽車防碰撞預警系統的功能實現基礎上，利用ZigBee無線通信和嵌入式技術，設計了基于CC2530無線通信模塊的硬件電路，實現了高速公路防碰撞預警的效果。并且通過外設的測試，驗證了硬件設計的正確性。

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