基于STM32和Zigbee的車路協同系統設計

白云龍 楊開欣 陳曉韋 董海博 郭謹瑋

摘要：該文以發展智能交通嵌入式軟硬件交互設計為主旨，將智能交通發展方向為切入點，采用STM32系列微控制器與Zigbee無線通信模塊為基礎，實現車載終端與路協裝置的無線通訊，完成了交通數據信息的實時發送與接收。使用Keil搭建軟件開發環境，設計出一套包含車載單元（OBU）和路側單元（RSU）的完整的車路協同系統。提高了車輛出行的有效性，安全性與舒適性，實現了車路協同系統中車載終端和路側裝置的智能交互。

關鍵詞：STM32；Zigbee；車路協同系統

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2019）04-0214-02

車路協同系統（Cooperative Vehicle Infrastructure System，簡稱 CVIS）是以道路車輛自身傳感器的智能感知與道路交通路側裝置的信息交互數據智能為理念，其基本思想是運用多學科交叉融合的方法與無線網絡先進技術，依賴于各種設備之間的無線通信，通信的終端有車載設備、路側裝置，交通基站等。該系統充分利用大數據云計算，實現人、車、路三位一體多組合方式的協調發展。依靠智能車路協同技術提供為交通信息的交叉融合處理提供有效數據，實現車路動態信息實時交互[1]。有效地增強了車對道路交通環境動態的感知能力，在有效性，舒適性，安全性等方面為駕駛人提出合理的駕駛建議，最終駕駛員辨識對自身最優交通信息，做出合理的交通駕駛行為。提高道路行駛安全和交通利用效，有效地減少了車輛擁堵情況，減少了交通事故的發生。車路協同技術為解決復雜交通問題供了一種有效的方法，并對智能交通的無人車發展具有深遠意義。

1 國內外發展狀況

隨著互聯網時代的快速發展，汽車電子信息化集成度不斷增強，汽車互聯網時代已經到來。ADAS（Advanced Driver Assistance Systems）高級駕駛輔助系統已成為汽車領域的最大熱點，但ADAS 系統存在先天的缺陷在以毫米波雷達配合攝像頭這種駕駛輔助環境中，采用（V2X，Vehicle-To-Everything）車輛與其他終端的通訊信息交互的形式可以有效增強輔助駕駛的安全性能[2]。車輛協同式的道路交通發展模式，可以與之形成良好的互補。車路協同系統采用車載終端與路協裝置的無線通信方式，可實現動態的車輛信息交互方式，人-車、車-車、車-路側裝置之間的信息傳遞的基礎上形成車輛主動安全控制和道路協同管理模式。

2 車路協同系統整體結構及設計方案

2.1 系統總體結構設計

車路協同系統是智能交通系統的新發展方向，本設計采用Zigbee無線通訊、新型互聯網、計算機信息等技術，通過車載終端采集車輛自身信息及其路面信息，路側設備獲取交通傳感器網絡采集得到的數據， 傳遞給交通數據通信中心，系統平臺應用云計算對車輛信息數據進行處理，分析數據并做出響應， 實現車-車通信，車-路通信，可實現交通智能指揮，交通執法，提高了道路交通的通行效率。基于STM32的Zigbee 無線通信的車路協同系統總結構如圖1所示。

智能車載系統通過車輛姿態傳感器、車載攝像頭、雷達傳感器實現對周圍交通環境狀態感知，車輛傳感器的數據采集可以完成對車輛的行駛狀態（方向，坐標，速度）的感知和對車輛駕駛行為的分析，車輛可通過車載終端的Zigbee無線裝置接收到其他車輛的共享信息與路側裝置發出的信息[3]。車載系統可提供人機交互，并控制整車系統運行。無線車載終端是安裝在車輛上的傳感器節點，可實現車輛的：數據采集、數據傳輸、車輛定位和狀態報告。

路側系統主要由控制單元，Zigbee無線通信裝置和路側信息采集子裝置組成，路側傳感器采集各種交通路面信息，交通異常、交通流狀態和天氣狀況等信息。通信裝置負責路側設備與控制中心、路側設備與路側設備、路側設備與車輛的數據信息交互。控制單元主要功能是處理整個路側系統的有效信息保證系統的有序運轉。多種方式采集交通路況的信息數據，并對信息進行分類、處理、融合，計算，通過Zigbee無線通信發布給車輛。車路協同系統將交通系統分為：智能車載系統、智能路側系統、車輛駕駛員三部分組成結構如圖2。

3硬件設計

3.1 STM32微處理器模塊

硬件上以ST 半導體公司的基于32位的Cortex-M3內核STM32系列微控制器為基礎，最高工作頻率72 MHz ，1.25D MIPS/MHz ，最多可用13個通信接口，2個IIC接口，5個USART接口，3個SPI接口，CAN接口和USB2.0全速接口，是一款運行速度快、低功耗、低成本的芯片。

3.2 Zigbee無線通訊模塊

Zigbee無線通訊技術具有低功耗、低成本、低復雜度、低速率等特點，分為對等結構、樹簇結構、星形結構三種拓撲結構。工作頻帶：2.4GHz、915MHz 和 868MHz[4]。終端節點可以實現網絡報文的發送與接收；路由器用來建立信息的雙向傳遞，尋找、建立、修復網絡報文；協調器是組建和執行網絡的管理者。無線模塊采用低功耗CC2530 芯片，內部集成并兼容了標準協議規范的控制器，收發器和存儲器，模塊與車載終端應用接口連接，終端上配置SIM卡讀卡器，應用SIM卡的ID作為唯一的通訊地址，來接收與發送信息，并可將數據信息存儲在卡中，終端可接收路段信息并更新到存儲單元中。 協調器與車載終端進行信息交互，主控制器處理相關信息并存入存儲器中[5]。

根據系統的目標需求設計了CAN采集模塊電路，GPS定位模塊電路、外部存儲模塊電路，液晶顯示電路、報警電路和調試測試接口電路等，同時預留擴展了多種外設接口，以兼容多種外設接口類型的設備。主控單元部分是整個系統的控制核心，用于完成對外圍設備接口的信號采集和處理工作，并控制完成整個過程的數據交換處理。Zigbee無線車載設備是安裝在車輛上的終端節點，可實現車輛對路面的數據采集，車輛定位，狀態報告，數據傳輸，同時可以完成車-車信息交互的任務[6]。

4 軟件設計

4.1 ZigBee無信通信程序

ZigBee通信網絡系統由一個協調器和多個終端節點構成，各終端節點負責車輛及其路測信心的采集，網絡初始化之后，各終端節點首先請求加入協調器發起的Zig- Bee 網絡，協調器發現有入網請求后進行組網，之后各終端節點將采集數據發送至協調器，接著由協調器經串口發送至STM32。

ZigBee 無線模塊的車路協同終端形成組網結構，使得網關操控部分非常穩定，通過對單片機強大的固件庫的使用，不需要復雜的操作系統支持，開發結構層次簡易化，使得操作方便簡單。終端顯示采用觸摸屏顯示，駕駛員可對所需功能信息進行選擇，可以選擇交通道路識別模式和車輛信息識別模式。交通信息模式可顯示當前道路限速數值、路口紅綠燈狀況、規劃路線道路擁堵情況等，車輛信息模式可以顯示當前車輛車速，單次駕駛里程信息，車內外溫度，車輛車燈信息和超車輔助信息等。基于STM32的Zigbee車路協同系統主要實現在駕駛模式下對周圍環境路況信息的感知，為駕駛員提供安全駕駛輔助信息，給出駕駛員系統輔助駕駛建議，提高了車輛出行的安全性。

5 總結

基于STM32微控制器和ZigBee通信網絡的車路協同設備一體化解決方案，擺脫傳統的專用短程通信協議和移動蜂窩協議，將ZigBee無線傳輸協議應用到車路協同系統中，有效提高了系統的安全性、可靠性、降低了系統的功耗和成本，拓展智能交通、智慧城市、智慧園區等相關項目。

參考文獻：

[1] 陳超，呂植勇，付珊珊.國內外車路協同系統發展現狀綜述[J].交通信息與全，2011，29（1）：102-109.

[1] 童林.基于ZigBee的區域無線控制系統[D].中國科學技術大學，2010.

[2] 羅亮紅.基于ZigBee的車路協同關鍵技術研究[D].華南理工大學，2010.

[3] 張豫鶴，黃希，崔莉. 面向交通信息采集的無線傳感器網絡節點[J].計算機研究與發展，2008，45（1）：110-118.

[4] 劉輝.Zigbee無線傳感器網絡的設計與應用[D].蘇州：蘇州大學碩士學位論文，2007.4.

[5] 凌志浩.Zigbee無線通信技術及其應用研究[J].華東理工大學學報（自然科學版），2006，32（7）：801-805.

[6]盧杉.基于ZigBee的無線傳感器網絡協議棧的設計與實現[D].西安電子科技大學，2011.

【通聯編輯：王力】