國外研究表明，車速的差值越大，車速分布越離散， 事故率就會越高。蒙納斯大學事故研究中心在1993年進行研 究得出的U型曲線，表明車速與平均車速的差值越大，事故 率越高。英國交通研究實驗室的EURO模型也表明事故率與 車速分布有很大關系，平均車速和車速差異都會影響事故 率，當均速為60km/h時，車速差異每降低1km/h，事故率將 降低2.56%。

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/201702/344139.htm

圖1 基于ZigBee技術的智能車路協(xié)同系統(tǒng)框

圖2 基于ZigBee技術的智能車路協(xié)同硬件系統(tǒng)框圖

國內學者對京津塘高速公路全線事故率進行統(tǒng)計研究 的結果表明： 尾隨相撞占事故率的53.6%; 速度差在15—

2 0 k m / h 內事故率顯著上升。 國內其他研究也表明， 可將20km/h視為速度差的安全閾值[1-2]。但是，高速公路的主線 與匝道之間的平均車速卻存在顯著差異：高速主車道均速一 般為100km/h，匝道出入口均速為60km/h。二者存在40km/h 的速度差，遠大于安全閾值。因此，高速公路匝道出入口處 是事故多發(fā)路段。為了改善事故多發(fā)現(xiàn)狀，僅僅在匝道附近設置路標的 效果非常有限。本設計基于車聯(lián)網(wǎng)技術，設計了一種基于 Zigbee技術的車速輔助調節(jié)系統(tǒng)，旨在改善車速分布的離散

程度，輔助駕駛員安全通過事故多發(fā)路段。

1 系統(tǒng)整體設計

智能車路協(xié)同系統(tǒng)主要用于高速匝道地段，旨在實現(xiàn)

智能輔助駕駛。整個系統(tǒng)分為路測和車載兩大部分，兩者之 間通過低功耗局域網(wǎng)協(xié)議ZigBee(又稱紫蜂協(xié)議)技術進行 通訊，使車路更加緊密協(xié)調，智能地連成一個整體。系統(tǒng)如 圖1所示。

路測部分包括車輛自動檢測模塊、微控制單元模塊、 ZigBee無線發(fā)射模塊和電源供電模塊。鑒于高速公路匝道出 入口的野外應用環(huán)境，系統(tǒng)內部選用超小型、低功耗的器 件，這樣既可以有效緩解電源供電的問題，又便于安裝和維

護。

車載部分包括車載設備和ZigBee無線接收模塊;接收模

圖3 動態(tài)車輛檢測電路原理圖

圖4 系統(tǒng)程序流程圖

塊接收發(fā)射模塊的數(shù)據(jù)，車載設備處理接收數(shù)據(jù)并以聲音或 圖像的方式提醒駕駛員，實現(xiàn)智能輔助駕駛的設計目標。

2 各部分硬件設計

整個硬件系統(tǒng)由車輛自動檢測模塊、Msp430F169微控 制器模塊、ZigBee通信模塊、車載設備模塊和電源供電模塊 構成。結構框圖如圖2所示。

2.1 車輛檢測模塊

模塊主要由地感線圈和車輛檢測器構成。其中，地感 線圈采用0.75mm鐵氟龍導線繞制;車輛檢測器采用單通道 探測器(型號TLD-110)，通過內部繼電器動作完成信號的 輸出。

其工作原理為：車輛駛過埋置有地感線圈檢測單元的

圖5 基于Android系統(tǒng)的APP客戶端

路 面 時 ， 會 引 起

地 感 線 圈 電 感 值 的 變 化 ( 經(jīng) 測 量 繞 制 的 地 感 線 圈 電感量為100uH左 右 ， 車 輛 碾 壓 會 產 生 5 0 u H 左 右 的

變 化 ) ， 進 而 導致振蕩電路輸出波形頻率出現(xiàn)明顯的變化，從而產生觸發(fā)信 號，使MCU對接受到的信號進行分析處理。兩組地感線圈 檢測單元的間隔距離一定，通過觸發(fā)時間差就可計算出車輛 行駛的速度。車輛檢測電路原理圖如圖3所示。

整個電路由地感線圈耦合電路、諧振電路、鎖相環(huán)電 路組成。設計采用電容反饋三點式諧振電路，將起始基準頻 率設計在100kHz左右以提高測量精度，完全滿足交通部下 發(fā)的GB/T26942-2011規(guī)定。T1為隔離變壓器，匝數(shù)比為1：

1，地感線圈L1作為諧振電路中的電感元件。利用鎖相環(huán)譯 碼器LM567與外接的環(huán)路低通濾波網(wǎng)絡來檢測車輛引起的頻 率變化，并將地感線圈的頻率變化轉變?yōu)楦叩碗娖捷敵鼋o后 續(xù)的控制模塊。

2.2 微控制模塊

采用TI公司Msp430F169作為微控制器， 單片機的結 構以低功耗為核心，設計了五種低功耗模式，可最大延長 電池壽命以利于無線組網(wǎng)的測量應用。它采用“馮-紐曼” 結構， R A M、 ROM和全部外圍模塊都位于同一個地址空 間內。超低功耗Flash型16位RISC指令集、16位CPU、16位 計數(shù)器和恒定的時鐘頻率，使得單片機可以最大效率執(zhí)行 程序， 自身強大的處理能力和分時復用的I/O口資源、 12 位DAC可滿足車流高峰期的要求。這些顯著的特點正適用 于無線傳感器網(wǎng)絡等低功耗系統(tǒng)。模塊間的數(shù)據(jù)傳輸選用 RS485，其具有占用資源少、傳輸速率高、可實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)等特 點。

2.3 ZigBee通信模塊

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議， CC2530作為新一代2.4GHz SoC片上系統(tǒng)芯片，內部集成了 抗干擾性強和靈敏度高的RF收發(fā)器控制無線傳輸。另外， 標準增強型8051微處理器能更好地執(zhí)行讀取狀態(tài)、發(fā)出命 令、自動操作和確定無線設備等功能。無線設備還包括一個 數(shù)據(jù)包過濾和地址識別模塊。

CC2530內部的USART 0和USART 1適合高吞吐量的全

雙工應用，滿足高速密集車流量的應用。它內部集成12位 ADC、支持IEEE 802.15.4 MAC協(xié)議的MAC定時器、豐富的I/ O引腳資源、用于供電模式轉換的超低功耗睡眠定時器，需 要的外圍分立元件很少，提高了ZigBee通信模塊的穩(wěn)定性。 模塊選用雙極PCB非平衡天線，振蕩頻率滿足信號的發(fā)射需 求。整個系統(tǒng)具有使用方便、價格低廉、工作可靠等特點。 電源模塊采用電池供電即可滿足需求;如有必要可加上太陽能充電裝置。

3 內部系統(tǒng)軟件設計

整個軟件系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)采集與車速換算程序、數(shù)據(jù)打 包無線發(fā)送程序、車載接收和處理顯示程序。為了滿足低 功耗的設計要求，路測系統(tǒng)內部程序采用睡眠和工作兩種 模式。車輛檢測器檢測不到觸發(fā)信號時，Msp430F169進入 睡眠模式;檢測不到串口傳輸時，CC2530也會進入睡眠模 式。地感線圈一旦檢測到車輛的到來，整個系統(tǒng)就會被喚醒 進入正常工作狀態(tài)!程序流程圖如圖4所示。

路測系統(tǒng)初始化完成后便進入低功耗模式。初始化包 括定時器預分頻器和中斷的設置。Msp430F169的定時器是 帶有七種捕獲功能的16位定時/計數(shù)器，支持倍數(shù)捕獲，并 具有強大的中斷能力，可在計數(shù)器溢出時和捕獲比較時觸發(fā) 中斷。數(shù)據(jù)采集與換算、同設定值比較和數(shù)據(jù)打包發(fā)送與反 饋是軟件設計的重點和難點。DMA控制器允許不經(jīng)CPU干 預直接處理數(shù)據(jù)，加快車速的換算與比較，同時，它能夠在 向CC2530串口發(fā)送數(shù)據(jù)前使CPU保持在睡眠狀態(tài)來減少功 耗。

4 測試實驗

結合實際需要，分別在“變道分流”路段和“變道行 駛”路段提供車速調整提示信息，因此地感線圈布設兩處， “變道分流”路段起始處參照《道路交通標志標線設計規(guī)范

(GB5768-2009)》規(guī)定的預告標志處，確定布設在逆行車 方向距高速公路匝道出口2km處。

第二處地感線圈的布設位置由“變道行駛”路段長度 決定，還要結合車輛變道安全距離模型確定;以西寶高速

(單向4車道)構建模型，基于最不利情況考慮，即要進入 匝道的車輛由最內側快車道變換至最外側。求得西寶高速 “禁止變道行駛”路段的長度為584m，計算過程如下：

車 輛 換 道 期 間 行 駛 距 離 ： 車 道 寬 3 . 7 5 m ， 車 速 按

1 0 0 k m / h ， 換 道 時 間 ∆t 取 值 7.5 ~ 11.25s 。 t0 為 制 動 預 備 時 間 ， 是 駕 駛 人 反 應 時 間 t01 和 制 動 器 作 用 時 間 t02 的 總 和 0 . 5 - 1 s 。 地 面 制 動 力 ， 其 中 G = mg ， g 取

9.8 m2 s ， 為 制 動 力 系 數(shù) ; 汽 車 能 達 到 的 減 速 度 為

; 鑒于A BS 的廣泛運用， 取 ， 平均減

速度 。文獻[6]定為0.4，則 a =9.1× 0.4 = 3.64m2 / s

。 實 際 換 道 過 程 取 a = 0.8a = 0.8 × 3.64 = 2.91m2 s 。

S = 10.5v + 3 v ∆t − 9 a∆t 2 =10.5 ×100 ÷ 3.6+ 3 × (100 ÷ 3.6)×11.25- 9 × 2.91×11.252 = 422.4m

車輛制動距離 S = t v + v 2 2a S = 100 ÷ 3.6 × 2.0 + (100 ÷ 3.6)2 ÷ (2 × 3.64) = 161.6m

安 全 車 距 D = S = 161.6m ， 最 大 安 全 換 道 距 離 E =S1 +D=584m 所以，第二處地感線圈應布設在逆行車方向 距匝道出口600m處。

車 載 設 備 向 駕 駛 人 提 供 輔 助 駕 駛 等 信 息 。 設 計 基 于

Android系統(tǒng)的APP軟件，模擬車載設備對接收信息的處理與 顯示，并通過聲音、圖像向駕駛人員提供智能輔助調速的功 能。如圖5所示。

5 結語

本設計開發(fā)了一種基于ZigBee技術的車速輔助調節(jié)系 統(tǒng)，智能輔助車輛按照設定標準行駛，在整體上調節(jié)高速匝 道出、入口等路段的車速分布離散情況，從而最大程度地降 低車輛在匝道出入口路段發(fā)生碰撞事故的可能性，有效提高 高速公路的安全服務水平。隨著車聯(lián)網(wǎng)技術的進一步發(fā)展， 可以進一步對駛入特殊路段的各個車輛進行跟蹤式監(jiān)測，從 而達到動態(tài)監(jiān)測每一輛行駛汽車，并通過車載設備隨時將變 化路況實時顯示給駕駛員的目標!