基于ZigBee和GSM的高速公路自适应限速系统*
2014-09-06刘用渗秦斌斌
张 凯,刘用渗,秦斌斌,江 慧
(1.南京信息工程大学信息与控制学院,南京 210044;2.范德堡大学电气工程和计算机科学学院,美国 田纳西州 37235)
基于ZigBee和GSM的高速公路自适应限速系统*
张 凯1*,刘用渗1,秦斌斌1,江 慧2
(1.南京信息工程大学信息与控制学院,南京 210044;2.范德堡大学电气工程和计算机科学学院,美国 田纳西州 37235)
为了让驾驶员及时获得不良天气下高速公路车辆限速信息,设计了基于ZigBee和GSM的高速公路自适应限速系统。系统中MSP430对气象数据进行处理,并根据限速准则计算出当前天气条件下的限速信息,若判断和上1 min计算的值不同则通过GSM网络更新路边装置限速信息。当车辆行驶至路边装置的ZigBee网络范围内时就会收到限速信息,若限速信息发生变化则车载装置液晶显示并语音播报。测试结果表明:在路边装置ZigBee网络范围内车载装置能够正常接收到限速信息。
ZigBee;限速准则;气象数据;MSP430;GSM
天气是影响高速公路交通安全和效率的一个重要因素。当高速公路遭遇不良天气时,现有的高速公路管理系统基本上都是通过道路上的电子显示牌向驾驶员提供限速信息。但电子显示牌数量有限而且间隔长远,并不能够及时有效的反映给每位驾驶员。宋文山[1]对上述问题进行了相应的研究,但其所设计的系统中每个路边装置都包含一个自动气象站,成本高;所有信息的处理都在车载装置中进行,增加了车载装置的负担且不利于系统升级;气象数据与限速准则之间未量化。针对上述情况,本文设计了一个以ZigBee和GSM无线网络通信为基础的高速公路限速系统,首先在监控装置中计算限速信息,若限速准则发生了变化则只需要升级监控装置的程序即可;然后在路边装置中用GSM模块取代了自动气象站,降低了成本,车载装置也只要进行简单地显示和播报。最后,气象数据和限速准则之间有明确的量化关系,可以求出当前气象数据下更为贴切的限速信息。
1 系统总体设计
本设计的总体结构图如图1所示,分为监控装置、路边装置和车载装置。监控装置中自动气象站负责采集当前高速公路的气象数据,每隔1 min对当前时刻采集到的一次数据进行封装打包后通过串口传递给MSP430单片机。单片机根据限速准则对数据进行处理获得相应的限速信息,若判断和上1 min计算的限速信息不一致则封装好限速信息通过GSM模块发送给路边装置。考虑到区域间的气象条件的差异性,一个监控装置只负责一条路段上20 km长的距离。路边装置每隔1.1 km安装一个,20 km长的路段上共需安装18个,装置中的GSM模块接收到短信后传递给MSP430进行处理,若判断是标准的限速信息则传送给CC2530协调器更新其里面的限速信息。当协调器与车载装置中的终端节点建立连接后就将限速信息发送给终端节点,终端节点收到协调器传递来的限速信息后,就立即断开与协调器的连接,然后将限速信息传递给STC89C52单片机,传递完后延时30 s再重新搜索加入ZigBee网络。STC89C52单片机收到限速信息后进行相应的处理,若判断限速信息发生了变化就更新液晶屏的显示并播放“请注意当前限速信息已改变请调整驾驶”音频以提醒驾驶员注意限速值的改变。
图1 系统总体结构图
2 系统硬件设计
2.1 MSP430单片机
本系统采用的是TI公司的MSP430F149单片机,是一款具有16位精简指令集(RISC)的微处理器。MSP430系列单片机供电电压为1.8 V～3.6 V,其最显著的特点就是低功耗,待机电流小于1 μA,在RAM数据保持方式时仅为0.1 μA。MSP430F149单片机具有60 kbyte的FLASH程序存储器和2 kbyte的数据存储器,在数据处理能力和运算速度上有着卓越的性能。
2.2 ZigBee模块
本系统中ZigBee模块采用TI公司的CC2530芯片,完全兼容ZigBee2007协议,工作在2.4 GHz频段,是符合IEEE802.15.4规范的真正片上系统解决方案。ZigBee时延很短,搜索设备时延为30 ms,休眠激活的时延为15 ms,设备信道接入时延为15 ms,终端节点可以在60 ms的时间里完成组网并进行数据传输,而且可以保证高速运行的终端节点进行数据传输[2]。外围硬件电路原理图如图2所示。
2.3 GSM模块
本系统的GSM模块采用西门子的TC35模块,TC35模块集成度高,支持900 MHz/1800 MHz双频段,供电电压为3.3 V～5.5 V,模块仅重9 g,平均发射功率为300 mA,支持SIM卡3 V/1.8 V,由40线的ZIF(零阻力插座)引出功能引脚。图3为TC35模块的电路连接图,实际上TC35模块有40个引脚,但我们这里只给出我们用到的引脚,其中与TC35模块IGT、RXD0和TXD0引脚的连接图上,P3.6、P3.7和P4.0是MSP430的引脚。在电源和地之间并入电容以去耦滤波,保证TC35的稳定运行。
图2 CC2530外围硬件电路原理图
图3 TC35模块的电路连接图
2.4 显示和语音模块
图4 STC89C52与显示和语音模块电路连接图
显示模块采用JM12864A-1汉字图形点阵液晶显示模块,可显示汉字及图形,显示内容为128列×64行,每个中文汉字为16×16点阵,每个字符为8×16点阵,电源范围为3.3 V～+5 V(内置升压电路,无需负压)。
语音模块采用WT588D-U模块,封装DIP28,内置32M Flash存储器,可存放1000 s 6 kHz采样的音频,工作电压DC 2.8 V～5.5 V,支持加载6 kHz～22 kHz采样率音频。STC89C52单片机与显示和语音模块的电路连接图如图4所示。
3 系统软件设计
3.1 限速准则设计
如图5所示,车辆B以速度VB0(km/h)在高速公路上行驶,当驾驶员发现前面有静止的障碍物后立即刹车,最终车辆B在障碍物前面安全停下而未撞到障碍物,VB0就是需要求取的限速值。
图5 充分安全行车条件示意图
由图5可知,从驾驶员看到障碍物到最终车停下共行驶了SB的距离,其中0到t1时刻为驾驶员制动反应阶段,在这段时间内车辆仍以VB0的速度行使,行驶距离为:
(1)
t1到t2时刻为有效制动阶段,该阶段内车辆近似做匀减速运动,考虑车辆行驶最不利情况,即车辆处于下坡路段并不计空气阻力的影响,此时
(2)
式中,f为路面附着系数,i为道路纵坡。
最终满足
(3)
上式中,L为路段的能见度(m),d为车辆静止时与障碍物的距离(m),d≥0。在确定速限值时,应考虑最不利条件,我们取t1=2.5s,i=0.05,d=10。求解式(3),我们得到
VB0≤3.6×
(4)
高速公路安全间距是指满足行车安全要求而需要保持的最小车头间距。王卫亚[3]对安全间距做了充分的研究,最终得到高速公路行驶的安全间距约为车辆行驶速度的1.5倍,即S=1.5VB0。
3.2 监控装置程序设计
自动气象站每隔1min将当前时刻采集到的气象数据处理打包,然后通过串口传递给MSP430进行处理,气象数据结构如表1所示。
表1 气象数据结构表
数据头占一个字符:为‘&’。能见度占3个字符:分别为百位、十位和个位,凡是能见度大于200 m的全部令为200 m[4]。湿度占一个字符:为‘A’时天气干燥,为‘B’时天气潮湿。温度占3个字符:分别为符号位、十位、个位,符号位为‘+’,即为正,为‘-’即为负。降水占一个字符:为‘a’时降水,为‘b’时未降水。数据尾占一个字符为‘＄’。
谢静芳[5]对高速公路路面的附着系数和温度变化做了详尽的研究,考虑汽车轮胎处于半磨耗状态下,路面干燥且温度在0 ℃以上时f=0.81,路面干燥且温度在0 ℃以下时f=0.60;在降水条件下f=0.48+0.00624(t-20);在降雪和冰雪道路上:f=0.1896-0.0139t-0.00028t2,t表示温度。
当MSP430接收到自动气象站传来的气象数据后,首先判断是否为正确的气象数据,若是正确的气象数据才解析和处理该气象数据,求出路面的附着系数:
If(降水为‘a’or湿度为‘B’)and(温度大于等于0 ℃)then(f=0.48+0.00624(t-20));
If(降水为‘a’or湿度为‘B’)and(温度小于0 ℃)then(f=0.1896-0.0139t-0.00028t2);
If(湿度为‘A’)and(温度大于等于0 ℃)then(f=0.81);
If(湿度为‘A’)and(温度小于0 ℃)then(f=0.60);
在求出路面附着系数后,通过限速准则求出限速值VB0。在求出VB0后,判断VB0的个位值m,若0≤m<5,则令m=0;若5≤m≤9,责令m=5,得到一个新限速值VB0,若VB0大于120就令其等于120。然后,MSP430判断刚求出的VB0与上1 min的VB0是否相同,若相同就不做任何处理;若不相同再根据VB0求出安全间距S,然后MSP430对限速值VB0和安全间距S进行处理和打包,得到的限速信息结构如表2所示。
表2 限速信息结构表
数据头1位:为‘&’;限速值和安全间距都各占3位:都是它们各自的百、十、个位;数据尾1位:为‘#’。
MSP430单片机打包好限速信息后,通过AT指令控制TC35模块群发短信给监控装置所控制的路边装置的TC35接收模块[6]。发送过程如下:
第1步:MSP430F149单片机通过串口UART1发送”AT+CMGF=1 ”指令给TC35模块,设置发送数据为Text格式。若发送正确,TC35模块会回复”OK”。
第2步:MSP430F149单片机发送”AT+CMGS=”159********” ”指令给TC35模块,(159********为单片机中已存储的路边装置的TC35模块中的一个号码)。若发送正确,TC35模块会回复”>”。
第3步:MSP430F149单片机将限速信息作为短信内容传递给TC35模块,最后向TC35模块发送0x1A,TC35就会将短信内容发送给上一步中所设置的号码。若短信发送成功,TC35模块会回复”+CMGS:X”(X是个数字)。
3.3 CC2530程序设计
ZigBee无线传感器网络中有3种设备类型:协调器、路由器和终端节点,设备类型是由ZigBee协议栈不同的编译选项来选择的,我们把路边装置中的CC2530设置为协调器,车载装置中的CC2530设置为终端节点。本系统采用ZigBee星型网络进行无线通信,协调器位于网络的中心,负责建立一个新的网络,通过NLME-NETWORK-FORMATION.request服务原语来发起一个网络的建立,建立好网络之后再通过发送NLME-PERMIT-JOINING.request服务原语允许其他设备与自己建立连接,然后就等待终端节点的加入。终端节点通过发送NLME-NETWORK-DISCOVERY.request服务原语来搜索可以加入的父设备,搜索到合适的父设备后通过发送NLME-JOIN.request原语选择合适的父设备进行连接。若连接成功,父设备(这里是协调器)就为其分配网络地址,使其成为自己的子节点加入到网络中[7]。终端节点若要断开与协调器的连接就通过发送NLME-LEAVE.request原语请求断开连接,协调器收到终端节点的断开连接请求后,就删除邻居表中该子节点的信息解除与子节点的连接。CC2530通过AF_DataRequest()函数发送数据,通过osal_memcpy()函数接收数据。当路边装置中的MSP430通过串口传来标准限速信息后,协调器调用串口中断函数实现对限速信息的更新。协调器和终端节点组网及收发数据流程图如图6所示。
图6 程序流程图
3.4 显示和语音播报程序设计
STC89C52单片机收到数据后首先判断是否是正确的限速信息,若不是则不做任何操作;若是就判断与上一次接收到的限速信息是否相同,若相同就不做任何操作,若不同就更新液晶屏的显示并语音播报以提醒驾驶员注意限速值的改变。
LCD12864上的显示内容除了限速值和安全间距的值是可变的,其余都是一些固定的字符,最关键的步骤就是设置各块内容显示的起始位置,具体形式如下:
void setLocation(uchar x,uchar y)
{
uchar L;
随着“生态文明”被写入政府报告，“绿水青山就是金山银山”生态理念的提出，地下水环境状况受到越来越多的关注，下一步应继续加强地下水监测工作，全面提升监测能力，更好地服务经济社会发展。
switch(x%4)
{
case 0:L=0x80;break;
case 1:L=0x90;break;
case 2:L=0x88;break;
case 3:L=0x98;break;
}
L+=y;
writeCmd(L);
}
通过VoiceChip配套软件完成对WT588D-U模块的功能配置,本文设置WT588D-U模块工作于三线串行控制方式下,以PWM输出方式直接驱动0.5W/8Ω扬声器[8],WT588D的SPI-Flash中就采样了一段20 kHz频率的音频,内容为:“请注意当前限速信息已改变请调整驾驶”,存放地址为00H。STC89C52通过P2.0、P2.1和P2.2按照WT588D三线串行控制时序图向WT588D发送语音存放地址00H即可产生播报,发送过程如下:首先给CS端一个5 ms低电平,然后通过DATA端发送8位语音地址,WT588D在CLK端的上升沿接收语音地址数据。数据传输时低位在前高位在后,当地址数据发送完毕后再置高CS端,20ms后WT588D就开始播放语音了。WT588D播报时,BUSY变为低电平发光二极管亮,播报结束后BUSY变为高电平发光二极管灭。
4 系统可行性分析
我国的高速公路一般为双向4行车车道,本系统就应用于双向4行车车道高速公路上,下面对该系统的可行性进行分析。
终端节点与协调器间组网约为60 ms的时间,需要接收的限速信息就8个字符,即8 byte,但ZigBee模块间进行无线通信时是以数据包的形式发送的,由于有效数据就8 byte,所以整个数据包就几十个字节。在这里我们假设数据包为100 byte,即800 bit,除以传输速率为250 kbit/s,3.2 ms就可以传输完数据包。由于电磁波在空气中的传播速度为3×108m/s,所以电磁波信号的传输时间可以忽略不计。终端节点收到无线数据后就发送断开连接请求,请求断开与协调器的连接,终端节点退出网络的时间肯定不会超过其加入网络的时间60 ms。综上所述,我们假设终端节点从加入网络到退出网络总共用时200 ms。
若要使所有车载终端节点在经过协调器通信范围内时都能够接收到限速数据,则必须满足式(5):
(5)
式中,x为CC2530的传输距离,单位为m,v为车辆行驶速度,4km/h
当车辆都堵在路上时,此时一辆车大约占据6m左右的路面。我们设CC2530传输距离为100m,此时双向4车道上处于路边装置ZigBee网络范围内的车辆数为132辆,按照上述假设的200ms,全部通信完毕最多需要26.4s,因此终端节点退出网络后需要延时超过26.4s才能再去尝试加入网络,在本系统中我们令延时时间为30s。假设车载终端节点退出网络后保持120km/h的速度行使,那么30s后车辆行驶了1km,此时车载终端节点又可以尝试加入网络了,因此我们每隔1.1km在路边安装1个路边装置是可行的。
5 系统测试
为了验证系统的可行性,我们在一处空旷的地方使用6辆装有车载装置的车进行实际的测试,由于路面宽度的限制,把6辆车分成两排,每排3辆,测试时车辆两两并行通过路边装置,前后车辆保持至少安全间距的距离,看6辆车的车载装置是否最终都能接收到路边装置传递过来的限速信息。一共进行6次测试,分别在车辆的统一速度为20km/h、40km/h、60km/h、80km/h、100km/h和120km/h的情况下进行测试。由于实际条件的限制,在监控装置中用电脑来模拟自动气象站发送数据,通过串口调试助手向MSP430单片机发送气象数据“&150B-02a＄”,测试结果如表3和图7所示。
表3 实际接收情况表
图7 车载装置液晶显示图
由测试结果可知在高速公路上行驶的车辆能够通过该系统正常接收当前气象条件下的限速信息。
6 结论
不良天气会对高速公路车辆驾驶员驾驶造成很大的影响,而现有的高速公路管理系统又不能及时地为每位驾驶员提供相应的限速信息。针对上述问题,本文设计了基于ZigBee和GSM的高速公路自适应限速系统,系统成本低升级简单,并从理论上和系统实际测试中验证了本系统的可行性。通过该系统,驾驶员能够及时地获得在当前天气条件下高速公路车辆限速信息,为高速公路交通安全和效率提供了有效的保障。
[1]宋文山. 不良天气下高速公路变限速管理系统研究[D]. 南京:南京信息工程大学,2012,6.
[2]王伟杰,黄守志,赵学增. 基于ZIGBEE的高速公路车辆间通信技术研究[J]. 大连交通大学学报,2009,12,6(30):90-94.
[3]王卫亚. 基于无线传感网络的高速公路恶劣气象监测及交通控制模型研究[D]. 长安:长安大学,2008:,6.
[4]冯涛,李迅,丁德平,等. 高速公路不同路况下的安全线速[J]. 气象科技,2012,40(5):865-868.
[5]谢静芳,吕得宝,王宝书. 高速公路路面摩擦气象指数预报方法[J]. 气象与环境学报,2006,22(6):18-21.
[6]王金辉,周巧娣,徐勤利,等. 基于太阳能充电的无线远程监控氯气泄漏系统信收发系统的设计[J]. 电子器件,2013,36(1):100-104.
[7]侯艳波,秦会斌,胡建人,等. 基于嵌入式和ZigBee技术的节能系统的设计与实现[J]. 电子器件,2012,35(6):670-673.
[8]王春武,刘春玲,秦正坤,等. 基于WT588D模块的语音播报系统设计[J]. 电子技术应用,2012,38(1):115-117.
张凯(1965-),男,汉,山东泰安人,南京信息工程大学信息与控制学院教授,硕士生导师,主要研究方向为智能交通、智能检测,zkark@163.com;
刘用渗(1990-)男,汉,江苏东台人,南京信息工程大学信息与控制学院硕士研究生,主要研究方向为智能交通、智能检测,762319231@qq.com。
AdaptiveSpeedLimitSystemofHighwayBasedonZigBeeandGSM*
ZHANGKai1*,LIUYongshen1,QINBinbin1,JIANGHui2
(1.School of Information and Control,Nanjing University of Information Science and Technology,Nanjing 210044,China;2.Department of Electrical Engineering and Computer Science,Vanderbilt University,Nashville,TN 37235,USA)
In order to let drivers acquire highway speed limit information,we design the adaptive speed limit system of highway based on ZigBee and GSM. MSP430 microcontroller deals with meteorological data and calculates speed limit information on the highway in current weather condition according to speed limit formula.If it is different from the value calculated in last minute,speed limit information of roadside devices will be updated by GSM network. Vehicle will receive speed limit information when driving to the scope of ZigBee network of roadside device,if information is changed,vehicle-mounted device will display it on LCD screen and broadcast recording. Test result shows that:vehicle-mounted devices can receive speed limit information normally in the scope of ZigBee network of roadside device.
ZigBee;Speed limit formula;Meteorological data;MSP430;GSM
项目来源:国家自然科学专项基金项目(71341029)
2013-12-25修改日期:2014-01-10
TN925
:A
:1005-9490(2014)06-1193-06
10.3969/j.issn.1005-9490.2014.06.037
