基于车联网的高速公路安全预警系统的设计

曹城，廖惜春



基于车联网的高速公路安全预警系统的设计

曹城，廖惜春

（五邑大学 信息工程学院，广东 江门 529020）

高速公路交通事故时有发生，并伴有二次事故，危害车内人员生命安全，而遇到地质灾害时，又容易造成交通拥堵. 为了提高我国高速公路智能化、信息化的管理水平，保证行车人员人身安全、提高道路畅通率，本文运用无线通信与组网技术，设计了由车载设备、路由节点和控制中心等组成的高速公路安全预警系统，并针对高速公路的特定环境，设计了基于TDMA的MAC协议与分簇式链式路由协议解决信息冲突、信息干扰以及路由路径选择等问题，借鉴无线传感网络的通信协议，实现无线链状网络组网，以确保对高速公路路况、安全隐患、交通事故定位以及其他交通信息进行实时监测和广播，提升高速公路智能化管理水平.

无线通信；车联网；智能化管理；安全预警

车联网技术已广泛应用于高速公路智能化、信息化管理系统之中，如美国使用射频识别（Radio Frequency Identification，RFID）技术，通过在高速公路两侧安装的RFID读取设备实现对行驶在高速公路上的车辆的实时、准确的定位. 但是，由于该系统需要不停地读取车辆的数据，导致整个网络的数据量大、系统的能耗高、运行成本高. 目前国内高速公路智能化、信息化的管理建设还在起步阶段，主要是采用高清视频监控；针对高速公路安全预警系统的研究多数是理论性研究，无法针对高速公路的实际交通情况对事故或意外及时处理[1-2]. 文献[3]所述的高速公路安全预警系统用摄像头及各类传感器作为信息感知层，使用GPS（或北斗定位系统）进行导航或定位，通过3G或4G网络进行数据传输，采用云计算技术对海量交通数据进行处理，可以实现对事故地点的定位以及预警等功能，但是对海量交通数据和GPS频繁的定位信息的处理增加了能源消耗，而且GPS价格不菲，增加了用户的使用成本.

本文提出的基于车联网的高速公路预警系统，采用无线通信及组网技术，通过使用标准的无线数据传输模块，实现车辆与车辆、车辆与路由节点之间中短距离的无线信息交互，并针对高速公路的特定环境，设计了基于TDMA的MAC协议与分簇式链式路由协议解决信息冲突、信息干扰以及路由路径选择等问题，借鉴无线传感网络的通信协议，实现了无线链状网络组网，以确保高速公路安全信息的实时传送.

1 高速公路安全预警系统设计

1.1 系统需求分析

高速公路安全预警系统要实现车与车、车与路、路与监控中心之间的实时信息传输，关键是要构建无线通信收发系统和路由控制技术. 本研究设计了如图1所示的系统结构，为保证无线链路的畅通，系统中采用了STR-30无线通信模块，并设计了基于TMDA的MAC协议以及链式路由协议.

图1 系统组成框图

根据预警需求，无线通信网络应能实现以下功能：

1）事故发生时，车内人员能使用车载电路（下位机）上的功能按键，通过无线通信的方式，将相关信息通过无线链路发送给路由节点电路（上位机）.

2）行驶中的车辆遇到严重交通事故时（事故触发了安全气囊即默认为严重交通事故），车载设备能自动发送紧急告警信息到周围的车载设备与路由节点，提示后面车辆注意安全，避免二次事故的发生.

3）遇到交通拥堵（如，因塌方等地质灾害等）时，首车能向上位机发出相应信息，接收到该信息的上位机路由节点能及时将“位置信息+信息”转发至下一跳路由节点；路由节点之间也通过无线通信的方式将信息转发至监控中心，同时通过各路由节点向该路段的下位机转发该信息，以防止出现更严重的交通拥堵；

4）监控中心能根据交通信息对事故点进行定位，通知管理人员处理.

5）下位机发送的信息能对车辆型号（小汽车、客车、大货车等）、事故类别（交通堵塞、交通事故、车内人员身体问题等）进行分类，以便高速管理人员区分并及时做出处理；

6）车载单元能对车内环境（如CO2浓度）进行检测，并对异常及时报警.

1.2 系统的拓扑结构

合理的拓扑结构可以降低系统软件的设计难度以及系统的制作及运行成本. 基于车联网的高速公路安全预警系统的室外节点主要有2类：车载设备和路由节点. 系统拓扑结构如图2：车载终端是应用层，路由节点是路由层，控制终端是控制层. 针对带状环境的高速公路，路由节点的设计采用分簇的链式拓扑结构，其簇头节点固定，并直接通过光纤网络与控制中心连接；应用层与路由层之间的拓扑结构随着车辆的移动而动态变化. 每个控制中心根据实际情况管理一定区域内的交通信息（例如，广昆高速公路中的广梧高速公路段，其交通信息可由一个控制中心管理），不同的控制中心之间通过Internet共享交通信息.

图2 系统拓扑结构图

2 硬件设计

如图1所示，路由节点和车载设备均由微处理器、STR-30无线通信模块以及相应的传感器等组成. 系统的主要硬件设计如下.

2.1 STR-30无线通信模块

本研究使用上海桑博电子科技有限公司生产的STR-30型无线通信模块. 该模块具有高抗干扰性、低误码率、传输距离远（当天线高度大于时，其可靠传输距离大于）、低功耗等优点. 同时，STR-30的通信信道是半双工的，适合单点对多点的通信方式，其最大发射功率为，最大发射电流小于，最大接收电流小于，休眠时电流小于，支持多种波特率接口速率通信，工作在ISM频段，频率为.

2.2 车载设备

车载设备采用MSC51系列单片机作为微处理器，设有预警按键模块、紧急预警模块、ISD4004语音模块及STR-30无线数据传输模块等，能实现如下功能：1）通过车载设备预先存入的识别码对车载节点进行分类，如小型客车、小货车、大客车和重型车辆等；2）当高速公路出现交通堵塞或者其他事故时，车内人员可以通过预警按键将交通信息发送给预警系统，由预警系统告知后车以便车主注意安全并做出合适的选择（如减速、避让、停车、绕道、提示附近车辆注意安全等）；3）紧急预警模块由车辆的安全气囊自动触发，并向周围的路由节点及车载设备发送紧急预警信息，避免二次事故的发生；4）车载设备接收到路由节点发送的下行预警信息后，MCU将控制语音模块播报预警信息.

车载设备与路由节点之间的信息交互由STR-30无线收发模块来完成.

2.3 路由节点

路由节点用STC12C5A60S2单片机作处理器，使用STR-30无线收发模块进行通信，节点固定布置在高速公路沿途的相应位置，其电路图如图3所示.

图3 路由节点电路图

2.4 控制中心

控制中心是高速公路监控中心的一部分，由计算机、协调器等构成，并设计了相应的人机交互控制界面. 控制中心主要负责向高速公路管理人员提供交通信息并存储交通信息，同时当交通状况处理完毕后控制中心将发送重置信息提示车载设备进行初始化. 不同区域的控制中心需实现信息共享.

3 系统通信协议的设计

合理的通信协议是保证系统稳定运作、避免信息冲突、保障信息实时高效传输的前提，本文主要研究媒体访问（Medium Access Control，MAC）协议和路由协议.

3.1 MAC协议的研究与设计

MAC协议是控制网络信道接入的协议，是网络能否高效率进行数据传输的关键. MAC协议可以划分为竞争性MAC协议、非竞争型MAC协议以及混合性MAC协议. 高速公路安全预警系统的MAC协议设计将借鉴无线传感网中部分MAC协议的设计理念，并在其基础做出了调整. 在高速公路安全预警系统的无线通信过程当中需要解决的主要问题是信息冲突和串音，而非竞争型MAC协议在避免冲突和串音方面具有较大优势. 非竞争型MAC协议主要是通过TDMA的方式来分配信道. 由于本系统STR-30通信模块的信号辐射范围有限，设定其辐射范围为，且路由节点相隔距离（）和地理位置均为固定，每个路由节点发送信息时最多只有相邻的4个路由节点可以接收，所以只需要将这5个路由节点收发信息的时间分配好，则路由过程中就不会产生信息冲突；同时，每个路由节点所拥有的时隙可预留出车载设备访问的时间段. 这种分区域的时隙分配的方式可以较好地解决高速公路上路由层传输信息冲突的问题.

设计MAC协议时，本文采用了TDMA的方式对车载终端和路由节点通信在时间上进行分配：每个通信周期分为8个收发时隙，路由节点根据自身的身份识别码选择时隙1～7中的一个进行数据收发，0时隙用于路由节点向车载设备广播预警信息以及车载设备之间选举簇头时的通信. 由于STR-30无线收发模块每个数据帧从发送到接收的耗时小于，每次发送信息都需重发一次，以便验证信息是否准确，为此系统设计以作为路由节点的接收时隙（该时隙由路由节点本身的身份码确定）：前用于接收下行信息，中间预留给车载设备访问，后上行信息. ID为xxxxx010的路由节点的工作时序图如图4所示，其中T1S2是该节点在时隙1的最后向xxxxx001节点发送上行信息，T2G1表示该节点在时隙2的首个接收xxxxx001节点发送的下行信息，T2G0表示该节点在时隙2的中间接收车载信息，T2G2表示该节点在时隙2的最后接收xxxxx011节点发送的上行信息，T3S1表示该节点在时隙3的首个时隙向节点xxxxx011节点发送下行信息.

图4 ID为xxxxx010的路由节点的工作时序图

这种媒体接入方式配合车载设备0时隙的问询机制，可以保证每一区域同一时刻只有一个节点发送信息，避免了信息冲突. 当高速公路上出现交通堵塞时，可能存在许多车辆同时发送预警信息而造成的信息堵塞，为此系统设计当车载设备接收到其他车载发送的上行预警信息后屏蔽按键，并针对事故信息设定优先级别，只有当车主触发的事故类型优先级别高于其他车载发送的信息时才会取消屏蔽再次发送预警信息.

3.2 路由协议的研究与设计

本系统的路由协议类似于无线传感网中的层次路由协议. 典型的层次路由协议有低功耗自适应的聚类路由（Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy，LEACH）协议、PEGASIS协议等. LEACH协议的优点在于具有随机的自组织、自适应的分簇结构，但其簇头选举机制不完善. PEGASIS协议是在LEACH协议基础上发展而来的链式无线路由协议，它只需要选举一个簇头，同时将全网视为一个簇群并称之为链. PEGASIS协议数据传输结构示意图如图5所示，每个节点必须根据自己的地理位置采用贪心策略将数据分别从链的两边传输到簇头节点. 我们用软件设计了本系统路由节点的身份识别码：包括节点段码和段内码，均为一个字节. 其中，段内码的高5位为组码，低3位为组内码，由于路由节点固定，身份识别码映射的是节点的地理位置.

图5 PEGASIS协议数据传输示意图

当高速公路安全预警系统的应用层访问路由层时，车载设备之间发送“问询”信息即可视为选择“簇头”的过程. 由于每个路由节点的微处理器内存中存储了上一跳、下一跳路由节点的身份码以及上一跳、下一跳预备路由节点的身份码（预备路由节点是为上（下）一跳路由节点出现故障时应急使用的），路由节点可通过身份码来确定路由路线. 每个路由节点根据下一跳路由节点身份码的组内码选择时隙开启STR-30模块发送（接收）交通信息. 车载设备会在每个时隙向路由节点发送一次交通信息，直到接收到路由节点发送的应答信息为止；如果在3个时隙周期发送均失败，则默认发送信息失败，并向车内人员示警. 上一跳路由节点的身份码用于验证信息来源，若该身份码是车载设备ID，则默认本路由节点为源路由节点，同时将交通信息附带上自身身份码后按原定路线转发，控制中心在接收到该交通信息后，根据源路由节点的身份码对该交通信息发送地进行定位. 信息在路由层的转发要历经靠近组内与监控中心连接的所有路由节点，类似于贪婪算法的传输路径. 用NS2网络仿真器对路由算法进行仿真，结果如图6所示：下方节点为车载节点N0，上方节点从左到右依次为N1至N6，当N0在时隙发送信息时，路由路径为N0→N1→N2→N3→N4→N5→N6；当N0在时隙放送信息时，路由路径则为N0→N2→N3→N4→N5→N6.

图6 路由路径仿真图

4 实验样机的测试

为测试系统功能，实验模拟了S272高速公路某段出现各种交通突发状况时，不同车型发出预警信息后监控中心是否能够接收正确的预警信息并对事故地点定位进了验证。模拟实验的路由节点间隔距离为，车载设备分为两种类型：货车与小客车. 模拟实验的地点为五邑大学北门的院士路. 实验样机的测试数据如表1所示.

表1 系统测试数据表

测试结果表明，系统初步实现了人为按键触发报警、事故定位（事故地点默认为源路由节点位置，精度与路由节点之间的距离相关）、地质灾害预警以及事故预警等功能.

5 结语

本文基于车联网的高速公路安全预警系统完成了车载节点、路由节点的硬件设计，节点体积小巧，易于普及；采用STR-30无线通信模块实现车与车、车与路之间的通信，并设计了基于TDMA的MAC协议和分簇式链式路由协议避免了信息冲突、保证了无线链路的畅通. 本系统的设计始终采用市场化、性价比高的方案：在车载设备设计上降低了节点复杂度；不需要使用GPS定位系统，降低了硬件成本；增加了预警等功能按键，减少了网络信息冗余量，降低了网络负担. 但是，由于条件限制，还有部分功能如语音播报、紧急预警等功能暂未实现.

[1] 张云爽. 国内外高速公路状况及其发展[J]. 黑龙江交通科技，2010(3): 1-4.

[2] 庄劲松，于鹏辉. 高速公路安全预警系统的研究[J]. 交通工程，2011, 75(03): 228-231.

[3] 伍永豪，余正红，李聪. 基于物联网的高速公路安全预警系统研究[J]. 计算机与数字工程，2014, 29(2): 280-285.

[4] CALLAWAY E. Home networking with IEEE802.15.4: a development for low-rate wireless personal area networks [J]. IEEE Communication Magazine, 2002, 40(8): 70-77.

[5] 张峰. 国外交通管理：日本用高科技缓解城市交通行路难问题[J]. 道路交通与安全，2009, 9(5): 64.

[6] 郑志刚. 交通运输综合应急平台的研究与设计[J]. 中国交通信息化，2013, 10(7): 138-140.

[7] 王建强，吴辰文，李晓军. 车联网架构与关键技术研究[J]. 微计算机信息，2011, 27(4): 1-4.

[责任编辑：熊玉涛]

Design of Expressway Security Early Warning Systems Based on Internet of Vehicles

CAOCheng, LIAOXi-chun

(School of Information Engineering, Wuyi University, Jiangmen 529020, China)

Traffic accidents occur frequently on expressways with secondary accidents following, endangering the safety of occupants of the related vehicles. Also geological disasters can often cause traffic congestion. In order to improve our expressways’ intelligent information management, ensure the personnel safety of drivers and passengers, and improve the road flow rate, we designed an expressway safety early warning system consisting of vehicle-borne equipment, routing nodes and control centers, by using wireless communication and networking technology. In addition, in light of the specific environment of expressways, we designed a MAC protocol based on TDMA and a cluster based on a routing protocol to solve the problems of conflict of information chains, information interference and routing and path choice. We further set up a wireless chain network by means of the communication protocol for wireless sensor networks to ensure real-time monitoring and broadcasting of the information of the road conditions, safety hazards, traffic accident location positioning and other traffic information, and improve the intelligent management of expressways.

wireless communication; internet of vehicles; intelligent management; safety pre-warning

1006-7302（2015）03-0063-07

TN92

A

2014-11-05

江门市科技计划项目（江财工[2011]131号）

曹城（1989—），男，湖南郴州人，在读硕士生，主要研究智能家居及物理网技术的应用；廖惜春，教授，硕士生导师，通信作者，主要研究无线传感器网络及其应用、物联网技术及其应用.