高速公路汽车防碰撞预警系统硬件设计

张汉卿 蔡启仲 张嘉晨 赵永超 潘绍明

【摘 要】一种自主设计的基于ZigBee无线网络的高速公路汽车防碰撞预警系统，该系统主要由车载装置、监测通信装置、出入口装置、频率设置装置组成，构建Zigbee无线通信网络。描述了该系统的工作流程，重点阐述了各个功能模块的电路设计及运行机理。测试该系统的各个功能装置满足高速公路汽车防碰撞预警系统的应用要求。

【关键词】高速公路；汽车防撞；Zigbee

中图分类号： U463.6 文献标识码： A 文章编号： 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

随着经济的发展，人们的生活水平的提高，汽车已成为人们的首要出行工具。汽车行驶安全问题就成为了重中之重，据研究显示，高速上的发生的事故大部分是由于司机注意力不集中引起的[1]。由此，有必要研究一个高速公路汽车防碰撞预警系统，在有安全隐患的情况下对司机进行提示，达到预警并且减少交通事故的目的。目前高速公路车辆防碰撞预警系统的研究大多围绕着利用本车的车载超声波、雷达或激光测距等手段来测量车辆间的相对距离[2]，测试结果表明如果本车处于不安全行驶的状态给予警示，这是一种主动性防碰撞系统。这种汽车防碰撞系统没有大量投入市场的主要原因是由于其成本高、处理雷达信号技术复杂、误警率高等，通常只在高中档轿车上装备[3]。另外，由于车辆只能通过传感器测量得到本车行驶的状态，而无法获知相邻车辆的数据信息，且判断本车处于不安全行驶的状态时，不能够告知附近相邻的车辆。所以这种预警系统的功能不全面，在高速路这样庞大的系统中，方法显得比较单一。

本文提出一种被动和主动防碰撞的系统，利用无线通信技术建立无线传感网络来实现车辆间的通信，系统的主动性体现在本车车载装置自主测试运行状态的功能，被动性体现在本车车载装置能够向后方车辆发送本车运行异常的信息，以及接收前方车辆运行异常的信息。系统在任何天气、任何车速状态下能及时接收到本车前方车辆行驶异常的信息，以及提醒后方驾驶员谨慎驾驶的目的。

1 高速公路汽车防碰撞预警系统概述

高速公路汽车防碰撞预警系统包括车载装置、监测通信装置、出入口装置、频率设置装置。由于不同向车道发生事故互不影响，故给两个不同方向的车道分配两个不同的通信频率，避免因收发信息混淆而产生错误。本系统通过构建Zigbee无线网络来进行通讯。

ZigBee技术是一种新兴的高可靠性、短距离、低数据传输速率的无线通信组网技术，主要是基于小型无线网络而开发的通信协议标准[4-6]。基于ZigBee的无线网络所使用的工作频段为868MHz、915MHz和2.4GHz，其中2.4GHz是全球统一、无须申请ISM频段，适合ZigBee设备推广[7-9]，物理层采用16相调制技术，能够提供250kbps的传输速率，其传输距离一般在10m到300m的范围内，并可以通过功率放大进行传输距离扩展，达到千米级别[10-12]。

预警系统工作过程为，在汽车驶入高速公路入口时，入口测试启动装置激活，和车载装置进行性能通信连接并进行测试，然后启动车载装置，设置该路段的安全行驶速度的信息。如果行驶过程中，车载装置通过GPS模块实时获取车辆的速度值，当汽车有速度不符合当前道路行驶速度或者有停车的情况时，车载装置将车辆的行驶信息发送给道路一侧的监测通信装置，然后监测通信装置在接收到汽车的速度与故障信息后，发送给后一级监测装置前方车辆的信息并且向前方车辆发送警报询问，后一级监测装置发出响应的警示给后方车辆，达到预警的效果。当汽车驶离高速的时候，在高速公路出口的禁闭装置通过无线通信的方式，将车载装置关闭。

如图1所示，现对监测路段的划分作出规定：车辆从一个收费站的入口，按照汽车的行驶方向，与该行驶方向最近的收费站出口构成一个高速公路监测段。其在每一个高速公路监测路段，从高速公路入口到高速公路出口作为一个小的通信局域网络，由高速公路车载装置和高速公路监测通信装置相互协作，对有异常路段后方的汽车进行预警。

假设一辆汽车从左边的收费站进入高速公路，从辅道进入主车道，经过高速公路监测段进入出口辅道，然后从右边收费站驶出高速公路。高速公路汽车防碰撞预警系统的工作流程大致如下：

第一步，汽車驶入高速公路入口处，首先由驾驶员手动开启车载装置，然后收费站入口测试启动装置开始工作，入口测试装置经无线通信发信息给车载装置，进而测试车载装置与入口测试装置是否正常工作；

第二步，汽车驶入辅道，这时，安装在辅道入口处的高速公路行驶方向频率设置装置通过无线通信发送一个固定的频率给车载装置，车载装置根据收到的频率值重新初始化通信频率，之后在该车辆在此段高速公路上行驶就按照刚刚设定好的频率值来进行通信；

第三步，汽车驶入高速公路，进入高速公路防碰撞预警系统网络服务区，接受高速公路监测装置的监测。车载装置自主测速并判断自身速度是否低于（超出）设定的安全阈值，当汽车行驶速度低于（超出）规定的数值时，就自动会以低于（超出）的百分比来计算危险等级，然后将危险等级发送给监测装置，此时监测装置接收到车速较慢或有车停车时发询问信息给车载装置，然后驾驶员操作按键通过无线通信发送本车异状信息给监测装置，监测装置根据危险等级决定通过网络拓扑将异状信息（停车或低速、超速）发送给后N级监测装置，后级监测装置将收到的前方路况信息发给对应管辖区域的车辆，后面车辆的车载装置接收到后，通过不同的报警声音和显示屏提醒驾驶员注意前方路况，以达到提前预警效果，可以有效防止高速公路汽车防撞，特别是杜绝了连环相撞的严重事故的发生。

第四步，车辆到达收费站出口时，收费站出口禁闭装置通过无线通信向车载装置发出关闭车载装置的功能指令，车载装置将处于休眠状态，降低车载装置的功耗，等待再次进入高速公路时被唤醒。

如此一来，高速公路入口、高速公路辅道、高速公路路段和高速公路上的车辆以及高速公路出口就构成了整套高速公路汽车防碰撞预警系统，保证了行驶在高速路上的车辆的安全性和可靠性。

2 硬件设计

本系统的硬件设计总共包括四大部分，车载装置、出入口禁闭装置、监测通信装置、频率设置装置。

2.1 车载装置

车载装置是系统的核心，交由其完成的工作有：对所在车辆进行测速；通过LED、语音提示模块和按键进行简单的人机交互；与其他各个装置進行通信。经对功能分析，本系统决定采用32位基于ARM内核的stm32f103rbt6作为车载装置的主控制器。车载装置的硬件框图如图2所示。

车载装置由STM32主控制器的最小系统和外设两部分组成。最小系统包括电源电路晶振电路复位电路及调试接口电路。其中主控芯片和ZigBee模块以及显示屏需要3.3V供电，语音模块和GPS模块需要5V供电。故采用带有USB接口的车载充电器将汽车电瓶的12V直流电转为5V通过USB口输出，然后通过一个AMS1117-3.3稳压芯片把USB转出的5V电压再转化为3.3V。为了尽可能降低原件耦合到电源端的噪声，设计在芯片电源端增加去耦电容。电源电路如图2-2所示。

2.1.1 ZigBee无线通信模块

ZigBee无线通信模块是整个系统的核心部分，本设计选用CC2530F256芯片，在其内部集成了8051内核和射频模块。ZigBee无线通信模块电路主要包含CC2530核心芯片、天线电路和通用外围电路，将天线射频电路与芯片的输出引脚连接，然后将芯片的GPIO引脚全部接出，供电由安装在车载装置上的插座来实现。CC2530核心板原理图如图4所示。

如若对片上的闪存进行编程，设计一个两线的调试接口，一来方便调试，二来可以方便访问存储器和寄存器的内容，并且对于修改寄存器和debug中的断点和单步操作就极为快捷。其中使用I/O口中的P2.1作为调试数据引脚，P2.2作为调试时钟引脚，然后将该调试接口接出，来配合调试器的使用。调试接口电路如图5所示。

ZigBee无线通信模块与STM32主控制器的信息交互通过串口USART1来实现，STM32的串口UART1的发送端（PA9）和接收端（PA10）分别和CC2530串口的接收端（P0.2）和发送端（P0.3）相连接。无线通信模块和主控的引脚连接图如图6所示。

2.1.2 GPS模块

本系统设计将GPS模块安装在车载装置上，如此一来，就可以很方便地获取GPS数据，然后通过串口将获取的数据发送给主控制器，主控制器把接收到的数据解析出来，得到汽车行驶的速度值。GPS模块与STM32主控制器通过UART2串口来进行信息交互。其连接电路如图7所示。

2.1.3 语音模块

STM32和语音模块的信息交互同样通过串口来实现，连接该模块的2、3、6、7、8、14引脚，将STM32的波特率设置为9600，8个数据位，一个停止位，未设有校验位。这样STM32主控芯片即可通过串口发送的不同数据来对语音模块进行播放暂停的操作。串口控制协议命令格式为：

语音模块使用STM32主控制器的UART3串口，其接线如图8所示。

2.2 监测通信装置硬件设计

监测通信装置安装在高速公路两侧，在整个系统无线通信中扮演着重要的角色。由于是靠电池供电，所以要尽可能要降低其功耗，这里同样采用CC2530作为监测通信装置的主控制器，得益于CC2530集成了8051内核且低功耗，完全可以作为一个单片机内核来使用。调试接口、供电电路与车载装置大同小异，在此不再赘述。

2.3 出入口禁闭装置硬件设计

出入口禁闭装置分为入口禁闭装置和出口禁闭装置。入口禁闭装置，用来开启车载装置，并对其进行初始化，而出口禁闭装置则是用来在汽车经过高速出口的时候对车载装置进行休眠，达到省电的效果。出入口装置在硬件功能上是一致的，只是具体通信在软件端体现有不同。故将出入口禁闭装置设为相同的，既节省了开发成本也节约了时间。其同样采用CC2530芯片。为了操作方便及更好的用户体验，设计增加了显示屏和语音模块，使之作为人机交互的外设。下面来简要介绍下显示屏硬件电路。

显示屏模块采用基于ST7735S内核的TFT1.44寸彩色液晶显示屏，其具有128×128的基础像素点。其通过SPI接口和CC2530主控芯片进行连接通信。其硬件连接如图9所示。

2.4 行驶方向频率设置装置硬件设计

行驶方向的设置是系统正确的运行的保障，其安装于高速公路入口的辅道处。当汽车驶入时，其需要建立该汽车行驶方向频率的Zigbee网络，然后将车载装置的Zigbee无线通信模块设置为该方向的频率。为了方便查看，为其增加一个数码管来显示信道信息。数码管选用四位一体共阳极数码管，通过I/O口连接PNP三极管9012作为驱动电路来实现位选，用CC2530主控芯片的GPIO作为段选开关，数码管选择低电平点亮。其硬件连接如图10所示。

3 硬件功能测试

硬件功能测试按照车载装置、出入口禁闭装置、监测装置、频率设置装置顺序来进行测试，通过测试各个装置的外设功能实现情况来判断硬件设计是否正确。

3.1 车载装置硬件测试

ZigBee无线通信模块的测试，硬件部分只需要测试STM32主控制器通过串口是否可以把数据准确地通过串口1发给无线通信模块。为了方便，通过按键来模拟车速异常的情况，按键按下时表示高速低级异常，STM32就通过串口发送字符串“0x123494”，然后利用USB转TTL，连接ZigBee无线通信模块的串口，通过串口助手显示，ZigBee无线通信模块能够正确接收STM32发来的字符串数据，通过实验验证了无线通信模块硬件设计是正确的。

GPS模块测试是通过将GPS模块放到室外，通过编写程序，每接收一次数据，然后将数据打印在屏幕上，然后紫色的LED会闪烁一次，通过实验验证了GPS模块的硬件设计是正确的。

语音模块和STM32是通过串口来连接的，验证时候通过按键来产生外部中断，STM32通過外部语音模块发送播放指令，语音模块播放时，其自带的白色LED会亮起，播放结束随之熄灭。通过播放TF卡中的语音文件，验证了语音模块硬件设计的正确。

3.2 监测通信装置、出入口装置、频率设置装置的硬件测试

监测通信装置的外设测试，通过按键点亮LED，来测试硬件设计的正确性。通过按键可以成功点亮LED灯，说明外设功能正常，硬件设计正确。

测试出入口禁闭装置这两个模块的原理与测试车载装置原理相同，不同的是其主控制器是直接利用CC2530来控制。利用按键产生中断，CC2530通过串口发送命令语句给语音模块使其工作。通过实验可以验证出入口装置硬件电路设计的正确性。

频率设置装置的外设主要是数码管，用来显示组网选择的信道信息。通过协议栈编程将频率设置装置选为协调器，在程序中通过信道设置函数MAC_RADIO_SET_CHANNEL（x）来选择信道，在程序初始化设置语句完成后，添加数码管显示程序，将x的值通过数码管显示，下载程序到频率设置装置，观察数码管的显示内容。然后再在程序中修改x的值为22，再次下载观察。通过对比验证，可以看出数码管可以正确显示频率设置装置组网选择的信道号，可以验证频率设置装置硬件电路设计是正确的。

通过过对各装置外设功能进行了测试，验证了电路设计的正确性。

4 结束语

文章在综合现阶段已有高速公路汽车防碰撞预警系统的成本高、技术复杂、虚警率高等缺点前提下，在分析了自主设计的高速公路汽车防碰撞预警系统的功能实现基础上，利用ZigBee无线通信和嵌入式技术，设计了基于CC2530无线通信模块的硬件电路，实现了高速公路防碰撞预警的效果。并且通过外设的测试，验证了硬件设计的正确性。

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