路政夜间施工车辆闯入报警提示系统

姜亮　曹帅　李桂秋　刘培　权雨欣

摘要：应用物联网的技术实现路政夜间施工车辆闯入报警提示系统。采用物联网无线传感网络技术在传统夜间施工警示牌的基础上，构建无线传感器警戒预警网络。并通过与GPS、NB-IOT模块相结合，将获取到的信息送到路政安全施工系统平台，实现了路政夜间施工区域安全信息的在线实时监测。

关键词 ：物联网;无线传感网络;路政夜间施工;zigbee

中图分类号：TP311    文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）13-0043-03

1 背景介绍   

完善的道路交通体系是国家现代化的重要标志，随着我国经济水平的不断发展，对道路交通建设的需求越来越强烈。在“十五”与“十一五”计划期间，我国的道路交通建设高速展開，其中高速公路建设、城市道路建设效果显著。截至2015年4月，根据交通运输部网站发布的中国道路交通统计公报显示，我国公路总里程已达446.39万公里，围绕着高速公路的国家公路干线网络已基本形成。但是随着我国汽车保有量的飞速增长，一些公路网络已不能满足日益增加的车流量需求，产生交通拥堵现象日益严重，所以我国“十二五”期间，对现有道路交通硬件设施的改造与扩建，提高交通流量，加强维护，提升通行效率，是重点发展方向。

由于大多数道路的交通流量较大，为了减少对正常车辆通行的影响，路政部门在对道路进行改造、扩建与养护时，一般不会对道路进行封闭施工，都是施工作业与车辆通行同时进行。路政部门的施工时间大多选在夜间，在此时间段，道路上的车流量小，大型施工设备与材料运输方面进行作业时可有效减少对交通的干扰，避免拥堵现象产生，降低环境污染与能源消耗。但是由于夜间道路光线强度偏弱，道路上物体的可见度降低，难以辨识，车辆驾驶人员获取道路环境信息的难度较大，加上施工区域导致的道路车辆通行宽度变窄与车道变换，而且司机此时间段易疲劳，容易产生严重的交通事故。根据美国高速公路合作研究组织第 627 号报告《白天和夜间施工区交通安全评价》（Traffic Safety Evaluation of Nighttime and Daytime Work Zones）中对纽约州 2000～2005 年高速公路施工作业区交通事故的统计见表 1所示，从中可以发现，夜间在施工作业区范围内发生死亡事故的比例要比白天高[1]。

当前道路夜间施工通常会布置现场警示牌，给予司机道路施工提醒，这对夜间正常驾驶的司机起到预警提示作用，能有效地避开施工区域。但针对夜间疲劳驾驶的司机，警示牌很容易被忽略，这些司机往往撞上警示牌后继续前行直至撞上施工区域人员与设备才会反应过来，造成巨大的人员伤亡与经济损失。

2总体方案设计

2.1 关键技术研究

Zigbee是一种新兴的近距离，低复杂度，低功耗，低数据速率，低成本的无线网络技术。Zigbee采用ZigBee/802.15.4 协议自组织方式组网，这种架构被称为无线基础构架的无线局域网，这种架构对网络内部的设备按功能可分为3类[2]。

协调器是一个zigbee网络中启动的第一个设备，负责初始化一个zigbee网络，发布网络标识，使后续启动的路由器与终端节点可加入网络。路由器节点加入网络后执行路由功能，为后续节点设备提供接入点与信息传递路径。终端节点用于连接传感器与执行器设备，通过路由器加入网络与传递信息。

路政夜间施工环境中布线困难，通信环境复杂，zigbee设备低功耗、低复杂度、可自组网的特点，便于在路政夜间施工复杂环境中的使用。

2.2 无线传感器网络拓扑结构的选择

Zigbee网络的拓扑结构有以下三种（图1）。

星状网络是zigbee网络中最简单的一种，以协调器为中心，构建点对多点的单跳通信网络，通信半径为单跳距离，适用于类似智能家居的小范围网络覆盖场景。

树状网络是以协调器为核心构建的层级多跳网络，网络构建时需设定的网络深度与网络容量。协调器作为初始父节点，次级节点作为子节点的加入网络，多层之间依次构建网络。子节点只能与父节点通信，网络结构固定，适合网络覆盖范围大，但通信路径固定的场合。

优点：网络覆盖范围可调，通信路径固定，路由节点传递信息时，无须在存储空间查找路由表，直接对目标网络地址进行判定便可进行传输，通信时延短，实时性高。缺点：由于树状网络通信路径固定，子节点只能与其父节点通信，通信路径单一，父节点一旦发生问题，其子节点将脱离网络。

网状网络在树状网络的基础上添加Z-AODV路由算法，Z-AOVD路由算法能为信息帧传递发现路由成本最佳的路由，并把路由信息保存到路由表当中，Z-AODV适用于连续的数据传输，弥补了树状网络无法选择最佳路由，网络稳定性不好的缺点，路由节点间可以相互通信，为信息帧传递提供多条路由选择，一个路由节点出现问题不影响整个网络的运行[3]。

在路政夜间施工的复杂环境中，需求稳定可靠无线通信网络，网络中单个节点出现问题不影响整个通信。所以本系统的zigbee路政夜间施工安全监测网络采用网状拓扑结构。

2.3 方案设计

路政夜间施工车辆闯入报警提示系统采用zigbee自组网技术与传感器技术相结合，设计基于zigbee技术的便携式激光对射报警器、便携式激光对射报警器网关、便携式报警接收器，在传统夜间施工警示牌的基础上，构建无线传感器警戒预警网络（便携式激光对射报警器网关为协调器，便携式激光对射报警器与便携式报警接收器为路由器或者终端节点）。当车辆接近施工区域时，无线传感器警戒预警网络会根据传感器获取的信息进行二个级别的预警，首先当车辆接近时驶入预警区域时，启动一级预警提醒驾驶人员，当一级预警无效，车辆继续闯入警戒区域时启动二级预警，惊醒司机，同时施工人员佩带的报警接收器也会以声音和振动的方式提醒施工人员，提前进行安全避让。并且基于zigbee技术与GPS、NB-IOT模块相结合构建的网关，将把获取到的信息送到路政安全施工系统平台，平台上实时展示路政夜间施工点实时地理分布信息与施工安全信息.系统框图如下（图2）：

3 硬件设计

3.1 基于zigbee的便携式激光探测报警器设计

基于zigbee的便携式激光探测报警器是路政夜间施工车辆闯入报警提示系统的无线传感器网络的感知节点（如图3）。该节点应用毫米波雷达检测车辆接近方向与速度，预测车辆是否会闯入施工区域，如果判定车辆行驶方向与速度对施工区域构成威胁，启动一级预警进行间歇性初步声光预警，警醒车辆驾驶人员。在预警没有起作用的情况下，车辆闯入施工区域，节点的激光对射传感器将检测到车辆闯入，启动二級预警，节点的声光报警连续开启，并通过zigbee网络发送车辆闯入信息至施工人员随身佩戴的便携式报警接收器，提醒施工人员进行安全避让。

3.2 便携式激光探测报警器网关设计

NB-IOT，Narrow Band Internet of Things，窄带物联网，是一种专为万物互联打造的蜂窝网络连接技术。NB-IOT所占用的带宽很窄，只需约180KHz，而且其使用频段为License，采用保护带、带内、独立载波三种方式部署，融入现有基础网络，并且能够直接部署在GSM、UMTS或LTE网络，即2/3/4G的网络上，实现现有网络的复用，降低部署成本，实现平滑升级。路政施工区域环境复杂，不方便布线与供电，上传数据量不大，NB-IOT正好满足要求。

便携式激光探测报警器网关应用CC2530与GPS、NB-IOT模块相结合构建网关（如图4），通过GPS模块获取路政施工区域位置信息，通过NB-IOT模块上传数据至服务器平台。

3.3便携式报警接收器设计

便携式报警器接收器应用CC2530与MP3语音解码电路模块、继电器、震动器相结合（如图5），通过无线传感器警戒预警网络获取施工区域安全信息，然后通过震动与MP3语音解码模块播放相应的提示警示信息，提醒路政施工人员。

4 软件设计

4.1 系统运行流程

网关节点上电初始化建立一个zigbee网络，获取GPS信息与初始化NB—IOT模块，上传数据至路政安全施工平台。便携式激光探测报警器与便携式报警接收器上电后加入网络，其中便携式激光探测报警器通过传感器采集路政施工区域安全信息，在触发报警启动声光报警的同时，发送数据至网关与便携式报警接收器，便携式报警接收器接收报警信号开启语音与震动提醒。

在以上的基础上，系统可以实现对路政夜间施工区域车辆闯入的有效预警，在惊醒司机的同时，提醒施工人员提前进行安全避让，并在路政安全施工平台上实时展示路政夜间施工点实时地理分布信息与施工安全信息。

5 结语

本系统应用zigbee自组网技术与传感器技术相结合，搭建的路政夜间施工车辆闯入报警提示系统，相比传统道路夜间施工标识牌，增加了声光报警与车辆闯入提前预警。施工人员通过本系统的可及时获取警戒区域车辆闯入预警信息与定位车辆闯入方向，从而获取更多的时间来有效的处理意外情况，有效减少人员伤亡与财产损失。同时路政部门路政安全施工平台也使更有效的了解路政施工情况，方便管理。

参考文献：

[1] 张圣.高速公路改扩建施工作业区夜间临时交通安全设施设置研究[D].长安大学，2015.

[2] 王继水，曹帅.基于物联网的矿山环境在线实时监测系统研究与实现[J].计算机测量与控制，2012，20（2）：342-344，366.

[3] 曹帅.基于zigbee技术的智能家居对象控制与组网方案研究[D].武汉纺织大学，2010.

【通联编辑：闻翔军】