机动车安全带联防联控机制设计与实现

王 艇 李 博 韩楚鹏

（江苏电子信息职业学院电子网络学院，江苏 淮安 223003）

0 引言

安全带就是生命带。在一些交通事故中，特别是在有较大伤亡的事故调查取证中，可以发现未佩戴安全带的乘客伤亡程度较为严重。行车时系安全带是一个常识，但每次都会出现司机或乘客因未系安全带而导致的交通事故。

有些司机或乘客为了不系安全带，将安全带从背后绕过或安装安全带卡扣，更有甚者通过穿一件有安全带标识的衣服来躲避监控，一旦发生事故，将产生很严重的后果［1］。安全带是救命带，司机或乘客一定要加强出行安全意识，因为安全带能有效防止二次碰撞，并能有效降低伤亡率。由交通事故调查结果可知，在遇到事故时，佩戴安全带比不佩戴安全带的正面碰撞死亡率要低57%、侧面碰撞死亡率低44%、翻车死亡率低80%，如图1所示。由数据可知，正确佩戴安全带能有效保护随车出行人员的安全。

图1 佩戴安全带成效

为解决安全带未系屡禁不止的问题，笔者设计出一款安全带联防联控系统。该系统能实时监测安全带的使用情况，若发现司机或乘客未佩戴安全带，则会发生报警，并将机动车信息实时上报至交管终端，交管将根据数据信息进行处罚。

1 系统总体设计

近年来，随着社会的快速发展，汽车数量持续增加，交通事故也越来越多。降低汽车事故率是实现出行车辆安全的关键。根据调查，在交通事故中，因车子本身故障而引起的交通事故不到1%，大多数交通事故是因司机安全意识淡薄而造成的。特别是在有较大伤亡的交通事故中，经交警取证分析后发现，有很大一部分原因是司机或乘客没有正确佩戴安全带［2］。为降低交通事故的伤亡率，本研究设计了一套安全带联防联控系统，整体设计框架如图2 所示。该系统基于对座位上安全带的检测信息来构建ZigBee 组网，实现对车内座位安全带信息实时监控，并及时将数据上传到车内中控大屏。为确保采集到的数据可靠、可信、可用，该系统将车子的速度和定位信息同时上传到中控大屏，从而实现司机对车内情况的实时观测。为便于交管部门的实时监管，该系统将采集到的数据通过4G 或5G网络上传到服务器，交管部门可在监控中心实时监测车辆相关情况。

图2 系统总体设计框架

安全带联防联控系统通过安全带来实现对机动车的联防联控。由于乘客的安全意识不够，不佩戴安全带的情况时有发生。本研究通过安全带检测来实现对车内司机或乘客的实时监测，可增强安全意识，保证安全出行。

2 硬件系统设计

该系统通过嵌入式来实现对座椅信息的采集［3］，使用ZigBee 模块来实现ZigBee 组网，将信息通过无线网上传至远程终端。硬件系统框架如图3所示。

图3 硬件系统设计实现示意

选择国产芯片“龙芯”作为核心处理器，来实现对安全带信息的采集［4］，将座椅的实时信息上传至ZigBee 模块。为便于交管部门对车辆的有效监控和对事故的针对性分析，需要将车辆的定位和速度信息上传到远程终端。

2.1 安全带设计

一般情况下，车辆的座位无法满足本研究的设计要求，这时就要对座椅进行改装。改装座椅的方法相对简单，只要将薄膜压力传感器放置在座椅下面，将压力传感器与单片机相连，时刻采集座椅上是否有人落座的信息，同时将安全带的卡扣与单片机相连。座椅改装设备如图4 所示。

图4 座椅改装设备示意

在对座椅和安全带改装完成后，基于单片机来完成对座椅和安全带的监测设计，具体实现流程如图5 所示。当车辆启动后，单片机将时刻循环检测安全带佩戴情况。先检测是否有人落座，当有人落座后，将检测安全带卡扣是否正确闭合，如果没有闭合，将通过语音进行提示，并将不闭合状态上传至ZigBee 模块；如果闭合，也将信息上传至ZigBee模块。整个流程循环往复，从而实现对安全带的实时监测，并将数据通过ZigBee 模块实时上传至中控大屏和远程终端。

图5 安全带检测程序流程

安全带数据采集的整体示意如图6 所示。由于不同车型的座位数量不同，因此要在每个座位上都安装ZigBee 节点（终端节点），座位上的数据通过各个终端节点汇聚到ZigBee 协调器，并通过GPRS上传至远程终端。

图6 安全带数据采集示意

2.2 ZigBee自组网设计

基于ZigBee 协议体系，在CC2530 平台上通过Z_Stack 协议栈，实现ZigBee 具有自愈功能的自组网［5］。传感器节点对安全带信息进行采集，经过嵌入式（龙芯）处理后上传至ZigBee 节点。将采集到的数据通过ZigBee 子节点汇聚到ZigBee 协调器，再使用无线通信（GPRS）的方式上传到监控中心，从而实现对安全带数据的实时监控。ZigBee 组网示意如图7所示。

图7 ZigBee组网示意

由于设计的系统所涉及的传感器终端ZigBee节点较少，只需要一个ZigBee 协调器，其他节点均作为子节点（终端节点或路由器）来使用。为了便于数据的传输，每个节点都有两个地址，即64 位IEEE 扩展地址和16 位网络地址。64 位IEEE 扩展地址类似于MAC 地址，相当于公民的身份证ID，可用来唯一标识设备。16 位网络地址仅在数据传输时才使用，当节点加入网络时该地址才由父节点动态分配。

ZigBee 组网可分为树状地址分配和静态地址分配两种模式。整个网络节点数目由ZigBee 协调器来确定。网络深度是指父子链路上传输到协调器所需的最小跳数。网络深度由协调器决定，且每个ZigBee 节点都具有一个网络深度。例如，ZigBee协调器的深度为0，其子节点深度为1，则多跳网络中深度大于1。

ZigBee 协调器要建立一个无线网络，通过Z_Stack 协议栈中的函数对网络进行初始化设置。当系统检测到任务事件后，会调用处理函数启动网络的组建。网络组建完成并允许新节点（终端节点）加入时，才可请求加入网络［6］。

如果有终端节点因某些未知故障导致离网，使得原有网络线路被破坏时，ZigBee 组网可实现网络自愈功能。在软硬件配合下，可实现网络自愈，整个网络不因子节点的变动而离网，从而保证整个网络正常持续工作。具体实现如下：在终端节点的射频范围有可用路由器，当有终端节点故障时，其他节点会再次启动发现网络、加入网络过程。在ZStack 协议栈中，如果要访问NV 存储器中的信息，通过调用zb_ReadConfiguration()函数来实现。该存储器NV 中重要信息包含节点的设备类型logical-Type、节点的IEEE 地址、节点的启动模式startOptions 等。同时，调用zb_WriteConfiguration()函数来完成设备信息的写入，这样能在协议栈中灵活地配置网络节点，从而实现整个网络自启动、自组网及自愈等功能，提高网络的稳定性、健壮性及工作效率。

3 软件系统设计

为便于实时监测车辆状态，不仅要将数据上传至车内中控大屏，更要将数据上传至远程终端，提供给相关部门进行实时管控。根据要求提供一个专门Web 端，Web 端包含登录界面，如图8 所示。在进入登录界面后，可根据需要来选择某一区域，并对该区域车辆的整体情况进行跟踪分析，如图9所示。从界面中可以清楚地看到车辆型号、位置、当前速度、安全带佩戴情况等信息。当车辆超速时、安全带未佩戴时，会被标红，可使相关部门有针对性地监测相关车辆。对一些特殊车辆，也可选择详细信息进行单独查看，可实现对某一车辆的实时跟踪，实时监测当前速度、位置及一段时间内的车速变化等，这样能有效约束司机或乘客的违规行为。

图8 登录界面

图9 某区域车辆监测示意

4 结语

通过对座椅进行改装，给所有座位安装薄膜压力传感器，这样既不用大幅改造车座，也无须破坏车座原有样貌，性价比较高。修改完成后，将嵌入式处理器和ZigBee节点模块封装成一个盒子，完成对座位信息的实时统计，并通过ZigBee节点上传到ZigBee 协调器。同时，通过单片机将车辆的速度和定位信息通过GPRS一起上传到远程终端。通过对系统进行测试，信息传输稳定，车内中控大屏信息准确，远程终端显示稳定，经测试远程传输丢包率在1%以内，满足需求。该系统能较好地实现对车辆的联防联控，司机或乘客的交通安全意识将进一步提高。