基于MEMS與擴(kuò)頻組網(wǎng)高速公路二次事故防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

［劉恒 羅棟梁 劉峰］

基于MEMS與擴(kuò)頻組網(wǎng)高速公路二次事故防撞系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

［劉恒 羅棟梁 劉峰］

高速公路二次事故防撞系統(tǒng)對于人員的自救和財產(chǎn)的保護(hù)具有重要的意義。針對傳統(tǒng)的高速公路防相撞系統(tǒng)的傳輸距離近、抗干擾能力弱、穿透能力弱、可靠性差等缺點(diǎn)，提出了一種結(jié)合SX1278擴(kuò)頻組網(wǎng)技術(shù)和MEMS姿態(tài)測量技術(shù)的高速公路二次事故防相撞系統(tǒng)的方案，并分析了相應(yīng)的防撞算法，給出了不同場景時的仿真結(jié)果，驗(yàn)證了該方案的可行性。

擴(kuò)頻組網(wǎng) 姿態(tài)測量 二次事故 應(yīng)急救援

劉恒

重慶郵電大學(xué)，重慶郵電大學(xué)移動通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，碩士研究生，研究方向?yàn)樽藨B(tài)測量、導(dǎo)航雷達(dá)。

羅棟梁

重慶郵電大學(xué)，重慶郵電大學(xué)移動通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，碩士研究生，研究方向?yàn)橐苿油ㄐ?、?dǎo)航雷達(dá)。

劉峰

重慶郵電大學(xué)，重慶郵電大學(xué)移動通信技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，碩士研究生，研究方向?yàn)闊o線定位、移動通信。

1 引言

駕乘人員在汽車故障和發(fā)生交通事故時，按照道路交通安全法的規(guī)定，在車輛后方50～150米（各級道路要求不同）需要放置警示裝置，用來提醒后來車輛注意避讓。但在惡劣氣候或復(fù)雜道路情況下，后面車輛駕駛員往往很難觀察到前方警示牌，二次事故隨之產(chǎn)生［1］。同時，駕乘人員在外出旅途中，遇到緊急情況時，無法通過現(xiàn)有手段通知就近的交警、醫(yī)療單位、車輛救援裝置及保險公司，往往需要層層聯(lián)系才能解決實(shí)際需求，誤時誤事。

為有效降低高速公路二次相撞事故的發(fā)生率，提高高速公路管理的自動化程度，本文提出了基于SX1278擴(kuò)頻組網(wǎng)技術(shù)和MEMS姿態(tài)測量技術(shù)的高速公路防相撞系統(tǒng)。該系統(tǒng)是由SX1278網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)構(gòu)成一個自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中的每個子節(jié)點(diǎn)利用MEMS模塊判斷交通錐的姿態(tài)變化；同時每個子節(jié)點(diǎn)與主控節(jié)點(diǎn)相連，主控節(jié)點(diǎn)連有報警器和GPS、GPRS模塊，使得救援人員可以第一時間做出防備和撤離，同時把駕乘人員的相關(guān)信息報告給就近的交警、醫(yī)療單位、車輛救援裝置及保險公司等，及時做出救援和處理。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1系統(tǒng)架構(gòu)

本文所設(shè)計(jì)的基于SX1278擴(kuò)頻組網(wǎng)技術(shù)、MEMS姿態(tài)測量技術(shù)的高速公路防相撞系統(tǒng)包括傳感器節(jié)點(diǎn)與控制中心兩部分組成。傳感器節(jié)點(diǎn)分為兩部分：車載接收單元節(jié)點(diǎn)和交通錐發(fā)射單元節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò)可以設(shè)置成星型網(wǎng)絡(luò)，其中交通錐發(fā)射單元節(jié)點(diǎn)為子節(jié)點(diǎn)，車載接收單元節(jié)點(diǎn)為主節(jié)點(diǎn)，也為星型網(wǎng)絡(luò)的集中器，多個交通錐發(fā)射單元節(jié)點(diǎn)（子節(jié)點(diǎn)）與唯一的車載接收單元（主節(jié)點(diǎn)）采取點(diǎn)對點(diǎn)通信，點(diǎn)對點(diǎn)通信模式可以避免使用路由的模式，減少信息傳遞時間和傳輸錯誤?？刂浦行姆譃閮深悾罕镜乜刂浦行暮瓦h(yuǎn)程控制中心。本地控制中心主要通過車載接收模塊上的藍(lán)牙與手機(jī)進(jìn)行通信，當(dāng)發(fā)生誤報時，駕乘人員可通過手機(jī)控制聲光報警停止；當(dāng)沒發(fā)生誤報或者駕乘人員需要幫助時，可通過手機(jī)藍(lán)牙軟件控制模塊打開GPS/ GPRS服務(wù)，將自己的定位信息以及車主之前預(yù)設(shè)好的信息通過GPS/GPRS模塊發(fā)送出去；遠(yuǎn)程控制中心分為服務(wù)類控制中心和救援類控制中心，服務(wù)類控制中心主要包括附近的4S店和保險公司，救援類控制中心主要包括交警和醫(yī)療機(jī)構(gòu)，控制中心可以通過發(fā)送反饋短信等方式確定駕乘人員是否需要服務(wù)或者救援。圖1為高速公路防二次相撞系統(tǒng)總體框圖。

圖1 高速公路防相撞系統(tǒng)總體框圖

圖1 中，MCU（處理器）本設(shè)計(jì)選用的是具有ARM內(nèi)核的STM32F103芯片，用于控制整個節(jié)點(diǎn)的初始化、數(shù)據(jù)處理、協(xié)調(diào)各個模塊的工作［2］；GPS/GPRS模塊選用simcom公司的SIM808模塊，此模塊內(nèi)部鑲嵌了高性能GSM/GPRS引擎和GPS引擎，用于獲取當(dāng)前節(jié)點(diǎn)的實(shí)時定位信息，并可以將定位信息和預(yù)設(shè)的車輛、駕乘人員的相關(guān)信息發(fā)送出去；SX1278射頻模塊負(fù)責(zé)維護(hù)當(dāng)前網(wǎng)絡(luò)，與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，交換控制信息和收發(fā)數(shù)據(jù)；MEMS模塊選用InvenSense公司的MPU6050姿態(tài)傳感器，此傳感器集成了3軸MEMS陀螺儀和3軸MEMS加速度計(jì)，用于判斷交通錐的狀態(tài)是否發(fā)生變化；聲光報警模塊用于當(dāng)交通錐發(fā)生撞擊時進(jìn)行聲光報警，從而附近的人員可以第一時間進(jìn)行躲避，防止造成人員傷害；藍(lán)牙模塊用于模塊與手機(jī)之間的通信；其中車載單元還有LCD模塊，用于提供人機(jī)接口。

2.2無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前的高速公路防相撞系統(tǒng)多采用ZigBee技術(shù)，ZigBee技術(shù)是一種具有低成本、低功耗、組網(wǎng)能力強(qiáng)等特點(diǎn)的新興的無線組網(wǎng)通信技術(shù)，適合于各種監(jiān)測領(lǐng)域［3］。但是ZigBee具有傳輸距離近、抗干擾能力弱、穿透能力弱等缺點(diǎn)。比如在高速公路的彎道，特別是在叢林、山坡附近時ZigBee技術(shù)就不再適用。再加上ZigBee網(wǎng)絡(luò)有時會發(fā)生斷網(wǎng)情況，在不能漏報、誤報的前提下，ZigBee技術(shù)就不能滿足高速公路的這種特殊場合。

相比于ZigBee技術(shù)，本文采用的是SX1278收發(fā)器，該收發(fā)器具有 LoRaTM 遠(yuǎn)程調(diào)制解調(diào)器，提供超長距離擴(kuò)頻通信，高抗干擾性，同時最大限度地減少電流消耗，適用于電池待機(jī)的收發(fā)電路。在自動抄表、家庭樓宇自動化、無線報警和安全系統(tǒng)、工業(yè)監(jiān)控中得到廣泛的應(yīng)用。它具有能獲得超過-148 dBm的高靈敏度，頻率范圍137～1 020 MHz，帶 寬 7.8 ～37.5 kHz，數(shù)據(jù)傳輸速率180 bit/s～37.5 kbit/s，能夠檢測信號強(qiáng)度，并對數(shù)據(jù)進(jìn)行CRC校驗(yàn)［4］。該收發(fā)器運(yùn)用自擴(kuò)頻組網(wǎng)技術(shù)，可以完成一點(diǎn)對一點(diǎn)、一點(diǎn)對多點(diǎn)的通訊。

本文設(shè)計(jì)了一種嵌入式車載SX1278擴(kuò)頻網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通過在車輛上配置這些節(jié)點(diǎn)，可以在高速公路局部范圍內(nèi)建立一個自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。在高速公路其中一個方向上局部范圍的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。

系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)分為車載單元的主控節(jié)點(diǎn)和多個交通錐的子節(jié)點(diǎn)，每個子節(jié)點(diǎn)都與主控節(jié)點(diǎn)自組網(wǎng)，不含有路由節(jié)點(diǎn)，為的是獲得更少的時間傳遞信息從而給駕乘人員或者救援人員有多一點(diǎn)的時間做出反應(yīng)。

圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

2.3系統(tǒng)功能

如上所述，在建立基于SX1278擴(kuò)頻組網(wǎng)技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和姿態(tài)測量傳感器的基礎(chǔ)上，通過交通錐被撞擊后的狀態(tài)，可以為駕駛員和救援人員提供如下主要功能：

（1）告警功能：告警功能為最主要的功能，當(dāng)某一個或幾個交通錐發(fā)生撞擊后，車載端的聲光報警器馬上進(jìn)行聲光報警，為駕駛員或者救援人員第一時間做出反應(yīng)，防止二次傷害造成巨大的人身及財產(chǎn)損失；

（2）SOS一鍵報警功能：車載單元根據(jù)不同市場（國內(nèi)、國際）內(nèi)置BD/GPS模塊，根據(jù)不同需求內(nèi)置GPRS/北斗短報文等通訊模塊，設(shè)置SOS一鍵報警功能，后臺根據(jù)用戶提前設(shè)計(jì)的應(yīng)急預(yù)案完成“通知應(yīng)急聯(lián)系人、通知交警、通知附近的修理店”等措施；

（3）后臺系統(tǒng)功能：由第三方設(shè)計(jì)的后臺系統(tǒng)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)搜集及接入如：駕駛?cè)思败囕v信息、交警系統(tǒng)、汽車銷售商、指定醫(yī)院、汽車維修店、保險公司等信息，便于在需要時幫助駕乘人員聯(lián)絡(luò)。

3 防撞算法設(shè)計(jì)

3.1加速度標(biāo)準(zhǔn)差計(jì)算原理

在交通錐被撞的情況下，MEMS模塊中的加速度信號將發(fā)生異于靜止?fàn)顟B(tài)的不規(guī)則變化，通過分析某一段時間段內(nèi)的加速度信號的變化情況可以判斷出交通錐被撞事件的發(fā)生，由于加速度信號的不連續(xù)性和不規(guī)則性給分析造成了極大困難［5-7］。本文提出了采用標(biāo)準(zhǔn)差分析法對加速度信號進(jìn)行分析，這可以平滑加速度信號，使得分析處理的更為方便也更為準(zhǔn)確。

當(dāng)處理器采集到加速度傳感器X軸、Y軸、Z軸的值

通過分析標(biāo)準(zhǔn)差，可以得到加速度值分散程度利用

3.2節(jié)的算法能夠?qū)煌ㄥF的撞擊事件做出判斷。

3.2防撞檢測算法設(shè)計(jì)

由于高速公路的特殊環(huán)境，以及為了降低功耗和達(dá)到最佳判斷效果，處理器的采集頻率設(shè)置為50 Hz，當(dāng)車載主節(jié)點(diǎn)和交通錐子節(jié)點(diǎn)構(gòu)建無線網(wǎng)絡(luò)后，便開始數(shù)據(jù)采集工作，為了時間的可靠性，讓加速度傳感器一直處于工作狀態(tài)［12-13］。處理過程如下：不斷計(jì)算當(dāng)前50個數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)值，如果在1s內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)差的值超過預(yù)設(shè)值，便認(rèn)為交通錐出現(xiàn)了撞擊（撞飛與一定的距離平移）事件，其中具體的預(yù)設(shè)值可以通過多次試驗(yàn)所得，本項(xiàng)目用的預(yù)設(shè)值為當(dāng)有40%的標(biāo)準(zhǔn)差的值超過2時，即為發(fā)生了撞擊事件，雖然在交通錐掀起一定角度并復(fù)位時有誤報的情況，但應(yīng)用在關(guān)乎人身安全的特殊場合是允許的，因?yàn)橐坏┌l(fā)生誤報，可能會造成嚴(yán)重的后果。

當(dāng)處理器判斷為事件（交通錐遭到撞擊）發(fā)生，會立即把撞擊信號通過SX1278模塊的通信傳給車載終端，聲光報警器會立即產(chǎn)生聲光報警，將撞擊的事件傳遞給駕乘人員或者救援人員。節(jié)點(diǎn)的工作流程圖如圖3所示。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了檢測加速度標(biāo)準(zhǔn)差防撞算法的正確性，論文對3種事件進(jìn)行了模仿實(shí)驗(yàn)：（1）交通錐傾斜一定的角度后復(fù)位；（2）交通錐平移一段距離；（3）交通錐撞倒或者撞飛。具體的試驗(yàn)過程如下：

（1）針對事件1選擇將交通錐快速傾斜到接近45度然后松開，靜止時加速度矢量和為10，標(biāo)準(zhǔn)差略高于0。當(dāng)交通準(zhǔn)偶然發(fā)生傾斜后復(fù)位時，400 ms到800 ms的標(biāo)準(zhǔn)差超過了2，可以看出在交通錐下落的瞬間標(biāo)準(zhǔn)差變化較大，在此時間段加速度矢量和在10的上下進(jìn)行劇烈變化，系統(tǒng)進(jìn)行報警，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4、圖5所示。

圖3 傳感器節(jié)點(diǎn)工作流程圖

圖4 事件1加速度矢量和仿真圖

圖5 事件1標(biāo)準(zhǔn)差變化仿真圖

（2）針對事件2選擇將交通錐沿著某一方向快速平移一段距離，在這種情況下，加速度傳感器的某一個方向的值急劇變化，標(biāo)準(zhǔn)差在150 ms到450 ms之間數(shù)值都超過了2，在此時間段加速度矢量和基本上在10以上變化系統(tǒng)進(jìn)行報警，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 事件2加速度矢量和仿真圖

圖7 事件2標(biāo)準(zhǔn)差變化仿真圖

（3）針對事件3選擇交通錐進(jìn)行翻滾，在這種事件下，在150 ms到550 ms標(biāo)準(zhǔn)差的值超過了2，由于翻滾時加速度各方向均有變化，則在此時間段加速度矢量和在10上下進(jìn)行劇烈變化，系統(tǒng)進(jìn)行報警，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8、圖9所示。

圖9 事件3標(biāo)準(zhǔn)差變化仿真圖

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（2016-09-19）