基于車-車通信的車輛車速動態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計

胡閏秀，楊煒，堯玲，赫磊，孫健琦

（1.陜西省汽車檢測站，陜西 西安 710061；2.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

基于車-車通信的車輛車速動態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計

胡閏秀1，楊煒2，堯玲2，赫磊2，孫健琦2

（1.陜西省汽車檢測站，陜西 西安 710061；2.長安大學(xué)汽車學(xué)院，陜西 西安 710064）

為了更好地解決車輛縱向追尾碰撞問題，利用車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，設(shè)計了基于車-車通信的車輛車速動態(tài)控制系統(tǒng)，在系統(tǒng)軟硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了車輛之間的車速、位置等關(guān)鍵數(shù)據(jù)信息的相互共享，并且通過車載APP顯示。系統(tǒng)通過對自車與前車之間的實際車距和理論安全距離比較，控制電機實現(xiàn)對本車的車速動態(tài)控制。實驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠有效避免車輛縱向追尾碰撞風險。

追尾碰撞；車聯(lián)網(wǎng)；超聲波測距；車速控制；車載APP；車-車通信

隨著社會經(jīng)濟的飛速發(fā)展，汽車保有量大幅增加，使每一輛車在行駛過程中得到安全保障并降低汽車交通事故的發(fā)生率已成為嚴峻的全球性社會問題。車聯(lián)網(wǎng)通過利用先進的傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)以及通信技術(shù)，實現(xiàn)車與車之間進行信息的交流和共享，對每一輛汽車進行智能自動控制以及對道路信息的實時監(jiān)控，形成一個車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)［1］。

目前，國內(nèi)外在降低汽車事故發(fā)生的研究方面，通用汽車公司的OnStar、豐田公司的G-BOOK已達到較為成熟階段。然而，其僅是通用汽車公司和豐田公司的高級車的專屬配置，可選車型少，費用高昂，且不能改善轉(zhuǎn)彎處事故的發(fā)生。為了減少事故的發(fā)生率，使汽車智能控制車速技術(shù)能夠運用在每一輛汽車中，需要設(shè)計一款智能控制、物美價廉的汽車主動安全系統(tǒng)。本文設(shè)計的基于多源異構(gòu)信息融合的車聯(lián)網(wǎng)車速動態(tài)控制系統(tǒng)，使得汽車主動安全技術(shù)進入每一輛汽車，這將極大地降低因車距低于安全距離、轉(zhuǎn)彎、大霧天氣等未知道路狀況而使得駕駛員反應(yīng)不及時造成事故的發(fā)生率［2］。

1 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)總體架構(gòu)見圖1。系統(tǒng)通過車與車之間建立局域網(wǎng)（所有車要使用同一個發(fā)送地址和接收地址），

采用廣播的形式，各車之間直接互聯(lián)，免去構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。通過車速采集模塊和激光測距模塊得到本車的車速和位置信息，將每輛車采集的信息，通過無線通信模塊發(fā)送到周圍。每輛車的信號處理與控制模塊將接收到的潛在危險車輛的位置和車速信息，通過顯示模塊顯示在車載APP終端。同時，信號處理與控制模塊根據(jù)車速和位置信息，判斷本車是否需要進行減速或者緊急制動等車速動態(tài)控制，從而達到本車能夠主動避讓危險，防止追尾碰撞。

1.1 下位機部分

單片機驅(qū)動超聲雷達，獲取前方車輛的距離。通過藍牙連接車載APP終端，利用車載APP終端發(fā)回的位置信息得到自己的位置，同時把需要顯示相關(guān)信息發(fā)送到車載APP上。通過24L01無線模塊向周圍廣播本車位置和車速，同時接受其他車發(fā)送來的位置和車速，單片機根據(jù)接受到的信息和自己的狀態(tài)進行判斷。

1.2 上位機部分

在ECLIPSE平臺上，利用百度地圖API提供的地圖和定位服務(wù)，獲取當前的地理位置，并用地圖上顯示出來。界面包括一張地圖，指示當前狀態(tài)的一組模擬LED，告訴潛在危險車輛速度的TextView等。通過藍牙線程監(jiān)聽來自下位機的信息并顯示在界面上，同時把得到的位置信息發(fā)送到下位機。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 單片機主控模塊

系統(tǒng)采用STC12C5A60S2單片機，其速度比傳統(tǒng)51單片機快10倍，RAM和ROM都得到了很大的擴充，且擁有第二串口和ISP下載功能和豐富的I／O口，可以模擬各種通信協(xié)議，以便與其他模塊進行通信。12系列單片機自帶SPI通信和串口通信，為和NRF24L01無線和藍牙模塊通信提供了方便，不需要再用I／O口模擬通信協(xié)議，節(jié)約了單片機資源［3］。

系統(tǒng)利用單片機的UART0，按照所需功能，配置好每個寄存器，封裝成串口初始化函數(shù)。在人機交互中，把所發(fā)送的字節(jié)送入SBUF寄存器，UART模塊就會自動發(fā)送，等待發(fā)送完成。單片機需要有相應(yīng)的接受程序，為了保證實時性，接受函數(shù)放在中斷里。由于每次只接受一個字符，為了接受大量不同信息，需要定義一個通信協(xié)議。在此規(guī)定起始位和終止位，在接收到起始位后，一個接受變量清零，并把后邊接受到的數(shù)據(jù)按順序記錄在一個數(shù)組中。接收到結(jié)束位后，掛起接收完成標志，在主函數(shù)中處理這個數(shù)組。

2.2 藍牙通信模塊

為了連接下位機和上位機，通過藍牙進行連接，采用HC05，利用標準藍牙2.0協(xié)議，通過串口接收數(shù)據(jù)，便于與單片機之間進行通信。藍牙模塊自帶AT指令，可以通過AT指令設(shè)置通信的波特率、藍牙名稱、配對密碼等設(shè)置信息。藍牙與單片機的連接采用UART，UART作為異步串口通信協(xié)議的一種，其工作原理是將傳輸數(shù)據(jù)的每個字符一位接一位地傳輸。發(fā)送邏輯對從發(fā)送FIFO讀取的數(shù)據(jù)執(zhí)行“并→串”轉(zhuǎn)換，控制邏輯輸出起始位在先的串行位流，并且根據(jù)控制寄存器中已編程的配置，后面緊跟著數(shù)據(jù)位、奇偶校驗位和停止位。在檢測到一個有效的起始脈沖后，接收邏輯對接收到的位流執(zhí)行“串→并”轉(zhuǎn)換。此外還會對溢出錯誤、奇偶校驗錯誤、幀錯誤和線中止（Line-Break）錯誤進行檢測，并將檢測到的狀態(tài)附加到被寫入接收FIFO的數(shù)據(jù)中［4］。圖2所示為藍牙通信模塊電路設(shè)計圖。

2.3 無線通信模塊

無線通信模塊利用NRF24L01無線模塊設(shè)計實現(xiàn)。NRF24L01是一塊2.4G無線模塊，抗干擾強，成本低，頻率高，發(fā)送時間短，出錯率低。輸出功率頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過SPI接口進行設(shè)置。通過SPI通信協(xié)議與單片機通信。通過廣播的形式發(fā)送信息，設(shè)置為同一個發(fā)送接收地址，周圍的車都能接收到其他車發(fā)送的信息。

與NRF24L01進行通信要采用SPI通信協(xié)議。SPI的通信原理是以主從方式工作，這種模式通常有一個主設(shè)備和一個或多個從設(shè)備，需要至少4根線，也是所有基于SPI的設(shè)備共有的，分別為SDI（數(shù)據(jù)輸入）、SDO（數(shù)據(jù)輸出）、SCLK（時鐘）、CS（片選）。根據(jù)SPI時序，通過利用I／O口模擬出SPI通信協(xié)議，封裝成一個字符的發(fā)送和接收函數(shù)，再根據(jù)NRF24L01數(shù)據(jù)手冊中的寄存器，向上抽取出利用串口發(fā)送和接收一個數(shù)組的函數(shù)，以供其他模塊調(diào)用［5］。圖3所示為無線通信電路設(shè)計圖。

2.4 超聲波雷達測距模塊

當前車與后車之間距離較近時，需要知道精確的

位置，這時采用超聲波雷達進行測距。該系統(tǒng)的HCSR04超聲波測距模塊其測距性能相對穩(wěn)定，測量精度較高，可以提供2 400 cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達3mm［6］。圖4所示為超聲波雷達測距電路設(shè)計圖。

在使用超聲波模塊時，需要通過單片機的I／O口，向超聲波模塊觸發(fā)信號輸入端（Trig口）發(fā)送10μs的高電平信號來觸發(fā)測距，超聲波模塊HC-SR04接收到觸發(fā)信號后，內(nèi)部自動發(fā)出8個40kHz的周期電平，并自動檢測接收端是否有回波信號。若有回波信號，則通過回響信號輸出端（Echo口）輸出一個高電平，該高電平的持續(xù)時間即為超聲波從發(fā)射到返回的時間。單片機用計時器記錄聲波傳輸?shù)臅r間，就能計算出與潛在危險車輛的距離［7］。

該系統(tǒng)為了控制與潛在危險車輛的距離，用到一個超聲測距模塊，該模塊通過I／O口給一個高電平啟動，返回一個聲波傳輸時間長度的高電平，通過計時器記錄這個高電平的時間，就能根據(jù)聲速計算出與潛在危險車輛的距離。利用STC12C5A60S2的定時器0，設(shè)置TMOD，使定時器0工作在16位計數(shù)，受管教控制開啟模式。當來高電平后，定時器就會在這器件把計數(shù)器內(nèi)的值進行自增。在高電平結(jié)束后，讀取計數(shù)器內(nèi)的計數(shù)，再根據(jù)單片機時鐘頻率，就可以計算出距離：距離=（計數(shù)／單片機頻率）×聲速／2。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 車載APP程序

該系統(tǒng)在谷歌提供的Android SDK平臺，開發(fā)與系統(tǒng)連接的APP（運用APP時作用相當于汽車上視頻設(shè)備）；利用百度地圖API，獲取當前的位置信息；通過藍牙串口服務(wù)，和單片機連接的藍牙從機連接，從而與單片機通信。APP更好地運用了車聯(lián)網(wǎng)，在APP界面顯示著本車的狀態(tài)及潛在危險車輛車速、兩車距離；由于不同車的制動程度不同，安全距離可能也存在不同，為了解決該不足，設(shè)定了APP界面可以輸入數(shù)據(jù)，改變系統(tǒng)設(shè)定的安全距離［8］。

APP實現(xiàn)以下幾個功能：①將潛在危險車輛車速、本車車速、兩車距離和各種提示通過藍牙發(fā)送到與該系統(tǒng)連接的車載APP終端上，并顯示出來，從而對駕駛員進行提醒；②通過APP，設(shè)置需要的服務(wù)；③APP能顯示出本車的位置。

3.2 位置參數(shù)采集模塊

該系統(tǒng)利用百度地圖API來實現(xiàn)位置獲取和形象的位置展示。百度地圖Android SDK是一套基于Android 2.1及以上版本設(shè)備的應(yīng)用程序接口。使用SDK開發(fā)適用于Android系統(tǒng)移動設(shè)備的地圖應(yīng)用，通過調(diào)用地圖SDK接口，可以輕松訪問百度地圖服務(wù)和數(shù)據(jù)，構(gòu)建功能豐富、交互性強的地圖類應(yīng)用程序。定位采用3種方式，分別是信號基站、WLAN和GPS。通過百度的服務(wù)器發(fā)回的數(shù)據(jù)，就能得到當前的位置以及人性化的地圖界面。

3.3 車載無線通信模塊

首先，在系統(tǒng)中開啟藍牙設(shè)備，使用Bluetooth Adapter類中的方法，可以查找遠端設(shè)備。如果該設(shè)備是可以被發(fā)現(xiàn)的，會反饋回來一些對方的設(shè)備信息，利用這些信息，設(shè)備就可以選擇去向?qū)Ψ匠跏蓟粋€連接。初始化一個與遠端設(shè)備的連接，需要先獲取代表該設(shè)備的一個Bluetooth Device對象，從而獲取Bluetooth Socket并初始化連接。

當設(shè)備連接上以后，每個設(shè)備都擁有各自的Bluetooth Socket，可以實現(xiàn)設(shè)備之間數(shù)據(jù)的共享了。通過調(diào)用GetInputStream（）和GetOutputStream（）方法來獲取輸入輸出流，再通過調(diào)用Read（byte［］）和Write（byte［］）的方法來讀取或者寫數(shù)據(jù)。讀寫到具體的數(shù)據(jù)后，按照規(guī)定的通信協(xié)議，處理接收到的數(shù)據(jù)，然后更新Activity中的View。

4 試驗測試

智能車輛起動前，先打開APP，如圖5所示。通過藍牙連接到下位機，然后車載APP終端就會不間斷地獲取當前的位置信息，通過藍牙發(fā)給下位機。下位機接收到當前的位置信息，并通過光電碼盤采集速度信息，通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)街車?。同時接收到旁邊其他車輛發(fā)送來的信息進行判斷，如果發(fā)現(xiàn)周圍有車輛在自己前方，并且距離過近，會通過藍牙向上位機發(fā)送前方有車，需要減速，并根據(jù)兩車的速度，進行調(diào)速。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了基于車-車通信的智能車輛車速動態(tài)控制系統(tǒng)，創(chuàng)新地采用了將車聯(lián)網(wǎng)與車速動態(tài)控制相結(jié)合，很大程度降低了由跟隨車輛反應(yīng)不及時而造成的追尾事故的發(fā)生率。通過車聯(lián)網(wǎng)，實現(xiàn)了車與車之間的多源異構(gòu)信息融合，開發(fā)了車載視頻APP，使得車與車之間的信息能夠一目了然地顯示在界面上。同時，由于不同車的制動程度不同，安全距離可能也存在不同，為了解決該不足，設(shè)定了APP界面可以輸入數(shù)據(jù)，改變系統(tǒng)設(shè)定的安全距離，這使得該系統(tǒng)更好地適用于每一輛汽車，可行度更高。系統(tǒng)工作穩(wěn)定，整個控制過程實現(xiàn)自動化、智能化，最大程度地減小事故發(fā)生率。對比目前此類研究的現(xiàn)狀，現(xiàn)存在的此類裝置有適用車型狹窄、運作成本高、使用價格高昂等不足。相比而言，該系統(tǒng)價格低廉、適用車型極廣，因此將擁有極大的市場發(fā)展?jié)摿Α?/p>

［1］馬世典，江浩斌，韓牟，等.車聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下車載電控系統(tǒng)信息安全綜述［J］.江蘇大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2014，35（6）：635-643.

［2］Tsai M F，Chilamkurti N，Ho P F，et al.Implementation of dedicated short range communications combined with radar detection for forward collision warning system［J］. International Journal of Wireless Networks and Broadband Technologies，2012，2（1）：49-63.

［3］徐進，鐘芳梅.基于STC12C5A60S2單片機的汽車空調(diào)控制系統(tǒng)［J］.汽車電器，2014（6）：14-16.

［4］王磊，宋杰，陳林鋒.車載導(dǎo)航影音系統(tǒng)藍牙軟件測試技術(shù)方法研究［J］.計算機技術(shù)與發(fā)展，2013，23（9）：166-169.

［5］楊曉多，劉述喜，李山.采用數(shù)字加速度傳感器的重力感應(yīng)無線小車設(shè)計［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報：自然科學(xué)版，2015，29（10）：114-119.

［6］朱利娜.基于單片機的超聲測距倒車雷達的研究［J］.微計算機信息，2008（23）：110-111.

［7］Lee K C，Lee U，Gerla M.Geo-opportunistic routing for vehicular networks topics in automotive networking［J］.Communications Magazine，IEEE，2010，48（5）：164-170.

［8］王建強，吳辰文，李曉軍.車聯(lián)網(wǎng)架構(gòu)與關(guān)鍵技術(shù)研究［J］.微計算機信息，2011，27（4）：156-158.

（編輯 心翔）

Design of vehicle speed dynamic control system based on V2V communication

HU Run-xiu1，YANG Wei2，YAO Ling2，HE Lei2，SUN Jian-qi2
（1.Shanxi Automobile Checking Station，Shanxi Xi'an 710061，China；2.School of Automobile，Chang'an University，Shanxi Xi'an 710064，China）

In order to better solve the problem of vehicle rear end collision，using car networking technology，design based on the V2V communication speed of vehicle dynamic control system，on the basis of the system hardware and software design，realized the vehicle speed and position between the key data such as mutual sharing of information，and shown by the APP application.This system based on the vehicle and the actual distance and the theoryofsafedistancebetweenvehicles，realizetocontrolmotorspeedonthelocaldynamiccontrol，the experimental results show that the system can effectively avoid the vehicle rear end collision risk.

Rear end collision；internet of vehicle；ultrasonic ranging；speed control；on-board app；V2V communication

U463.6

A

1003－8639（2016）04－0041－04

2016-01-28

國家自然科學(xué)基金資助項目（51278062）；國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練項目（201510710008）

胡閏秀，女，工程師，主要從事車輛檢測分析及汽車安全技術(shù)研究。