CN204229638U - 一种车辆主动安全报警系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种车辆安全报警系统。一种车辆主动安全报警系统，包括 RFD/FFD节点、网络协调器、主控制器和上位机监控平台，车辆上安装RFD/FFD节点负责车辆信息的采集处理和传输；网络协调器是启动和配置网络的节点，安装在路口红绿灯、执法点、收费站等交通运营和管理部门，主控制器主要负责 RFD/FFD节点、网络协调器和上位机监控平台之间的通信；构成RFD/FFD节点的主处理器和协调处理器通过总线通讯连接，主处理器通过CAN收发器与车辆行车电脑通信，和主处理器连接有CCD传感器、压力传感器、GPS定位模块和电子速度传感器以及报警系统。系统采用ZigBee和Cortex技术模块化设计，可以将驾驶人将三大危害交通安全行为的“超员、超速、超载”和不按交通灯行驶等违章行为有效管制。

Description

一种车辆主动安全报警系统

技术领域

本实用新型涉及一种车辆安全报警系统，尤其是涉及一种基于ZigBee和Cortex技术的车辆主动安全报警系统。

背景技术

随着社会经济的发展，我国人均车辆拥有量大大提高，我们正加快进入汽车社会。但是全社会交通安全意识和交通安全文明明显滞后，交通安全问题越来越凸显。目前，不规范驾驶行为和道路交通陋习较多，而“三超（超速、超员、超载）”、酒后驾车、无照驾驶、路口违反交通信号和不按规定让行等严重交通违法行为更是导致交通事故频发，给国家和人民群众的生命、财产安全带来严重危害。

据公安部发布统计数据表明：2012年全国共查处超速行驶9000多万人，因超速行驶肇事导致7000多人死亡；查处不按交通信号指示通行交通违法行为 2649万起，平均每天7万多起，涉及人员伤亡有4.6万起，造成1.1万人死亡，五万人受伤。种种迹象表明，驾驶人的交通安全意识和交通文明意识对人类生命和国家财产影响已经是不可估量，因此，2013年1月1日，随着号称“史上最严交规”——《机动车驾驶证的申领和使用规定》的颁布与实施，大大提升了驾驶人的交通安全观念和交通文明意识，但仍有很多驾驶人心存侥幸，利用道路和交通管理部门监控的漏洞，无意、蓄意或肆意违章，造成各种交通事故。

目前，针对车辆的“三超”、路口违反交通信号、不按规定让行、肇事逃逸和新驾驶人无意识违章等严重交通违法行为，还缺乏一套车辆主动安全报警系统，能够及时发现并制止驾驶人的违法和不文明驾驶行为，以严格的机械行为来约束驾驶人的无意、蓄意或肆意违章个人行为，以达到减少人为交通事故的发生，加快提升全民交通安全观念和交通文明意识的目的。

发明内容

本实用新型针对现有技术不足，提出了一种车辆主动安全报警系统，该系统可以将驾驶人将三大危害交通安全行为的“超员、超速、超载”和不按交通灯行驶等违章行为有效管制，将人为交通事故降到最低点。

本实用新型所采用的技术方案：

一种车辆主动安全报警系统，采用ZigBee和Cortex技术模块化设计，该系统主要包括 RFD/FFD节点（Reduce  Function Device/Full Function  Device,精简功能设备/全功能设备）、网络协调器、主控制器和上位机监控平台，在每台运行车辆上安装一个RFD/FFD节点，负责车辆信息的采集处理和传输；网络协调器是启动和配置网络的节点，安装在路口红绿灯、执法点、收费站等交通运营和管理部门，主控制器主要负责 RFD/FFD节点、网络协调器和上位机监控平台之间的通信；

所述RFD/FFD节点包括主处理器和协调处理器，所述主处理器和协调处理器通过总线通讯连接，主处理器通过自身携带的CAN收发器与车辆行车电脑通信，和主处理器连接有CCD传感器、压力传感器、GPS定位模块和电子速度传感器以及报警系统；和所述协调处理器连接有功率放大模块；

所述网络协调器和主控制器均包括处理器及外围电路、功率放大模块，所述功率放大模块和处理器连接，所述主控制器连接有通讯接口电路。

RFD/FFD节点电路中，和所述协调处理器连接有ETC电子标签和USB接口电路，ETC电子标签以方便缴纳各种行车费用，通过USB接口与上位机监控平台连接；和所述主处理器连接有触摸屏和SD卡存储模块，触摸屏主要用来显示系统采集的违章数据和对系统进行简单操作，SD卡存储模块用来存储节点采集且不能及时发回到指挥中心的数据。

所述的车辆安全主动报警系统，上位机监控平台采用B/S和C/S相结合，分为控制层、监控层和管理层三个层次结构，其中监控层对下连着控制层，对上连着管理层，上位机监控平台在系统中起着上传下达、组态开发的作用，对采集数据进行后期处理，实现对节点实时监测和控制。

本实用新型的有益效果：

1、本实用新型车辆安全主动报警系统，采用基于ZigBee和 Cortex技术的嵌入式系统总体结构，通过CCD传感器、压力传感器和速度传感器采集图像、压力和速度信息，可以对“超员、超速、超载” 三大危害交通安全行为和不按交通灯行驶等交通违法行为进行监控和有效管制，将人为交通事故降到最低点，可以从管理层面提高车辆主动安全性能，从技术上减少“超速、超载、超员”等交通违法行为。

2、本实用新型车辆安全主动报警系统，设计合理，实用性强。无线传输模块采用功率放大器，可节点传输距离由100米增加到 2000米左右，以便于车辆在高速运行状态中数据传输的连续性和稳定性；从根本上对车辆违法行为进行监控，可以加速提升驾驶人的交通安全意识和交通文明。

附图说明

图1是本实用新型车辆安全主动报警系统整体功能结构示意图；

图2是本实用新型车辆安全主动报警系统RFD/FFD节点功能结构示意图；

图3是本实用新型车辆安全主动报警系统网络协调器功能结构示意图；

图4是本实用新型车辆安全主动报警系统主控制器功能结构示意图；

图5是RFD/FFD节点供电电路原理示意图；

图6是本实用新型车辆主动安全自动报警系统功能工作流程。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

本实用新型车辆安全主动报警系统，根据嵌入式系统设计思想，车辆主动安全报警系统采用 ZigBee和Cortex-M0技术模块化设计，该系统主要包括 RFD/FFD节点（Reduce  Function Device/Full Function  Device,精简功能设备/全功能设备）、网络协调器、主控制器和上位机监控平台。在每台运行车辆上安装一个 RFD/FFD节点，负责车辆信息的采集处理和传输；在路口红绿灯、执法点、收费站等交通运营和管理部门安装网络协调器，负责网络的启动、配置、组织和协调；主控制器主要负责 RFD/FFD节点、网络协调器和上位机监控平台之间的通信。上述描述参见图1。

上位机监控平台是中间件技术范畴，主要为了提高系统的开放性、易扩展性和易操作性，实现对各个节点直观的实时监测和控制，并对各个节点传输回来数据进行后期处理、存档和共享。RFD/FFD节点和主控制器，其功能并非唯一不变，可以根据相应的工作环境担负网络协调器功能。

图2所示为RFD/FFD节点功能结构示意图，CC2531主要负责节点部分数据采集处理和全部数据传输，采用功率放大器可将节点传输距离由100米增加到2000米左右，保证车辆在高速运行状态中数据传输的连续性和稳定性；LPC11C22负责整个节点的总体控制和数据采集处理，和 CC2531协调处理各类传感器的数据采集处理。

其中CCD传感器负责采集驾驶员和车厢内部图像信息，记录驾驶人和车辆内部特别是乘坐人图像信息，防止车辆超员和驾驶人违规操作，并对图像进行预处理，删减冗余图像以减少RFD/FFD节点数据传输压力；压力传感器主要监测车辆载重情况，通过称重轴重来确保车辆不超载，GPS定位模块主要是为运行车辆进行定位和行驶路线，电子速度传感器主要监测车辆实时运行速度以监测车辆超速与否，存储器是用来存储节点采集且不能及时发回到指挥中心的数据，并通过 USB接口与上位机监控平台连接，报警系统主要是对系统监测到的违章情况进行报警，ETC标签是主要为了方便缴纳各种行车费用，触摸屏主要用来显示系统采集的违章数据和对系统进行简单操作，LPC11C22微系统通过自身携带的CAN收发器与车辆行车电脑通信，实时监测车辆运行情况，并根据情况调用车辆自身载有的主动安全系统，如 ABS（防抱死系统）等。

图3所示为网络协调器结构，网络协调器是启动和配置网络的节点，作为网络的协调者和组织者，可和网络中任何设备节点通信并保持间接寻址用的绑定表格、支持关联、设计信任中心和执行其他活动，主要完成网络维护、数据上传、命令下达、系统整体监测和管理等功能。它采用 CC2533和CC2591结构设计，其中CC2591模块采用插拔式，在市区或者网络节点密集时，仅采用 CC2533进行数据采集处理和传输，在节点稀疏时插入CC2591模块，增大网络覆盖面积，最大可能地保证数据的实时性和连贯性。在硬件设计上采用最小系统设计，因为CC2533拥有强大的电源管理功能，因此安装时根据具体供电环境选择适当供电模块，以确保节点长时间连续监控。存储器采用大容量 SD卡存储设备，由于ZigBee技术传输速率限制，在车辆运行高峰期会出现数据传输拥堵，因此在数据传输拥堵时，网络协调器将采集数据保存自身存储器内部，在网络清闲时再进行传输，以免造成车辆高峰期大量数据的采集处理和传输导致网络拥堵，甚至瘫痪，同时也能在网络协调器毁坏时直接取出到主控制器进行读取。

图4所示为主控制器功能结构示意图，主控制器不但控制整个网络节点与上位机之间数据交换，而且负责组建网络并把网络内所有节点 ID号码及通信设置发送到上位机监控平台，设置完成后进入全时监控状态，它采用CC2533和CC2591双模块设计，通过自身 USB接口同上位机监控平台相连，通过CC2531射频芯片与其他节点无线通信。其中键盘用来快速生成操作命令，LED显示屏用来显示操作命令，SD卡读卡器用来读取节点存储的数据，确保数据采集的完整性。

上位机监控平台采用 B/S和C/S相结合，分为控制层、监控层和管理层三个层次结构，其中监控层对下连着控制层，对上连着管理层，不但实现对节点实时监测和控制，而且在系统中起着上传下达、组态开发的作用，对采集数据进行后期处理，删减冗余数据，存储主要数据并提供相关数据查询，同时它利用 Oracle 11g建立并维护数据库，通过 SP网络服务平台、以Android /iOS技术等开发相应的 APP应用及GPRS等无线技术和实名注册的驾驶人实现网络数据共享。

系统中 CC2531/CC2533/CC2591都能采用最小系统工作，且实际应用中RFD/FFD节点和网络协调器长期处在监控状态，而节点自身供电能力十分有限，因此设计时要求硬件系统简单以有效降低耗能，所以系统中 CC2531/CC2533/CC2591的SoC（System on Chip，最小片上系统）在电路硬件设计上尽量进行简化，除了必要的时钟、程序调试、数据采集处理及相关元器件外其他都不设计在内，在 PCB制版时采用单个最小系统模块设计，确保系统各个节点之间换件通用率高且易于检修和更换。

LPC11C22是目前市场上尺寸最小功耗最低的 32位ARM处理器，可以以16位资源占用提供32位的性能和效率，与Cortex M3完全向上二进制兼容。同时它内嵌易用型片上CANopen驱动，集成高速CAN物理层收发器微控制器。由于LPC11C22微系统需要3.3V供电，而CAN收发器需要5.0V供电。因此在RFD/FFD节点供电模块中以TPS73033 稳定电源CC2531/CC2533/CC2591 和LPC11C22 供电，B0505电源隔离模块为CAN 收发器高品质供电，LM25011 用双芯片分别将输入电压降压到3.3V 和5.0V，RFD/FFD节点供电模块电路原理如图5所示。网络协调器可安装在220V 市电，可采用AC220V～DC12V 开关电源转化调理后接入供电模块。由于LPC 其他电路牵涉到传感器选型及具体控制电路，这里不再一一列举。

CC2531/CC2533 最小系统和LPC11C22 分别基于IAR Embedded Workbench 和KeiluVision4 开发环境，对于单个CC2531/CC2533 最小系统软件开发，除了实现其I/O 配置、寄存器设定、系统内部时钟设置、电源模式选择、硬件定位等基本功能外，主要还是利用DMA 协处理器实现数据高效传输，利用中断、定时器实现数据射频收发，并利用AES 协处理器完成数据的保密和完整性验证。LPC11C22 系统在实现各个传感器数据采集处理的基础上，还要利用自身的CANopen 驱动和协议与车辆行车电脑通信，完成根据传感器数据采集处理后激活相应车辆自身的主动安全系统，由于在数据采集处理上仅仅是一个节点即可完成，在传输上需要调动部分甚至全部节点才能完成工作，因此在程序实现上要最大程度优化和紧凑代码，节省硬件资源。

车辆主动安全报警系统工作过程如图6所示：

1、系统准备

由于ZigBee技术其自组网络最多有 65535 个节点，每个节点最多可以控制255 个子节点，但是其ID号码是全球唯一，因此在大规模使用时，使车辆牌号和车辆所有人的驾驶证号与RFD/FFD 节点的ID 号码绑定，建立相应的数据库并在交管部门内部网络共享，且一旦绑定未经车辆牌号和驾照发放的交管部门许可不得更改。

在车辆上设置RFD/FFD 节点时，采用不可拆卸固定方式（如新军车牌号的不可拆卸螺钉）并列入每年车辆年检，同时作为车辆事故责任鉴定重要组成部分。根据需求，在货运或者以货运行驶的车辆承重车轴上安装压力传感器，作为查证超载违章依据，压力传感器在调整后易于安装和更换；在客运或者以客运行驶车辆安装CCD 传感器或红外CCD 传感器或红外夜视仪等，确保车厢内所有司乘人员图像能够清晰记录，并采集图像数据到上位机监控平台，通过后期图像处理，识别人数查处是否超员；在其他没有安装电子速度表的车辆应安装车辆电子速度传感器，作为查证超速违章依据。ETC录入车辆相关信息，通过现有的收费平台，完成各种费用的缴纳。

根据实际安装地点及节点疏密，网络协调器选择CC2533 模块和CC2591 模块相结合方式安装，同时根据安装地点的供电方式选用不同供电模块，以提高网络协调器工作通用性和易维护性，在固定安装的网络协调录入道路限速速度，为车辆是否超速提供标准。主控制器和上位机监控平台同时安装，确保网络和节点之间的通信。

上位机首先建立RFD/FFD 节点ID 号码与车辆和驾驶人、固定网络协调器和主控制器与安装地点和维护所属单位、流动网络协调器和主控制器与所属单位相关的数据库，而后根据实际要求到进行上位机监控平台的各种系统设置和偏好设置。

2、车辆违章报警与交通疏导

车辆在运行过程中，CCD 传感器采集驾驶人图像信息，同时CCD 传感器采集车厢内部全景图像，还要在进入网络或者脱离网络、定时定点采集数据上传，保证车厢内部时刻处在监控状态。压力传感器主要测量车辆是否超载，当压力传感器超出交管部门核定值时激活警告系统，而超载车辆一旦行驶上路就立刻通过网络向交通管理部门报警并记录在案，在压力传感器失效时也同样进行示警，若驾驶人不接受示警维修而继续运行则报警。速度传感器用来记录车辆行驶速度，驾驶人在超速行驶过程中(超车形成的超速会被忽略，由交管部门核定超车超速经验值)会被示警，若驾驶人不接受示警则记录超速违章状态，适时向交管部门报警记录。在判定违章后，系统通过自身报警系统对驾驶人发出警报，而后通过对GPS 模块测量和实时时钟的监测后，在规定的行驶距离和时间之内（由交通管理部门核定经验值）此次警报作为自身警报，若驾驶人无视警告继续违章操作则记录在案，则系统认定为交通违法行为。

随着科技的进步，车辆安全理念也在发生了巨大的变化，车辆的主动安全技术越来越多的应用到车辆中去，如ABS（防抱死系统）、BA/EBD（电子制动力分配系统）、ESP（牵引力控制系统）等主动安全系统，通过行车电脑中央控制，对车辆提供主动安全技术。因此本系统设计LPC11C22 通过CAN 总线与行车电脑相连，在违章情况发生以后，若驾驶人不听警告仍执意进行违章操作，则在报警的同时通过CAN总线调动车辆所装配的主动安全系统，防止违章进一步发生恶化，确保人员车辆安全。

同时每个车辆都是一个RFD/FFD 节点，可以通过RSSI 粗略测距和GPS 定位模块测算出道路上的车流量，亦可为车辆驾驶人提供道路选择和优化，为交管部门的交通疏导提供支持与决策。

在我国全民交通安全意识和交通安全文明亟待提升的今天，该系统可以将驾驶人将三大危害交通安全行为的“超员、超速、超载”和不按交通灯行驶等违章行为有效管制，通过进一步开发也可有效管制驾驶人无照驾驶、醉酒驾驶等其他违章行为，将人为交通事故降到最低点，加速提升驾驶人的交通安全意识和交通文明，为建设和谐的社会主义小康社会贡献不可磨灭的力量。

Claims (5)

1.一种车辆主动安全报警系统，采用ZigBee和Cortex技术模块化设计，该系统主要包括 RFD/FFD节点、网络协调器、主控制器和上位机监控平台，在每台运行车辆上安装一个RFD/FFD节点，负责车辆信息的采集处理和传输；网络协调器是启动和配置网络的节点，安装在路口红绿灯、执法点、收费站等交通运营和管理部门，主控制器主要负责 RFD/FFD节点、网络协调器和上位机监控平台之间的通信；

其特征在于：

所述RFD/FFD节点包括主处理器和协调处理器，所述主处理器和协调处理器通过总线通讯连接，主处理器通过自身携带的CAN收发器与车辆行车电脑通信，和主处理器连接有CCD传感器、压力传感器、GPS定位模块和电子速度传感器以及报警系统；和所述协调处理器连接有功率放大模块；

所述网络协调器和主控制器均包括处理器及外围电路、功率放大模块，所述功率放大模块和处理器连接，所述主控制器连接有通讯接口电路。

2.根据权利要求1所述的车辆主动安全报警系统，其特征在于：RFD/FFD节点电路中，和所述协调处理器连接有ETC电子标签和USB接口电路；和所述主处理器连接有触摸屏和SD卡存储模块。

3.根据权利要求1或2所述的车辆主动安全报警系统，其特征在于：上位机监控平台采用B/S和C/S相结合，分为控制层、监控层和管理层三个层次结构，其中监控层对下连着控制层，对上连着管理层，上位机监控平台对采集数据进行后期处理，实现对节点实时监测和控制。

4.根据权利要求3所述的车辆主动安全报警系统，其特征在于：RFD/FFD节点电路中，协调处理器采用CC2531，功率放大模块采用CC2591功率放大器；主处理器采用LPC11C22，和CC2531协调处理各类传感器的数据采集处理；网络协调器和主控制器采用CC2533微处理器。

5.根据权利要求3所述的车辆主动安全报警系统，其特征在于：RFD/FFD节点电路中，采用TPS73033 稳压电源以及LM25011用双芯片分别将输入电压降压到3.3V和5.0V为CC2531/CC2533/CC2591、LPC11C22以及CAN 收发器供电，CAN 收发器供电电路采用电源隔离模块。