CN211684855U - 基于ZigBee的隧道安全驾驶系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于ZigBee的隧道安全驾驶系统，包括车辆节点和路侧节点；所述车辆节点与所述路侧节点通过ZigBee无线网络进行通讯，所述车辆节点随时获取节点位置、异常速度变化和临近车辆的距离信息，对隧道中突发状况进行安全预警。本实用新型利用ZigBee无线传感网技术，选用网状网络拓扑结构、硬件微控制电路，降低了系统功耗，且设计简单可靠、组网灵活方便；响应延迟稳定在较小水平，留给汽车驾驶员的反应和刹车制动时间充足，平均误码率低，且在隧道中信号稳定，及时有效的辅助安全驾驶；以无线传感网为技术核心，易于部署，具有更高的灵活性、可维护性和可扩展性，降低了设计成本。
Description
技术领域
本实用新型涉及安全驾驶系统，尤其涉及一种基于ZigBee的隧道安全驾驶系统。
背景技术
随着中国汽车保有量的不断增加，公路交通安全问题也日益严峻，一方面体现在城市交通拥堵，增加了城镇居民的出行时间和经济成本，另一方面则体现在交通事故更加频发，直接导致生命或财产损失，由此可见当前的行车安全和便捷问题亟需得到改善。当车辆行驶在路况复杂的隧道中时，由于隧道具有视线差、空间狭窄、救援难度大等特性，一旦发生交通事故，将影响到整条隧道中的通行车辆和驾驶员的安全。
目前，主流的车载GPS搭配手机导航的安全提醒方式存在一些弊端，如易受基站信号不强的影响，信息滞后，而且流量资费存在一定的成本。
实用新型内容
实用新型目的：为了解决现有技术存在的问题，本实用新型提供一种实现隧道内短距离无线预警系统、突发状况安全预警的基于ZigBee的隧道安全驾驶系统。
技术方案：本实用新型包括车辆节点和路侧节点；所述车辆节点与所述路侧节点通过ZigBee无线网络进行通讯，所述车辆节点随时获取节点位置、异常速度变化和临近车辆的距离信息，对隧道中突发状况进行安全预警。
所述车辆节点安装于车辆内、直接连接车载电源外挂使用，包括射频通信单元、主控芯片、无线通信模块、人机交互设备、光感传感器、加速度感应器、GPS模块、超声波传感器；所述射频通信单元与所述主控芯片通过SPI通信，与GPS模块通过串口通信。所述车辆节点采用车载电源供电，通过光感传感器、加速度感应器、GPS模块实时获取车辆和车辆周围状态；通过超声波传感器感知与周围车辆或障碍物的距离。
路侧节点安装于隧道内道路两侧且易于维护的位置、安装间距可调、由隧道电路系统供电，包括主控芯片、射频通信单元、RFID读写器、LED提示灯4G网络模块和电源模块，通过供电和接口连接，搭建RFID识别系统，供隧道内的车辆读取信息。
所述路侧节点采用隧道电路系统供电，所述RFID读写器实时记录车辆数量，所述微控制器接收到来自车辆的信息；所述4G网络模块与公用Internet网络连接，将信息上传到服务器，提醒驾驶员提前选择更换行车路线；所述LED提示灯通过闪烁提醒周围车辆达到预警效果。
有益效果：与现有技术相比，本实用新型利用ZigBee无线传感网技术，选用网状网络拓扑结构、硬件微控制电路，降低了系统功耗，且设计简单可靠、组网灵活方便；响应延迟稳定在较小水平，留给汽车驾驶员的反应和刹车制动时间充足，平均误码率低，且在隧道中信号稳定，及时有效的辅助安全驾驶；以无线传感网为技术核心，易于部署，具有更高的灵活性、可维护性和可扩展性，降低了设计成本。
附图说明
图1为本实用新型的系统原理图；
图2为本实用新型的车辆节点；
图3为本实用新型的路侧节点；
图4为本实用新型的系统节点流程。
具体实施方式
下面结合说明书附图和具体实施方式对本实用新型技术方案做详细说明。
本实用新型主要包括车辆节点和路侧节点两个部分。
一：车辆节点
车辆节点的硬件控制电路(MCU)采用意法半导体公司基于Corte-M3内核设计的32位增强型微控制器STM32F103作为主控芯片。芯片最高工作频率达72MHz，拥有2个DMA控制器，3个16位定时器,2个I2C接口和SPI接口，3个USARTA接口，片内资源丰富，功耗低，嵌入式程序开发极为方便。
选用TI公司的SoC芯片CC2530作为射频单元，其具有101dB的链路质量，优秀的灵敏度和抗干扰性，拥有增强型8051内核并结合了基于2.4GHz的高性能RF收发器，更由于外设丰富、体积小、功耗低。光敏传感器采用GY-30模块作为感知原件，与STM32F103微控制器通过I2C通信，采用低电平触发的工作模式，根据不同的光照强度向控制中心MCU做出响应。使用ADXL345加速度计作为加速度感知模块，可以测量运动或冲击导致的动态加速度以及用作独立元件嵌入到车辆节点中。GPS模块采用BLOX6M，其灵敏度高,功耗低,相较于普通GPS，适合用于车辆密集且狭窄的隧道空间中。所有模块不需要进行软件设计，本实用新型的无线模块只进行了接口设计。整个车辆节点的硬件框架如图2所示，CC2530射频单元与STM32F103微控制器之间依靠SPI通信,与GPS模块通过串口通信。
车辆节点使用车载电源供电，通过与GPS模块、光感传感器、加速度感应器等感知器件连接，随时获取自身和周围车辆状态，超声波传感器用于感知与周围车辆和障碍物的距离。车辆行驶过程中，当两车处于超声波传感器可感知的相对位置，MCUSTM32F103微控制器会开启工作,首先收集车辆信息，然后经过应用层的程序分析，将判断结果提供给驾驶员作为参考。基于车辆间的通信平台可扩展多种应用，将详细描述其中3个应用场景。
1)行驶中的车辆处于可感知的相对位置，不存在异常行为(即行驶状态安全)，MCU获得信息，经过应用层程序分析判断为信息不相关，丢弃该信息并继续接受来自于其他车辆的信息。
2)AB两车辆处于可感知的相对位置，车辆A存在异常行为如车辆急刹车，突然变道加速等，车辆B的MCU通过无线通信模块获得A车辆的状态信息，结合自身车辆传感器的信息，经过应用层程序处理后判断为有效信息，通过人机交互设备反馈给驾驶员进行预警，提醒驾驶员小心驾驶或者更换驾驶路线，并通过无线信息模块反馈给A车辆和路侧节点。
3)路侧节点检测到隧道内有车辆发生异常行为或者发生事故(车辆在一定时间内没有输出位移信息)，则通过隧道内的路侧节点，将信息传送给隧道内车辆与隧道口附近即将驶入隧道内的车辆。
二：路侧节点
路侧节点安装于隧道内道路两侧且易于维护的位置，使用隧道电路系统供电；路侧节点安装的间距可根据实际不同路面的车辆近似制动距离调整，例如50米间距适用于沥青和混凝土路面。
如图3所示，路侧节点硬件电路采用STM32F103微控制器作为主控单元，配备RFID读写器，LED提示灯与4G网络模块，依然采用CC2530芯片作为射频通信单元，节点采用外接电源供电。LED提示灯的供电电路采用AC-DC转换输出的3.3V、12V、24V供电。AC-DC模块使用DIODES公司的AL6562芯片和TPS54040作为电路的转换模块。通过交直流转换与AL6562校正功率因数电路得到24V与12V工作电压，24V作为LED提示灯的正极输入电压。TPS54040芯片构成的电压转换电路输出3.3V电压为STM32F103微控制器供电。RFID读写器采用捷通科技公司的R2000四口模块JT-918，JT-918是一款低成本、超高频的高性能电子标签读写器模块，默认工作频段为902MHz到928MHz，在相应标签配合下，读取距离可稳定25m，配合简单的供电及接口路，可迅速搭建RFID识别系统，适用于隧道内的车辆读取。
路侧节点使用隧道电路系统供电，当有车辆经过路侧节点，RFID读写器实时记录车辆数量，且STM32F103微控制器接收到来自车辆的信息。若检测到车辆有异常行为或者发生事故，则通过SPI通信传递给周围车辆，如果隧道内有基站节点，可通过4G网络模块与公用Internet网络连接上传到服务器，方便驾驶员提前选择更换行车路线，同时LED提示灯通过闪烁提醒周围车辆达到预警效果。
三:软件设计
本实用新型软件设计部分主要包括是ZigBee无线网络节点软件设计和无线通信模块软件设计。
系统中MCUSTM32F103编程采用了ST公司的制作的库STM32F10x_StdPeriph_Lib_V3.5.0,CC2530芯片编程则采用了TI公司的Z-Stack协议栈。系统采用IAR集成开发环境，IAR是一款C语言交叉的编译器，能够直接使用TI公司提供的Z-Stack协议栈进行二次开发。系统控制如图4所示，MCU开机并进行初始化，车辆行驶在隧道中行驶，各种感知元件工作，随时检测车辆状态和驾驶行为，并向自身和相邻车辆CC2530芯片发送消息。经过信息的获取和处理，若MCUSTM32F103微控制器判定为信息相关,则进行预警，若不相关，则丢弃信息,CC2530芯片继续工作。
工作过程中,Z-Stack中产生SPI接收信息SPI_INCOMING_ZAPP_DATA时，程序会分析数据包类型，若是信息相关(即出现异常驾驶行为)，便会调用射频函数向相邻车辆节点发送提醒，若是信息不相关，则丢弃信息，更新相邻车辆节点列表。当Z-Stack接收了信息AF_INCOMING_MSG_CMD时，MCUSTM32F103微控制器将进行数据包信息处理。
Claims (5)
1.一种基于ZigBee的隧道安全驾驶系统，其特征在于：车辆节点和路侧节点；所述车辆节点与所述路侧节点通过ZigBee无线网络进行通讯，所述车辆节点随时获取节点位置、异常速度变化和临近车辆的距离信息，对隧道中突发状况进行安全预警。
2.根据权利要求1所述的基于ZigBee的隧道安全驾驶系统，其特征在于：所述车辆节点安装于车辆内、直接连接车载电源外挂使用，包括射频通信单元、主控芯片、无线通信模块、人机交互设备、光感传感器、加速度感应器、GPS模块、超声波传感器；所述射频通信单元与所述主控芯片通过SPI通信，与GPS模块通过串口通信。
3.根据权利要求1所述的基于ZigBee的隧道安全驾驶系统，其特征在于：所述车辆节点采用车载电源供电，通过光感传感器、加速度感应器、GPS模块实时获取车辆和车辆周围状态；通过超声波传感器感知与周围车辆或障碍物的距离。
4.根据权利要求1所述的基于ZigBee的隧道安全驾驶系统，其特征在于：所述路侧节点安装于隧道内道路两侧且易于维护的位置、安装间距可调、由隧道电路系统供电，包括主控芯片、射频通信单元、RFID读写器、LED提示灯、4G网络模块和电源模块，通过供电和接口连接，搭建RFID识别系统，供隧道内的车辆读取信息。
5.根据权利要求4所述的基于ZigBee的隧道安全驾驶系统，其特征在于：所述路侧节点采用隧道电路系统供电，所述RFID读写器实时记录车辆数量；所述4G网络模块与公用Internet网络连接，将信息上传到服务器，提醒驾驶员提前选择更换行车路线；所述LED提示灯通过闪烁提醒周围车辆达到预警效果。
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| CN202020029888.2U CN211684855U (zh) | 2020-01-08 | 2020-01-08 | 基于ZigBee的隧道安全驾驶系统 |
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| CN202020029888.2U CN211684855U (zh) | 2020-01-08 | 2020-01-08 | 基于ZigBee的隧道安全驾驶系统 |
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| CN (1) | CN211684855U (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112927506A (zh) * | 2021-01-29 | 2021-06-08 | 西安航空学院 | 一种基于大数据的隧道安全监测系统 |
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2020
- 2020-01-08 CN CN202020029888.2U patent/CN211684855U/zh active Active
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