白云龍 楊開欣 陳曉韋 董海博 郭謹(jǐn)瑋

摘要：該文以發(fā)展智能交通嵌入式軟硬件交互設(shè)計(jì)為主旨，將智能交通發(fā)展方向?yàn)榍腥朦c(diǎn)，采用STM32系列微控制器與Zigbee無線通信模塊為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)車載終端與路協(xié)裝置的無線通訊，完成了交通數(shù)據(jù)信息的實(shí)時(shí)發(fā)送與接收。使用Keil搭建軟件開發(fā)環(huán)境，設(shè)計(jì)出一套包含車載單元（OBU）和路側(cè)單元（RSU）的完整的車路協(xié)同系統(tǒng)。提高了車輛出行的有效性，安全性與舒適性，實(shí)現(xiàn)了車路協(xié)同系統(tǒng)中車載終端和路側(cè)裝置的智能交互。

關(guān)鍵詞：STM32；Zigbee；車路協(xié)同系統(tǒng)

中圖分類號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2019）04-0214-02

車路協(xié)同系統(tǒng)（Cooperative Vehicle Infrastructure System，簡稱 CVIS）是以道路車輛自身傳感器的智能感知與道路交通路側(cè)裝置的信息交互數(shù)據(jù)智能為理念，其基本思想是運(yùn)用多學(xué)科交叉融合的方法與無線網(wǎng)絡(luò)先進(jìn)技術(shù)，依賴于各種設(shè)備之間的無線通信，通信的終端有車載設(shè)備、路側(cè)裝置，交通基站等。該系統(tǒng)充分利用大數(shù)據(jù)云計(jì)算，實(shí)現(xiàn)人、車、路三位一體多組合方式的協(xié)調(diào)發(fā)展。依靠智能車路協(xié)同技術(shù)提供為交通信息的交叉融合處理提供有效數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車路動(dòng)態(tài)信息實(shí)時(shí)交互[1]。有效地增強(qiáng)了車對(duì)道路交通環(huán)境動(dòng)態(tài)的感知能力，在有效性，舒適性，安全性等方面為駕駛?cè)颂岢龊侠淼鸟{駛建議，最終駕駛員辨識(shí)對(duì)自身最優(yōu)交通信息，做出合理的交通駕駛行為。提高道路行駛安全和交通利用效，有效地減少了車輛擁堵情況，減少了交通事故的發(fā)生。車路協(xié)同技術(shù)為解決復(fù)雜交通問題供了一種有效的方法，并對(duì)智能交通的無人車發(fā)展具有深遠(yuǎn)意義。

1 國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的快速發(fā)展，汽車電子信息化集成度不斷增強(qiáng)，汽車互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代已經(jīng)到來。ADAS（Advanced Driver Assistance Systems）高級(jí)駕駛輔助系統(tǒng)已成為汽車領(lǐng)域的最大熱點(diǎn)，但ADAS 系統(tǒng)存在先天的缺陷在以毫米波雷達(dá)配合攝像頭這種駕駛輔助環(huán)境中，采用（V2X，Vehicle-To-Everything）車輛與其他終端的通訊信息交互的形式可以有效增強(qiáng)輔助駕駛的安全性能[2]。車輛協(xié)同式的道路交通發(fā)展模式，可以與之形成良好的互補(bǔ)。車路協(xié)同系統(tǒng)采用車載終端與路協(xié)裝置的無線通信方式，可實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)的車輛信息交互方式，人-車、車-車、車-路側(cè)裝置之間的信息傳遞的基礎(chǔ)上形成車輛主動(dòng)安全控制和道路協(xié)同管理模式。

2 車路協(xié)同系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方案

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

車路協(xié)同系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的新發(fā)展方向，本設(shè)計(jì)采用Zigbee無線通訊、新型互聯(lián)網(wǎng)、計(jì)算機(jī)信息等技術(shù)，通過車載終端采集車輛自身信息及其路面信息，路側(cè)設(shè)備獲取交通傳感器網(wǎng)絡(luò)采集得到的數(shù)據(jù)， 傳遞給交通數(shù)據(jù)通信中心，系統(tǒng)平臺(tái)應(yīng)用云計(jì)算對(duì)車輛信息數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，分析數(shù)據(jù)并做出響應(yīng)， 實(shí)現(xiàn)車-車通信，車-路通信，可實(shí)現(xiàn)交通智能指揮，交通執(zhí)法，提高了道路交通的通行效率。基于STM32的Zigbee 無線通信的車路協(xié)同系統(tǒng)總結(jié)構(gòu)如圖1所示。

智能車載系統(tǒng)通過車輛姿態(tài)傳感器、車載攝像頭、雷達(dá)傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)周圍交通環(huán)境狀態(tài)感知，車輛傳感器的數(shù)據(jù)采集可以完成對(duì)車輛的行駛狀態(tài)（方向，坐標(biāo)，速度）的感知和對(duì)車輛駕駛行為的分析，車輛可通過車載終端的Zigbee無線裝置接收到其他車輛的共享信息與路側(cè)裝置發(fā)出的信息[3]。車載系統(tǒng)可提供人機(jī)交互，并控制整車系統(tǒng)運(yùn)行。無線車載終端是安裝在車輛上的傳感器節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)車輛的：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、車輛定位和狀態(tài)報(bào)告。

路側(cè)系統(tǒng)主要由控制單元，Zigbee無線通信裝置和路側(cè)信息采集子裝置組成，路側(cè)傳感器采集各種交通路面信息，交通異常、交通流狀態(tài)和天氣狀況等信息。通信裝置負(fù)責(zé)路側(cè)設(shè)備與控制中心、路側(cè)設(shè)備與路側(cè)設(shè)備、路側(cè)設(shè)備與車輛的數(shù)據(jù)信息交互?？刂茊卧饕δ苁翘幚碚麄€(gè)路側(cè)系統(tǒng)的有效信息保證系統(tǒng)的有序運(yùn)轉(zhuǎn)。多種方式采集交通路況的信息數(shù)據(jù)，并對(duì)信息進(jìn)行分類、處理、融合，計(jì)算，通過Zigbee無線通信發(fā)布給車輛。車路協(xié)同系統(tǒng)將交通系統(tǒng)分為：智能車載系統(tǒng)、智能路側(cè)系統(tǒng)、車輛駕駛員三部分組成結(jié)構(gòu)如圖2。

3硬件設(shè)計(jì)

3.1 STM32微處理器模塊

硬件上以ST 半導(dǎo)體公司的基于32位的Cortex-M3內(nèi)核STM32系列微控制器為基礎(chǔ)，最高工作頻率72 MHz ，1.25D MIPS/MHz ，最多可用13個(gè)通信接口，2個(gè)IIC接口，5個(gè)USART接口，3個(gè)SPI接口，CAN接口和USB2.0全速接口，是一款運(yùn)行速度快、低功耗、低成本的芯片。

3.2 Zigbee無線通訊模塊

Zigbee無線通訊技術(shù)具有低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率等特點(diǎn)，分為對(duì)等結(jié)構(gòu)、樹簇結(jié)構(gòu)、星形結(jié)構(gòu)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。工作頻帶：2.4GHz、915MHz 和 868MHz[4]。終端節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文的發(fā)送與接收；路由器用來建立信息的雙向傳遞，尋找、建立、修復(fù)網(wǎng)絡(luò)報(bào)文；協(xié)調(diào)器是組建和執(zhí)行網(wǎng)絡(luò)的管理者。無線模塊采用低功耗CC2530 芯片，內(nèi)部集成并兼容了標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)范的控制器，收發(fā)器和存儲(chǔ)器，模塊與車載終端應(yīng)用接口連接，終端上配置SIM卡讀卡器，應(yīng)用SIM卡的ID作為唯一的通訊地址，來接收與發(fā)送信息，并可將數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)在卡中，終端可接收路段信息并更新到存儲(chǔ)單元中。 協(xié)調(diào)器與車載終端進(jìn)行信息交互，主控制器處理相關(guān)信息并存入存儲(chǔ)器中[5]。

根據(jù)系統(tǒng)的目標(biāo)需求設(shè)計(jì)了CAN采集模塊電路，GPS定位模塊電路、外部存儲(chǔ)模塊電路，液晶顯示電路、報(bào)警電路和調(diào)試測(cè)試接口電路等，同時(shí)預(yù)留擴(kuò)展了多種外設(shè)接口，以兼容多種外設(shè)接口類型的設(shè)備。主控單元部分是整個(gè)系統(tǒng)的控制核心，用于完成對(duì)外圍設(shè)備接口的信號(hào)采集和處理工作，并控制完成整個(gè)過程的數(shù)據(jù)交換處理。Zigbee無線車載設(shè)備是安裝在車輛上的終端節(jié)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)車輛對(duì)路面的數(shù)據(jù)采集，車輛定位，狀態(tài)報(bào)告，數(shù)據(jù)傳輸，同時(shí)可以完成車-車信息交互的任務(wù)[6]。

4 軟件設(shè)計(jì)

4.1 ZigBee無信通信程序

ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)由一個(gè)協(xié)調(diào)器和多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，各終端節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)車輛及其路測(cè)信心的采集，網(wǎng)絡(luò)初始化之后，各終端節(jié)點(diǎn)首先請(qǐng)求加入?yún)f(xié)調(diào)器發(fā)起的Zig- Bee 網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器發(fā)現(xiàn)有入網(wǎng)請(qǐng)求后進(jìn)行組網(wǎng)，之后各終端節(jié)點(diǎn)將采集數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器，接著由協(xié)調(diào)器經(jīng)串口發(fā)送至STM32。

ZigBee 無線模塊的車路協(xié)同終端形成組網(wǎng)結(jié)構(gòu)，使得網(wǎng)關(guān)操控部分非常穩(wěn)定，通過對(duì)單片機(jī)強(qiáng)大的固件庫的使用，不需要復(fù)雜的操作系統(tǒng)支持，開發(fā)結(jié)構(gòu)層次簡易化，使得操作方便簡單。終端顯示采用觸摸屏顯示，駕駛員可對(duì)所需功能信息進(jìn)行選擇，可以選擇交通道路識(shí)別模式和車輛信息識(shí)別模式。交通信息模式可顯示當(dāng)前道路限速數(shù)值、路口紅綠燈狀況、規(guī)劃路線道路擁堵情況等，車輛信息模式可以顯示當(dāng)前車輛車速，單次駕駛里程信息，車內(nèi)外溫度，車輛車燈信息和超車輔助信息等?；赟TM32的Zigbee車路協(xié)同系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)在駕駛模式下對(duì)周圍環(huán)境路況信息的感知，為駕駛員提供安全駕駛輔助信息，給出駕駛員系統(tǒng)輔助駕駛建議，提高了車輛出行的安全性。

5 總結(jié)

基于STM32微控制器和ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)的車路協(xié)同設(shè)備一體化解決方案，擺脫傳統(tǒng)的專用短程通信協(xié)議和移動(dòng)蜂窩協(xié)議，將ZigBee無線傳輸協(xié)議應(yīng)用到車路協(xié)同系統(tǒng)中，有效提高了系統(tǒng)的安全性、可靠性、降低了系統(tǒng)的功耗和成本，拓展智能交通、智慧城市、智慧園區(qū)等相關(guān)項(xiàng)目。

參考文獻(xiàn)：

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【通聯(lián)編輯：王力】