总第１５卷１７１期 ２０１３年１１月 大众科技 Ｐｏｐｕｌａｒ Ｓｃｉｅｎｃｅ＆Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｖ０Ｉｌ１５ Ｎｏ．１１ Ｎｏｖｅｍｂｅｒ ２０１ ３ 高速公路汽车防碰撞预警系统的通信协议设计 邹光寿蔡启仲蓝全钊翁超包华倩潘绍明 （广西科技大学电气与信息工程学院，广西柳州５４５００６） 【摘要】文章根据自主设计的一种高速公路汽车防碰撞预警系统，车载装置检测车辆运行状况，判断车辆运行是否异常 或有故障，自动或手动发送信息预警，高速公路路边装置接收车栽装置的信息，根据信息类型向该车辆行驶方向后面的路边装 置发送信息，后面的路边装置将车辆前方的交通异常状况发送给车载装置。文章中构建Ｚｉｇｂｅｅ无线网络，设计无线通信协议， 规范了车载装置与路边装置，路边装置相互之间，车载装置与入口测试启动装置，出ｉ＝１关闭装置，通信频率设置的通信协议， 给出了程序流程图，经过测试满足高速公路汽车防碰撞预警系统的应用要求。 【关键词】高速公路；汽车防撞；Ｚｉｇｂｅｅ；ＣＣ２５３０ 【中图分类号】ＴＰ３１ 【文献标识码】Ａ 【文章编号】１００８．１１５１（２０１３）１１－００１３．０３ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｐｒｏｔｏｃｏｌ ｆｏｒ ａｕｔｏｍｏｔｉｖｅ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｗａｒｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａ ｈｉｇｈｗａｙ ｍｏｔｏｒ ｖｅｈｉｃｌｅ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｗａｒｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ，ａｕｔｏｎｏｍｏｕｓ ｓｐｅｅｄ ｈｉｇｈｗａｙ—ｖｅｈｉｃｌｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ｏｎ ｖｅｈｉｃｌｅｓ，ａｎｄ ｔｏ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅ ｗｈｅｔｈｅｒ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅ ｓｐｅｅｄ ｓｅｔ ｓｅｃｕｒｉｔｙ ｖａｌｕｅ ｂｅｌｏｗ ｔｈｅ ｈｉｇｈｗａｙ ａｕｔｏｍａｔｉｃａｌｌｙ，ｙｏｕ ｃａｎ ｍａｎｕａｌｌｙ ｓｅｎｄ ｍｅｓｓａｇｅ ｗａｒｎｉｎｇ， ｒｅｅｗａｙ ｏｎ—ｒａｍｐ ｔｆｅｓｔ ｓｔａｒｔｅｒ ｏｎ ｈｉｇｈｗａｙ ｖｅｈｉｃｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ｄｅｖｉｃｅ，ｓｔａｒｔ ｔｈｅ ｈｉｇｈｗａｙ—ｖｅｈｉｃｌｅ ｄｅｖｉｃｅ，ｓｅｔ ｕｐ ｓａｆｅ ｓｐｅｅｄ ｌｉｍｉｔ， Ｈｉｇｈｗａｙ ｄｏｓｅｄ ｈｉｈｗａｙｓｇ ｃｌｏｓｅｄ ｄｅｖｉｃｅ—ｖｅｈｉｃｌｅ ｄｅｖｉｃｅ ｆｅａｔｕｒｅｓ Ｈｉｇｈｗａｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｒａｖｅｌ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｓｅｔｔｉｎｇｓ，ｄｅｖｉｃｅ ｓｅｔｔｉｎｇｓ Ｈｉｇｈｗａｙ ｔｒｕｃｋ—ｍｏｕｎｔｅｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎｓ ｄｅｖｉｃｅ ｉｎ ｔｈｅ ｉｇｈｈｗａｙ ｄｉｒｅｃｔｉｏｎ ｒｆｅｑｕｅｎｃｉｅｓ，ｅｘｐｒｅｓｓｗａｙ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ａｎｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｄｅｖｉｃｅ ｒｅａｌ—ｒｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｏｆ ｖｅｈｉｃｌｅ ｔｒａｖｅｌ，ａｎｄ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｖｅｈｉｃｌｅｓ ａｒｅ ｉｎ ｎｏｒｍａｌ ｆｏｒｍ，ａｎｔｉ—ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｗａｒｎｉｎｇ ｏｕｔｐｕｔ；Ｔｈｅ ｈｉｇｈｗａｙ ｖｅｈｉｃｌｅ ｃｏｌｌｉｓｉｏｎ ｗａｒｎｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍｓ ｃａｎ ｂｅ ｍｏｎｉｔｏｒｅｄ ｉｎ ｒｅａｌ ｔｉｍｅ ａｎｄ ｒｅｃｅｉｖｅ ｔｈｅ ａｂｎｏｒｍａｌ ｔｒａｆｆｉｃ ｓａｆｅｔｙ ｗａｒｕｉｎｇｓ ａｈｅａｄ，ｓｅｎｔ ｔｈｅ ｓａｆｅ ｓｐｅｅｄ ｌｉｍｉｔ ｖａｌｕｅｓ ｄｕｅ ｔｏ ｗｅａｔｈｅｒ ａｎｄ ｒｏａｄ ｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ ｃｈａｎｇｅ，ｉｍｐｒｏｖｅｓ ｔｈｅ ｓａｆｅｔｙ ｏｆ ｈｉｇｈｗａｙ ｔｒａｆｆｉｃ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｈｉｇｈｗａｙ ｄｅｖｉｃｅ ｓｙｓｔｅｍ；Ｚｉｇｂｅｅ；ｎｅｔｗｏｒｋ ｔｏｐｏｌｏｇｙ；ＣＣ２５３０ 根据资料统计，在公路交通事故中，因各种原因造成的 车辆碰撞追尾事故占有非常高的比例，特别是在雨、雪、雾 及夜间等能见度差的恶劣条件下，由于驾驶员难以看清前方 的车辆及障碍物，非常容易发生车辆碰撞事故，这一现象在 高速公路中表现的尤为突出。高速公路由于车速快，车辆多， 所以稍有疏忽就可能发生追尾碰撞，而一旦发生碰撞事故、 往往是几辆、几十辆甚至上百辆车相互碰撞在一起，造成巨 丘的不开阔的环境下，摄像作用受限，若覆盖高速公路全路 段，摄像成本及中控室成本高，中控室值班人员２４ｄ＇时监看， 如果发现安全异常情况，可以锁定路段和车辆，通知交警处 理。文章中设计的一种高速公路汽车防碰撞预警系统，旨在 解决目前高速公路汽车防碰撞的方式的不足，关键在于及时 获得车辆运行的状态，如车辆故障停车、车辆车速过慢、车 辆减速等，构建Ｚｉｇｂｅｅ无线网络及时的把车辆运行异常的信 息向后方的车辆发布，以确保安全的行车距离。 大的损失。欧洲的一项研究表明驾驶员只要在有碰撞危险０．５ 秒前得到“预警”，能避免５０％的碰撞事故。若在１秒钟前得 到“预警”则可避免９０％的事故发生Ⅲ。目前，高速公路汽车 １高速路防撞预警系统的总体概述 设计的高速公路防碰撞预警系统示意图如图１所示，高 防碰撞的方法主要有主动处理型和被动摄像图像处理方式， 主动处理型安装车载防碰撞装置，只针对本车有防碰撞预警 速公路汽车防碰撞系统包括高速路路边装置、车载装置、高 速路出入口装置，频率设置装置，出口装置。针对高速公路 的效果。被动摄像图像处理方式在道路存在弯道、两侧有山 【收稿日期】２０１ ３－０５－２２ 【基金项目】广西２０１２年度“大学生创新创业训练计划”项目（编号：２８）。 【作者简介】邹光寿（１９８７一），男，广西科技大学电气与信息工程学院在读生；蓝全钊（１９８８一），男，广西科技大学电 气与信息工程学院在读生；翁超（１９８９一），男，广西科技大学电气与信息工程学院在读生；包华倩（１９８８一），女，广西科技 大学电气与信息工程学院在读生。 【通讯作者】蔡启仲，广西科技大学电气与信息工程学院教授，研究方向为嵌入式系统与自动化装置；潘绍明，广西科技 大学电气与信息工程学院副教授，研究方向为嵌入式系统与测控装置。 ．１３． 汽车行驶的每个方向设置１个通信频率，安装一组监测汽车 行驶状态的高速路装置。高速路装置应用Ｚｉｇｂｅｅ进行组网。 每辆汽车配置一个车载装置。高速路路边装置负责接收车载 装置传送过来的车辆不正常行驶信息（主要包括事故，故障 停车、低速等信息），并把道路交通异常的信息通过无线方 式发送至后面的高速路路边装置，后面的路边装置能够对该 方向行驶的车辆发送前方道路交通异常的信息，达到预警作 用。车载装置检测本车的行驶情况，与路边装置有着统一的 通信接口和通信机制，可以接收和回应高速路路边装置的信 息询问或预警信息。高速路出入口装置负责开启、关闭车载 装置，安装在每个辅道边的频率设置装置对车载装置进行频 率设定，达到区分两个行驶方向的车辆不会相互干扰的作用。 图１系统结构框图 ２无线通信的功能要求 无线通信在整个预警系统中的作用有以下几点： （１）承担整个预警系统的信息传递的协调统一。涉及到 车载装置、路边装置、入口和出口装置，频率设置装置。 ①入口装置与车载装置的通信；入口装置用来启动车载 装置的预警功能，以达到进入高速公路时开启预警功能，同 时检测车载装置是否正常。 ②出口装置与车载装置的通信；出口装置用来关闭车载 装置的预警功能，以达到驶离高速公路时关闭预警功能，从 而不影响到其他路段的驾驶。 ③频率设置装置与车载装置的通信；在汽车驶进高速公 路的时候必须根据行驶方向的不同而设定不同的通信频率， 以达到两个行驶方向的车辆内的通信互不干扰。 ④车载装置与路边装置的通信；当车载装置检测到自身 车辆行驶不正常（车速过低或者超速）的时候车载装置就将 车辆的异常信息发送到路边装置。 ⑤路边装置与路边装置的通信；当路边装置接收到来自 于车载装置的异常信息的时候，通过判断是低速或者超速异 常后决定往预警信号是前方或者后方进行继续转发。 （２）承担高速公路汽车防碰撞预警系统信息传递的可靠 性。高速公路汽车防碰撞预警系统主要针对是行驶在高速路 上的车辆，防止汽车碰撞事故的发生，而整个系统的设计是 以通信内容的标准来衡量和判断其他车辆是否有行驶异常信 息，这样就必须涉及到数据内容以及数据格式的问题，数据 内容以及格式必须要满足必要的要求而又不能浪费，传输的 数据必须包含该有的信息包括装置类型、故障类型、节点地 址。 ３无线网络拓扑通信协议 ３．１通信通道的选择与设计 ＩＥＥＥ８０２．１５．４－２００６指定ｌ６个通道，它们位于２．４ＧＨｚ 频段之内，步长为５ ＭＨｚ，编号为１ｌ～２６。ＣＣ２５３０芯片的 ＲＦ内核支载波频率范围是２３９４ＭＨｚ到２５０７ＭＨｚ。频率载波可 以通过编程来设定，位于ＦＲＥＱＣＴＲＬ．ＦＲＥＱ［６：０］的７位频率字 设置。 ｆｃ＝２４０５＋５（ｋ－Ｉ１）［ＭＨｚ］ｋ∈［１１，２６］ 对于操作在通道ｋ，ＦＲＥＱＣＴＲＬ．ＦＲＥＱ寄存器因此设置为 ＦＲＥＱＣＴＲＬ．ＦＲＥＱ＝Ｉ１＋５（ｋ一１１），这些设置都是在软件中完成 设置的。 针对于文章中的系统，在高速公路上有左右两个方向行 驶的车辆，而当往左方向行驶的车辆出现故障的时候，只是 需要预警给往同方向（左方向）的车辆而已，而往右方向行 驶的车辆不需要预警。所以就针对往左和往右分别设置两个 不一样的信道，左边的路边装置和往左的车载装置的通信通 道为Ａ，右边的路边装置和往一的车载装置的通信通道为Ｂ， 本系统中Ａ设置为２５通道，即载波频率为ｆｃｌ＝２４０５＋５（２５ １１）＝２４７５ＭＨｚ，Ｂ设置为１２通道，即载波频率为ｆｃｌ：２４０５ ＋５（１２－ｉ１）＝２４１０ＭＨｚ，这样就能达到两个方向的通信互不干 扰了。 ３．２数据格式的设计 自定义数据格式如表１所述，具体含义如下。 表１自定义数据基本格式 字节１ ｌ字节２ 字节３ Ｂｉｔ７ ｆＢｉｔ６ ＩＢｉｔ５ Ｂｉｔ４ Ｂｉｔ３ Ｂｉｔ２ Ｂｉｔ１ ｆＢｉｔＯ 节点地址 询问、应答 故障等级 装置类型 主动发送 速度异常类型 字节卜字节２：用于存放本节点的地址，数据包的来源 节点地址，其中字节１存放高八位地址，字节２存放第八位 地址，如地址Ｏｘ７ｄ２ａ，则ｂｙｔｅｌ＝０ｘ７ｄ，ｂｙｔｅ２＝０ｘ２ａ￣ 字节３：规范装置的类型，询问与应答，故障等级和速度异常 类型的信息。 Ｂｉｔ７－Ｂｉｔ５：区分此数据包是来自哪种装置类型；０００： 入口装置；００１：出口装置；０１０：车载装置；０１１：路边装置； １００：频率设置装置。 Ｂｉｔ４－Ｂｉｔ３：确定信息是询问还是应答，或主动发送。００： 询问信息；０ｌ：应答信息；１０：主动发送。 Ｂｉｔ２一Ｂｉｔ０：故障等级、速度异常类型的编码，用于车载 装置向路边装置发送的信息，以及路边装置向其它路边装置 发送信息，该信息负载主要目的是提高故障信息传输的实时 性。０００：车速低于安全速度；００１：车速高于安全速度；０１０： 车速低速运行时间超过设置的时间；Ｏ１ １：车辆故障但停在辅 ．１４． 道；１００：车辆故障在一条行车道停车；１０１：车辆故障占用 ５结束语 文章在分析自主设计的高速公路汽车防碰撞预警系统的 通信要求基础之上，应用Ｚｉｇｂｅｅ构建无线网络，设计无线通 信协议，规范了该防碰撞预警系统各功能模块之间的通信格 式和方式，设计了程序流程图，经过实验室和道路车辆运行 的初步测试满足高速公路汽车防碰撞预警系统的应用要求。 了两条行车道停车；ｌ１１：车辆碰撞占用行车道。 高速公路入口处：车载装置接收到人口装置发送的字节３ 的内容后，自检之后发送一个字节的信息，Ｂｉｔ７一Ｂｉｔ５， Ｂｉｔ４一Ｂｉｔ３的定义与表１的自定义数据基本格式相同， Ｂｉｔ２一ＢｉｔＯ：０００：车载装置工作正常；００１：车载装置工作不 正常。 频率设置装置：属于向车载装置主动发送信息，但对表１ 字节３的数据基本格式的Ｂｉｔ４－Ｂｉｔ３和Ｂｉｔ２－ＢｉｔＯ进行了新 的定义，Ｂｉｔ４一ＢｉｔＯ定义为频率设置值。 【参考文献】 【１】 吕立波．汽车防撞报警系统的研究和开发田．大学学 报．２００２（０６）． 车载装置与路边装置之间的通信，路边装置相互之间的 通信按照表１规范的格式通信。 高速公路出口装置：出口装置的通信格式只有表１字节３ 的数据基本格式的Ｂｉｔ７－Ｂｉｔ５为有效信息，车载装置接收到 信息，判断是出口装置发来的信息，自动关闭通信功能，提 醒驾驶员断开车载装置的电源。 ４软件设计 图２为车载装置主流程图，当车载装置接收到来自于路 边装置的预警信号后，根据数据格式的编码解析出预警信号 的重要信息，是前面的低速预警或者是后方的超速预警，而 做出相应的声光预警。同时车载装置一直在检测自身车辆存 不存在行驶异常的状况，一旦异常存在则按照规定的数据格 式往路边装置发送预警信息，如果接收不到路边装置的应答 信号，继续发送。 图３为路边装置主流程图，当路边装置接收到来自于车 载装置的预警信号后，根据数据格式的编码解析出预警信号 的重要信息，并且再次发送询问信号确认车载装置是否真的 是异常行驶，如果获得了确认，再根据接收到的数据格式解 析出必要信息，从而对此预警信号进行转发给其他装置。 Ｉ 厦盘—Ｆ二 —］ 往路边装置发预警信息１ Ｉ 图２车载装置主流程图 图３路边装置主流程图 ．１５． ［２１ 陈勇，黄席樾，杨尚罡．汽车防撞预警系统的研究与发展Ⅱ］． 计算机仿真，２００６．１２，２３（１２）． 【３］张蛟蛟，张宏．ＺＩＧＢＥＥ技术在公路监控中的应用研究Ⅱ】． 中国交通信息产业，２０１２．０２． ［４】王英，许可．基于ＵＷＢ无线定位的汽车防撞系统设计Ｕ】． 重庆邮电大学学报（自然科学），２０１０．１２，２２（０６）． 『５ 伏德雨，５］吴平，毛万华．ＺｉｇＢｅｅ在高速公路不停车收费系统 中的应用Ｕ】．单片机与嵌入式系统应用，２００８（￣． Ｉ６ 白光，６１冯涛，崔尧．基于ＧＰＳ和ＧＰＲＳ的高速公路车速实时 检测系统设计卟科技资讯，２０１１（３０）． 【７】 刘振文，邓毅华，彭友斌．基于ＣＣ２５００的２．４ＧＨｚ ＲＦＩＤ系 统设计卟测控技术与仪器仪表，２００８（０７）． 【８】 刘函林，黄华．基于ｚｉｇＢｅｅ的高速公路防相撞系统设计与 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