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陈彤云出诊时间:基于STM32和Zigbee的车路协同系统设计

时间: 2019-08-09阅读:

摘要:该文以发展智能交通嵌入式软硬件交互设计为主旨,将智能交通发展方向为切入点,采用STM32系列微控制器与Zigbee无线通信模块为基础,实现车载终端与路协装置的无线通讯,完成了交通数据信息的实时发送与接收。使用Keil搭建软件开发环境,设计出一套包含车载单元(OBU)和路侧单元(RSU)的完整的车路协同系统。提高了车辆出行的有效性,安全性与舒适性,实现了车路协同系统中车载终端和路侧装置的智能交互。

关键词:STM32;Zigbee;车路协同系统

中图分类号:G642 文献标识码:A 文章编号:1009-3044(2019)04-0214-02

车路协同系统(Cooperative Vehicle Infrastructure System,簡称 CVIS)是以道路车辆自身传感器的智能感知与道路交通路侧装置的信息交互数据智能为理念,其基本思想是运用多学科交叉融合的方法与无线网络先进技术,依赖于各种设备之间的无线通信,通信的终端有车载设备、路侧装置,交通基站等。该系统充分利用大数据云计算,实现人、车、路三位一体多组合方式的协调发展。依靠智能车路协同技术提供为交通信息的交叉融合处理提供有效数据,实现车路动态信息实时交互[1]。有效地增强了车对道路交通环境动态的感知能力,在有效性,舒适性,安全性等方面为驾驶人提出合理的驾驶建议,最终驾驶员辨识对自身最优交通信息,做出合理的交通驾驶行为。提高道路行驶安全和交通利用效,有效地减少了车辆拥堵情况,减少了交通事故的发生。车路协同技术为解决复杂交通问题供了一种有效的方法,并对智能交通的无人车发展具有深远意义。

1 国内外发展状况

随着互联网时代的快速发展,汽车电子信息化集成度不断增强,汽车互联网时代已经到来。ADAS(Advanced Driver Assistance Systems)高级驾驶辅助系统已成为汽车领域的最大热点,但ADAS 系统存在先天的缺陷在以毫米波雷达配合摄像头这种驾驶辅助环境中,采用(V2X,Vehicle-To-Everything)车辆与其他终端的通讯信息交互的形式可以有效增强辅助驾驶的安全性能[2]。车辆协同式的道路交通发展模式,可以与之形成良好的互补。车路协同系统采用车载终端与路协装置的无线通信方式,可实现动态的车辆信息交互方式,人-车、车-车、车-路侧装置之间的信息传递的基础上形成车辆主动安全控制和道路协同管理模式。

2 车路协同系统整体结构及设计方案

2.1 系统总体结构设计

车路协同系统是智能交通系统的新发展方向,本设计采用Zigbee无线通讯、新型互联网、计算机信息等技术,通过车载终端采集车辆自身信息及其路面信息,路侧设备获取交通传感器网络采集得到的数据, 传递给交通数据通信中心,系统平台应用云计算对车辆信息数据进行处理,分析数据并做出响应, 实现车-车通信,车-路通信,可实现交通智能指挥,交通执法,提高了道路交通的通行效率。基于STM32的Zigbee 无线通信的车路协同系统总结构如图1所示。

智能车载系统通过车辆姿态传感器、车载摄像头、雷达传感器实现对周围交通环境状态感知,车辆传感器的数据采集可以完成对车辆的行驶状态(方向,坐标,速度)的感知和对车辆驾驶行为的分析,车辆可通过车载终端的Zigbee无线装置接收到其他车辆的共享信息与路侧装置发出的信息[3]。车载系统可提供人机交互,并控制整车系统运行。无线车载终端是安装在车辆上的传感器节点,可实现车辆的:数据采集、数据传输、车辆定位和状态报告。

路侧系统主要由控制单元,Zigbee无线通信装置和路侧信息采集子装置组成,路侧传感器采集各种交通路面信息,交通异常、交通流状态和天气状况等信息。通信装置负责路侧设备与控制中心、路侧设备与路侧设备、路侧设备与车辆的数据信息交互。控制单元主要功能是处理整个路侧系统的有效信息保证系统的有序运转。多种方式采集交通路况的信息数据,并对信息进行分类、处理、融合,计算,通过Zigbee无线通信发布给车辆。车路协同系统将交通系统分为:智能车载系统、智能路侧系统、车辆驾驶员三部分组成结构如图2。

3硬件设计

3.1 STM32微处理器模块

硬件上以ST 半导体公司的基于32位的Cortex-M3内核STM32系列微控制器为基础,最高工作频率72 MHz ,1.25D MIPS/MHz ,最多可用13个通信接口,2个IIC接口,5个USART接口,3个SPI接口,CAN接口和USB2.0全速接口,是一款运行速度快、低功耗、低成本的芯片。

3.2 Zigbee无线通讯模块

Zigbee无线通讯技术具有低功耗、低成本、低复杂度、低速率等特点,分为对等结构、树簇结构、星形结构三种拓扑结构。工作频带:2.4GHz、915MHz 和 868MHz[4]。终端节点可以实现网络报文的发送与接收;路由器用来建立信息的双向传递,寻找、建立、修复网络报文;协调器是组建和执行网络的管理者。无线模块采用低功耗CC2530 芯片,内部集成并兼容了标准协议规范的控制器,收发器和存储器,模块与车载终端应用接口连接,终端上配置SIM卡读卡器,应用SIM卡的ID作为唯一的通讯地址,来接收与发送信息,并可将数据信息存储在卡中,终端可接收路段信息并更新到存储单元中。 协调器与车载终端进行信息交互,主控制器处理相关信息并存入存储器中[5]。

根据系统的目标需求设计了CAN采集模块电路,GPS定位模块电路、外部存储模块电路,液晶显示电路、报警电路和调试测试接口电路等,同时预留扩展了多种外设接口,以兼容多种外设接口类型的设备。主控单元部分是整个系统的控制核心,用于完成对外围设备接口的信号采集和处理工作,并控制完成整个过程的数据交换处理。Zigbee无线车载设备是安装在车辆上的终端节点,可实现车辆对路面的数据采集,车辆定位,状态报告,数据传输,同时可以完成车-车信息交互的任务[6]。

4 软件设计

4.1 ZigBee无信通信程序

ZigBee通信网络系统由一个协调器和多个终端节点构成,各终端节点负责车辆及其路测信心的采集,网络初始化之后,各终端节点首先请求加入协调器发起的Zig- Bee 网络,协调器发现有入网请求后进行组网,之后各终端节点将采集数据发送至协调器,接着由协调器经串口发送至STM32。

ZigBee 无线模块的车路协同终端形成组网结构,使得网关操控部分非常稳定,通过对单片机强大的固件库的使用,不需要复杂的操作系统支持,开发结构层次简易化,使得操作方便简单。终端显示采用触摸屏显示,驾驶员可对所需功能信息进行选择,可以选择交通道路识别模式和车辆信息识别模式。交通信息模式可显示当前道路限速数值、路口红绿灯状况、规划路线道路拥堵情况等,车辆信息模式可以显示当前车辆车速,单次驾驶里程信息,车内外温度,车辆车灯信息和超车辅助信息等。基于STM32的Zigbee车路协同系统主要实现在驾驶模式下对周围环境路况信息的感知,为驾驶员提供安全驾驶辅助信息,给出驾驶员系统辅助驾驶建议,提高了车辆出行的安全性。

5 总结

基于STM32微控制器和ZigBee通信网络的车路协同设备一体化解决方案,摆脱传统的专用短程通信协议和移动蜂窝协议,将ZigBee无线传输协议应用到车路协同系统中,有效提高了系统的安全性、可靠性、降低了系统的功耗和成本,拓展智能交通、智慧城市、智慧园区等相关项目。

参考文献:

[1] 陈超,吕植勇,付珊珊.国内外车路协同系统发展现状综述[J].交通信息与全,2011,29(1):102-109.

[1] 童林.基于ZigBee的区域无线控制系统[D].中国科学技术大学,2010.

[2] 罗亮红.基于ZigBee的车路协同关键技术研究[D].华南理工大学,2010.

[3] 张豫鹤,黄希,崔莉. 面向交通信息采集的无线传感器网络节点[J].计算机研究与发展,2008,45(1):110-118.

[4] 刘辉.Zigbee无线传感器网络的设计与应用[D].苏州:苏州大学硕士学位论文,2007.4.

[5] 凌志浩.Zigbee无线通信技术及其应用研究[J].华东理工大学学报(自然科学版),2006,32(7):801-805.

[6]卢杉.基于ZigBee的无线传感器网络协议栈的设计与实现[D].西安電子科技大学,2011.

【通联编辑:王力】

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