急轉(zhuǎn)彎會(huì)車預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案

針對(duì)道路中急轉(zhuǎn)彎處因盲區(qū)會(huì)車的信息采集、信息反饋、信息處理失誤而引發(fā)交通事故的問題，設(shè)計(jì)了新型實(shí)用的急轉(zhuǎn)彎會(huì)車提示預(yù)警系統(tǒng)。以TIMSP430MCU和CC1101低功耗多通道無線射頻內(nèi)核的CC430F5137芯片為控制核心,由地磁傳感器檢測(cè)采集車輛信息,系統(tǒng)中的兩塊大面積電子顯示屏給出信息告知預(yù)警,前方車況及時(shí)反饋到來向和去向的駕駛?cè)藛T。道路實(shí)地模擬測(cè)試表明該系統(tǒng)對(duì)于車輛在彎道處的良好檢測(cè)率,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)警示標(biāo)志的不足。急轉(zhuǎn)彎盲區(qū)道路安全解決方案在智能化交通上具有廣闊的應(yīng)用前景。

隨著社會(huì)對(duì)文明駕駛和交通安全的日益重視，人們不斷提高車輛駕駛的安全性和智能交通設(shè)施建設(shè)。其中我國(guó)山區(qū)公路地形復(fù)雜，路窄、彎道多、坡陡。車輛遇到彎道時(shí)，駕駛者對(duì)前方交通狀況缺乏足夠的了解，短暫的應(yīng)變時(shí)間會(huì)使司機(jī)發(fā)生誤判從而導(dǎo)致交通事故。急轉(zhuǎn)彎地形導(dǎo)致事故的問題亟待解決。

交通領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外專家學(xué)者針對(duì)這一問題主要研究出兩種方法。第一種是將彎道地形作為單獨(dú)研究單元，對(duì)彎道進(jìn)行線形設(shè)計(jì)與優(yōu)化設(shè)計(jì)，公路彎道道路線形與交通特性分析顯然是治標(biāo)不治本的途徑。第二種就是科學(xué)改善道路限速和交通安全設(shè)施，增強(qiáng)駕駛?cè)税踩{駛意識(shí)及規(guī)范車輛上路合格檢測(cè)管理。雖然近些年我國(guó)交通管理部門和路政機(jī)關(guān)在彎道地形區(qū)域預(yù)先設(shè)立了多種多樣的提示標(biāo)語與警示標(biāo)志，但避免交通事故的效果還是不夠理想。

針對(duì)急轉(zhuǎn)彎、陡坡彎道等不利地形的交通安全問題，迫切需要采用智能化交通系統(tǒng)等先進(jìn)技術(shù)對(duì)道路交通進(jìn)行即時(shí)動(dòng)態(tài)的偵測(cè)、警告、引導(dǎo)和管制，實(shí)現(xiàn)道路交通安全有序、保障駕駛?cè)松拓?cái)產(chǎn)安全的目標(biāo)。為此，本文設(shè)計(jì)了一種急轉(zhuǎn)彎處會(huì)車的智能提示預(yù)警系統(tǒng)，擬解決急轉(zhuǎn)彎盲區(qū)道路會(huì)車的問題，增強(qiáng)急轉(zhuǎn)彎地形安全會(huì)車的可靠性，減少事故發(fā)生的可能性。

1.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要構(gòu)成部分

急轉(zhuǎn)彎會(huì)車提示預(yù)警系統(tǒng)主要有兩個(gè)部分，在急轉(zhuǎn)、彎處一定距離的前后位置分別設(shè)置兩個(gè)地磁傳感器，電子顯示屏設(shè)置在彎道的入口處和出口處。整體系統(tǒng)平面圖如圖1所示，包括一對(duì)內(nèi)車道的地磁傳感器檢測(cè)器、來向車輛、去向車輛以及一對(duì)電子顯示屏。內(nèi)車道上安裝有所述車輛地磁檢測(cè)器2，地磁檢測(cè)器2位于去向車輛的前方，地磁檢測(cè)器2的另一側(cè)是電子顯示屏2。在急轉(zhuǎn)彎道路的另一個(gè)方向，來向車輛在外車道駛來，此時(shí)來向車輛正處于去向車輛的盲區(qū)。急轉(zhuǎn)彎會(huì)車提示預(yù)警系統(tǒng)給出安全會(huì)車的解決方案：來向車輛的前方路面上設(shè)置有地磁檢測(cè)器1，地磁檢測(cè)器1的另一側(cè)是電子顯示屏1，電子顯示屏1上面顯示去向車輛信息，電子顯示屏2上面顯示來向車輛信息。電子顯示屏提前告知駕駛?cè)藛T前方車況，提醒駕駛?cè)藛T急轉(zhuǎn)彎道后方的車輛信息，便于駕駛?cè)藛T提前減速，保證彎道內(nèi)駕駛的安全性。

1.2系統(tǒng)設(shè)計(jì)的可行性對(duì)比分析

與當(dāng)前普及的廣角鏡相比，彎道會(huì)車預(yù)警系統(tǒng)不受視野角度的限制，能夠適應(yīng)各類復(fù)雜路況，對(duì)于夜間行車，大霧陰雨天氣的彎道會(huì)車有著明顯的優(yōu)勢(shì)，可根據(jù)路況需要合理配置傳感器及顯示模塊的方位，使得駕駛員能夠提早接收前方車況信息。若有超速或低速拐彎的車輛駛來時(shí)，駕駛員也能提前獲知彎道盲區(qū)的來車情況，從而及時(shí)做出減速或規(guī)避等避險(xiǎn)措施。

地磁傳感器檢測(cè)距離范圍覆蓋整個(gè)路面寬度，傳感器提前檢測(cè)到車輛，能夠及時(shí)在系統(tǒng)顯示屏上預(yù)告，從而使司機(jī)能夠在進(jìn)入彎道會(huì)車之前就正確得到來車信息提示。在彎道入口處，由于駛?cè)霃澋篮婉偝鰪澋赖钠嚱?jīng)過兩個(gè)地磁傳感器，引起兩個(gè)地磁傳感器擾動(dòng)信號(hào)變化，從而單片機(jī)CC430F5137（CC430）可識(shí)別出車輛駛?cè)牒婉偝鰪澋罆r(shí)的速度。通過單片機(jī)內(nèi)部的計(jì)時(shí)器，檢測(cè)車輛引起擾動(dòng)所用時(shí)間，從而計(jì)算車輛速度。顯示模塊實(shí)時(shí)發(fā)布車輛來向和車速，使駕駛?cè)藛T依據(jù)電子屏反饋信息及時(shí)減速或停車避讓，避免會(huì)車失控的事故發(fā)生。

系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要用到TI的CC430F5137芯片。芯片內(nèi)部以MSP430MCU為控制核心，設(shè)置ADC采集地磁傳感器檢測(cè)模塊數(shù)據(jù)，基于CC1101低功耗多通道無線射頻內(nèi)核，通過外設(shè)天線與對(duì)應(yīng)的電子液晶顯示屏無線通信，其中點(diǎn)對(duì)點(diǎn)通信由外設(shè)撥碼開關(guān)設(shè)定地址配對(duì)建立連接，系統(tǒng)整體架構(gòu)圖如圖2。

2.1CC430MCU主控模塊與RF無線通信模塊

CC430MCU主控模塊是車輛信息實(shí)時(shí)采集的硬件基礎(chǔ)。系統(tǒng)主控電路原理圖如圖3所示。MCU具有超低功耗，具有高達(dá)25MHz的峰值執(zhí)行性能，主動(dòng)模式功耗僅僅為160μA/MHz，待機(jī)模式（LPM3RTC模式）：2μA，關(guān)閉模式

（LPM4RAM保留）：1μA，處理器8MHz僅1.3mA。超低功耗的運(yùn)行模式可增加地磁檢測(cè)器的電源的使用壽命，埋于地下的地磁檢測(cè)器暗盒里可以用獨(dú)立包裝的電池作為采集系統(tǒng)的電源供給。

CC430芯片外部振蕩電路使用26MHz晶振，程序設(shè)計(jì)通過讀取AD的模塊數(shù)值用一個(gè)定時(shí)器外部中斷控制。程序調(diào)試的下載端口采用最常用的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試接口JTAG接口。射頻收發(fā)器CC1101采用基于433MHz的載波頻率，配以合適的阻抗電路。

2.2基于地磁傳感器的車輛檢測(cè)器模塊

放有地磁檢測(cè)器附近區(qū)域的地球磁場(chǎng)可以看成是均勻磁場(chǎng)空間，車輛一般都有鐵磁體金屬物質(zhì)，均勻磁場(chǎng)就會(huì)發(fā)生擾動(dòng)，地磁檢測(cè)器會(huì)對(duì)磁場(chǎng)產(chǎn)生的擾動(dòng)進(jìn)行采集和分析。大量科學(xué)實(shí)驗(yàn)表明，這種擾動(dòng)對(duì)于磁阻傳感器監(jiān)測(cè)是很敏感的，由此可以判斷車輛的存在，更加精確的磁場(chǎng)檢測(cè)甚至可以測(cè)出車輛引起擾動(dòng)的時(shí)間。實(shí)驗(yàn)測(cè)試運(yùn)動(dòng)小車對(duì)磁場(chǎng)的擾動(dòng)，發(fā)現(xiàn)汽車經(jīng)過地磁傳感器上方時(shí)，磁場(chǎng)發(fā)生擾動(dòng)，具體表現(xiàn)為地磁場(chǎng)強(qiáng)度在Z軸方向明顯發(fā)生一定幅度的變化。車輛駛離地磁檢測(cè)器附近區(qū)域，地球磁場(chǎng)會(huì)恢復(fù)之前狀態(tài)。通過磁場(chǎng)強(qiáng)度的擾動(dòng)變化，就可以確定車位有無停車。單一的地磁檢測(cè)會(huì)有一定錯(cuò)誤和遺漏，系統(tǒng)可以采用增加光敏傳感器、圖像識(shí)別等其他輔助檢測(cè)手段，提高車速檢測(cè)的準(zhǔn)確性，該文不再贅述。

會(huì)車預(yù)警系統(tǒng)地磁檢測(cè)器主要由飛思卡爾公司的三軸磁阻信號(hào)傳感器MAG3110組成。內(nèi)置高性能鋰亞硫酰氯電池供電，主控芯片采用低功耗運(yùn)行方式，電池為整個(gè)地磁采集功能電路板供電的工作壽命達(dá)3~5年。地磁車輛檢測(cè)器固定于路口中間區(qū)域，采用高強(qiáng)度ABS和PC材料注塑成型，有防水、抗酸堿腐蝕、抗沖撞功能。以芯片CC430為主控電路水平放置于距離地磁檢測(cè)功能印制電路板一側(cè)0.15m的地方，以防附近電路板對(duì)地磁測(cè)量的干擾。地磁傳感器外圍電路原理圖如圖4所示。

2.3系統(tǒng)軟件程序設(shè)計(jì)與優(yōu)化

系統(tǒng)低功耗器件的硬件設(shè)計(jì)最大效率地利用電池的能量，延長(zhǎng)地磁檢測(cè)器和主控開發(fā)板的使用壽命。與此同時(shí)，靈活的電源管理軟件程序控制CC430單片機(jī)以及高效的糾錯(cuò)矯正能力十分重要。

地磁傳感器的數(shù)據(jù)采集由單片機(jī)端口控制實(shí)現(xiàn),空閑時(shí)段均處于高阻態(tài)，數(shù)據(jù)采集時(shí)為輸入或輸出狀態(tài)。中心接收節(jié)點(diǎn)的MCU狀態(tài)可以由程序設(shè)計(jì)進(jìn)行科學(xué)節(jié)能管理。間歇性地接收探測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，可使CPU同樣常處于低功耗模式，LPM3電壓為3V，頻率為32768Hz，該模式下的工作電流小于2μA。

維護(hù)人員通過軟件首次由CC430單片機(jī)對(duì)地磁檢測(cè)器參數(shù)（包括產(chǎn)品序列號(hào)、射頻的頻段、發(fā)送功率等）進(jìn)行配置。通過人工初次進(jìn)行八路撥碼開關(guān)地址配置，觸發(fā)進(jìn)入固定頻段的配置模式，實(shí)現(xiàn)地磁檢測(cè)器2與電子顯示屏1（地磁檢測(cè)器1與電子顯示屏2）參數(shù)配置和無線數(shù)據(jù)鏈接，完成車輛監(jiān)測(cè)、無線互傳、電子屏顯示的基本功能。軟件設(shè)計(jì)無線通信部分采用SimpliciTI協(xié)議棧設(shè)計(jì)，系統(tǒng)程序流程圖如圖5所示。系統(tǒng)遇到外設(shè)破壞，尤其是地磁傳感器檢測(cè)功能出現(xiàn)異常（抑或單片機(jī)端口采集異常）時(shí)，CC430單片機(jī)將進(jìn)入警告提醒模式，及時(shí)把故障反饋給電子顯示屏，便于設(shè)備維護(hù)人員及時(shí)檢修。