基于ZigBee及GPS的车辆定位及防撞预警系统

摘要

本发明公开了一种基于ZigBee及GPS的车辆定位及防撞预警系统，其特征是包括有信息采集及通信单元、主控制器单元、信息显示及声光报警单元：信息采集及通信单元通过GPS模块、电子指南针模块和ZigBee通信模块获得本车车辆信息以及包含前方车辆车辆信息的无线通信信号，并向后方车辆发出包含有本车的车辆信息的无线通信信号；主控制器单元利用车辆信息或无线通信信号的信号强度计算与前方车辆的车辆间距，利用车辆速度、车辆移动方向信息以及车辆间距判断危险等级；信息显示及声光报警单元对危险等级进行显示和报警。本发明用于实现相邻车距、车速信息的获取，进而实现提前预警驾驶员控制车速以保持车辆行驶在安全间距中。

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络技术在道路车辆行驶的具体应用，具体说是一种基于ZigBee 及GPS的车辆定位及防撞预警系统。

背景技术

现有技术中，车载定位基本是采用GPS(Global Positioning System)技术，获得车辆本 身的经度和纬度位置信息。但是采用GPS定位至少要同时接收到四颗GPS导航卫星发射的电文 才能计算出车辆的具体位置，如果车辆处于山区或者隧道等复杂地形中，GPS不能同时接收到 四颗卫星信号因而无法实现定位；另外，目前GPS技术只能实现车辆对自身的定位，无法获知 本车与相邻前方车辆之间的间距信息，仅仅依靠驾乘人员目测判断间距的方式无法满足车辆 防撞的应用需求。

公路最常见事故是多车追尾相撞，这种事故多发生在交通流量大、车速高、天气不好、 驾驶员疲劳驾驶等造成车辆间距过小，驾驶员无法提前处置的情况下。目前的车载防撞系统 多采用摄像头拍摄并分析的方式实现，在遇到恶劣的雨、雪、雾等能见度很低情况无法实现。

发明内容

本发明是为解决上述现有技术所存在的不足之处，提供一种基于ZigBee及GPS的车辆定 位及防撞预警系统，以ZigBee与GPS相结合，通过无线通信信号获得的车辆间距，在可能发 生危险的情况下，提前预警驾驶员控制车速以保持车辆安全间距。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明一种基于ZigBee及GPS的车辆定位及防撞预警系统，其特点是：包括有信息采集 及通信单元、主控制器单元、信息显示及声光报警单元；

所述信息采集及通信单元是由GPS模块、电子指南针模块和ZigBee通信模块构成，以所 述GPS模块获得车辆速度以及由经度和纬度表征的车辆位置信息；以所述电子指南针模块获 得本车的车辆移动方向信息；以所述ZigBee通信模块获得由前方车辆发出的包含有前方车辆 的车辆信息的无线通信信号，并在所述主控制器单元的控制下以所述ZigBee通信模块向后方 车辆发出包含有本车的车辆信息的无线通信信号；所述车辆信息包括车辆速度、车辆位置信 息和车辆移动方向信息；

所述主控制器单元利用车辆信息计算获得本车与前方车辆之间的车辆间距L1，或是利用 所述ZigBee通信模块接收到的由前方车辆发出的无线通信信号的信号强度计算获得本车与 前方车辆之间的车辆间距L2；利用车辆速度、车辆移动方向信息以及计算获得的车辆间距L1 或车辆间距L2判断本车的危险等级；

所述信息显示及声光报警单元是由液晶显示模块、声光报警模块构成，由所述液晶显示 模块接收来自主控制器单元的车辆间距以及本车危险等级进行显示，并由声光报警模块进行 报警。

本发明基于ZigBee及GPS的车辆定位及防撞预警系统，其特点也在于：在对本车危险等 级的判断过程中，对于所述车辆间距L1和车辆间距L2，优先使用车辆间距L1。

所述利用车辆信息计算获得本车与前方车辆之间的车辆间距的方法是：

令本车(B)的经度为N2、纬度E2；前方车辆(A)的经度N1、纬度为E1，按式(1)计算获得 本车(B)与前方车辆(A)之间的间距L1：

$L1=\sqrt{a^2+b^2}---\left(1\right)$

式(1)中a=E1-E2，b=N1-N2。

所述利用ZigBee通信模块接收到的由前方车辆发出的无线通信信号的信号强度计算获 得本车与前方车辆之间的车辆间距的方法是：

令本车(B)所接收到前方车辆(A)的ZigBee通信信号强度为RSSI，按式(2)计算获得本车 (B)与前方车辆(A)之间的间距L2：

$L2=\left(\begin{array}{cc}{10}^{\left(\frac{\mathrm{Pt}-40.2-\mathrm{RSSI}}{20}\right)},& L\le 8m\\ {10}^{\left(\frac{\mathrm{Pt}-58.5-\mathrm{RSSI}}{33}\right)},& L>8m\end{array}\right)---\left(2\right)$

式(2)中Pt是统一设定的车辆中ZigBee通信模块的发射功率值。

与已有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、本发明针对高速路段上相邻车辆距离危险、车群密集、车速不正常等可能造成碰撞或 连环追尾的情况，采用ZigBee通信模块将单个车辆的定位信息广播给附近的车辆，解决了 GPS定位无法获取车辆间距信息的问题，实现相邻车距、车速信息的获取，进而实现了防撞 预警；

2、本发明将GPS定位数据与ZigBee定位数据结合使用，针对复杂路段不能接收GPS信 号的不足，采用与ZigBee定位作为补充的方法，实现任何情况下车辆的定位，采用电子指南 针模块补充ZigBee的定位信息，实现同向车辆的判读和预警；

3、本发明扩展能力强，通过在主控制器单元预留接口，实现多种通信模块的加入，方便 地将GPRS、3G等远程数据传输模块接入到系统中，为高速公路管理部门远程集中监控车辆行 驶情况，获取行驶数据预留接口；

4、本发明针对高速路段驾乘人员疏忽大意、或者疲劳驾驶造成反应能力下降等情况，采 用声光报警单元，把语音提醒和液晶屏显示结合起来，同时针对车距及车速的不同情况，对 危险情况进行分级，结合不同模式的声光报警，提醒驾驶员正确处理危险情况，避免事故出 现；

5、本发明以车载电源为系统供电，同时采用锂电池备用供电，以保障系统始终稳定工作。

6、本发明将GPS模块与ZigBee模块结合，由ARM控制器实现计算及控制，实施方法简 单、可靠性高、成本低廉。

附图说明

图1是本发明在公路上使用的说明示意图；

图2是本发明基于ZigBee及GPS的车辆定位及防撞预警系统单个装置结构示意图；

图3是本发明利用车辆信息计算获得本车与前方车辆之间的车辆间距示意图；

图4是本发明基于ZigBee及GPS的车辆定位及防撞预警系统工作流程图；

图5是本发明车载LCD屏幕显示示意图；

图中标号：1公路；2车辆。

具体实施方式

如图1所示，在公路1上，每个车辆2安装一个基于ZigBee及GPS的车辆定位及防撞预 警系统，关注各自前方同向行驶车辆的车距及密集程度，与它们保持安全车距，避免发送追 尾及大规模碰撞事故。

如图2所示，本实施例中基于ZigBee及GPS的车辆定位及防撞预警系统包括：信息采集 及通信单元、主控制器单元、信息显示及声光报警单元：。

信息采集及通信单元是由GPS模块、电子指南针模块和ZigBee通信模块构成，以GPS模 块获得车辆速度以及由经度和纬度表征的车辆位置信息；以电子指南针模块获得本车的车辆 移动方向信息；以ZigBee通信模块获得由前方车辆发出的包含有前方车辆的车辆信息的无线 通信信号，并在主控制器单元的控制下以ZigBee通信模块向后方车辆发出包含有本车的车辆 信息的无线通信信号；车辆信息包括车辆速度、车辆位置信息和车辆移动方向信息；

当车辆行驶环境良好，可以实现GPS定位时，系统自动选择GPS定位；当遇隧道等恶劣 环境，GPS无法准确定位时，系统自动选择ZigBee系统定位，并结合电子指南针确定方向， 确保数据准确。

GPS模块要有配套外置天线，考虑车载使用，本实施例采用加长馈线的天线。ZigBee模 块与同向行驶的一定范围内的车辆采用基于RSSI（接收信号强度）的定位技术组成自组织网。 ZigBee模块还完成将主控单元计算的数据发送给后方车辆的通信任务。由电子指南针模块输 出的数据包括两个不同方向行驶车辆传来的数据，由于危险大多来自前方同向车辆，所以主 要考虑本车辆前方车辆的车辆信息。

主控制器单元利用车辆信息计算获得本车与前方车辆之间的车辆间距L1，或是利用 ZigBee通信模块接收到的由前方车辆发出的无线通信信号的信号强度计算获得本车与前方车 辆之间的车辆间距L2；利用车辆速度、车辆移动方向信息以及计算获得的车辆间距L1或车 辆间距L2判断本车的危险等级；

具体实施中，在对本车危险等级的判断过程中，对于车辆间距L1和车辆间距L2，优先 使用车辆间距L1。

如图3所示，利用车辆信息计算获得本车与前方车辆之间的车辆间距的方法是：

令本车(B)的经度为N2、纬度E2；前方车辆(A)的经度N1、纬度为E1，按式(1)计算获得 本车(B)与前方车辆(A)之间的间距L1：

$L1=\sqrt{a^2+b^2}---\left(1\right)$

式(1)中a=E1-E2，b=N1-N2。

利用ZigBee通信模块接收到的由前方车辆发出的无线通信信号的信号强度计算获得本 车与前方车辆之间的车辆间距的方法是：

令本车(B)所接收到前方车辆(A)的ZigBee通信信号强度为RSSI，按式(2)计算获得本车 (B)与前方车辆(A)之间的间距L2：

$L2=\left(\begin{array}{cc}{10}^{\left(\frac{\mathrm{Pt}-40.2-\mathrm{RSSI}}{20}\right)},& L\le 8m\\ {10}^{\left(\frac{\mathrm{Pt}-58.5-\mathrm{RSSI}}{33}\right)},& L>8m\end{array}\right)---\left(2\right)$

式(2)中Pt是统一设定的车辆中ZigBee通信模块的发射功率值。

主控制器单元是由ARM核心板模块、接口板模块构成，接收来自信息采集及通信单元的 GPS和ZigBee两种定位数据，参考环境的温度和湿度信息，采用一定的算法将本车辆的绝对 位置信息或者前方一定范围内的其他车辆的相对位置信息计算出来；同时结合ZigBee模块接 收到的周围其他车辆的数据，由周围各车辆的位置数据、行驶速度、方向等信息，综合判断 本车辆是否有碰撞的危险；同时结合高速路段车辆间距的常识，将危险的可能性大小分级。 主控制器单元将这些采集、处理及分析的定位数据、危险等级信息，通过接口板模块，分别 送给信息显示及声光报警等不同单元；同时通过ZigBee通信模块将有用信息无线传递给周围 车辆。

如图4所示，本实施例基于ZigBee及GPS的车辆定位及防撞预警系统的工作过程如下：

a、系统加电启动后，ARM控制器首先初始化系统进程，同时ZigBee芯片完成无线通信 初始化组网，组网成功后向反馈ARM控制器。

b、ARM控制器接收到组网成功信号后，发出数据采集命令。

c、ARM控制器收到GPS数据和温湿度传感器数据后，选择合适的子系统和算法，计算本 车辆初步位置及行驶数据。

d、系统通过ZigBee模块，向附近其他车辆发出位置数据请求，利用ZigBee通信信号获 得数据后送入ARM处理中心进行数据处理。

e、数据处理结束后，ARM将数据处理结果送出，显示到显示屏上，同时发出适当报警。

信息显示及声光报警单元是由液晶显示模块、声光报警模块构成，由液晶显示模块接收 来自主控制器单元的车辆间距以及本车危险等级进行显示，并由声光报警模块进行报警。

主控制器根据计算出的车距及车速，基于多种辅助信息，如温湿度、区域车辆、行驶速 度、天气状况、路面状况等数据进行危险评价，发出预警。本实施例中，根据高速公路的安 全行驶间距、路面情况、天气状况等多种信息将车辆行驶划范围划分为安全区、较安全区、 较危险区和危险区四个不同的区域，如图5所示，以本车辆为基准，结合车距信息，显示车 辆前方一定范围内的车辆数量及每个车辆的位置，每个车辆都以一个显著的点显示在屏幕上； 同时在车辆处于危险情况时提供信息告警。声光报警模块就是在车辆处于不同危险级别情况 时提供不同警示程度的声音和光告警，告知车辆驾乘人员前方危险信息。

本实施例中，信息显示及声光报警单元采用液晶屏、警示灯、喇叭或蜂鸣器。预先在主 控制器内部存放不同等级的警告语音及紧急处置提示，避免司机惊慌失措。同时避免司机疲 劳驾驶睡着，配合一定光和声音强度的警示提醒。

电源供电单元是由锂电池模块、电源转换及接口模块构成；电源转换及接口模块从车载 电源取电，解决车辆长距离行驶时模块的供电，同时能够为锂电池模块提供充电接口，在车 载电源不稳定或故障时提供备用锂电池供电，保证系统安全稳定运行。