孫浩凱，劉 博，佟世繼

（連云港杰瑞電子有限公司，江蘇 連云港 222000）

0 引 言

近幾年，私家車(chē)擁有量快速增加，城市交通壓力越來(lái)越大，擁堵時(shí)間逐步增加，擁堵面積逐年擴(kuò)大。經(jīng)常出現(xiàn)交通擁堵的城市也由一、二線蔓延至三、四線。交通壓力的增加也促進(jìn)了城市交通建設(shè)理念的不斷進(jìn)步，倡導(dǎo)公共交通、提倡綠色出行成為社會(huì)共識(shí)。在此背景下，越來(lái)越多的城市開(kāi)通并運(yùn)營(yíng)了快速公交（BRT）和智軌列車(chē)（ART），提升了城市交通的運(yùn)行效力。傳統(tǒng)交通模式下，通行BRT和ART的專(zhuān)用車(chē)道禁止社會(huì)車(chē)輛進(jìn)入，在沒(méi)有公交車(chē)輛運(yùn)行的時(shí)間，專(zhuān)用車(chē)道處于閑置狀態(tài)，雖保證了通行安全，但也造成了交通資源的浪費(fèi)。為了提高專(zhuān)用車(chē)道利用率，在保證安全的同時(shí)提升交通容量，本文綜合了LoRa和ZigBee技術(shù)，研究了一種可以安全、高效、有序、可靠地引導(dǎo)社會(huì)車(chē)輛利用公交專(zhuān)用道的路權(quán)控制系統(tǒng)。系統(tǒng)支持狀態(tài)上傳，設(shè)備維護(hù)簡(jiǎn)便，兼顧安全原則與路權(quán)原則，充分考慮到中國(guó)交通現(xiàn)狀與特點(diǎn)，對(duì)解決城市交通擁堵有著積極的探索意義。

1 系統(tǒng)架構(gòu)與作用方式

系統(tǒng)由路面信標(biāo)設(shè)備、車(chē)載網(wǎng)關(guān)設(shè)備和后臺(tái)管理軟件組成。

路面信標(biāo)沿公交專(zhuān)用車(chē)道外側(cè)布置，具有指令接收、狀態(tài)上傳和燈態(tài)顯示功能。車(chē)載網(wǎng)關(guān)設(shè)備安裝在BRT或ART車(chē)輛內(nèi)部，可向信標(biāo)下發(fā)控制命令，接收信標(biāo)上傳的狀態(tài)信息，通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)向后臺(tái)管理軟件上傳狀態(tài)參數(shù)。

每個(gè)發(fā)光信標(biāo)在出廠時(shí)設(shè)置唯一ID，所有信標(biāo)等間距安裝，安裝時(shí)或安裝后記錄并上傳部分信標(biāo)的GPS信息至后臺(tái)管理中心。其余信標(biāo)的GPS信息由后臺(tái)軟件根據(jù)信標(biāo)安裝間距自動(dòng)生成。信標(biāo)實(shí)行分組管理模式，考慮車(chē)輛行駛速度和通信時(shí)延，每50 m內(nèi)的信標(biāo)為一組。每組編號(hào)和信標(biāo)ID按BRT行駛方向遞增。

BRT沿公交專(zhuān)用車(chē)道行駛時(shí)，車(chē)載網(wǎng)關(guān)以LoRa模式連續(xù)向路面信標(biāo)發(fā)送控制命令，車(chē)輛前后一定范圍內(nèi)的信標(biāo)接收指令并做出響應(yīng)，控制燈態(tài)變化。BRT前方300 m范圍內(nèi)信標(biāo)隨車(chē)輛行駛依次顯示紅色燈態(tài)，BRT后方200 m范圍內(nèi)信標(biāo)隨車(chē)輛行駛依次顯示綠燈。BRT靠近信標(biāo)時(shí)，車(chē)載網(wǎng)關(guān)以ZigBee模式發(fā)送狀態(tài)查詢(xún)命令，信標(biāo)接收命令后回傳自身狀態(tài)信息。社會(huì)車(chē)輛根據(jù)信標(biāo)燈態(tài)被允許或禁止進(jìn)入公交專(zhuān)用車(chē)道。為保證社會(huì)車(chē)輛的視覺(jué)效果，信標(biāo)安裝間距應(yīng)小于2 m。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

2 路面信標(biāo)硬件設(shè)計(jì)

信標(biāo)由殼體、太陽(yáng)能板、可充電電池、充放電管理單元、微控制器、上行無(wú)線數(shù)傳單元、下行無(wú)線數(shù)傳單元和發(fā)光單元組成。總體設(shè)計(jì)如圖2所示。

圖2 信標(biāo)硬件總體方案

微控制器選用TI公司MSP430G2553型低功耗MCU，1 MHz頻率條件下，電流小于220 μA，休眠電流小于0.1 μA。

太陽(yáng)能電池板采用浙江奉化金星的S55型太陽(yáng)能板，單晶硅結(jié)構(gòu)，尺寸為55.5 mm×44.5 mm，輸出電壓為5.5 V，輸出功率為0.4 W。

電池采用廣東金鳳凰的1 000 mAh三元鋰電池，支持-40～70 ℃放電、-30～70 ℃充電。

充放電控制單元中，充電電路采用上海如韻電子的CN3063鋰電池充電管理芯片，該器件內(nèi)部包括功率晶體管，應(yīng)用時(shí)不需要外部的電流檢測(cè)電阻和阻流二極管。內(nèi)部包含8位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換電路，能夠根據(jù)輸入電壓源的電流輸出能力自動(dòng)調(diào)整充電電流，用戶(hù)不需要考慮最壞情況，可最大限度地利用輸入電壓源的電流輸出能力，適合利用太陽(yáng)能板等電流輸出能力有限的電壓源供電的鋰電池充電應(yīng)用。恒壓充電電壓為4.2 V。當(dāng)輸入電壓掉電時(shí)，CN3063自動(dòng)進(jìn)入低功耗的睡眠模式，此時(shí)漏電流小于3 μA。

放電電路中，穩(wěn)壓電源采用赫爾微的HE7233芯片，最大輸出電流為350 mA，漏電流為1 μA。該芯片優(yōu)秀的漏電流指標(biāo)有助于增加信標(biāo)的續(xù)航能力。充放電管理單元原理如圖3所示。

圖3 信標(biāo)充放電管理單元

下行數(shù)傳單元（信標(biāo)接收車(chē)載網(wǎng)關(guān)指令）采用源自軍用戰(zhàn)術(shù)通信系統(tǒng)的LoRa調(diào)制方式。相較傳統(tǒng)調(diào)制方式，其在抑制同頻干擾的性能方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，解決了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方案無(wú)法同時(shí)兼顧距離、抗擾和功耗的弊端，適合小數(shù)據(jù)量在負(fù)載環(huán)境中的超遠(yuǎn)距離傳輸。硬件選用致遠(yuǎn)電子的ZM433SX-M型LoRa模塊，基于Semtech公司的SX1276芯片，載波頻率為410～525 MHz，發(fā)射功率為20 dBm，接收靈敏度為-148 dBm，理論最高傳輸速率為37.5 Kb/s。下行數(shù)傳單元原理如圖4所示。

圖4 信標(biāo)下行數(shù)傳單元

上行數(shù)傳單元采用ZigBee制式，理論傳輸速率為250 Kb/s。硬件選用致遠(yuǎn)電子AW5161型基于NXP5161芯片的ZigBee模塊。上行數(shù)傳單元原理如圖5所示。

圖5 信標(biāo)上行數(shù)傳單元

3 車(chē)載網(wǎng)關(guān)詳細(xì)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

BRT或ART車(chē)輛長(zhǎng)度普遍在18 m以上。為保證車(chē)載網(wǎng)關(guān)與路面信標(biāo)有良好的通信效果，車(chē)載網(wǎng)關(guān)采用分布式設(shè)計(jì)，分為主機(jī)和從機(jī)兩部分，主從機(jī)之間通過(guò)以太網(wǎng)通信，支持TCP協(xié)議，主機(jī)為Server模式，從機(jī)為Client模式。BRT車(chē)輛與主機(jī)的數(shù)據(jù)交互（主要為車(chē)輛行駛速度）經(jīng)路由器通過(guò)以太網(wǎng)傳輸?？傮w架構(gòu)如圖6所示。主機(jī)放置在車(chē)頭，從機(jī)放置在車(chē)尾，下行指令傳輸需要遠(yuǎn)距離通信，故主機(jī)和從機(jī)的LoRa天線選用專(zhuān)用的玻璃鋼定制天線，放置在車(chē)輛外側(cè)。ZigBee天線僅需與車(chē)輛附近信標(biāo)通信，與4G天線一起放置在車(chē)內(nèi)靠窗的隱蔽位置。

圖6 車(chē)載網(wǎng)關(guān)總體架構(gòu)

當(dāng)車(chē)輛需要向前方信標(biāo)下發(fā)控制命令時(shí)，由主機(jī)下發(fā)命令。當(dāng)車(chē)輛需要向后方信標(biāo)下發(fā)控制命令時(shí)，主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)將命令發(fā)送至從機(jī)，由從機(jī)下發(fā)。

3.1 主機(jī)硬件詳細(xì)設(shè)計(jì)

主機(jī)由電源、控制單元、以太網(wǎng)傳輸單元、下行數(shù)傳單元（LoRa）、上行數(shù)傳單元（ZigBee）、4G通信單元組成。硬件組成如圖7所示。

圖7 車(chē)載網(wǎng)關(guān)主機(jī)硬件組成

電源采用12 V直流供電，可由車(chē)載點(diǎn)煙器獲得。

MCU選用STM32F105型單片機(jī)，工作主頻為72 MHz。

以太網(wǎng)傳輸單元采用WIZnet公司的W5500型全硬件TCP/IP嵌入式以太網(wǎng)控制器，支持 TCP、UDP、IPv4、ICMP、ARP、IGMP、PPPoE等多種協(xié)議；集成了TCP/IP協(xié)議棧、MAC層和PHY層，支持客戶(hù)端或服務(wù)端32 KB片上緩存、8個(gè)硬件Socket獨(dú)立通信、SPI總線接口，如圖8所示。

圖8 車(chē)載網(wǎng)關(guān)主機(jī)以太網(wǎng)傳輸單元

下行數(shù)傳單元和上行數(shù)傳單元的硬件設(shè)計(jì)與信標(biāo)相同。采用致遠(yuǎn)電子的ZM433SX-M型LoRa通信模塊和AW5161型ZigBee通信模塊。

GPS定位單元采用天工測(cè)控SKG09D型模塊，基于聯(lián)發(fā)科MT3333芯片，接收靈敏度達(dá)-165 dBm。

4G通信單元采用濟(jì)南有人物聯(lián)網(wǎng)公司的WH-LTE-7S4型4G通信模塊，有獨(dú)立SIM卡接口。

3.2 從機(jī)硬件設(shè)計(jì)

從機(jī)由電源、控制單元、以太網(wǎng)傳輸單元、下行數(shù)傳單元（LoRa）組成，各子單元電路設(shè)計(jì)與主機(jī)相同。組成框圖如圖9所示。

圖9 車(chē)載網(wǎng)關(guān)從機(jī)組成

4 傳輸機(jī)制分析及參數(shù)計(jì)算

4.1 下行傳輸機(jī)制分析及LoRa參數(shù)計(jì)算

4.1.1 指令下行控制機(jī)制分析

車(chē)輛行駛時(shí)，車(chē)載網(wǎng)關(guān)根據(jù)自身的實(shí)時(shí)GPS信息、車(chē)輛行駛速度和預(yù)先配置的信標(biāo)控制距離（即BRT行駛時(shí)控制前后一定距離范圍內(nèi)的信標(biāo)），結(jié)合預(yù)先存儲(chǔ)的信標(biāo)的實(shí)際GPS信息和分組信息（每50 m距離內(nèi)的信標(biāo)為一組），獲得車(chē)輛前后控制距離范圍內(nèi)（該距離信息已預(yù)先配置）信標(biāo)的組內(nèi)ID，并對(duì)這個(gè)目標(biāo)組信標(biāo)下發(fā)控制指令。

信標(biāo)收到控制指令后，解析并比較指令中的目標(biāo)燈態(tài)與信標(biāo)當(dāng)前燈態(tài)。若兩者一致，則信標(biāo)不改變自身燈態(tài)；若兩者不一致，則信標(biāo)需改變自身燈態(tài)。信標(biāo)改變自身燈態(tài)前，將自身組內(nèi)ID編號(hào)與車(chē)載網(wǎng)關(guān)下發(fā)指令中的延遲時(shí)間參數(shù)相乘，獲得自身延遲執(zhí)行的時(shí)間。保證所有信標(biāo)按排布順序依次點(diǎn)亮或熄滅。

4.1.2 LoRa參數(shù)計(jì)算

影響LoRa通信距離的參數(shù)主要有發(fā)射功率、擴(kuò)頻因子SF、帶寬BW、編碼率CR。LoRa擴(kuò)頻調(diào)制技術(shù)采用多個(gè)信息碼片代表有效負(fù)載信息的每個(gè)位。擴(kuò)頻信息的發(fā)送速度稱(chēng)為符號(hào)速率，碼片速率與符號(hào)速率之間的比值為擴(kuò)頻因子。

為獲得較遠(yuǎn)的通信距離，車(chē)載網(wǎng)關(guān)的發(fā)射功率選擇最高檔20 dBm。

2．2．4 哮喘治療情況 480例現(xiàn)患哮喘兒童在哮喘發(fā)作時(shí)使用抗生素者409例（85．21%）、全身或吸入性激素389例（81．04%）、支氣管擴(kuò)張劑340例（70．83%）、抗白三烯治療310例（64．58%）、免疫調(diào)節(jié)劑283例（58．96%）、中藥治療339例（70．62%），抗過(guò)敏治療55例（11．46%）和脫敏治療2例（0．42%）。

SX1276的擴(kuò)頻因子范圍為6～12，帶寬范圍為7.8～500 kHz，循環(huán)編碼率范圍為1～4，對(duì)應(yīng)實(shí)際開(kāi)銷(xiāo)比率為1.25～2。

帶寬越大，擴(kuò)頻因子越小，傳輸速率越快，但接收靈敏度越低。其中符號(hào)速率=BW/(2)，

為節(jié)約功耗，信標(biāo)的LoRa模塊在CAD模式下工作，平時(shí)休眠，每0.5 s喚醒一次，喚醒后檢測(cè)是否收到前導(dǎo)碼，若收到前導(dǎo)碼，則信標(biāo)轉(zhuǎn)入數(shù)據(jù)接收模式，隨后再次休眠。設(shè)前導(dǎo)碼傳輸時(shí)間為，負(fù)載數(shù)據(jù)傳輸時(shí)間為，車(chē)輛最高行駛速度=100 km/h，信標(biāo)分組距離=50 m，則需滿(mǎn)足>(+)。其中也為信標(biāo)休眠時(shí)間，保證信標(biāo)不會(huì)丟失前導(dǎo)碼數(shù)據(jù)。為充分保證通信的可靠性，車(chē)載網(wǎng)關(guān)和信標(biāo)的可靠傳輸距離應(yīng)遠(yuǎn)大于實(shí)際需求。綜合以上需求和傳輸距離測(cè)試結(jié)果，最終選擇SF=12，BW=500 kHz，CR=4/8。

LoRa傳輸時(shí)間相關(guān)計(jì)算公式如下：

（2）有效數(shù)據(jù)的傳輸符號(hào)數(shù)：

其中PL為負(fù)載數(shù)據(jù)字節(jié)數(shù)+CRC校驗(yàn)字節(jié)數(shù)，這里為12字節(jié)負(fù)載數(shù)據(jù)+4字節(jié)CRC校驗(yàn)數(shù)據(jù)。代入數(shù)值得到：

因此，數(shù)據(jù)包理論傳輸時(shí)間：=+=(730+256) ms=986 ms。

經(jīng)過(guò)實(shí)測(cè)發(fā)現(xiàn)，由于MCU處理延時(shí)、CRC校驗(yàn)延時(shí)等因素，數(shù)據(jù)包實(shí)際傳輸時(shí)間為1 050 ms。車(chē)輛行駛速度為100 km/h時(shí)，1 050 ms內(nèi)車(chē)輛行駛距離為29.17 m，遠(yuǎn)小于信標(biāo)分組距離50 m。在市中心無(wú)線干擾較嚴(yán)重的區(qū)域，車(chē)載網(wǎng)關(guān)與信標(biāo)之間的實(shí)際通信距離為800 m左右，遠(yuǎn)超過(guò)300～400 m的指標(biāo)需求，有充足的安全余量。

4.2 上行數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制分析及參數(shù)計(jì)算

4.2.1 上行數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制分析

與下行控制相似，車(chē)輛行駛時(shí)，根據(jù)GPS信息向指定信標(biāo)發(fā)送查詢(xún)命令；信標(biāo)收到命令后，上傳自身狀態(tài)信息。有所不同的是，下行控制是按組控制，而上行傳輸是對(duì)信標(biāo)單點(diǎn)查詢(xún)。ZigBee采用了CSMA避免碰撞機(jī)制，避免信息自動(dòng)重傳時(shí)各節(jié)點(diǎn)相互干擾。

與LoRa相同，為節(jié)約功耗，信標(biāo)的ZigBee模塊平時(shí)處于休眠態(tài)。當(dāng)接收到正確的LoRa信息時(shí)，根據(jù)RSSI粗略判斷車(chē)輛的距離，并按最高車(chē)速計(jì)算達(dá)到時(shí)間，再取一定的提前量，獲得喚醒ZigBee模塊的等待時(shí)間。等待時(shí)間到達(dá)后，喚醒ZigBee模塊，ZigBee接收查詢(xún)命令并完成上傳信息后，轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。考慮無(wú)線傳輸不可避免會(huì)有丟包現(xiàn)象，為節(jié)約功耗，喚醒ZigBee模塊后，若超出設(shè)定時(shí)間仍未接收到查詢(xún)命令，則自動(dòng)轉(zhuǎn)入休眠狀態(tài)。

4.2.2 上行傳輸參數(shù)計(jì)算

車(chē)載網(wǎng)關(guān)下發(fā)查詢(xún)命令起至信標(biāo)收到查詢(xún)命令止，耗時(shí)10 ms；信標(biāo)上傳狀態(tài)信息起至車(chē)載網(wǎng)關(guān)收到狀態(tài)信息止，耗時(shí)10 ms。雙向傳輸共耗時(shí)20 ms。車(chē)輛行駛速度為100 km/h時(shí)，20 ms行進(jìn)距離為0.6 m。信標(biāo)安裝間距為1 m條件下（典型值），為保證每一個(gè)信標(biāo)的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)均不丟失，車(chē)輛需滿(mǎn)足20 ms行進(jìn)距離小于1 m，即車(chē)輛行駛速度<166.6 km/h，遠(yuǎn)超過(guò)100 km/h的車(chē)速上限，有著充足余量。

5 信標(biāo)工作壽命計(jì)算

（1）上行鏈路等效電流計(jì)算

信標(biāo)發(fā)射電流144 mA，平均接收電流26 mA。發(fā)送耗時(shí)8 ms。

假設(shè)每次BRT經(jīng)過(guò)時(shí)，上行通信單元喚醒時(shí)間為20 000 ms，每天經(jīng)過(guò)100次，平均消耗電流：(26 mA×20 000 ms+144 mA×8 ms)×100/(24×3 600 s)≈ 0.60 mA。

（2）下行鏈路等效電流計(jì)算

平均接收電流10.8 mA。接收耗時(shí)15.1 ms，接收間隔為0.000 5 ms。平均消耗電流：(10.8 mA×15.1 ms)/0.000 5 ms=0.326 mA。

（3）LED等效電流計(jì)算

單顆LED工作電流為10 mA，每次點(diǎn)亮3顆，每次閃爍時(shí)長(zhǎng)為5 s。

平均消耗電流：(10 mA×3×5 s)/(24×3 600 s)≈0.001 7 mA；無(wú)線休眠電流+MCU平均工作電流等于0.8 mA。

總電流=(0.60+0.326+0.001 7+0.8) mA≈1.73 mA。每天消耗電量=1.73 mA×24 h=41.52 mAh，電池電量為1 000 mAh，無(wú)光照條件下可持續(xù)工作時(shí)間：1 000 mAh/1.73 mA=578.0 h≈ 24.1 d。

根據(jù)實(shí)測(cè)結(jié)果，太陽(yáng)能充電電路在標(biāo)準(zhǔn)光照條件下的充電電流可達(dá)60 mA，中國(guó)日照時(shí)間最少的四川、貴州地區(qū)，其標(biāo)準(zhǔn)光照條件下的等效年均日照時(shí)間為2.5～3.1 h，梅雨季節(jié)的等效日照時(shí)間為僅為0.8 h。在此條件下，每天可充電電量為60 mA×0.8 h=48 mAh，大于總信標(biāo)每天消耗電量。因此，在產(chǎn)品壽命范圍內(nèi)，信標(biāo)可實(shí)現(xiàn)無(wú)限續(xù)航。

6 嵌入式軟件流程及后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

6.1 路面信標(biāo)嵌入式軟件流程

信標(biāo)嵌入式軟件主要分為兩個(gè)線程，MCU內(nèi)部通過(guò)定時(shí)器中斷和在主函數(shù)設(shè)置標(biāo)志字實(shí)現(xiàn)兩線程同步執(zhí)行。如圖10所示的線程1中通過(guò)LoRa設(shè)置燈態(tài)流程圖。

圖10 基于LoRa的燈態(tài)流程設(shè)置

設(shè)BRT車(chē)輛標(biāo)準(zhǔn)行駛速度=80 km/h，每組信標(biāo)的分布距離（即從該組第一個(gè)信標(biāo)到最后一個(gè)信標(biāo)的距離）=50 m，經(jīng)過(guò)每組信標(biāo)的時(shí)間為/，信標(biāo)切換燈態(tài)的延遲等待時(shí)間為，信標(biāo)間距=1 m，每組信標(biāo)數(shù)量=50，則有：=信標(biāo)在組內(nèi)的相對(duì)ID×(/)×/(-1)≈46 ms。

圖11為線程2中ZigBee狀態(tài)信息查詢(xún)流程。

圖11 信標(biāo)狀態(tài)信息查詢(xún)流程

設(shè)信標(biāo)喚醒ZigBee的延遲等待時(shí)間為，車(chē)輛行駛速度為，車(chē)輛下發(fā)LoRa命令時(shí)距離目標(biāo)組第一個(gè)信標(biāo)的距離為，則有：=/（系數(shù)為實(shí)際測(cè)試的經(jīng)驗(yàn)值，0<<1，本項(xiàng)目=0.73）。

6.2 車(chē)載網(wǎng)關(guān)嵌入式軟件流程

車(chē)載網(wǎng)關(guān)嵌入式軟件流程如圖12所示。

圖12 車(chē)載網(wǎng)關(guān)嵌入式軟件流程

6.3 后臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

后臺(tái)軟件采用C#語(yǔ)言設(shè)計(jì)，分為數(shù)據(jù)交換層和應(yīng)用層。與車(chē)載網(wǎng)關(guān)通過(guò)4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，軟件在服務(wù)器模式下工作。具有以下功能：

（1）按道路、分路段、實(shí)時(shí)顯示區(qū)域內(nèi)所有車(chē)載網(wǎng)關(guān)和路面信標(biāo)的狀態(tài)。監(jiān)視數(shù)據(jù)刷新顯示時(shí)間≤100 ms。

（2）車(chē)載網(wǎng)關(guān)或信標(biāo)設(shè)備異常時(shí)，提示故障信息，報(bào)警顯示。報(bào)警信息響應(yīng)時(shí)間≤100 ms?？刂栖浖缑嫒鐖D13所示。

圖13 控制軟件顯示界面

7 結(jié) 語(yǔ)

系統(tǒng)基于嵌入式技術(shù)，創(chuàng)新性地結(jié)合LoRa和ZigBee雙模通信機(jī)制，實(shí)現(xiàn)了上行和下行數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆蛛x，保證了通信可靠性。以此提升公交專(zhuān)用車(chē)道的利用率。在當(dāng)下城市交通越發(fā)擁擠的情況下，本項(xiàng)目具有積極的探索意義。