王 艇 李 博 韓楚鵬

（江蘇電子信息職業(yè)學院電子網(wǎng)絡學院，江蘇 淮安 223003）

0 引言

安全帶就是生命帶。在一些交通事故中，特別是在有較大傷亡的事故調查取證中，可以發(fā)現(xiàn)未佩戴安全帶的乘客傷亡程度較為嚴重。行車時系安全帶是一個常識，但每次都會出現(xiàn)司機或乘客因未系安全帶而導致的交通事故。

有些司機或乘客為了不系安全帶，將安全帶從背后繞過或安裝安全帶卡扣，更有甚者通過穿一件有安全帶標識的衣服來躲避監(jiān)控，一旦發(fā)生事故，將產生很嚴重的后果［1］。安全帶是救命帶，司機或乘客一定要加強出行安全意識，因為安全帶能有效防止二次碰撞，并能有效降低傷亡率。由交通事故調查結果可知，在遇到事故時，佩戴安全帶比不佩戴安全帶的正面碰撞死亡率要低57%、側面碰撞死亡率低44%、翻車死亡率低80%，如圖1所示。由數(shù)據(jù)可知，正確佩戴安全帶能有效保護隨車出行人員的安全。

圖1 佩戴安全帶成效

為解決安全帶未系屢禁不止的問題，筆者設計出一款安全帶聯(lián)防聯(lián)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)能實時監(jiān)測安全帶的使用情況，若發(fā)現(xiàn)司機或乘客未佩戴安全帶，則會發(fā)生報警，并將機動車信息實時上報至交管終端，交管將根據(jù)數(shù)據(jù)信息進行處罰。

1 系統(tǒng)總體設計

近年來，隨著社會的快速發(fā)展，汽車數(shù)量持續(xù)增加，交通事故也越來越多。降低汽車事故率是實現(xiàn)出行車輛安全的關鍵。根據(jù)調查，在交通事故中，因車子本身故障而引起的交通事故不到1%，大多數(shù)交通事故是因司機安全意識淡薄而造成的。特別是在有較大傷亡的交通事故中，經(jīng)交警取證分析后發(fā)現(xiàn)，有很大一部分原因是司機或乘客沒有正確佩戴安全帶［2］。為降低交通事故的傷亡率，本研究設計了一套安全帶聯(lián)防聯(lián)控系統(tǒng)，整體設計框架如圖2 所示。該系統(tǒng)基于對座位上安全帶的檢測信息來構建ZigBee 組網(wǎng)，實現(xiàn)對車內座位安全帶信息實時監(jiān)控，并及時將數(shù)據(jù)上傳到車內中控大屏。為確保采集到的數(shù)據(jù)可靠、可信、可用，該系統(tǒng)將車子的速度和定位信息同時上傳到中控大屏，從而實現(xiàn)司機對車內情況的實時觀測。為便于交管部門的實時監(jiān)管，該系統(tǒng)將采集到的數(shù)據(jù)通過4G 或5G網(wǎng)絡上傳到服務器，交管部門可在監(jiān)控中心實時監(jiān)測車輛相關情況。

圖2 系統(tǒng)總體設計框架

安全帶聯(lián)防聯(lián)控系統(tǒng)通過安全帶來實現(xiàn)對機動車的聯(lián)防聯(lián)控。由于乘客的安全意識不夠，不佩戴安全帶的情況時有發(fā)生。本研究通過安全帶檢測來實現(xiàn)對車內司機或乘客的實時監(jiān)測，可增強安全意識，保證安全出行。

2 硬件系統(tǒng)設計

該系統(tǒng)通過嵌入式來實現(xiàn)對座椅信息的采集［3］，使用ZigBee 模塊來實現(xiàn)ZigBee 組網(wǎng)，將信息通過無線網(wǎng)上傳至遠程終端。硬件系統(tǒng)框架如圖3所示。

圖3 硬件系統(tǒng)設計實現(xiàn)示意

選擇國產芯片“龍芯”作為核心處理器，來實現(xiàn)對安全帶信息的采集［4］，將座椅的實時信息上傳至ZigBee 模塊。為便于交管部門對車輛的有效監(jiān)控和對事故的針對性分析，需要將車輛的定位和速度信息上傳到遠程終端。

2.1 安全帶設計

一般情況下，車輛的座位無法滿足本研究的設計要求，這時就要對座椅進行改裝。改裝座椅的方法相對簡單，只要將薄膜壓力傳感器放置在座椅下面，將壓力傳感器與單片機相連，時刻采集座椅上是否有人落座的信息，同時將安全帶的卡扣與單片機相連。座椅改裝設備如圖4 所示。

圖4 座椅改裝設備示意

在對座椅和安全帶改裝完成后，基于單片機來完成對座椅和安全帶的監(jiān)測設計，具體實現(xiàn)流程如圖5 所示。當車輛啟動后，單片機將時刻循環(huán)檢測安全帶佩戴情況。先檢測是否有人落座，當有人落座后，將檢測安全帶卡扣是否正確閉合，如果沒有閉合，將通過語音進行提示，并將不閉合狀態(tài)上傳至ZigBee 模塊；如果閉合，也將信息上傳至ZigBee模塊。整個流程循環(huán)往復，從而實現(xiàn)對安全帶的實時監(jiān)測，并將數(shù)據(jù)通過ZigBee 模塊實時上傳至中控大屏和遠程終端。

圖5 安全帶檢測程序流程

安全帶數(shù)據(jù)采集的整體示意如圖6 所示。由于不同車型的座位數(shù)量不同，因此要在每個座位上都安裝ZigBee 節(jié)點（終端節(jié)點），座位上的數(shù)據(jù)通過各個終端節(jié)點匯聚到ZigBee 協(xié)調器，并通過GPRS上傳至遠程終端。

圖6 安全帶數(shù)據(jù)采集示意

2.2 ZigBee自組網(wǎng)設計

基于ZigBee 協(xié)議體系，在CC2530 平臺上通過Z_Stack 協(xié)議棧，實現(xiàn)ZigBee 具有自愈功能的自組網(wǎng)［5］。傳感器節(jié)點對安全帶信息進行采集，經(jīng)過嵌入式（龍芯）處理后上傳至ZigBee 節(jié)點。將采集到的數(shù)據(jù)通過ZigBee 子節(jié)點匯聚到ZigBee 協(xié)調器，再使用無線通信（GPRS）的方式上傳到監(jiān)控中心，從而實現(xiàn)對安全帶數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控。ZigBee 組網(wǎng)示意如圖7所示。

圖7 ZigBee組網(wǎng)示意

由于設計的系統(tǒng)所涉及的傳感器終端ZigBee節(jié)點較少，只需要一個ZigBee 協(xié)調器，其他節(jié)點均作為子節(jié)點（終端節(jié)點或路由器）來使用。為了便于數(shù)據(jù)的傳輸，每個節(jié)點都有兩個地址，即64 位IEEE 擴展地址和16 位網(wǎng)絡地址。64 位IEEE 擴展地址類似于MAC 地址，相當于公民的身份證ID，可用來唯一標識設備。16 位網(wǎng)絡地址僅在數(shù)據(jù)傳輸時才使用，當節(jié)點加入網(wǎng)絡時該地址才由父節(jié)點動態(tài)分配。

ZigBee 組網(wǎng)可分為樹狀地址分配和靜態(tài)地址分配兩種模式。整個網(wǎng)絡節(jié)點數(shù)目由ZigBee 協(xié)調器來確定。網(wǎng)絡深度是指父子鏈路上傳輸?shù)絽f(xié)調器所需的最小跳數(shù)。網(wǎng)絡深度由協(xié)調器決定，且每個ZigBee 節(jié)點都具有一個網(wǎng)絡深度。例如，ZigBee協(xié)調器的深度為0，其子節(jié)點深度為1，則多跳網(wǎng)絡中深度大于1。

ZigBee 協(xié)調器要建立一個無線網(wǎng)絡，通過Z_Stack 協(xié)議棧中的函數(shù)對網(wǎng)絡進行初始化設置。當系統(tǒng)檢測到任務事件后，會調用處理函數(shù)啟動網(wǎng)絡的組建。網(wǎng)絡組建完成并允許新節(jié)點（終端節(jié)點）加入時，才可請求加入網(wǎng)絡［6］。

如果有終端節(jié)點因某些未知故障導致離網(wǎng)，使得原有網(wǎng)絡線路被破壞時，ZigBee 組網(wǎng)可實現(xiàn)網(wǎng)絡自愈功能。在軟硬件配合下，可實現(xiàn)網(wǎng)絡自愈，整個網(wǎng)絡不因子節(jié)點的變動而離網(wǎng)，從而保證整個網(wǎng)絡正常持續(xù)工作。具體實現(xiàn)如下：在終端節(jié)點的射頻范圍有可用路由器，當有終端節(jié)點故障時，其他節(jié)點會再次啟動發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡、加入網(wǎng)絡過程。在ZStack 協(xié)議棧中，如果要訪問NV 存儲器中的信息，通過調用zb_ReadConfiguration()函數(shù)來實現(xiàn)。該存儲器NV 中重要信息包含節(jié)點的設備類型logical-Type、節(jié)點的IEEE 地址、節(jié)點的啟動模式startOptions 等。同時，調用zb_WriteConfiguration()函數(shù)來完成設備信息的寫入，這樣能在協(xié)議棧中靈活地配置網(wǎng)絡節(jié)點，從而實現(xiàn)整個網(wǎng)絡自啟動、自組網(wǎng)及自愈等功能，提高網(wǎng)絡的穩(wěn)定性、健壯性及工作效率。

3 軟件系統(tǒng)設計

為便于實時監(jiān)測車輛狀態(tài)，不僅要將數(shù)據(jù)上傳至車內中控大屏，更要將數(shù)據(jù)上傳至遠程終端，提供給相關部門進行實時管控。根據(jù)要求提供一個專門Web 端，Web 端包含登錄界面，如圖8 所示。在進入登錄界面后，可根據(jù)需要來選擇某一區(qū)域，并對該區(qū)域車輛的整體情況進行跟蹤分析，如圖9所示。從界面中可以清楚地看到車輛型號、位置、當前速度、安全帶佩戴情況等信息。當車輛超速時、安全帶未佩戴時，會被標紅，可使相關部門有針對性地監(jiān)測相關車輛。對一些特殊車輛，也可選擇詳細信息進行單獨查看，可實現(xiàn)對某一車輛的實時跟蹤，實時監(jiān)測當前速度、位置及一段時間內的車速變化等，這樣能有效約束司機或乘客的違規(guī)行為。

圖8 登錄界面

圖9 某區(qū)域車輛監(jiān)測示意

4 結語

通過對座椅進行改裝，給所有座位安裝薄膜壓力傳感器，這樣既不用大幅改造車座，也無須破壞車座原有樣貌，性價比較高。修改完成后，將嵌入式處理器和ZigBee節(jié)點模塊封裝成一個盒子，完成對座位信息的實時統(tǒng)計，并通過ZigBee節(jié)點上傳到ZigBee 協(xié)調器。同時，通過單片機將車輛的速度和定位信息通過GPRS一起上傳到遠程終端。通過對系統(tǒng)進行測試，信息傳輸穩(wěn)定，車內中控大屏信息準確，遠程終端顯示穩(wěn)定，經(jīng)測試遠程傳輸丟包率在1%以內，滿足需求。該系統(tǒng)能較好地實現(xiàn)對車輛的聯(lián)防聯(lián)控，司機或乘客的交通安全意識將進一步提高。