姜亮　曹帥　李桂秋　劉培　權(quán)雨欣

摘要：應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)實現(xiàn)路政夜間施工車輛闖入報警提示系統(tǒng)。采用物聯(lián)網(wǎng)無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在傳統(tǒng)夜間施工警示牌的基礎(chǔ)上，構(gòu)建無線傳感器警戒預(yù)警網(wǎng)絡(luò)。并通過與GPS、NB-IOT模塊相結(jié)合，將獲取到的信息送到路政安全施工系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)了路政夜間施工區(qū)域安全信息的在線實時監(jiān)測。

關(guān)鍵詞 ：物聯(lián)網(wǎng);無線傳感網(wǎng)絡(luò);路政夜間施工;zigbee

中圖分類號：TP311 ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）13-0043-03

1 背景介紹 ??

完善的道路交通體系是國家現(xiàn)代化的重要標志，隨著我國經(jīng)濟水平的不斷發(fā)展，對道路交通建設(shè)的需求越來越強烈。在“十五”與“十一五”計劃期間，我國的道路交通建設(shè)高速展開，其中高速公路建設(shè)、城市道路建設(shè)效果顯著。截至2015年4月，根據(jù)交通運輸部網(wǎng)站發(fā)布的中國道路交通統(tǒng)計公報顯示，我國公路總里程已達446.39萬公里，圍繞著高速公路的國家公路干線網(wǎng)絡(luò)已基本形成。但是隨著我國汽車保有量的飛速增長，一些公路網(wǎng)絡(luò)已不能滿足日益增加的車流量需求，產(chǎn)生交通擁堵現(xiàn)象日益嚴重，所以我國“十二五”期間，對現(xiàn)有道路交通硬件設(shè)施的改造與擴建，提高交通流量，加強維護，提升通行效率，是重點發(fā)展方向。

由于大多數(shù)道路的交通流量較大，為了減少對正常車輛通行的影響，路政部門在對道路進行改造、擴建與養(yǎng)護時，一般不會對道路進行封閉施工，都是施工作業(yè)與車輛通行同時進行。路政部門的施工時間大多選在夜間，在此時間段，道路上的車流量小，大型施工設(shè)備與材料運輸方面進行作業(yè)時可有效減少對交通的干擾，避免擁堵現(xiàn)象產(chǎn)生，降低環(huán)境污染與能源消耗。但是由于夜間道路光線強度偏弱，道路上物體的可見度降低，難以辨識，車輛駕駛?cè)藛T獲取道路環(huán)境信息的難度較大，加上施工區(qū)域?qū)е碌牡缆奋囕v通行寬度變窄與車道變換，而且司機此時間段易疲勞，容易產(chǎn)生嚴重的交通事故。根據(jù)美國高速公路合作研究組織第 627 號報告《白天和夜間施工區(qū)交通安全評價》（Traffic Safety Evaluation of Nighttime and Daytime Work Zones）中對紐約州 2000～2005 年高速公路施工作業(yè)區(qū)交通事故的統(tǒng)計見表 1所示，從中可以發(fā)現(xiàn)，夜間在施工作業(yè)區(qū)范圍內(nèi)發(fā)生死亡事故的比例要比白天高[1]。

當前道路夜間施工通常會布置現(xiàn)場警示牌，給予司機道路施工提醒，這對夜間正常駕駛的司機起到預(yù)警提示作用，能有效地避開施工區(qū)域。但針對夜間疲勞駕駛的司機，警示牌很容易被忽略，這些司機往往撞上警示牌后繼續(xù)前行直至撞上施工區(qū)域人員與設(shè)備才會反應(yīng)過來，造成巨大的人員傷亡與經(jīng)濟損失。

2總體方案設(shè)計

2.1 關(guān)鍵技術(shù)研究

Zigbee是一種新興的近距離，低復(fù)雜度，低功耗，低數(shù)據(jù)速率，低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。Zigbee采用ZigBee/802.15.4 協(xié)議自組織方式組網(wǎng)，這種架構(gòu)被稱為無線基礎(chǔ)構(gòu)架的無線局域網(wǎng)，這種架構(gòu)對網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部的設(shè)備按功能可分為3類[2]。

協(xié)調(diào)器是一個zigbee網(wǎng)絡(luò)中啟動的第一個設(shè)備，負責初始化一個zigbee網(wǎng)絡(luò)，發(fā)布網(wǎng)絡(luò)標識，使后續(xù)啟動的路由器與終端節(jié)點可加入網(wǎng)絡(luò)。路由器節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)后執(zhí)行路由功能，為后續(xù)節(jié)點設(shè)備提供接入點與信息傳遞路徑。終端節(jié)點用于連接傳感器與執(zhí)行器設(shè)備，通過路由器加入網(wǎng)絡(luò)與傳遞信息。

路政夜間施工環(huán)境中布線困難，通信環(huán)境復(fù)雜，zigbee設(shè)備低功耗、低復(fù)雜度、可自組網(wǎng)的特點，便于在路政夜間施工復(fù)雜環(huán)境中的使用。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)的選擇

Zigbee網(wǎng)絡(luò)的拓撲結(jié)構(gòu)有以下三種（圖1）。

星狀網(wǎng)絡(luò)是zigbee網(wǎng)絡(luò)中最簡單的一種，以協(xié)調(diào)器為中心，構(gòu)建點對多點的單跳通信網(wǎng)絡(luò)，通信半徑為單跳距離，適用于類似智能家居的小范圍網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景。

樹狀網(wǎng)絡(luò)是以協(xié)調(diào)器為核心構(gòu)建的層級多跳網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建時需設(shè)定的網(wǎng)絡(luò)深度與網(wǎng)絡(luò)容量。協(xié)調(diào)器作為初始父節(jié)點，次級節(jié)點作為子節(jié)點的加入網(wǎng)絡(luò)，多層之間依次構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)。子節(jié)點只能與父節(jié)點通信，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)固定，適合網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍大，但通信路徑固定的場合。

優(yōu)點：網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍可調(diào)，通信路徑固定，路由節(jié)點傳遞信息時，無須在存儲空間查找路由表，直接對目標網(wǎng)絡(luò)地址進行判定便可進行傳輸，通信時延短，實時性高。缺點：由于樹狀網(wǎng)絡(luò)通信路徑固定，子節(jié)點只能與其父節(jié)點通信，通信路徑單一，父節(jié)點一旦發(fā)生問題，其子節(jié)點將脫離網(wǎng)絡(luò)。

網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)在樹狀網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上添加Z-AODV路由算法，Z-AOVD路由算法能為信息幀傳遞發(fā)現(xiàn)路由成本最佳的路由，并把路由信息保存到路由表當中，Z-AODV適用于連續(xù)的數(shù)據(jù)傳輸，彌補了樹狀網(wǎng)絡(luò)無法選擇最佳路由，網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性不好的缺點，路由節(jié)點間可以相互通信，為信息幀傳遞提供多條路由選擇，一個路由節(jié)點出現(xiàn)問題不影響整個網(wǎng)絡(luò)的運行[3]。

在路政夜間施工的復(fù)雜環(huán)境中，需求穩(wěn)定可靠無線通信網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)中單個節(jié)點出現(xiàn)問題不影響整個通信。所以本系統(tǒng)的zigbee路政夜間施工安全監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)采用網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)。

2.3 方案設(shè)計

路政夜間施工車輛闖入報警提示系統(tǒng)采用zigbee自組網(wǎng)技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計基于zigbee技術(shù)的便攜式激光對射報警器、便攜式激光對射報警器網(wǎng)關(guān)、便攜式報警接收器，在傳統(tǒng)夜間施工警示牌的基礎(chǔ)上，構(gòu)建無線傳感器警戒預(yù)警網(wǎng)絡(luò)（便攜式激光對射報警器網(wǎng)關(guān)為協(xié)調(diào)器，便攜式激光對射報警器與便攜式報警接收器為路由器或者終端節(jié)點）。當車輛接近施工區(qū)域時，無線傳感器警戒預(yù)警網(wǎng)絡(luò)會根據(jù)傳感器獲取的信息進行二個級別的預(yù)警，首先當車輛接近時駛?cè)腩A(yù)警區(qū)域時，啟動一級預(yù)警提醒駕駛?cè)藛T，當一級預(yù)警無效，車輛繼續(xù)闖入警戒區(qū)域時啟動二級預(yù)警，驚醒司機，同時施工人員佩帶的報警接收器也會以聲音和振動的方式提醒施工人員，提前進行安全避讓。并且基于zigbee技術(shù)與GPS、NB-IOT模塊相結(jié)合構(gòu)建的網(wǎng)關(guān)，將把獲取到的信息送到路政安全施工系統(tǒng)平臺，平臺上實時展示路政夜間施工點實時地理分布信息與施工安全信息.系統(tǒng)框圖如下（圖2）：

3 硬件設(shè)計

3.1 基于zigbee的便攜式激光探測報警器設(shè)計

基于zigbee的便攜式激光探測報警器是路政夜間施工車輛闖入報警提示系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的感知節(jié)點（如圖3）。該節(jié)點應(yīng)用毫米波雷達檢測車輛接近方向與速度，預(yù)測車輛是否會闖入施工區(qū)域，如果判定車輛行駛方向與速度對施工區(qū)域構(gòu)成威脅，啟動一級預(yù)警進行間歇性初步聲光預(yù)警，警醒車輛駕駛?cè)藛T。在預(yù)警沒有起作用的情況下，車輛闖入施工區(qū)域，節(jié)點的激光對射傳感器將檢測到車輛闖入，啟動二級預(yù)警，節(jié)點的聲光報警連續(xù)開啟，并通過zigbee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送車輛闖入信息至施工人員隨身佩戴的便攜式報警接收器，提醒施工人員進行安全避讓。

3.2 便攜式激光探測報警器網(wǎng)關(guān)設(shè)計

NB-IOT，Narrow Band Internet of Things，窄帶物聯(lián)網(wǎng)，是一種專為萬物互聯(lián)打造的蜂窩網(wǎng)絡(luò)連接技術(shù)。NB-IOT所占用的帶寬很窄，只需約180KHz，而且其使用頻段為License，采用保護帶、帶內(nèi)、獨立載波三種方式部署，融入現(xiàn)有基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)，并且能夠直接部署在GSM、UMTS或LTE網(wǎng)絡(luò)，即2/3/4G的網(wǎng)絡(luò)上，實現(xiàn)現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)的復(fù)用，降低部署成本，實現(xiàn)平滑升級。路政施工區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，不方便布線與供電，上傳數(shù)據(jù)量不大，NB-IOT正好滿足要求。

便攜式激光探測報警器網(wǎng)關(guān)應(yīng)用CC2530與GPS、NB-IOT模塊相結(jié)合構(gòu)建網(wǎng)關(guān)（如圖4），通過GPS模塊獲取路政施工區(qū)域位置信息，通過NB-IOT模塊上傳數(shù)據(jù)至服務(wù)器平臺。

3.3便攜式報警接收器設(shè)計

便攜式報警器接收器應(yīng)用CC2530與MP3語音解碼電路模塊、繼電器、震動器相結(jié)合（如圖5），通過無線傳感器警戒預(yù)警網(wǎng)絡(luò)獲取施工區(qū)域安全信息，然后通過震動與MP3語音解碼模塊播放相應(yīng)的提示警示信息，提醒路政施工人員。

4 軟件設(shè)計

4.1 系統(tǒng)運行流程

網(wǎng)關(guān)節(jié)點上電初始化建立一個zigbee網(wǎng)絡(luò)，獲取GPS信息與初始化NB—IOT模塊，上傳數(shù)據(jù)至路政安全施工平臺。便攜式激光探測報警器與便攜式報警接收器上電后加入網(wǎng)絡(luò)，其中便攜式激光探測報警器通過傳感器采集路政施工區(qū)域安全信息，在觸發(fā)報警啟動聲光報警的同時，發(fā)送數(shù)據(jù)至網(wǎng)關(guān)與便攜式報警接收器，便攜式報警接收器接收報警信號開啟語音與震動提醒。

在以上的基礎(chǔ)上，系統(tǒng)可以實現(xiàn)對路政夜間施工區(qū)域車輛闖入的有效預(yù)警，在驚醒司機的同時，提醒施工人員提前進行安全避讓，并在路政安全施工平臺上實時展示路政夜間施工點實時地理分布信息與施工安全信息。

5 結(jié)語

本系統(tǒng)應(yīng)用zigbee自組網(wǎng)技術(shù)與傳感器技術(shù)相結(jié)合，搭建的路政夜間施工車輛闖入報警提示系統(tǒng)，相比傳統(tǒng)道路夜間施工標識牌，增加了聲光報警與車輛闖入提前預(yù)警。施工人員通過本系統(tǒng)的可及時獲取警戒區(qū)域車輛闖入預(yù)警信息與定位車輛闖入方向，從而獲取更多的時間來有效的處理意外情況，有效減少人員傷亡與財產(chǎn)損失。同時路政部門路政安全施工平臺也使更有效的了解路政施工情況，方便管理。

參考文獻：

[1] 張圣.高速公路改擴建施工作業(yè)區(qū)夜間臨時交通安全設(shè)施設(shè)置研究[D].長安大學，2015.

[2] 王繼水，曹帥.基于物聯(lián)網(wǎng)的礦山環(huán)境在線實時監(jiān)測系統(tǒng)研究與實現(xiàn)[J].計算機測量與控制，2012，20（2）：342-344，366.

[3] 曹帥.基于zigbee技術(shù)的智能家居對象控制與組網(wǎng)方案研究[D].武漢紡織大學，2010.

【通聯(lián)編輯：聞翔軍】