基于ZigBee的公路交通预警及方法与流程

本发明涉及ZigBee组网，是一种终端之间相互随机建立一个通信网络，进入网络的任何节点可以经过多跳机制相互传播信息达到第一时间传播预警；具体涉及基于ZigBee的公路交通预警及方法。

背景技术：

Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议。根据这个协议规定的技术是一种短距离、低功耗的无线通信技术。这一名称来源于蜜蜂的八字舞，由于蜜蜂(bee)是靠飞翔和“嗡嗡”(zig)地抖动翅膀的“舞蹈”来与同伴传递花粉所在方位信息，也就是说蜜蜂依靠这样的方式构成了群体中的通信网络。其特点是近距离、低复杂度、自组织、低功耗、低数据速率、低成本。主要适合用于自动控制和远程控制领域，可以嵌入各种设备。简而言之，ZigBee就是一种便宜的，低功耗的近距离无线组网通讯技术。ZigBee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的75米到几百米、几公里，并且支持无线扩展。

现有的汽车防撞预警系统主要用于协助驾驶员避免高速、低速追尾，高速中无意识偏离车道，与行人碰撞等重大交通事故。像第三只眼一样帮助驾驶员，持续不断的检测车辆前方道路状况，系统可以识别判断各种潜在的危险情况，并通过不同的声音和视觉提醒，以帮助驾驶员避免或减缓碰撞事故。

汽车防撞预警系统是基于智能视频分析处理的汽车防撞预警系统，通过动态视频摄像技术、计算机图像处理技术来实现其预警功能。主要功能为：车距监测及追尾预警、前方碰撞预警、车道偏离预警、导航功能、黑匣子功能。相对于国内外现有的汽车防撞预警系统，如超声波防撞预警系统、雷达防撞预警系统、激光防撞预警系统、红外线防撞预警系统等，功能、稳定性、准确性、人性化、价格上都具有无可比拟的优势。性能卓越，可全天候、长时间稳定运行，极大提高了汽车驾驶的舒适性和安全性。

但是现有技术中的汽车防撞预警系统感知范围较近，仅限于车载传感器或图像采集设备的感知范围。一般不超过视距，而且受天气因素限制较大。在高速行驶的高速公路上时，其预警范围无法满足高速情况下的需求。而且设备成本较高，算法和系统较复杂，易出现故障还有易受恶劣天气影响。

技术实现要素：

本发明主要是解决现有技术所存在的高速路在能见度低或路面湿滑等恶劣天气情况下的交通事故预警，以防二次事故或及连环追尾重大交通事故的技术问题；提供了一种低功耗、低数据量以及低成本，并使用免费频段2.4G，能够高抗干扰、高保密性并能够自动动态组网的基于ZigBee的公路交通预警及方法

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：

基于ZigBee的公路交通预警系统，其特征在于，将高速公路分为若干路段，每个路段包括：

至少一个路由服务节点单元：设置在两个方向车道之间的隔离道上，用于接收并转发事故预警信息；

若干车载ZigBee节点单元：设置在行驶车辆上，当某一车辆发生事故时，发生事故车辆的车载ZigBee节点单元向其他车载ZigBee节点单元发送事故预警信息，其他车载ZigBee节点单元接收、携带并转发事故预警信息给路由服务节点单元并由路由服务节点单元将事故预警信息转发给相邻前后两个路段的路由服务节点单元。

基于ZigBee的公路交通预警方法，其特征在于，将高速公路分为若干路段，每个路段内部为同样的网络号PANID；每个路段内设有布置在两个方向车道之间的路由服务节点单元若干，以及进入路段的两个方向车道上的车载ZigBee节点单元，定义其中一个方向的车载ZigBee节点单元为第一组号车载ZigBee节点单元，另一个相反方向的车载ZigBee节点单元为第二组号车载ZigBee节点单元，该交通预警方法包括：

车载ZigBee节点单元组网步骤：路由服务节点单元实时扫描所覆盖路段的车流状况，当携带车载ZigBee节点单元的车辆进入覆盖路段时，赋予车载ZigBee节点单元备案信息，即分配网络号PANID、短地址以及组号，当携带车载ZigBee节点单元的车辆退出覆盖路段时，清空网络号PANID、短地址以及组号；

事故发生预警步骤：当事故发生时，发生事故车辆所在车载ZigBee节点单元向距离最近的正常行驶车载ZigBee节点单元或路由服务节点单元广播事故预警信息，离发生事故车辆所在车载ZigBee节点单元距离最近的正常行驶车载ZigBee节点单元接收、携带并转发事故预警信息给其他行驶车载ZigBee节点单元或路由服务节点单元，当发生事故车辆所在区域的前后方路由服务节点单元接收到事故预警信息后，发生事故车辆所在区域的后方路由服务节点单元将事故预警信息上传交管部门，或先收到事故预警信息的路由服务节点单元将事故预警信息上传交管部门，发生事故车辆所在区域的前一路段的路由服务节点单元将事故预警信息转发给所在路段的行驶车载ZigBee节点单元，发生事故车辆所在区域的后一路段的路由服务节点单元接收行驶车载ZigBee节点单元发出的事故预警信息，并根据事故预警信息确认是否消除预警。

在上述的基于ZigBee的公路交通预警方法，在事故发生预警步骤中，分为车流量大和车流量小时，预警的信息传递步骤，具体是：

当车流量大时，即发生事故车辆所在车载ZigBee节点单元覆盖最大传递半径存在距离最近的正常行驶车载ZigBee节点单元，向距离最近的正常行驶车载ZigBee节点单元发生事故车辆所在车载ZigBee节点单元向距离最近的正常行驶车载ZigBee节点单元，以及所在区域的路由服务节点单元广播事故预警信息，距离最近的正常行驶车载ZigBee节点单元继续向其他正常行驶车载ZigBee节点单元依次广播事故预警信息，其他正常行驶车载ZigBee节点单元接收到事故预警信息并向所在的区域路由服务节点单元转发事故预警信息；

当车流量小时，即发生事故车辆所在车载ZigBee节点单元覆盖最大传递半径不存在距离最近的正常行驶车载ZigBee节点单元，也不存在路由服务节点单元，则向不同组号的相反方向的正常行驶的车载ZigBee节点单元发送事故预警信息，相反方向的正常行驶的车载ZigBee节点单元接收到事故预警信息后向正常行驶的车载ZigBee节点单元所在区域的车载ZigBee节点单元或路由服务节点单元发送事故预警信息，其他正常行驶车载ZigBee节点单元接收到事故预警信息并向所在的区域路由服务节点单元转发事故预警信息。

在上述的基于ZigBee的公路交通预警方法，所述事故发生预警步骤中，离发生事故车辆所在车载ZigBee节点单元距离最近的正常行驶车载ZigBee节点单元接收、携带并转发事故预警信息给其他行驶车载ZigBee节点单元或路由服务节点单元的具体方法是：

步骤1，接收事故预警信息，并判断事故车辆所在组号是否与本机相同，并根据判断结果选择执行：

选择执行一：若事故车辆所在组号与本机相同，读取事故区域所在位置坐标，并继续执行下一步骤；

选择执行二：若事故车辆所在组号与本机不同，且当前本机在路由服务节点单元覆盖范围内时，转发事故预警信息给路由服务节点单元后清除事故预警信息；当前本机不在路由服务节点单元覆盖范围内时，携带事故预警信息，并行至事故区域上一路由服务节点单元所在区域，并将事故预警信息发送给路由服务节点单元后清除事故预警信息；

步骤2，判断事故区域是否在本机前方，并根据判断结果选择执行：

选择执行一：若事故区域在本地前方，则本机车载ZigBee节点单元计算本机与事故发生点距离提示本机用户，且携带事故预警信息，并行至事故区域下一路由服务节点单元所在区域，并将事故预警信息发送给路由服务节点单元后清除事故预警信息；

选择执行二：若事故区域不在本地前方，则本机车载ZigBee节点单元携带事故预警信息，并行至事故区域下一路由服务节点单元所在区域，并将事故预警信息发送给路由服务节点单元后清除事故预警信息。

在上述的基于ZigBee的公路交通预警方法，其特征在于，所述事故发生预警步骤中，路由服务节点单元接收到事故预警信息后，进行转发事故预警信息，并将事故预警信息上传交管部门的具体步骤是：

步骤1，当前路由服务节点单元收到预警事故预警信息，并判断该预警事故预警信息是否是车载ZigBee节点单元转发的预警事故预警信息，并根据判断结果选择执行：

选择执行一：若是车载ZigBee节点单元转发的预警事故预警信息，则判断当前路由服务节点单元是否是事故区域的上一个区域的服务节点单元：

若是，则通过4G网通知下一区域的服务站点并向当前路由服务节点单元所覆盖的通信范围内的所有车辆发送事故预警信息；

若不是，则通过4G网通知上一区域的服务站点，直至有车载ZigBee节点单元发送预警事故预警信息至当前路由服务节点单元后，清除事故预警信息；

选择执行一：若不是车载ZigBee节点单元转发的预警事故预警信息，则判断当前路由服务节点单元是否是事故区域的上一个区域的服务节点单元：

若是，则向当前路由服务节点单元所覆盖的通信范围内的所有车辆发送事故预警信息；

若不是，直至有车载ZigBee节点单元发送预警事故预警信息至当前路由服务节点单元后，清除事故预警信息。

在上述的基于ZigBee的公路交通预警方法，还包括一个实时预判预警信息步骤：任意一个正常行驶车辆进入路由服务节点单元所覆盖的通信范围内后，路由服务节点单元将该正常行驶车辆中的车载ZigBee节点单元备案信息告知车辆行驶方向的下一个路由服务节点单元，下一路由服务节点单元收到备案信息后开始计时，并根据计时时间进行判断：

判断一：若下一路由服务节点单元自收到该车载ZigBee节点单元的备案信息后在设定时间内并没有行驶到下一路由服务节点单元所覆盖的通信范围内并予以备案，则判断该车载ZigBee节点单元所在车辆出现故障，并执行事故发生预警步骤；

判断二：若下一路由服务节点单元自收到该车载ZigBee节点单元的备案信息后在设定时间内行驶到下一路由服务节点单元所覆盖的通信范围内并予以备案，则判断该车载ZigBee节点单元所在车辆行驶正常。

在上述的基于ZigBee的公路交通预警方法，在车载ZigBee节点单元组网步骤中，车载ZigBee节点单元首次进入路由服务节点单元所覆盖的通信范围内被赋予的短地址包括初始坐标，并执行：实时读取车速计算行驶距离加或减初始坐标估算坐标并且：

若车载ZigBee节点单元继续行驶下一服务节点单元所覆盖的通信范围内后刷新坐标，并重复执行实时读取车速计算行驶距离加或减初始坐标估算直至车载ZigBee节点单元行驶至出口后清空所有信息；

若车载ZigBee节点单元直接继续行驶至出口，则清空所有信息.

在上述的基于ZigBee的公路交通预警方法，事故预警信息发送内容包含：事故车辆短地址、事故时间、事故车辆组号、事故估算位置、事故种类号、事故车辆车牌号、信息发送终端短地址、信息发送终端组号。

在上述的基于ZigBee的公路交通预警方法，路由服务节点单元确定当前车辆的坐标位置的具体方法是：

采用一维的坐标来表示车辆位置；车载终端进入高速入口时被赋予初始的坐标位置X₀；终端每隔一秒读取车辆的速度信息v_i，则为行驶到下一服务节点前采集时间t秒，的行驶的路程x₀可以估计为那么估计坐标为X＝X₀±x₀，加减号由方向决定；由于服务节点通信半径R大，车载终端r小，所以只有当车载终端距下一服务节点距离为r时车载终端节点和服务终端节点才可以相互通信；所以在车载终端刚接近到服务节点r距离时发送备份信息，此时服务节点回应一个坐标X₁刷新此时坐标；下一阶段行驶路程估计的坐标X＝X₁±x₁。

因此，本发明具有如下优点：1.预警距离远传播速度快，信息可以通过车辆间多跳传递到几公里外，给驾驶员充分的反应距离和时间。2.预警信息传播途径不受恶劣天气干扰，ZigBee采用2.4G频段抗干扰能力保密性强。3.提高了交管部门的事故反应速度。4.ZigBee的组网容量大，可以容许大量车载终端金如路段。5.ZigBee的功能可扩展性强，可以在ZigBee基础上延展更多功能。。

附图说明

附图1是本发明的车载终端节点组网流程图。

附图2是本发明的车载节点位置估计流程图。

附图3是本发明实施例中车流量大时节点分组及预警信息传递示意图(1-服务节点2-车辆3-车辆r-车载节点的通信半径R-服务节点的通信半径，红色节点为事故车辆，红色实线为预警信息传递方向，红色虚线为4G网传递信息方向)。

附图4是本发明实施例中车流量小时节点分组及预警信息传递示意图(1-服务节点2-车辆3-车辆r-车载节点的通信半径R-服务节点的通信半径，红色节点为事故车辆，红色实线为预警信息传递方向，红色虚线为4G网传递信息方向，虚线方框为车辆运动后所在位置)。

附图5是本发明事故发生预警流程图。

附图6是本发明中车载终端事故处理流程图。

附图7是本发明中服务节点事故处理流程图。

附图8是本发明中未收到预警信息情况下服务节点事故判断流程。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：

本发明涉及ZigBee，利用ZigBee灵活组网和远距离多跳通信将预警信息发送给进入事故路段所有车辆。本发明需要在汽车和高速公路上布置ZigBee节点。具体内容如下：

将某一路段视为一个网络，路段内部为同样的网络号(PANID)。并将网络内的节点分为三组。一组为人工布置在两个方向车道之间的路由服务节点，它功能是接收并转发预警信息。第二组与第三组分别为进入路段的两个方向车道上的车载ZigBee节点。服务节点需要接受事故信息并为路段所有车载终端提供预警信息，所以路由服务节点可以向2组3组发送异组信息，也可以接受2组3组的异组信息。由于两个方向车道之间一般有隔离带，所以如果一个方向车道出现事故不会影响另一个方向车道上的汽车正常行驶，所以车载终端节点收到预警信息后要判断是否是与自己同方向车道上的事故。出现事故时服务节点判断是哪组的事故信息，预警信息里需要带上事故组号。除此之外路由服务节点还有协助车辆进行位置估计的功能：当车辆进入某一路由服务节点的通信范围，路由服务节点会向车载终端发送自己的信息告诉车辆进入了自己的服务范围并等待车辆反馈自身信息，但由于路由服务节点通信半径大，车载终端通信半径小，所以只有车辆距服务节点一个车载终端的通信半径时才能反馈自身信息给路由服务节点。那么当车辆第一次反馈成功时，且服务节点自身坐标已知，根据车辆组号可求得此时的车辆坐标为服务节点坐标加减车载终端通信半径距离(由于路段是一条线，所以这里的坐标我们使用一维坐标，加减由组号决定)。服务节点将此时车载终端坐标反馈给车载终端，刷新其坐标位置。之后的坐标通过刷新的坐标加减汽车实时速度乘以时间的里程数进行估算，直到可以反馈下一个服务节点刷新坐标。

当车辆进入路段时，路段出入口处设置有专用ZigBee网络的路由器，进入路段后就会与该路由器组网，被赋予网络号、短地址和组号。离开路段的车载ZigBee会被出口处专用路由器告知即将离开路段，离开路段后车载ZigBee节点清楚组网并初始化自己进入搜寻网络状态。

路由服务节点通信范围要覆盖高速路端上的任何区域，达到无阴影区域的预警通知。路段内网络的服务节点需要功率放大和专业天线以达到5km的覆盖范围来减少服务节点的布置数量。路由服务节点可以每隔10km布置一个便可对路段全覆盖。服务节点配有4G通信设备，可以直接连入4G网络，以互联网方式将事故信息传送给交管部门，也方便交管部门通过网络对每个服务节点进行监控或通过服务节点额外通知紧急交通信息给车辆。

车载ZigBee节点与加速度传感器、碰撞传感器等连接，如果出现碰撞信号，则被视为出现车祸，而抛锚等轻微事故信息轻微可手动告知车载终端。在故障信息产生瞬间ZigBee节点会广播事故信息，此信息包括自己的事故车辆短地址、事故时间、事故车辆组号、事故估算位置、事故种类号、事故车辆车牌号、信息发送终端短地址、信息发送终端组号。附近的车载终端收到预警信息判断是否是同车道事故再判断自己与事故区域位置关系，如果即将驶入事故段，则警示驾驶员，如果已驶离事故区域但在一定危险距离内仍警示驾驶员。除此之外，由于车载终端通信半径有限，车载终端距路由服务节点较远时无法与路由服务节点通信只可以接受来自路由服务节点的信息。基于此车载终端驶离事故路段后接停止警示，再判断是否收到来自路由节点的预警事故信息，如果有则停止广播，如果没有则继续广播实现直到收到来自路由服务节点的事故告知信息停止广播和多跳。车辆稀少时无法完成多跳时，车辆直接携带该事故信息至下一路由服务节点并转发，该路由服务节点得到事故信息后通过4G网络将事故信息发送给事故区域上一个服务节点并通知交管部门。如果车辆判断即将进入事故区域就转发，这样形成了信息的定向泛洪，通过这样信息的多跳使预警信息传播很远，预警信息直到传播到事故区域上一个服务节点停止信息定向泛洪，并将这一事故信息转发给事故区域上一个服务节点。之后预警功能就不需要车载节点多跳来实现，而是由服务节点告知驶入其通信半径内的车辆前方事故信息。除此之外，为防止车辆稀少无法完成多跳将信息穿给服务节点，可利用异向车道上的车接受异组事故信息将此信息携带给事故区域上一个服务节点。再考虑极端情况，如果事故车辆无法通信告知路由服务节点且附近很长时间没有经过一辆车。为解决这种极端情况，每辆车进入路由服务节点会在路由服务节点上信息备案(信息包含车辆组号，车辆短地址，驶入时间)，该路由服务将此通过4G网络告知该车辆即将驶入的路由服务节区域。如果下一路由服务节点在远超过t(t＝10km/路段要求最低速度)仍未到达下一路由服务节点备案信息，那么认为该车可能在这两个路由服务节点间出现故障或该车车载终端可能在这两个路由服务节点间出现故障。无论是哪种原因路由服务节点发送预警信息，告知前方路段可能出现事故，并告知交管部门处理。

如上所述这样一可以让事故瞬间两个服务节点间的车辆第一时间获得预警，还可以让之后即将驶入的车辆在至少5km外获得预警，此距离远远超过视距且不受恶劣天气影响给车辆足够反应时间。将车辆之间联系成一个系统相互协调，远远比车辆为一个单独系统有更好的安全性。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。