蜂群式交通运输系统的设计与发展

王沛国

摘 要 如今我们的生活节奏越来越快，车辆成为人们生活中的必需品，伴随而至的交通问题也层出不穷，在我们上班上学的过程中堵车可谓是家常便饭各大一线城市的堵车更是壮观。行车过程中，剐蹭、碰撞也是屡见不鲜，重特大交通事故也时有发生。据世界卫生组织统计（WHO）统计全球每年有120万人死于车祸，平均每25秒就有一人死于车祸。我国平均有200人每天因车祸死亡或受伤，平均每五分钟就有一人死于车祸。我国汽车世界保有量为世界的3%但却造成了世界上16%的车祸，而目前，我国2017年汽车保有量将突破2.9亿，如何防止和避免各类车祸的发生，提高公路系统的运行效率，使人民群众出行生活更便捷，成为了一种迫在眉睫需要解决的问题。

【关键词】拥堵 交通规则 网络规划

而目前以沈阳市位例，沈阳市警方统计结果表明无序驾驶，随意变换车道，疲劳驾驶，粗心大意成为了车祸的主因。通过交通安全教育，民众交通安全意识增强的同时，我们是否可以从技术层面对于车辆进行升级，让交通事故少发生，不发生呢，这当然是可以的。既然无序驾驶成为了目前交通事故频发的主要原因，那么是否可以从技术层面在车辆的设计上对于无序驾驶进行杜绝呢。其实在生物界我们就有很多类似的例子。以蜜蜂为例，看似无序的蜂群其实存在着非常严格的秩序，即使再密集的蜂群也不会出现撞击同伴的空难，这源于蜜蜂腹部的超流磁性，根据地球的磁场对蜂群进行规划。所以对于庞大的交通网络是否可以运用蜂群式控制方式来进行管理，保证到杜绝无序驾驶，提高出行效率，更加方便人民群众的出行。

1 关于蜂群式控制系统

1.1 流程略图

如图1所示。

1.2 分步说明

车辆：车辆的主要针对对象是民用私家车、运输车辆、民用特种车辆。

路况反应机制：

路况反应机制由车载传感器（温度，湿度，震动，光学传感器，计时器组成，分别检测地面温度，地面湿度，积水水深，能见度，路面颠簸程度，拥堵程度等路况问题）北斗卫星导航（负责计算拥堵程度，重新规划路线，导航等作用）组成。其作用主要是对路况信息进行汇总，将路面的自然状况和人为状况首先反映给北斗卫星，北斗卫星导航系统将所有信息汇总给并为拥堵区域车主规划新的行驶路线，在规划的同时将汇总过的路况信息反馈给城市智能交通系统，并由城市智能交通系统进行下一步行动。

信息交互机制：

信息交互机制由红外传感器（计算车距和行车方向）车载计算机（1、对于红外传感器的数据进行计算；2、接收和发送相关信息；3、对车辆的相关功能进行控制；4、车流物联网）旨在对于外界信息的接受和反馈，对于内在信息的上传和分析，以及对车辆的控制。

蓝牙遥控机制：

由蓝牙遥控软件，蓝牙，车载计算机组成，针对酒驾，疲劳驾驶等问题设计，车主可以利用手机APP与车载蓝牙和车载计算机链接，并下达指令，在自动模式下车主可以让车辆独自去接送家人，运输货物等活动；在手动模式下，车主可以通过手机对车辆进行遥控，让车辆在车主的遥控下行驶。

2 智能车模蓝牙遥控系统软件设计方案

2.1 创作目的

通过把步进电机作为可移动轮式车模的动力部分，同时增加一些任务，将步进电机的控制和单片机、模电、数电、算法等知识一起糅合，已经具有初步的系统性框架，是一种带有智能的步进电机控制系统，本次设计主要体现在软件流程编辑上。

2.2 所需硬件

电脑：处理器 AMD Opteron（tm） Processor 6320、内存 16G 以上、硬盘 500G以上；

STC89C52RC单片机；

手机：安卓系统 内存1G及以上。

STC89C52标准功能：

具有以下标准功能：8k字节Flash，512字节RAM， 32 位I/O 口线，看门狗定时器，内置4KB EEPROM，MAX810复位电路，3个16 位定时器/计数器，4个外部中断，一个7向量4级中断结构（兼容传统51的5向量2级中断结构），全双工串行口。另外 STC89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。

2.3 创作过程

根据车模的功能要求，设计了系统程序流程图，编写了车模基本运动子程序、蓝牙子程序，并根据车模驱动模块驱动芯片的工作原理，编写了车模驱动程序，最终，通过主程序调用将其连为一个整体。完成了系统软件的设计。

2.4 技術描述部分

2.4.1 系统整体结构

智能车模蓝牙遥控系统软件整体示意图，如图2所示，其中手机部分，包括手机APP、手机的蓝牙模块，控制部分包括单片机最小系统、蓝牙从机模块、电机驱动模块。

2.4.2 小车模型底盘结构

小车模型底盘包括车轮4个，直流电机4个，车身底板1个，以及单片机控制系统电路板。其中，每个车轮由一个直流电机控制，由直流电机驱动模块控制直流电机的正转反转，实现小车模型的前进后退等基本动作。

设轮子1正转为前进，小车模型基本动作的实现如表1，根据车轮正转反转的不同，可以实现前进、后退、左转、右转、停止等基本动作。

L298电机驱动芯片，可以通过两位数字信号控制一个电机的正、反转，因此，需要两个电机驱动，控制四个直流电机的正、反转。

2.4.3 单片机与蓝牙模块的连接

本次蓝牙模块设计综合考虑市场上的主流方案，我依据技术较成熟最成熟及成本较低的原则，采用了CC2540蓝牙芯片作为的单模式低功率蓝牙解决方案。

蓝牙模块与单片机的连接有两种方案，一种是利用CC2540的GPIO口与单片机的IO口连接，传输数字信号；一种是利用CC2540的URAT串口进行数据透传，传输给单片机的串行缓冲寄存器。本次我选用了第一种方案，CC2540具有19个GPIO口，这些IO口一般都有各自的特殊功能，一般不适用他们作为GPIO口，这里选择不影响研究目标功能的三个GPIO口P0.7、P0.6和P0.5，分别连接单片机的P2.7、P2.6和P2.5。

2.4.4 智能手机APP的设计

目前市场上有很多基于CC2540的APP共享软件成熟方案，可以很方便的下载来进行二次设计。此处也可以描述成借助亲戚朋友等外力来完成二次匹配，毕竟此次设计的着重点在控制。

APP运行平台选择Android系统，APP的开发环境，为Windows7 64bit旗舰版，开发软件选择eclipse。开发语言使用java语言。APP需要实现的功能，包括调用手机蓝牙模块作为主机模块，扫描到从机模块，建立连接，并通过模拟串口传递数据。

如图3所示，我在上述流程的基础上，设计了用户界面，包括动作按钮，扫描从机按钮，以及更多的命令开发按钮。

src-com.nordisemi.xxx下的java文件为安卓工程的主程序文件， MainActivity.java中为主程序，负责调用其他函数完成APP的工作；DeviceListActivity.java中定义了诸多函数，在APP调用蓝牙模块扫描从机时调用。它定义了一个public class，包括匹配设备时需要各种设备表单存放。

UartService.java中定义了串口传输中的诸多宏，包括串口对应的char，主机UUID，以及数据发送函数。定义了RX和TX的UUID，与蓝牙协议栈不同，在安卓工程中，UUID由完整的128位十六进制数表示。

前进按钮的功能代码中，massage为要通过蓝牙串口传输的数据，定义为GO，并在listAdapter中显示，通过writeRXCharacteristic函数传输。其中，函数传输的不是直接的massage，而是将message转码储存在value中。其他按钮代码与此类似，其中send按钮稍微不同，massage得到的字符不是固定的，而是获取text栏数据。

2.4.5 单片机程序设计

单片机程序的流程图如图4所示。

其中，串口初始化主要设置串口的比特率为9600，同时蓝牙协议栈中的串口初始化也需要将串口比特率设置为9600。默认蓝牙串口比特率为115200，单片机在11.0594MHz晶振下很难准确达到这个比特率。在11.0592MHz晶振、9600波特率下，单片机可以与蓝牙模块串口保持良好的通讯。

蓝牙模块将数据通过串口，传给单片机时，会存放在单片机的SBUF缓存中，RI会自动置1，此时将缓存区的数据存在char型变量kumo中，方便主程序调用处理。串口检测函数如下：

void bluetooth（）

{

if（RI） //是否有数据传过来

{

RI=0；

kumo = SBUF； //接收命令

2.5 后期设计的思路

通过这次设计实现对步进电机控制，加入蓝牙模块配合APP可实现远程控制。

通过设计对STC89C52RC单片机有了更深入的理解，通过该芯片还可以开发完善更多的功能，例如：加上语音识别芯片可以实现控；

加入传感器实现自主寻迹、避障；

因为对于实验材料和相关知识的缺失，无法对其他两大机制进行研究，故本文仅对于蓝牙遥控机制作为介绍。

感想：

在日后的将来，我希望蜂群式交通系统可以实现。因为我坚信通过这种控制系统在某种程度上降低车祸发生的几率，挽救更多无辜的生命。同时也可以提高交通运输体系的运行效率，促进经济发展，也为我们的生活出行多添一份方便、一份安全、一份保障。

但蜂群式系统的思维不仅仅是交通运输，还可以是更多的领域，在军事领域，蜂群思维下的无人机可以更好的协作完成任务，在高空或海底布置雷区，对建筑物进行侦查，对目标进行突袭等。不但成本低，还可以减少伤亡，何乐而不为。在信息工程的领域，例如美国洛杉矶市启动过的“深蓝计划”，育碧游戏公司的《看门狗》系列作品中的CTOS城市中央控制系统。他们都利用蜂群式思维对城市的一切进行控制，让人们的生活井井有条，让犯罪分子无处可逃。

这将是一种趋势，蜂群式控制系统将会是一种新的物与物之间的秩序模式，也将是軍事，交通，信息工程，航空航天的新型控制理念。

作者单位

西安高新第一中学 陕西省西安市 710075