基于ZigBee技術(shù)的車輛測速系統(tǒng)設(shè)計

【摘要】車輛的定位及測速對智能交通系統(tǒng)有著重要的意義。本文基于ZigBee技術(shù)，采用CC2431芯片為定位核心，采用RSSI定位算法，構(gòu)建了一款無線測速系統(tǒng)，介紹了測速系統(tǒng)的工作原理。通過試驗結(jié)果表明，該系統(tǒng)設(shè)計合理，能夠滿足實際交通環(huán)境下對車輛測速精度、穩(wěn)定性的要求。

【關(guān)鍵詞】ZigBee;測速;定位;RSSI

The design of vehicle velocity-measuring system based on ZigBee

Dawei zhao

（College of Computer Science and Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Abstract：Position and velocity-measuring of the vehicle is of important significance to the intelligent transportation system.Based on ZigBee technology，using CC2431 chip as the core with positioning，and RSSI positioning algorithm，this paper presents an wireless velocity-measuring system，and introduces the work principle of the system.Through the experiment，verified the system design is reasonable，can meet the requirements of vehicle velocity-measuring precision and stability in actual traffic environment.

Key words：ZigBee;velocity-measuring;localization;RSSI

1.引言

隨著高速公路的發(fā)展，為提高公路通行效率，降低交通事故發(fā)生率，智能交通系統(tǒng)的研究逐漸成為了熱門的研究方向。其中，對于車輛的定位、測速技術(shù)的研究是智能交通系統(tǒng)研究的重要內(nèi)容之一。

常見的車輛測速方式有視頻測速、感應(yīng)線圈測速、雷達(dá)測速、超聲波測速、紅外測速、激光測速等，對于智能車載節(jié)點(diǎn)來說，采用基于ZigBee技術(shù)的無線短距離定位測速是比較好的選擇。本文提出一種基于ZigBee技術(shù)的車輛測速系統(tǒng)，實現(xiàn)對高速公路環(huán)境下車輛的準(zhǔn)確定位和測速。

2.各模塊工作原理

基于ZigBee技術(shù)的定位測速系統(tǒng)主要由三部分構(gòu)成，分別是協(xié)調(diào)器與控制中心、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、盲節(jié)點(diǎn)。

2.1 協(xié)調(diào)器與控制中心

協(xié)調(diào)器的作用是建立和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，并通過RS232串口與控制中心進(jìn)行通訊。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)只允許有一個協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)的存在。協(xié)調(diào)器網(wǎng)關(guān)由一個CC2430模塊和一個電源底板構(gòu)成。協(xié)調(diào)器在整個系統(tǒng)中起著核心的作用：接受控制中心發(fā)出的節(jié)點(diǎn)配置信息，并轉(zhuǎn)發(fā)給各個節(jié)點(diǎn);接受待測盲節(jié)點(diǎn)發(fā)出的時間、位置、信號強(qiáng)度等數(shù)據(jù)，進(jìn)行計算并發(fā)送給控制中心?？刂浦行睦脜f(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)發(fā)送的數(shù)據(jù)，對盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行計算，給出盲節(jié)點(diǎn)的平均速度。

2.2 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)是位置已知的固定節(jié)點(diǎn)，具有唯一的識別代碼，為全功能設(shè)備，可與其他信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、盲節(jié)點(diǎn)通信，它為盲節(jié)點(diǎn)提供自己的位置坐標(biāo)（X，Y）和信號強(qiáng)度值（RSSI）。在定位系統(tǒng)中，該節(jié)點(diǎn)起到無線網(wǎng)絡(luò)中路由器的功能，將其直接固定安裝在物體移動路線的兩側(cè)，其位置信息由控制中心設(shè)定并通過協(xié)調(diào)器發(fā)送。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)由一個CC2430模塊和一個電源底板構(gòu)成，固定安裝于道路兩側(cè)，通電即可工作。

2.3 盲節(jié)點(diǎn)

盲節(jié)點(diǎn)為車載智能交通設(shè)備節(jié)點(diǎn)，事先安裝在待定位測速的車輛上。盲節(jié)點(diǎn)通過獲取信標(biāo)節(jié)點(diǎn)提供的坐標(biāo)值、信號強(qiáng)度值，計算自身的位置坐標(biāo)。

盲節(jié)點(diǎn)由一個CC2431模塊和一個車載電源底板構(gòu)成，內(nèi)嵌的CC2431為該ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)的核心部件，盲節(jié)點(diǎn)與離自己最近的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通信，根據(jù)獲取的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)（X，Y）和信號強(qiáng)度（RSSI）值，計算自身位置信息，并將定時獲取的位置信息和對應(yīng)的時間信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)。

3.節(jié)點(diǎn)定位及測速原理

3.1 節(jié)點(diǎn)定位原理

盲節(jié)點(diǎn)的定位詳細(xì)過程如下：

（1）盲節(jié)點(diǎn)接受周圍信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的RSSI值，并對RSSI值按大小進(jìn)行排序;

（2）利用非測距定位的質(zhì)心算法，得到盲節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)范圍，實現(xiàn)初步定位。式（1）中，x，y為盲節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)，誤差范圍為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)間距離最大值;

（1）

（3）選取其中前3大RSSI值對應(yīng)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，向其發(fā)送定位請求;

（4）各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)收到盲節(jié)點(diǎn)發(fā)送的定位請求后，向盲節(jié)點(diǎn)發(fā)送響應(yīng)包;

（5）盲節(jié)點(diǎn)收到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)回的記錄后，利用式（2）計算出盲節(jié)點(diǎn)到各信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離;

（2）

式中：PL（d）為經(jīng)過距離d后的路徑損耗，單位dBm;PL（d0）為理想空間中信號傳播距離為d0時的路徑損耗;n為路徑衰減指數(shù)，取值范圍為1.5～5;d0為近地參考距離，一般為1m。

（6）根據(jù)獲取的盲節(jié)點(diǎn)到3個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離值，利用圓外切Bounding-box法估算出盲節(jié)點(diǎn)的位置坐標(biāo)A（x，y）;

（7）假設(shè)盲節(jié)點(diǎn)實際坐標(biāo)為A（X，Y），則定位誤差如式（3）所示：

（3）

3.2 測速原理

首先在系統(tǒng)開始進(jìn)行測速前由控制中心發(fā)送指令， 對各個節(jié)點(diǎn)的定時器進(jìn)行同步復(fù)位，并開始計時，盲節(jié)點(diǎn)把經(jīng)計算獲得的位置信息和此時的計時器時間一同打包發(fā)送給協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器根據(jù)盲節(jié)點(diǎn)多次發(fā)來的位置信息和對應(yīng)時間利用勻速直線運(yùn)動速度公式來計算目標(biāo)的瞬間行駛速度，并將多次計算的結(jié)果發(fā)送到控制中心，由控制中心顯示速度曲線，并計算整個路程的平均速度，從而獲取盲節(jié)點(diǎn)的運(yùn)動速度。

設(shè)盲節(jié)點(diǎn)計算得知的位置坐標(biāo)為：（xi，yi），單位為m，對應(yīng)的時間為tj，單位為s，其中（i=0，1，…，n）;因此，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)計算某一瞬時速度公式為：

（4）

式（4）中，為盲節(jié)點(diǎn)第（i-1）次計算的速度值，單位為m/s;xi-1與ti-1為盲節(jié)點(diǎn)計算得到的上一次位置信息與對應(yīng)時間;控制中心計算整個路段的平均速度為：

（5）

式（5）中，n為控制中心收到的協(xié)調(diào)器發(fā)來速度值的數(shù)量，根據(jù)與物體運(yùn)行速度的限值進(jìn)行比較，對不合理的速度值進(jìn)行剔除，得到盲節(jié)點(diǎn)的最終速度值。

4.試驗分析

試驗在普通高等級公路上進(jìn)行，采用TI公司芯片CC2431開發(fā)節(jié)點(diǎn)硬件，組建基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并完成協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)、信標(biāo)節(jié)點(diǎn)、盲節(jié)點(diǎn)的測試工作流程。采用VC++和MATCOM混合編程的方式設(shè)計了定位系統(tǒng)綜合控制和數(shù)據(jù)分析平臺。試驗過程中，在道路兩側(cè)各布置20個信標(biāo)節(jié)點(diǎn)，且對稱布置于路燈桿離地1.8米高度，同側(cè)兩節(jié)點(diǎn)間距100米，一車輛作為盲節(jié)點(diǎn)進(jìn)行測速測速。同一環(huán)境下，該車輛節(jié)點(diǎn)進(jìn)行10個來回測試，車速在0～100km/h范圍，基準(zhǔn)車速由GPS定位系統(tǒng)提供。

測試分別在晴朗、小雨、輕度霧三種環(huán)境下，50km/h、80km/h、100km/h三種速度下進(jìn)行了試驗，平均誤差結(jié)果如表1所示，可見本方法測速誤差在2%左右，在可接受范圍內(nèi)，可以滿足高速公路環(huán)境下的車輛定位測速應(yīng)用。

表1公路環(huán)境下試驗平均誤差結(jié)果

時速

天氣 50km/h 80km/h 100km/h

晴朗 0.8 1.5 1.8

小雨 1.1 1.7 2.1

輕度霧 1.3 1.9 2.4

5.結(jié)束語

本文源于智能交通領(lǐng)域?qū)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位測速的實際需求，通過試驗可知，基于ZigBee技術(shù)的無線測速系統(tǒng)測量誤差可控制在 2%左右，并且該系統(tǒng)工作穩(wěn)定，在多種天氣環(huán)境下，其精度仍然可以滿足實際測速需求。

下一步將根據(jù)實際道路應(yīng)用的需要，對協(xié)調(diào)器與控制中心的連接方式進(jìn)行改進(jìn)，采用遠(yuǎn)距離無線傳輸技術(shù)，提高工程應(yīng)用下的實用性;對信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的布局進(jìn)行合理分配，提高系統(tǒng)效率。

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作者簡介：趙大偉（1983—），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要研究方向：信息物理融合系統(tǒng)。