基于ZigBee的多車協(xié)同通信算法研究

訾豪 張旭陽(yáng) 于澤洋 王偉 侯黎陽(yáng)

摘 要：近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展十分迅猛，該技術(shù)也日漸走向成熟化、產(chǎn)業(yè)化。但在該技術(shù)的發(fā)展過(guò)程中，車與車、車與控制云端之間的信息通信技術(shù)一直是一個(gè)瓶頸。如何既能實(shí)現(xiàn)通信的實(shí)時(shí)精確傳輸，又能最大程度上降低成本，成為車聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中的一個(gè)研究熱點(diǎn)。鑒于此，筆者選擇ZigBee通信技術(shù)來(lái)解決這個(gè)棘手的問(wèn)題。本文首先描述多車協(xié)同控制的整體實(shí)踐，然后給出實(shí)現(xiàn)ZigBee通信技術(shù)的2個(gè)具體算法，即動(dòng)態(tài)變化的通信系統(tǒng)算法和具體信息的數(shù)組分類存儲(chǔ)算法，最后通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了算法的可行性與優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：ZigBee；多車協(xié)同；STM32處理器；通信系統(tǒng)算法；分類存儲(chǔ)算法

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）20-0030-05

Research on ZigBee Based Multi-vehicle Collaborative

Communication Algorithm

ZI Hao ZHANG Xuyang YU Zeyang WANG Wei HOU Liyang

（College of Computer and Information Engineering， Henan University，Kaifeng Henan 475000）

Abstract： In recent years， the development of vehicle networking technology at domestic and abroad is very fast， and the technology is becoming more mature and industrialized. But during the development of this technology， the information communication technology between car and car， car and control cloud has always been a bottleneck. How to realize the real-time and accurate transmission of communication and minimize the cost has become a hot research topic in the development of automobile network. In view of this， the author choosed ZigBee communication technology to solve this thorny problem. This paper first described the overall practice of multi-vehicle collaborative control，and then gave two specific algorithms for ZigBee communication technology， dynamic change communication system algorithm and array classification and storage algorithm for specific information. Finally， the feasibility and advantages of the algorithm were verified through experiments.

Keywords： ZigBee；multi vehicle collaboration；STM32 processor；communication system algorithm；classified storage algorithm

1 研究背景

目前，隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，道路交通安全問(wèn)題日益嚴(yán)重。根據(jù)聯(lián)合國(guó)秘書(shū)長(zhǎng)潘基文公布的聯(lián)合國(guó)道路安全協(xié)作機(jī)制（UNRSC）的報(bào)告，全球每年交通事故造成近130萬(wàn)人死亡，2 000萬(wàn)至5 000萬(wàn)人受傷，給各國(guó)政府和個(gè)人造成約5 180億美元經(jīng)濟(jì)損失[1]。如何減少交通事故、降低死亡率已成為一個(gè)全球關(guān)注的問(wèn)題。由此，各國(guó)展開(kāi)了一場(chǎng)車聯(lián)網(wǎng)研究熱潮。其中，美國(guó)、日本和歐洲部分國(guó)家在車聯(lián)網(wǎng)的研究中處于領(lǐng)先地位，均已制定車-車、車-路通信的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并開(kāi)始逐步在實(shí)際環(huán)境中測(cè)試。我國(guó)也緊跟車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展潮流。

本文為車聯(lián)網(wǎng)中的局域網(wǎng)提供了一種具有重大參考意義的實(shí)踐方法。其中，最具參考價(jià)值的是算法方面：動(dòng)態(tài)變化的通信系統(tǒng)算法解決了設(shè)備的入網(wǎng)問(wèn)題，對(duì)于車輛和紅綠燈而言，可以不分先后隨時(shí)入網(wǎng)，該算法會(huì)自動(dòng)識(shí)別出其入網(wǎng)類別；具體信息的數(shù)組分類存儲(chǔ)算法解決了復(fù)雜信息的存儲(chǔ)問(wèn)題，該算法對(duì)入網(wǎng)的信息進(jìn)行自動(dòng)分類并分區(qū)存儲(chǔ)，使信息更加標(biāo)準(zhǔn)化和規(guī)范化。本文提出的兩大算法使車與車、車與控制云端之間的信息通信更加精確、可靠、高效，為車聯(lián)網(wǎng)的通信技術(shù)提供了一個(gè)行之有效的解決方案。

2 實(shí)踐整體描述

實(shí)踐的整體目的是實(shí)現(xiàn)多車協(xié)同控制，需要3輛以上的實(shí)驗(yàn)智能小車與上位機(jī)、賽道環(huán)境之間的配合，以實(shí)現(xiàn)預(yù)定7種場(chǎng)景的功能。其中，所需的實(shí)驗(yàn)智能小車的硬件組成基本類似，分別由STM32處理器（STM32F103ZET6的最小系統(tǒng)，STM32系列屬于中低端的32位ARM微控制器，該系列芯片是意法半導(dǎo)體（ST）公司出品，其內(nèi)核是Cortex-M3）、底盤、舵機(jī)、攝像頭、編碼器、電源系統(tǒng)和通信模塊等構(gòu)成；上位機(jī)則由STM32處理器（STM32F103ZET6的最小系統(tǒng)）、顯示屏和通信模塊等構(gòu)成；賽道環(huán)境則是由紅外傳感器（紅外發(fā)射器用51單片機(jī)控制，主要運(yùn)用在本實(shí)踐的“組合定位”算法，這里不做詳細(xì)敘述）、雙道黑白賽道、紅綠燈模塊和通信模塊等組成。實(shí)踐整體效果如圖1所示。

與硬件相匹配，實(shí)踐的軟件程序也分為實(shí)驗(yàn)智能小車、上位機(jī)和紅綠燈（賽道）3個(gè)板塊。其中，實(shí)驗(yàn)智能小車的軟件程序主要由舵機(jī)控制、電機(jī)控制、攝像頭圖像處理和通信模塊等小板塊構(gòu)成。其主要功能是向外發(fā)送實(shí)驗(yàn)智能小車信息、接收外部向?qū)嶒?yàn)智能小車發(fā)送的信息、對(duì)信息進(jìn)行處理以控制實(shí)驗(yàn)智能小車正常運(yùn)行。上位機(jī)的軟件程序主要由通信模塊、顯示模塊等構(gòu)成。其主要功能是控制整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行、處理一些特殊情況、通過(guò)顯示屏向外界輸出系統(tǒng)信息等。紅綠燈對(duì)場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)起到關(guān)鍵作用，當(dāng)紅綠燈處于不同的狀態(tài)時(shí)，會(huì)向外發(fā)送不同的信號(hào)以作區(qū)別。此外，本實(shí)踐整體的程序都運(yùn)用C語(yǔ)言來(lái)編寫(xiě)，通過(guò)不斷地實(shí)驗(yàn)與調(diào)試，得到了一些使實(shí)驗(yàn)智能小車平穩(wěn)運(yùn)行的參數(shù)（如舵機(jī)中值、PID參數(shù)和碼盤測(cè)速參數(shù)等），并將其運(yùn)用到實(shí)踐中。軟件程序結(jié)構(gòu)如圖2所示。

根據(jù)該實(shí)踐整體所要達(dá)到的目標(biāo)及現(xiàn)實(shí)中車輛常遇到的具體情境，文中設(shè)定了7種場(chǎng)景，并成功實(shí)現(xiàn)了場(chǎng)景既定功能。7種場(chǎng)景分別為：遙控車展示定位功能、緊急車輛優(yōu)先通行、超車、通過(guò)十字路口、跟馳、通過(guò)學(xué)?；蛘呷诵袡M道及智能停車引導(dǎo)。而在程序的具體實(shí)現(xiàn)中，每個(gè)場(chǎng)景的切換是通過(guò)按鍵模塊選擇的。

對(duì)于上述介紹的實(shí)踐情況及所實(shí)現(xiàn)的功能場(chǎng)景，文中所面對(duì)的最大問(wèn)題是如何找到一種能夠在實(shí)驗(yàn)智能小車、上位機(jī)和紅綠燈之間建立通信的模塊。筆者最初考慮到的有藍(lán)牙、Wi-Fi、紅外、ZigBee這4種通信模塊。通過(guò)搜索資料與驗(yàn)證發(fā)現(xiàn)，藍(lán)牙的每個(gè)微網(wǎng)最多只能配置7個(gè)節(jié)點(diǎn)，不利于該實(shí)踐的推廣；Wi-Fi的帶寬較大，但伴隨的是功耗加大，不適合本實(shí)踐的條件；紅外通信技術(shù)中，由于紅外線的直射特性，對(duì)方向及周圍光照條件要求高，也不符合本實(shí)踐的條件；而ZigBee通信模塊，具有自動(dòng)組網(wǎng)、低功耗、節(jié)點(diǎn)廣等特性，滿足本實(shí)踐對(duì)通信模塊的要求，因此最終確定選用ZigBee通信模塊。

3 硬件部分的實(shí)現(xiàn)

實(shí)踐整體所選用的ZigBee模塊為CC2630系列的DRF1609（UART接口）型號(hào)。CC2630是雙ARM核32位CPU芯片（Cortex-M3負(fù)責(zé)ZigBee協(xié)議的處理，Cortex-M0負(fù)責(zé)無(wú)線通信的處理），是目前運(yùn)算速度最快的ZigBee模塊，可以組成較大的網(wǎng)絡(luò)，傳輸更大容量的數(shù)據(jù)。

該ZigBee模塊可以組建標(biāo)準(zhǔn)的Mesh網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸（如圖3所示），也可以自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)（Router可以不用設(shè)置，連續(xù)按3次功能按鍵，可自動(dòng)尋找Coodinator加入網(wǎng)絡(luò)）。此外，該ZigBee模塊能自動(dòng)路由，自動(dòng)獲得最佳的路由路徑。同時(shí)，其還具有動(dòng)態(tài)路由維護(hù)功能，當(dāng)某個(gè)路由損壞，可重新獲得最佳的路由路徑。在數(shù)據(jù)傳輸時(shí)，該ZigBee模塊可實(shí)現(xiàn)透明傳輸數(shù)據(jù)，也可點(diǎn)對(duì)點(diǎn)發(fā)送至任意節(jié)點(diǎn)。該ZigBee模塊具有更穩(wěn)定的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)驗(yàn)室條件下，近距離測(cè)試，誤碼率可達(dá)0.005 9%，實(shí)測(cè)條件（隔房間，距離10m以上，20個(gè)Wi- Fi干擾），誤碼率可達(dá)0.23%。

除了紅外發(fā)射傳感器用的是51處理器之外（并不需要與ZigBee模塊相連），該實(shí)踐整體中所用到的處理器都是STM32F103ZET6的最小系統(tǒng)。于是，在硬件連接中，就需要ZigBee模塊與核心板的最小系統(tǒng)連線，如圖4所示。根據(jù)二者功能特點(diǎn)，STM32用的是串口3作為ZigBee模塊的串口端，故ZigBee模塊的VCC引腳接最小系統(tǒng)中的3.3V引腳，ZigBee模塊的GND引腳接最小系統(tǒng)中的GND引腳，ZigBee模塊的TX引腳接最小系統(tǒng)中的RX引腳（PB11），ZigBee模塊的RX引腳接最小系統(tǒng)中的TX引腳（PB10）。

4 軟件部分的實(shí)現(xiàn)

4.1 軟件實(shí)現(xiàn)的模型建立

根據(jù)需要，在該實(shí)踐中，將各個(gè)板塊之間的通信建立為“局域網(wǎng)”模型。網(wǎng)是由小車-上位機(jī)、紅綠燈-上位機(jī)、小車-小車之間的有序“連接”，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)，確保數(shù)據(jù)信息能按要求傳遞。如圖5所示（小車的具體數(shù)量根據(jù)所實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景而定）。

4.2 軟件實(shí)現(xiàn)的整體框架

根據(jù)需要及硬件的限制，軟件程序也分為小車、上位機(jī)和紅綠燈3個(gè)板塊。

在智能小車主函數(shù)所在.C文件中，首先包含有“攝像頭”“定時(shí)器”“串口通信”“OLED 屏幕”“按鍵”等頭文件的調(diào)用。其中，攝像頭用的是OV7076；定時(shí)器程序是用來(lái)產(chǎn)生PWM波，然后對(duì)舵機(jī)和車速進(jìn)行控制；串口通信是用來(lái)控制藍(lán)牙、紅外、ZigBee信號(hào)的收發(fā)；OLED 是用來(lái)顯示攝像頭的圖像；按鍵用于情景設(shè)定，然后進(jìn)行主函數(shù)的編寫(xiě)。

在上位機(jī)主函數(shù)所在.C文件中，首先包含有“觸摸屏”“串口通信”“LED燈”“按鍵”等頭文件的調(diào)用。其中，觸摸屏是用來(lái)顯示整個(gè)系統(tǒng)的必要信息；串口通信是用來(lái)控制紅外、ZigBee信號(hào)的收發(fā)；LED燈是STM32最小系統(tǒng)自帶的，可以用于程序的調(diào)試與校正；按鍵是用于情景的設(shè)定，然后進(jìn)行主函數(shù)的編寫(xiě)。

在紅綠燈主函數(shù)所在.C文件中，首先包含有“串口通信”“LED燈”“按鍵”等頭文件的調(diào)用。其中，串口通信是用來(lái)控制紅外、ZigBee信號(hào)的收發(fā)；LED燈是STM32最小系統(tǒng)自帶的，可以用于程序的調(diào)試與校正；按鍵則主要用于情景的設(shè)定，然后進(jìn)行主函數(shù)的編寫(xiě)。

4.3 軟件實(shí)現(xiàn)的算法介紹

根據(jù)上述各個(gè)板塊的ZigBee模塊使用方式及ZigBee模塊的具體數(shù)據(jù)傳送特點(diǎn)，筆者給出實(shí)現(xiàn)該軟件的具體算法：動(dòng)態(tài)變化的通信系統(tǒng)算法和具體信息的數(shù)組分類存儲(chǔ)算法。

在整體實(shí)踐中，動(dòng)態(tài)變化的通信系統(tǒng)算法是本文的核心部分。在具體實(shí)踐中，首先上電的是上位機(jī)（主ZigBee模塊），然后依次上電紅綠燈、智能小車1、智能小車2和智能小車3（根據(jù)情景需要確定智能小車個(gè)數(shù)）。這就出現(xiàn)一個(gè)問(wèn)題，上位機(jī)如何判斷具體智能小車的個(gè)數(shù)：我們?cè)O(shè)計(jì)的算法是“跑火車思想”，信息鏈相當(dāng)于一輛火車，從“上位機(jī)站”出發(fā)，根據(jù)目標(biāo)短地址的指引到達(dá)車1，然后依次到達(dá)車2和車3等。我們知道，每個(gè)智能小車所搭載的ZigBee模塊的短地址是不一樣的，當(dāng)只有一輛智能小車上電時(shí)，上位機(jī)收到的信息來(lái)自于車1；當(dāng)2輛車上電時(shí)，則來(lái)自于車2等。本算法可以告知上位機(jī)智能小車的數(shù)量，以便于具體場(chǎng)景的實(shí)現(xiàn)和數(shù)據(jù)的銜接。當(dāng)有智能小車發(fā)生故障無(wú)法向外界發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，上位機(jī)也能根據(jù)信息鏈?zhǔn)欠裢暾麃?lái)進(jìn)行判斷。

在整體實(shí)踐中，具體信息的數(shù)組分類存儲(chǔ)算法是本文的亮點(diǎn)。實(shí)踐中各個(gè)板塊之間傳遞的信息是復(fù)雜多樣的，而為了使ZigBee模塊在信息傳遞的過(guò)程中不至于混亂，本文在程序中定義一個(gè)44位的數(shù)組（Data_44byte[]，數(shù)組的位數(shù)是根據(jù)需要得來(lái)的），如圖6所示。本數(shù)組中的不同位代表不同的信息。其中，第0位為“FD”，代表發(fā)送模式（由ZigBee使用方法知）；第1位為“44”，代表該數(shù)組具有44位；第2位與第3位為發(fā)送的“目標(biāo)地址”；第4位與第5位、第6位與第7位、第8位與第9位、第10位與第11位則分別存儲(chǔ)著智能小車1、智能小車2、智能小車3、紅綠燈所連ZigBee模塊的短地址；第12位代表入網(wǎng)ZigBee模塊的個(gè)數(shù)；第13位代表ZigBee模塊的編號(hào)（上電的次序編號(hào)）；第14位代表紅綠燈的狀態(tài)信息；第15到第19位、第20到第24位、第25到第29位則分別存儲(chǔ)智能小車1、2、3的X軸坐標(biāo)信息、Y軸坐標(biāo)（占兩位）信息、車道信息和車速信息。第30位到第41位依次每?jī)晌淮娣胖榫?到情景7的狀態(tài)信息；第42位為“預(yù)留位”；第43位為“情景編號(hào)”。

在上位機(jī)程序中，主要是通過(guò)顯示屏來(lái)顯示小車道路信息，而這些信息則是通過(guò)ZigBee模塊獲取。所以，上位機(jī)程序必須包括44位數(shù)組的全部?jī)?nèi)容，并且隨著時(shí)間的推移不斷更新，就能得到顯示屏實(shí)時(shí)顯示智能小車道路信息的效果。

4.4 具體場(chǎng)景的軟件實(shí)現(xiàn)

該實(shí)踐所實(shí)現(xiàn)的7種場(chǎng)景分別為：遙控車展示定位功能、緊急車輛優(yōu)先通行、超車、通過(guò)十字路口、隊(duì)列跟馳、通過(guò)學(xué)?；蛘呷诵袡M道、智能停車引導(dǎo)。而在程序的具體實(shí)現(xiàn)中，每個(gè)場(chǎng)景的切換是通過(guò)按鍵選擇的。

遙控車展示定位功能：通過(guò)遙控車的道路運(yùn)行展示定位系統(tǒng)功能。使用手機(jī)或者專業(yè)遙控器，通過(guò)藍(lán)牙通信（手機(jī)端控制智能小車端）來(lái)控制智能小車的行駛。與此同時(shí)，在上位機(jī)的顯示屏上實(shí)時(shí)顯示車輛位置坐標(biāo)、車速、車道等信息；緊急車輛優(yōu)先通行：模擬現(xiàn)實(shí)中的急救車、消防車、警車等緊急車輛在后方行駛，此時(shí)前方車輛收到上位機(jī)的避讓信號(hào)并主動(dòng)讓道。從而使緊急車輛安全快速通過(guò)（如圖6所示）。超車：后方車向上位機(jī)發(fā)送超車請(qǐng)求，上位機(jī)通過(guò)獲取前方車輛位置信息，判斷是否具有超車的條件。情況一：后方車的左后方安全距離內(nèi)有車駛放棄超車。情況二：后方車的左后方安全距離內(nèi)無(wú)車行駛，則執(zhí)行超車（如圖7所示）。通過(guò)十字路口：在十字路口，行駛車道分為左轉(zhuǎn)車道、直行車道和右轉(zhuǎn)車道。當(dāng)小車即將通過(guò)路口時(shí)，智能小車向上位機(jī)發(fā)送通過(guò)路口的請(qǐng)求，上位機(jī)獲取智能小車與紅綠燈的狀態(tài)信息，并進(jìn)行分析處理，向該智能小車發(fā)送提前減速、進(jìn)入相應(yīng)車道、停車等待、轉(zhuǎn)彎或直走等信號(hào)（如圖8所示）。隊(duì)列跟馳：上位機(jī)通過(guò)獲取前后方車輛的位置信息，保證本車輛與前后方車輛都有一定的安全距離。當(dāng)后方車輛進(jìn)入安全范圍以內(nèi)，警告該車輛并使其減速。當(dāng)與前方車輛距離過(guò)小，應(yīng)當(dāng)自動(dòng)降速保持安全距離（如圖9所示）。通過(guò)學(xué)校或者人行橫道：借助上位機(jī)處理技術(shù)與定位技術(shù)，當(dāng)車行駛到達(dá)學(xué)?；蛉诵袡M道等特殊路段時(shí)，為確保行駛安全，上位機(jī)通過(guò)信息處理，給車輛一減速行駛信號(hào)，車輛自行以較低的車速進(jìn)行行駛，這在現(xiàn)實(shí)中也是常見(jiàn)的情景（如圖10所示）。智能停車引導(dǎo)：當(dāng)智能小車根據(jù)需要停車時(shí)，上位機(jī)能通過(guò)智能小車的位置信息及空閑車位的信息，給該智能小車分配一個(gè)合適的車位，向智能小車發(fā)送信息。智能小車收到信息后，會(huì)自動(dòng)向所分配到的空閑車位行駛，并安全停車。

5 結(jié)語(yǔ)

該實(shí)踐的價(jià)值，也正是車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)步的價(jià)值。車聯(lián)網(wǎng)及信息互聯(lián)是智能交通發(fā)展的大趨勢(shì)。目前，我國(guó)車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾方面[2，3]。動(dòng)態(tài)及靜態(tài)交通管理領(lǐng)域：智能收費(fèi)系統(tǒng)、自動(dòng)路徑導(dǎo)航系統(tǒng)、智能停車場(chǎng)系統(tǒng)、智能停車場(chǎng)管理、智能車輛調(diào)度、智能交通、智能交通信號(hào)燈管理和車輛監(jiān)控；公共安全領(lǐng)域：智能超載超速報(bào)警系統(tǒng)、智能預(yù)警系統(tǒng)和疲勞駕駛監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；公共服務(wù)領(lǐng)域：智能交通查詢系統(tǒng)和智能收費(fèi)系統(tǒng)；物流運(yùn)輸領(lǐng)域：智能車輛管理系統(tǒng)、貨物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)和物流檢測(cè)系統(tǒng)。

車聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的到來(lái)，對(duì)整個(gè)汽車產(chǎn)業(yè)鏈甚至我國(guó)信息產(chǎn)業(yè)都是一個(gè)新機(jī)遇、新挑戰(zhàn)，必須搶占車聯(lián)網(wǎng)的理論研究、技術(shù)開(kāi)發(fā)和應(yīng)用的先機(jī)[4]。車聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)在于對(duì)車輛的精確定位及車與車、車與控制云端之間通信平臺(tái)的建立。而本文所闡述的組合定位與ZigBee通信技術(shù)的巧妙運(yùn)用很好地解決了以上2個(gè)問(wèn)題。隨著車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷發(fā)展和完善，車輛及交通管理控制的智能化程度進(jìn)一步加強(qiáng)，交通問(wèn)題一定會(huì)得到解決。本文所介紹的這種實(shí)踐，能在一定程度上解決車與車、車與云端控制器之間的通信問(wèn)題。若在不久的將來(lái)，該實(shí)踐能得到推廣，將在一定程度上推動(dòng)車輛網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展。但是，由于ZigBee模塊本身特性及系統(tǒng)其他條件的限制，本文所介紹的實(shí)踐仍然具有較大的局限性，適用范圍有待擴(kuò)展，可移植性也有待提高，束縛條件較多。筆者將會(huì)從該實(shí)踐中受到啟發(fā)與鼓舞，不斷更新硬件，轉(zhuǎn)換思維，爭(zhēng)取創(chuàng)造出更優(yōu)越的實(shí)踐，與各位車聯(lián)網(wǎng)愛(ài)好者與研究者共同推進(jìn)車聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展與進(jìn)步。

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