论文部分内容阅读
摘 要：本文介绍一种基于ZigBee技术的车辆安全辅助系统的设计方案。该系统可实现周边区域内车辆行车状态信息的自动交互，用于车辆间的安全操作提醒。利用低成本、低功耗的ZigBee无线通信技术，能较为理想的完成整个系统的设计方案，实现其自动提醒功能。
关键词：车辆安全辅助 ZigBee
引言：车辆在城市交通行驶及起步停车等阶段易发生刮蹭、碰撞，因雨雪雾等天气造成的路面湿滑及视野受阻环境下，更易发生事故导致财产损失及人身伤害。事故发生典型场景有：1.直线行驶车辆与侧方驶离停车位/社区出入口车辆、侧方停靠车门突然开启车辆发生碰撞；2.直线行驶车辆与侧方并线车辆、前方逆转方向车辆发生碰撞。安全辅助系统可实现上述场景中车辆行车状态自动识别与信息互动警示，减免意外事故发生。
一、系统方案设计
系统由车载终端、参考节点、协调器节点和数据服务器构成。车载终端负责收集/处理车辆行车状态信息，作为网络移动节点对车辆进行跟踪定位辅助；参考节点位于区域固定位置，起网络定位参考作用；协调器节点建立网络，负责处理节点位置信息并将信息传输至数据服务器；数据服务器可接入互联网，实现计算机终端对网络的远程访问与控制。系统无线通信采用ZigBee网型拓扑网络，置于道路侧的协调器节点为网络核心，主导无线网络的建立与配置管理。协调器节点与车载终端、参考节点采用自组织方式组建无线通信网络。
主要功能原理如下：车辆启动后车载终端开始工作，并通过总线系统收集车辆车速/轮速/转向灯开关/倒车开关/车门开关等信号以及GPS系统定位信息，经过微处理器计算车辆行驶状态与位置信息。车载终端搜索并加入附近区域协调器节点建立的网络，借助参考节点辅助定位，通过网络向区域内其他车辆发送本车行驶状态与位置信息。其他车辆终端微处理器分析获取信息，识别相邻接近车辆与本车是否存在行驶路线交叉与汇合，提醒驾驶员注意邻近车辆行驶路线并适时建议驾驶操作。
二、系统硬件设计
1.车载终端设计：系统需满足大量实时数据收发与低功耗要求，同时为实现硬件平台功能可扩展性，设计采用MCU模块+HMI模块方案。MCU模块负责车辆状态信息采集与处理、数据无线通信等；HMI模块负责人机交互功能例如语音播报等。模块间通过RS485总线连接。
MCU模块采用LPC2366微处理器与CC2431射频芯片构建硬件平台，结构如图1所示。MCU模块由负责数据采集与处理的CPU模块、存储数据的储存模块、采集车辆状态参数的CAN总线接口模块、负责数据收发的射频模块和电源管理模块组成，射频模块与CPU模块是系统核心。CPU模块自动采集CAN总线接口模块传来信号，经调制电路由CPU处理，处理与分析结果通过ZigBee网络传输。LPC2366集成CAN控制器与CAN电平转换芯片TJA1040T相连，接收车辆状态参数。TJA1040T是NXP公司推出的用于汽车电子的高性能CAN收发器。射频模块采用Ti公司CC2431，单芯片整合ZigBee射频前端、微控制器与GPS定位引擎硬件，采用较少外围电路即可实现无线信号收发，利用内置定位引擎基于RSSI技术，根据接收信号强度与已知网络参考节点位置计算车辆终端位置，实现车辆定位信息的多路输入辅助。CPU模块设计有RS232接口可用于连接独立GPS模块，GPS模块采用联发科技GS-92m，拥有SIRF3外围电路，具有20个卫星信号通道，热启动模式平均定位时间为1s，具有搜星快速、接收能力强等特点。数据采集模块包含4路模拟量采集通道与8路开关量采集通道，用于扩展终端系统实用性。
2.协调器/参考节点设计：节点采用CC2430芯片，包括电源模块、射频天线RF模块以及晶振电路等模块。电源模块用于为协调器节点的其它功能模块供电，保证节点正常运行。RF模块用于数据的无线收发与传送。协调器晶振模块是两个不同频率晶振，用于无线收发数据和休眠状态。
3.数据服务器设计：数据服务器与网络通过以太网接口连接，采用RTL8019AS网络芯片，实现远程数据传输。服务器采用三星S3C44BO芯片，芯片规格为16/32Bit RISC。内部集成USB设备端与主机端，可提供点对点连接，USB接口芯片采用ISP1161。
三、系统软件设计
1.车载终端软件设计：车载终端上电硬件初始化，CPU模块通过SPI接口发送初始化指令，使CC2431进入工作状态，搜索其通信范围内是否存在网络并申请入网。终端成功入网后等待轮询信息并发送应答信息到协调器。LPC2366完成初始化后对采集到的CAN总线的数据以及开关量或模拟量进行解析，数据依次进行协议封装，并将分析结果实时通过CC2431传送至协调器节点。
2、参考节点软件设计：参考节点上电初始化，申请加入网络。搜索信号，接收并判断数据是否发给自身，是则从数据包中提取RSSI值，不是则丢弃。接收某一车载终端节点数据达到10次时计算平均值。将平均值运用定位算法计算出本节点与该车载终端节点间的距离。将自身坐标信息和移动节点与本节点间的距离值发送给协调器和该车载终端节点。
3.协调器节点的软件设计：协调器节点负责无线网络建立、网络参数设定、网络信息管理与维护等功能。协调器节点上电完成协调器硬件和协议栈的初始化后，开始进行信道能量检测与信道扫描。选择空闲信道中能量最强的作为所建立的无线网络的信道，从而建立无线网络并生成无线网络编号PAN ID和配置无线网络参数。建立ZigBee无线网络成功后，协调器节点进入监听状态，如有子节点申请入网，则允许子节点加入并为其分配无线网络地址，建立绑定文件。
四、总结
本文介绍一种车辆安全辅助系统，车辆间以ZigBee模块为基础，实现车辆实时行车状态信息的无线发送，在局部区域内完成车车通信，预先提醒驾驶员附近车辆行车状况并适时调整驾驶操作以避免安全风险。系统通信采用网状网络拓扑，具有可靠性强、组网灵活性高、自愈能力强等优点，适用于网域内动态移动变化的节点间通信与监测应用。
参考文献
[1]张威奕，陈秀万，李颖，李智慧. 基于GPS和Zigbee融合的无缝定位方法研究[J].宁夏大学学报，2013，34（1）：40-44.
[2]崔文韬，曹海. Zigbee无线定位技术应用[J].机械与电子，2008，26：85.
[3]冯乐雯. 基于ZigBee技术的智能车载终端的设计[J].工业控制计算机，2013，26（12）：68-70.
[4]张凯，杜警，洪旭. 基于ZigBee通信的安全行车速度协调系统设计[J].测控技术，2014，33（5）：86-89.
关键词：车辆安全辅助 ZigBee
引言：车辆在城市交通行驶及起步停车等阶段易发生刮蹭、碰撞，因雨雪雾等天气造成的路面湿滑及视野受阻环境下，更易发生事故导致财产损失及人身伤害。事故发生典型场景有：1.直线行驶车辆与侧方驶离停车位/社区出入口车辆、侧方停靠车门突然开启车辆发生碰撞；2.直线行驶车辆与侧方并线车辆、前方逆转方向车辆发生碰撞。安全辅助系统可实现上述场景中车辆行车状态自动识别与信息互动警示，减免意外事故发生。
一、系统方案设计
系统由车载终端、参考节点、协调器节点和数据服务器构成。车载终端负责收集/处理车辆行车状态信息，作为网络移动节点对车辆进行跟踪定位辅助；参考节点位于区域固定位置，起网络定位参考作用；协调器节点建立网络，负责处理节点位置信息并将信息传输至数据服务器；数据服务器可接入互联网，实现计算机终端对网络的远程访问与控制。系统无线通信采用ZigBee网型拓扑网络，置于道路侧的协调器节点为网络核心，主导无线网络的建立与配置管理。协调器节点与车载终端、参考节点采用自组织方式组建无线通信网络。
主要功能原理如下：车辆启动后车载终端开始工作，并通过总线系统收集车辆车速/轮速/转向灯开关/倒车开关/车门开关等信号以及GPS系统定位信息，经过微处理器计算车辆行驶状态与位置信息。车载终端搜索并加入附近区域协调器节点建立的网络，借助参考节点辅助定位，通过网络向区域内其他车辆发送本车行驶状态与位置信息。其他车辆终端微处理器分析获取信息，识别相邻接近车辆与本车是否存在行驶路线交叉与汇合，提醒驾驶员注意邻近车辆行驶路线并适时建议驾驶操作。
二、系统硬件设计
1.车载终端设计：系统需满足大量实时数据收发与低功耗要求，同时为实现硬件平台功能可扩展性，设计采用MCU模块+HMI模块方案。MCU模块负责车辆状态信息采集与处理、数据无线通信等；HMI模块负责人机交互功能例如语音播报等。模块间通过RS485总线连接。
MCU模块采用LPC2366微处理器与CC2431射频芯片构建硬件平台，结构如图1所示。MCU模块由负责数据采集与处理的CPU模块、存储数据的储存模块、采集车辆状态参数的CAN总线接口模块、负责数据收发的射频模块和电源管理模块组成，射频模块与CPU模块是系统核心。CPU模块自动采集CAN总线接口模块传来信号，经调制电路由CPU处理，处理与分析结果通过ZigBee网络传输。LPC2366集成CAN控制器与CAN电平转换芯片TJA1040T相连，接收车辆状态参数。TJA1040T是NXP公司推出的用于汽车电子的高性能CAN收发器。射频模块采用Ti公司CC2431，单芯片整合ZigBee射频前端、微控制器与GPS定位引擎硬件，采用较少外围电路即可实现无线信号收发，利用内置定位引擎基于RSSI技术，根据接收信号强度与已知网络参考节点位置计算车辆终端位置，实现车辆定位信息的多路输入辅助。CPU模块设计有RS232接口可用于连接独立GPS模块，GPS模块采用联发科技GS-92m，拥有SIRF3外围电路，具有20个卫星信号通道，热启动模式平均定位时间为1s，具有搜星快速、接收能力强等特点。数据采集模块包含4路模拟量采集通道与8路开关量采集通道，用于扩展终端系统实用性。
2.协调器/参考节点设计：节点采用CC2430芯片，包括电源模块、射频天线RF模块以及晶振电路等模块。电源模块用于为协调器节点的其它功能模块供电，保证节点正常运行。RF模块用于数据的无线收发与传送。协调器晶振模块是两个不同频率晶振，用于无线收发数据和休眠状态。
3.数据服务器设计：数据服务器与网络通过以太网接口连接，采用RTL8019AS网络芯片，实现远程数据传输。服务器采用三星S3C44BO芯片，芯片规格为16/32Bit RISC。内部集成USB设备端与主机端，可提供点对点连接，USB接口芯片采用ISP1161。
三、系统软件设计
1.车载终端软件设计：车载终端上电硬件初始化，CPU模块通过SPI接口发送初始化指令，使CC2431进入工作状态，搜索其通信范围内是否存在网络并申请入网。终端成功入网后等待轮询信息并发送应答信息到协调器。LPC2366完成初始化后对采集到的CAN总线的数据以及开关量或模拟量进行解析，数据依次进行协议封装，并将分析结果实时通过CC2431传送至协调器节点。
2、参考节点软件设计：参考节点上电初始化，申请加入网络。搜索信号，接收并判断数据是否发给自身，是则从数据包中提取RSSI值，不是则丢弃。接收某一车载终端节点数据达到10次时计算平均值。将平均值运用定位算法计算出本节点与该车载终端节点间的距离。将自身坐标信息和移动节点与本节点间的距离值发送给协调器和该车载终端节点。
3.协调器节点的软件设计：协调器节点负责无线网络建立、网络参数设定、网络信息管理与维护等功能。协调器节点上电完成协调器硬件和协议栈的初始化后，开始进行信道能量检测与信道扫描。选择空闲信道中能量最强的作为所建立的无线网络的信道，从而建立无线网络并生成无线网络编号PAN ID和配置无线网络参数。建立ZigBee无线网络成功后，协调器节点进入监听状态，如有子节点申请入网，则允许子节点加入并为其分配无线网络地址，建立绑定文件。
四、总结
本文介绍一种车辆安全辅助系统，车辆间以ZigBee模块为基础，实现车辆实时行车状态信息的无线发送，在局部区域内完成车车通信，预先提醒驾驶员附近车辆行车状况并适时调整驾驶操作以避免安全风险。系统通信采用网状网络拓扑，具有可靠性强、组网灵活性高、自愈能力强等优点，适用于网域内动态移动变化的节点间通信与监测应用。
参考文献
[1]张威奕，陈秀万，李颖，李智慧. 基于GPS和Zigbee融合的无缝定位方法研究[J].宁夏大学学报，2013，34（1）：40-44.
[2]崔文韬，曹海. Zigbee无线定位技术应用[J].机械与电子，2008，26：85.
[3]冯乐雯. 基于ZigBee技术的智能车载终端的设计[J].工业控制计算机，2013，26（12）：68-70.
[4]张凯，杜警，洪旭. 基于ZigBee通信的安全行车速度协调系统设计[J].测控技术，2014，33（5）：86-89.