基于ZigBee/IEEE 802.15.4的低成本辅助驾驶系统

引言

　　本文提出一个完整的基于ZigBee?的驾驶辅助系统解决方案，该方案充分利用了具有低成本、低功耗和安全无线网络功能等特性的ZigBee协议。

　　该方案会在司机驾车接近公路上的一个预设道路点时提醒和通知司机。基于ZigBee的装置安装在每一个道路点，相关的信息通过广播发送到内置的ZigBee设备的接近车辆中。这种系统大大减少了对人类视觉及道路照明条件的依赖性。

　　ZigBee网络

　　ZigBee网络协议栈是建立在定义了针对低数据速率、低功耗网络的物理层(PHY)和介质访问控制层(MAC)的IEEE 802.15.4标准之上的。ZigBee在802.15.4之上增加了网络(NWK)层和应用层(APL)的规范，从而组成了完整的ZigBee协议栈。

　　更多关于ZigBee网络的内容可参考Beyond Bits第4期的文章, 基于ZigBee/IEEE 802.15.4的定位监测。

　　该解决方案的网络拥有以下类型的ZigBee节点：

　　● 网关节点: 此节点位于交通管制站或警察局中，用于同步和收集附近路点节点的信息。每个网关节点将通过以太网连接到互联网。因此，互联网将作为中枢网络连接各网关节点。交通数据记录应用，或者说，任何属于城市管理职权范围内和要求涵盖面广的应用，都需要有一个路点节点的网络。这便于中央数据的收集和分析，以及远程节点的更新和维护。

　　● 路点节点: 有两种类型的路点节点：网络节点和独立节点。网络节点执行繁重的数据记录操作，并永久地与一个网关节点相连接。这种节点可以布置在交通干道、高速公路出入口和主要交叉路口。除了获取和传交通信息以外，这些节点还可以向车载节点广播有用的驾车信息，比如附近的加油站或医院等信息。

　　这些路点节点应能处理道路任一方向的交通。因此，每个车载节点需要通知路点节点其行驶方向，路点节点将反馈相关的信息。由于这些节点和网关节点组成了网络，因此它们可以得到其邻近地区最新的地标和公用事业信息。

　　● 独立节点用于临时部署，它不一定连接到该地区的网关节点上。它们可用作紧急通知，警告前方的交通意外、在建工程及其他道路险情。一旦险情得到解决，这些节点将被移除。独立节点还可以作为广告，这并不需要连接到城市管理的路点网络。

　　● 车载节点：这些节点放置在每辆车内用来与路点节点通讯。这些节点有一个人机界面，如键盘， LED或液晶显示屏等，以方便用户使用该系统。

　　如图1所示, 标记为1–4的路点节点将有效地执行下列功能：

　　1. 提供有关潜在盲点的交通警示;

　　2. 提供各种陆标信息。如加油站、商场和医院;

　　3. 提供关于接近铁路公路交叉道口的列车信息;

　　4. 暂时提供一个关于，建筑及其他交通障碍物警告。

　　在接下来的章节，我们将看到所有节点协同工作，可以同时支持多种应用。

　　设置

　　每一个ZigBee车载节点都有一个唯一的ID分配给它，就像汽车的牌照号码。

　　车载节点以周期间隔发出包含ID 的“ping”数据包，一旦收到“ping”数据包，路点节点将回发某一特定消息数据。

　　应用

　　广义上，应用可分为以下三类。

路况告警

　　路况告警将使用信息来提醒司机前方道路上的危险情况。路点节点能检测到驶近的车辆并传输警告信息以说明即将出现的危险情况，如：

　　● 路面不平导致的限速和限行;转弯盲点;道路维修;禁停，禁止驶入或车速限制的变化，如校区;行人路口及医院或消防局的出入口;车辆驶入单向通行道路，多出现于在丘陵地区。

　　图2显示了如何设置路点节点装置提前给予汽车司机警告以及时采取纠正措施。对于在转弯盲点附近车辆的警告流程如下：

　　● 图2中，路点节点检测到车辆A接近交叉口(收到车辆A的ping包)。

　　● 路点节点于是记录下车辆A的ID，并发出“转弯盲点”的警告信息。

　　● 在接到警告信息后，车辆A的车载节点将同时给司机发送音频和视频的“转弯盲点“警告信息。

　　● 现在，车辆A仍然在路点节点的范围内，车辆B也进入了该路点节点的范围内。

　　● 路点节点检测到车辆B后，会改变它的广播信息为“多辆汽车接近转弯盲点”。因为它是一个广播信息，所以它会被两辆车都接收到。

　　● 两车的车载节点会再次发出音频告警，并打开一个红色发光二极管。一条警告消息也会显示在每辆车的LCD显示屏上。

　　● 两车的司机可以按要求减速或停车。

　　● 当两辆车都离开路点节点的范围时，该节点停止广播。

对所有的路况告警来说，路点节点的安置必须保证警告信息能及早发送给司机，以使其有足够的时间作出反应。正确的安置取决于下列因素：

　　因素 1:路点节点或车载节点的广播范围(以较短者为准)

　　因素 2: 车载节点与路点节点之间连接的ZigBee数据传输率

　　因素 3: 人类的平均反应时间

　　因素 4: 车速限制，这有助于确定把车停下来所需的平均距离

　　让我们假设车辆A和车辆B同时以 70公里/小时 (19.44 米/秒)接近转弯盲点, 该速度即为车速限制(因素4)。因素1等于50米(保守估计)，以及数据传输速率为50 Kbps(因素2 ) 。在70公里/小时的速度下，刹车距离大约是43米，其中包括了司机的反应时间。比方说，警告信息是800比特的数据。

　　那么，A和B将在距离路点节点50米处被发现，并在50Kbps的数据传速率下，发送800比特的警示讯息只需16毫秒，在这段时间内车行距离约为32厘米。从50米减去这一数字的话，仍然留有超过43米的煞车距离。

信息广播

　　这类应用为司机提供从非安全紧急信息到各种商业广告的各种信息。

　　一些例子：

　　● 道路标志

　　● 最近加油/加汽站

　　● 最近的医院，宾馆，市场，汽车服务站和地标信息

　　● 方向指导，如目的地A是在当前位置的前方2公里处，目的地B是当前位置的右方3公里处和目的地C是当前位置的左方3公里处

　　● 路旁餐馆的广告

　　数据记录

　　每一个在主要路口和主要高速公路出入口的路点节点能够保存通过车辆的ID和时间信息。节点在其监听范围内记录车辆出入时间和在其范围内的停留时间。这有助于城市规划人员掌握交通模式和流量的概况。

　　在一个特定的位置，几十个路点节点可通过网状网络连接到一个网关节点，网关节点又依次与一个行政办公室LAN相结合. 网关节点将通过定期查询每个网状网络中的路点节点来更新其主日志。主日志信息可用来生成一个每日或每月的综合报告。 通过将空气质量、温度和湿度传感器整合在一个路点节点，当地的空气质量也可以得到有效的监测。由于这些应用需要大量的数据记录，快速、长寿命、带错误校正功能的非易失性记忆体应包含在路点节点内。

该解决方案也可以通过以下步骤来追踪被盗或逃逸车辆：

　　● 一旦某一车辆已经发出警告信息，每个网关节点将收到该车的ZigBee节点ID编号。

　　● 随后，网关节点将其及一个“红色警报”的数据包传递到各自的路点节点上。

　　● 路点节点然后进入一个特殊模式，它们把各自记录的车辆ID与“红色警报”ID相比较。当路点节点找到匹配后，它将提醒网关节。

　　● 一条粗略的行车路线可以被记录下来，其中包括每一个路点节点识别该车的时间。

　　系统详情

　　我们这里推出了“动态单元”和“静态单元”两个概念。其中被安装在车内的ZigBee单元被称为动态单元，而道路上的路点节点则是静态单元。在动态单元上，一个汽车仪表板的液晶显示屏以及LED阵列被用于显示信息并通过音频警告一起警示司机。使用的LCD液晶显示屏的种类(分段式或彩色)取决于微控制器的种类和该装置的成本。如果使用平台级封装(PiP)[1]的MCF1322x，则可以连接通过SPI连接LCD液晶显示屏 。发光二极管 Unit Design with

　　可通过通用I/O(GPIO)或快速I/O(RGPIO)应用到设计中 ，它可于低成本解决方案中以取代LCD液晶显示屏。另外，路点节点和网关节点也不需要LCD液晶显示屏，因为一个技术员在调试和维护时可通过笔记本电脑连接节点来查看其信息。对所有动态节点来说，必须支持音频告警。

　　为节省功耗，静态节点在大多数时间中都处于睡眠模式，当它发现一辆车驶近时才被唤醒。太阳能也可用于为路点节点的提供工作电源，并为其电池充电，以24小时的能源效率。

　　飞思卡尔的优势

　　飞思卡尔提供所有构建模块用于开发一个完整的ZigBee兼容平台解决方案，包括硬件，软件，工具和参考设计。飞思卡尔提供从先进的兼容ZigBee的PiP单芯片解决方案到简化的包含ZigBee收发器(射频)和低功耗微处理器(MCU)的双芯片硬件解决方案。在双芯片解决方案中，微控制器应包括液晶控制器或两个或两个以上的SPI接口。 作为特色之一，ZigBee能确保信息在一个信道上传输而不干扰其他无线网络，从而确保数据的完整性。

所有模块将包括飞思卡尔MC1322x微控制器，包含以下特色：

　　● 128KB 串行flash;96KB 静态RAM;80KB ROM;IEEE802.15.4硬件加速器。

　　车载单元包含这些额外的板载部分：显示警示和其他重要信息的LED阵列;液晶面板(可选) ，以显示路点节点发送的信息。

　　有数据记录功能的路点节点也将包含SPI闪存，闪存可通过SPI接口与板载的 MC1322x微控制器连接 。

　　飞思卡尔还提供全面集成的开发环境( IDE )用以嵌入式应用开发。并提供配合IDE一起使用的BeeKit ?无线连接工具包，这是一套全面包含无线网络协议库、应用程序模板和样例应用程序在内的开发包。

　　结语

　　在本文中我们讨论了一个有效的驾驶辅助系统的重要性，以及它如何帮助我们改进公路的安全标准。该解决方案可显著降低司机的风险，并更好地管理交通。相对其他较昂贵的商用系统而言，我们基于 ZigBee的驾驶辅助系统是一个高性价比的选择，它可替代那些诸如GPS的昂贵商用系统，后者虽然提供导航服务但不具备任何预警能力。