基于ZigBee/IEEE 802.15.4的低成本輔助駕駛系統(tǒng)

引言

　　本文提出一個完整的基于ZigBee?的駕駛輔助系統(tǒng)解決方案，該方案充分利用了具有低成本、低功耗和安全無線網絡功能等特性的ZigBee協(xié)議。

　　該方案會在司機駕車接近公路上的一個預設道路點時提醒和通知司機?；赯igBee的裝置安裝在每一個道路點，相關的信息通過廣播發(fā)送到內置的ZigBee設備的接近車輛中。這種系統(tǒng)大大減少了對人類視覺及道路照明條件的依賴性。

　　ZigBee網絡

　　ZigBee網絡協(xié)議棧是建立在定義了針對低數(shù)據速率、低功耗網絡的物理層(PHY)和介質訪問控制層(MAC)的IEEE 802.15.4標準之上的。ZigBee在802.15.4之上增加了網絡(NWK)層和應用層(APL)的規(guī)范，從而組成了完整的ZigBee協(xié)議棧。

　　更多關于ZigBee網絡的內容可參考Beyond Bits第4期的文章, 基于ZigBee/IEEE 802.15.4的定位監(jiān)測。

　　該解決方案的網絡擁有以下類型的ZigBee節(jié)點：

　　● 網關節(jié)點: 此節(jié)點位于交通管制站或警察局中，用于同步和收集附近路點節(jié)點的信息。每個網關節(jié)點將通過以太網連接到互聯(lián)網。因此，互聯(lián)網將作為中樞網絡連接各網關節(jié)點。交通數(shù)據記錄應用，或者說，任何屬于城市管理職權范圍內和要求涵蓋面廣的應用，都需要有一個路點節(jié)點的網絡。這便于中央數(shù)據的收集和分析，以及遠程節(jié)點的更新和維護。

　　● 路點節(jié)點: 有兩種類型的路點節(jié)點：網絡節(jié)點和獨立節(jié)點。網絡節(jié)點執(zhí)行繁重的數(shù)據記錄操作，并永久地與一個網關節(jié)點相連接。這種節(jié)點可以布置在交通干道、高速公路出入口和主要交叉路口。除了獲取和傳交通信息以外，這些節(jié)點還可以向車載節(jié)點廣播有用的駕車信息，比如附近的加油站或醫(yī)院等信息。

　　這些路點節(jié)點應能處理道路任一方向的交通。因此，每個車載節(jié)點需要通知路點節(jié)點其行駛方向，路點節(jié)點將反饋相關的信息。由于這些節(jié)點和網關節(jié)點組成了網絡，因此它們可以得到其鄰近地區(qū)最新的地標和公用事業(yè)信息。

　　● 獨立節(jié)點用于臨時部署，它不一定連接到該地區(qū)的網關節(jié)點上。它們可用作緊急通知，警告前方的交通意外、在建工程及其他道路險情。一旦險情得到解決，這些節(jié)點將被移除。獨立節(jié)點還可以作為廣告，這并不需要連接到城市管理的路點網絡。

　　● 車載節(jié)點：這些節(jié)點放置在每輛車內用來與路點節(jié)點通訊。這些節(jié)點有一個人機界面，如鍵盤， LED或液晶顯示屏等，以方便用戶使用該系統(tǒng)。

　　如圖1所示, 標記為1–4的路點節(jié)點將有效地執(zhí)行下列功能：

　　1. 提供有關潛在盲點的交通警示;

　　2. 提供各種陸標信息。如加油站、商場和醫(yī)院;

　　3. 提供關于接近鐵路公路交叉道口的列車信息;

　　4. 暫時提供一個關于，建筑及其他交通障礙物警告。

　　在接下來的章節(jié)，我們將看到所有節(jié)點協(xié)同工作，可以同時支持多種應用。

　　設置

　　每一個ZigBee車載節(jié)點都有一個唯一的ID分配給它，就像汽車的牌照號碼。

　　車載節(jié)點以周期間隔發(fā)出包含ID 的“ping”數(shù)據包，一旦收到“ping”數(shù)據包，路點節(jié)點將回發(fā)某一特定消息數(shù)據。

　　應用

　　廣義上，應用可分為以下三類。

路況告警

　　路況告警將使用信息來提醒司機前方道路上的危險情況。路點節(jié)點能檢測到駛近的車輛并傳輸警告信息以說明即將出現(xiàn)的危險情況，如：

　　● 路面不平導致的限速和限行;轉彎盲點;道路維修;禁停，禁止駛入或車速限制的變化，如校區(qū);行人路口及醫(yī)院或消防局的出入口;車輛駛入單向通行道路，多出現(xiàn)于在丘陵地區(qū)。

　　圖2顯示了如何設置路點節(jié)點裝置提前給予汽車司機警告以及時采取糾正措施。對于在轉彎盲點附近車輛的警告流程如下：

　　● 圖2中，路點節(jié)點檢測到車輛A接近交叉口(收到車輛A的ping包)。

　　● 路點節(jié)點于是記錄下車輛A的ID，并發(fā)出“轉彎盲點”的警告信息。

　　● 在接到警告信息后，車輛A的車載節(jié)點將同時給司機發(fā)送音頻和視頻的“轉彎盲點“警告信息。

　　● 現(xiàn)在，車輛A仍然在路點節(jié)點的范圍內，車輛B也進入了該路點節(jié)點的范圍內。

　　● 路點節(jié)點檢測到車輛B后，會改變它的廣播信息為“多輛汽車接近轉彎盲點”。因為它是一個廣播信息，所以它會被兩輛車都接收到。

　　● 兩車的車載節(jié)點會再次發(fā)出音頻告警，并打開一個紅色發(fā)光二極管。一條警告消息也會顯示在每輛車的LCD顯示屏上。

　　● 兩車的司機可以按要求減速或停車。

　　● 當兩輛車都離開路點節(jié)點的范圍時，該節(jié)點停止廣播。

對所有的路況告警來說，路點節(jié)點的安置必須保證警告信息能及早發(fā)送給司機，以使其有足夠的時間作出反應。正確的安置取決于下列因素：

　　因素 1:路點節(jié)點或車載節(jié)點的廣播范圍(以較短者為準)

　　因素 2: 車載節(jié)點與路點節(jié)點之間連接的ZigBee數(shù)據傳輸率

　　因素 3: 人類的平均反應時間

　　因素 4: 車速限制，這有助于確定把車停下來所需的平均距離

　　讓我們假設車輛A和車輛B同時以 70公里/小時 (19.44 米/秒)接近轉彎盲點, 該速度即為車速限制(因素4)。因素1等于50米(保守估計)，以及數(shù)據傳輸速率為50 Kbps(因素2 ) 。在70公里/小時的速度下，剎車距離大約是43米，其中包括了司機的反應時間。比方說，警告信息是800比特的數(shù)據。

　　那么，A和B將在距離路點節(jié)點50米處被發(fā)現(xiàn)，并在50Kbps的數(shù)據傳速率下，發(fā)送800比特的警示訊息只需16毫秒，在這段時間內車行距離約為32厘米。從50米減去這一數(shù)字的話，仍然留有超過43米的煞車距離。

信息廣播

　　這類應用為司機提供從非安全緊急信息到各種商業(yè)廣告的各種信息。

　　一些例子：

　　● 道路標志

　　● 最近加油/加汽站

　　● 最近的醫(yī)院，賓館，市場，汽車服務站和地標信息

　　● 方向指導，如目的地A是在當前位置的前方2公里處，目的地B是當前位置的右方3公里處和目的地C是當前位置的左方3公里處

　　● 路旁餐館的廣告

　　數(shù)據記錄

　　每一個在主要路口和主要高速公路出入口的路點節(jié)點能夠保存通過車輛的ID和時間信息。節(jié)點在其監(jiān)聽范圍內記錄車輛出入時間和在其范圍內的停留時間。這有助于城市規(guī)劃人員掌握交通模式和流量的概況。

　　在一個特定的位置，幾十個路點節(jié)點可通過網狀網絡連接到一個網關節(jié)點，網關節(jié)點又依次與一個行政辦公室LAN相結合. 網關節(jié)點將通過定期查詢每個網狀網絡中的路點節(jié)點來更新其主日志。主日志信息可用來生成一個每日或每月的綜合報告。 通過將空氣質量、溫度和濕度傳感器整合在一個路點節(jié)點，當?shù)氐目諝赓|量也可以得到有效的監(jiān)測。由于這些應用需要大量的數(shù)據記錄，快速、長壽命、帶錯誤校正功能的非易失性記憶體應包含在路點節(jié)點內。

該解決方案也可以通過以下步驟來追蹤被盜或逃逸車輛：

　　● 一旦某一車輛已經發(fā)出警告信息，每個網關節(jié)點將收到該車的ZigBee節(jié)點ID編號。

　　● 隨后，網關節(jié)點將其及一個“紅色警報”的數(shù)據包傳遞到各自的路點節(jié)點上。

　　● 路點節(jié)點然后進入一個特殊模式，它們把各自記錄的車輛ID與“紅色警報”ID相比較。當路點節(jié)點找到匹配后，它將提醒網關節(jié)。

　　● 一條粗略的行車路線可以被記錄下來，其中包括每一個路點節(jié)點識別該車的時間。

　　系統(tǒng)詳情

　　我們這里推出了“動態(tài)單元”和“靜態(tài)單元”兩個概念。其中被安裝在車內的ZigBee單元被稱為動態(tài)單元，而道路上的路點節(jié)點則是靜態(tài)單元。在動態(tài)單元上，一個汽車儀表板的液晶顯示屏以及LED陣列被用于顯示信息并通過音頻警告一起警示司機。使用的LCD液晶顯示屏的種類(分段式或彩色)取決于微控制器的種類和該裝置的成本。如果使用平臺級封裝(PiP)[1]的MCF1322x，則可以連接通過SPI連接LCD液晶顯示屏 。發(fā)光二極管 Unit Design with

　　可通過通用I/O(GPIO)或快速I/O(RGPIO)應用到設計中 ，它可于低成本解決方案中以取代LCD液晶顯示屏。另外，路點節(jié)點和網關節(jié)點也不需要LCD液晶顯示屏，因為一個技術員在調試和維護時可通過筆記本電腦連接節(jié)點來查看其信息。對所有動態(tài)節(jié)點來說，必須支持音頻告警。

　　為節(jié)省功耗，靜態(tài)節(jié)點在大多數(shù)時間中都處于睡眠模式，當它發(fā)現(xiàn)一輛車駛近時才被喚醒。太陽能也可用于為路點節(jié)點的提供工作電源，并為其電池充電，以24小時的能源效率。

　　飛思卡爾的優(yōu)勢

　　飛思卡爾提供所有構建模塊用于開發(fā)一個完整的ZigBee兼容平臺解決方案，包括硬件，軟件，工具和參考設計。飛思卡爾提供從先進的兼容ZigBee的PiP單芯片解決方案到簡化的包含ZigBee收發(fā)器(射頻)和低功耗微處理器(MCU)的雙芯片硬件解決方案。在雙芯片解決方案中，微控制器應包括液晶控制器或兩個或兩個以上的SPI接口。 作為特色之一，ZigBee能確保信息在一個信道上傳輸而不干擾其他無線網絡，從而確保數(shù)據的完整性。

所有模塊將包括飛思卡爾MC1322x微控制器，包含以下特色：

　　● 128KB 串行flash;96KB 靜態(tài)RAM;80KB ROM;IEEE802.15.4硬件加速器。

　　車載單元包含這些額外的板載部分：顯示警示和其他重要信息的LED陣列;液晶面板(可選) ，以顯示路點節(jié)點發(fā)送的信息。

　　有數(shù)據記錄功能的路點節(jié)點也將包含SPI閃存，閃存可通過SPI接口與板載的 MC1322x微控制器連接 。

　　飛思卡爾還提供全面集成的開發(fā)環(huán)境( IDE )用以嵌入式應用開發(fā)。并提供配合IDE一起使用的BeeKit ?無線連接工具包，這是一套全面包含無線網絡協(xié)議庫、應用程序模板和樣例應用程序在內的開發(fā)包。

　　結語

　　在本文中我們討論了一個有效的駕駛輔助系統(tǒng)的重要性，以及它如何幫助我們改進公路的安全標準。該解決方案可顯著降低司機的風險，并更好地管理交通。相對其他較昂貴的商用系統(tǒng)而言，我們基于 ZigBee的駕駛輔助系統(tǒng)是一個高性價比的選擇，它可替代那些諸如GPS的昂貴商用系統(tǒng)，后者雖然提供導航服務但不具備任何預警能力。