ZigBee車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

引言：

如今社會(huì)上出現(xiàn)的利用克隆出租車(chē)、貨車(chē)進(jìn)行運(yùn)營(yíng)的現(xiàn)象日益嚴(yán)重。所謂克隆車(chē)，就是一輛或幾輛無(wú)牌無(wú)證的車(chē)輛套用另一臺(tái)有合法手續(xù)的車(chē)輛，這些車(chē)輛的車(chē)輛型號(hào)、外觀、車(chē)牌照、行駛證件、保險(xiǎn)、檢驗(yàn)合格證、車(chē)船使用稅、發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)架號(hào)都完全一樣。因此，單從外觀上根本無(wú)法識(shí)別車(chē)輛是否為合法車(chē)輛。據(jù)業(yè)內(nèi)人士稱(chēng)，有些城市目前的克隆出租車(chē)竟有上千輛，已嚴(yán)重?cái)_亂了出租車(chē)市場(chǎng)。然而由于執(zhí)法手段的原始，基本上只能靠車(chē)主舉報(bào)來(lái)查處，出租車(chē)行業(yè)呼吁運(yùn)用高科技手段，使用自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)來(lái)整治克隆車(chē)。除此以外，車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)還可以用于對(duì)被盜車(chē)輛的監(jiān)控和追蹤。

1.ZigBee技術(shù)簡(jiǎn)介：

ZigBee聯(lián)盟正在發(fā)展一個(gè)極低成本、極低耗能、雙向無(wú)線通信標(biāo)準(zhǔn)。適應(yīng)ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的解決方案將嵌入在消費(fèi)者電子學(xué)、家庭和建筑自動(dòng)化、工業(yè)控制、PC外圍設(shè)備，醫(yī)學(xué)傳感應(yīng)用、玩具和游戲等領(lǐng)域^[1]。在ZigBee每個(gè)PAN中必須有一個(gè)協(xié)調(diào)器，它有唯一的標(biāo)識(shí)符，且最多可以同時(shí)和65536個(gè)子節(jié)點(diǎn)相連，加之其節(jié)點(diǎn)的最優(yōu)通信質(zhì)量距離在10m到75m之間，從而可以形成廣闊的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍，適用于遠(yuǎn)距離的低速率識(shí)別系統(tǒng)。

2.ZigBee車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)：

2.1系統(tǒng)簡(jiǎn)介：

車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)的通信協(xié)議是基于ZigBee1.0版本的。其系統(tǒng)組成包括車(chē)載子節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)采集單元、ZigBee網(wǎng)關(guān)和控制中心、手持觀測(cè)器五個(gè)部分。其中安裝于車(chē)內(nèi)的車(chē)載子節(jié)點(diǎn)和安裝于道路邊或收費(fèi)站的數(shù)據(jù)采集點(diǎn)為整個(gè)系統(tǒng)的核心部分。車(chē)載子節(jié)點(diǎn)里包含有車(chē)輛發(fā)動(dòng)機(jī)、車(chē)架號(hào)、車(chē)牌和車(chē)輛編號(hào)等固有信息，也可以定時(shí)的利用傳感器元件采集車(chē)內(nèi)所需要的信息。

布置于道路邊的數(shù)據(jù)采集單元一般分為兩個(gè)部分：激活設(shè)備和采集設(shè)備。當(dāng)任意一輛內(nèi)置車(chē)載子節(jié)點(diǎn)的車(chē)輛進(jìn)入已布置監(jiān)控系統(tǒng)的路段時(shí)，由激活設(shè)備激活車(chē)內(nèi)的車(chē)載子節(jié)點(diǎn)，發(fā)出命令讓子節(jié)點(diǎn)開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。但激活設(shè)備并不負(fù)責(zé)接收由子節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以留下更多的時(shí)間和容量來(lái)激活高速運(yùn)動(dòng)的其他子節(jié)點(diǎn)。ZigBee休眠設(shè)備激活時(shí)間為15ms，活躍設(shè)備信道接入時(shí)間為15ms，采集設(shè)備應(yīng)位于激活設(shè)備后約40m處。市區(qū)內(nèi)的車(chē)輛行駛速度大概約為20m/s，即在2s的時(shí)間內(nèi)已經(jīng)足夠激活在道路上高速運(yùn)動(dòng)的子節(jié)點(diǎn)，并使其開(kāi)始傳輸數(shù)據(jù)。

采集設(shè)備負(fù)責(zé)接收車(chē)載子節(jié)點(diǎn)傳來(lái)的信息，并轉(zhuǎn)交給ZigBee網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理，然后傳到交警的手持觀測(cè)器中。手持觀測(cè)器可以為手機(jī)終端或者存儲(chǔ)能量更強(qiáng)的PDA等。信息也可以通過(guò)Internet傳到控制中心?？刂浦行膶?duì)采集的數(shù)據(jù)和子節(jié)點(diǎn)的固有信息進(jìn)行整理，可得出駛行在該路段的車(chē)輛的詳細(xì)資料，然后再對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)里的保存信息進(jìn)行更新，根據(jù)車(chē)輛行駛路段的采集設(shè)備的編號(hào)，可以自動(dòng)對(duì)該車(chē)輛該段時(shí)間內(nèi)的行駛路線進(jìn)行定位監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1：車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2系統(tǒng)的功能：

1. 間接識(shí)別克隆車(chē)。假設(shè)所有正規(guī)車(chē)輛都安裝了車(chē)載子節(jié)點(diǎn)的情況下，克隆出租車(chē)可能沒(méi)有安裝車(chē)載子節(jié)點(diǎn)，所以當(dāng)車(chē)輛行駛過(guò)的時(shí)候，如果發(fā)現(xiàn)其相同牌照的合法車(chē)在該時(shí)段內(nèi)行駛于不同的路段，便能判斷出此處行駛的車(chē)為克隆車(chē)；當(dāng)已經(jīng)安裝了車(chē)載子節(jié)點(diǎn)的克隆車(chē)輛經(jīng)過(guò)采集設(shè)備時(shí)，會(huì)立刻識(shí)別出該車(chē)輛信息與觀測(cè)到的車(chē)牌不符，就能判斷出該車(chē)輛為克隆車(chē)輛。

2. 識(shí)別被盜車(chē)輛。當(dāng)安裝有車(chē)載子節(jié)點(diǎn)的車(chē)輛被盜后，失主可以到監(jiān)控中心登記，將丟失車(chē)輛的車(chē)牌號(hào)等信息輸入數(shù)據(jù)庫(kù)。當(dāng)被盜車(chē)路經(jīng)布置了采集節(jié)點(diǎn)的路段時(shí)，就立刻會(huì)被識(shí)別出來(lái)，并產(chǎn)生告警。根據(jù)采集設(shè)備路段編號(hào)就可以對(duì)被盜車(chē)輛進(jìn)行追蹤和布控。

3.系統(tǒng)組網(wǎng)過(guò)程

此系統(tǒng)遵循ZigBee星形網(wǎng)的組網(wǎng)原則，即終端設(shè)備可以與協(xié)調(diào)器通信，本身互相之間不能通信。系統(tǒng)中激活設(shè)備和采集設(shè)備始終保持同步，且其網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符一致，激活設(shè)備相當(dāng)于一個(gè)主協(xié)調(diào)器，采集設(shè)備相當(dāng)于從協(xié)調(diào)器。MAC層信道接入采用無(wú)信標(biāo)傳輸模式。無(wú)信標(biāo)模式即為標(biāo)準(zhǔn)的ALOHA CSMA-CA的信道接入機(jī)制，終端節(jié)點(diǎn)只在有數(shù)據(jù)要收發(fā)的時(shí)候才和網(wǎng)絡(luò)會(huì)話，其余時(shí)間都處于休眠模式，平均功耗非常低^[3]。其組網(wǎng)的過(guò)程如下：

首先，在網(wǎng)絡(luò)中的充當(dāng)協(xié)調(diào)器的激活設(shè)備一直處于工作狀態(tài)，不斷的掃描信道，當(dāng)發(fā)現(xiàn)有車(chē)載子節(jié)點(diǎn)進(jìn)入其網(wǎng)絡(luò)范圍時(shí)，就發(fā)出命令幀對(duì)子節(jié)點(diǎn)進(jìn)行激活。當(dāng)車(chē)載子節(jié)點(diǎn)接收到激活命令，立即激活其接收機(jī)，并向激活設(shè)備返回確認(rèn)幀，表示已被激活；接著，激活設(shè)備發(fā)出命令告知車(chē)載子節(jié)點(diǎn)可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。同時(shí)，激活設(shè)備將告知采集設(shè)備準(zhǔn)備接收某頻段的數(shù)據(jù)。利用采集設(shè)備單獨(dú)來(lái)接收車(chē)載子節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，使激活設(shè)備有充裕的時(shí)間來(lái)激活高速運(yùn)動(dòng)的子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)可以使采集設(shè)備在短時(shí)間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的接收。子節(jié)點(diǎn)則采用廣播方式傳輸數(shù)據(jù)和確認(rèn)幀。當(dāng)激活節(jié)點(diǎn)發(fā)現(xiàn)車(chē)載子節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)男畔⒉⒎谴_認(rèn)幀時(shí)，就丟棄該幀，不做任何進(jìn)一步的處理。為了降低車(chē)載子節(jié)點(diǎn)的耗能以及避免過(guò)多節(jié)點(diǎn)造成信道一直處于忙狀態(tài)，當(dāng)數(shù)據(jù)傳輸完畢后，采集子節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)休眠子節(jié)點(diǎn)。系統(tǒng)組網(wǎng)的過(guò)程如圖2所示：

圖2 車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)組網(wǎng)過(guò)程

4.系統(tǒng)設(shè)計(jì)

4.1硬件設(shè)計(jì)：

系統(tǒng)核心設(shè)備的硬件包括三個(gè)方面：車(chē)載子節(jié)點(diǎn)、激活設(shè)備，采集設(shè)備。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)核心硬件設(shè)備

車(chē)載子節(jié)點(diǎn)安裝于車(chē)輛內(nèi)部，傳感器元件用于采集車(chē)內(nèi)的信息，在MCU進(jìn)行簡(jiǎn)單整理后通過(guò)ZigBee收發(fā)機(jī)、天線傳輸給采集設(shè)備。車(chē)載子節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)采用Jennic公司的JN5121，它是一款適應(yīng)低耗能、低成本IEEE802.15.4的無(wú)線微控制器。該微處理器包括一個(gè)32比特芯片RISC核；一個(gè)非常適合2.4GHz頻段的IEEE802.15.4收發(fā)機(jī)；64KB的ROM和96KB的RAM；提供多種低成本的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的解決方案。特別的是，該RAM在沒(méi)有額外記憶設(shè)備的情況下，允許支持路由器和控制器能力。為了進(jìn)一步的降低成本，JN5121使用MAC加速器和高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)AES加速器，同時(shí)提供休眠振蕩器和能量保留工具，減低了系統(tǒng)能量消耗。該設(shè)備也能兼容大范圍的數(shù)字和邏輯外圍設(shè)備^[2]。由于該芯片集成了MUC和RF收發(fā)機(jī)，只需要對(duì)該微處理器外圍電路進(jìn)行適當(dāng)?shù)呐渲?，就可以直接作為ZigBee車(chē)載子節(jié)點(diǎn)，安裝于車(chē)內(nèi)。整個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)的功耗很低，供電設(shè)備要求不高，普通的AA電池可用2年以上。此系統(tǒng)需要供電10年以上，節(jié)點(diǎn)可采用車(chē)內(nèi)電源直接供電。節(jié)點(diǎn)的JN5121芯片結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 JN5121芯片結(jié)構(gòu)圖：

激活設(shè)備和采集設(shè)備也同樣采用JN5121實(shí)現(xiàn)，但這兩類(lèi)設(shè)備上不需要安裝傳感器元件。由于激活設(shè)備和采集設(shè)備一直處于工作狀態(tài)，耗能比車(chē)載子節(jié)點(diǎn)大，且布置地點(diǎn)固定，就可以采用有線電力或體積更大的供電設(shè)備。對(duì)于采集設(shè)備，還要求安裝存儲(chǔ)更大容量的存儲(chǔ)器。

4.2軟件設(shè)計(jì)

車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)采用嵌入式操作系統(tǒng)，可用C語(yǔ)言編寫(xiě)應(yīng)用程序，并采用JN5系列軟件開(kāi)發(fā)工具包進(jìn)行調(diào)試。

車(chē)載子節(jié)點(diǎn)ID數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)。對(duì)于車(chē)輛來(lái)說(shuō)，車(chē)牌號(hào)即為車(chē)輛的身份識(shí)別碼，但由于它及其容易偽造，僅用觀測(cè)無(wú)法準(zhǔn)確識(shí)別合法車(chē)輛。自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)中的每個(gè)車(chē)載子節(jié)點(diǎn)都有自己固有的64位ID，這是子節(jié)點(diǎn)的唯一標(biāo)識(shí)符，通過(guò)該標(biāo)識(shí)符，采集節(jié)點(diǎn)――即網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器便可以輕松發(fā)現(xiàn)并識(shí)別該車(chē)輛，允許其加入網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。ID的內(nèi)容由發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)、車(chē)牌號(hào)等信息進(jìn)行編碼和加密產(chǎn)生，在安裝以前就由生產(chǎn)商提前配置給車(chē)載子節(jié)點(diǎn)。

小結(jié)：

隨著車(chē)輛運(yùn)營(yíng)業(yè)務(wù)和通信技術(shù)的發(fā)展，對(duì)車(chē)輛識(shí)別系統(tǒng)等交通管理系統(tǒng)智能化的要求也日益提高。而目前的識(shí)別方式還處于觀測(cè)或者近距離停車(chē)識(shí)別的原始階段，需要利用高科技手段將無(wú)線通信技術(shù)與車(chē)輛的管理相結(jié)合。通過(guò)從技術(shù)和應(yīng)用兩方面的分析與比較，可以看出：ZigBee非常適合于低功耗、低速率的監(jiān)視、傳感網(wǎng)絡(luò)。ZigBee車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)利用新型的無(wú)線技術(shù)為實(shí)現(xiàn)成本低廉、準(zhǔn)確有效、安全可靠、快速的自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)提供了可能。

本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：第一利用ZigBee這種低功耗、低速率、低成本的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了新型的車(chē)輛自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)，具有廣闊的市場(chǎng)價(jià)值。第二，在組網(wǎng)方面，根據(jù)車(chē)輛快速行駛的特點(diǎn)，在每個(gè)PAN網(wǎng)絡(luò)中利用兩個(gè)協(xié)調(diào)器來(lái)進(jìn)行數(shù)據(jù)的接收，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃浴５谌?，利用子?jié)點(diǎn)ID的內(nèi)容由發(fā)動(dòng)機(jī)號(hào)、車(chē)牌號(hào)等信息進(jìn)行編碼和加密產(chǎn)生，確保數(shù)據(jù)安全性。

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