基于ZigBee/IEEE 802.15.4的低成本輔助駕駛

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(wǎng)絡(luò)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(yù)設(shè)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(guān)的信息通過廣播發(fā)送到內(nèi)置的ZigBee設(shè)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(wǎng)絡(luò)

　　ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧是建立在定義了針對低數(shù)據(jù)速率、低功耗網(wǎng)絡(luò)的物理層(PHY)和介質(zhì)訪問控制層(MAC)的IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上的。ZigBee在802.15.4之上增加了網(wǎng)絡(luò)(NWK)層和應(yīng)用層(APL)的規(guī)范，從而組成了完整的ZigBee協(xié)議棧。

　　更多關(guān)于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的內(nèi)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(wǎng)絡(luò)擁有以下類型的ZigBee節(jié)點：

　　● 網(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)節(jié)點將通過以太網(wǎng)連接到互聯(lián)網(wǎng)。因此，互聯(lián)網(wǎng)將作為中樞網(wǎng)絡(luò)連接各網(wǎng)關(guān)節(jié)點。交通數(shù)據(jù)記錄應(yīng)用，或者說，任何屬于城市管理職權(quán)范圍內(nèi)和要求涵蓋面廣的應(yīng)用，都需要有一個路點節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)。這便于中央數(shù)據(jù)的收集和分析，以及遠(yuǎn)程節(jié)點的更新和維護(hù)。

　　● 路點節(jié)點: 有兩種類型的路點節(jié)點：網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和獨立節(jié)點。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點執(zhí)行繁重的數(shù)據(jù)記錄操作，并永久地與一個網(wǎng)關(guān)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(yīng)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(guān)的信息。由于這些節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點組成了網(wǎng)絡(luò)，因此它們可以得到其鄰近地區(qū)最新的地標(biāo)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(wǎng)關(guān)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(wǎng)絡(luò)。

　　● 車載節(jié)點：這些節(jié)點放置在每輛車內(nèi)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(biāo)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(guān)潛在盲點的交通警示;

　　2. 提供各種陸標(biāo)信息。如加油站、商場和醫(yī)院;

　　3. 提供關(guān)于接近鐵路公路交叉道口的列車信息;

　　4. 暫時提供一個關(guān)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(yīng)用。

　　設(shè)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(jù)包，一旦收到“ping”數(shù)據(jù)包，路點節(jié)點將回發(fā)某一特定消息數(shù)據(jù)。

　　應(yīng)用

　　廣義上，應(yīng)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(dǎo)致的限速和限行;轉(zhuǎn)彎盲點;道路維修;禁停，禁止駛?cè)牖蜍囁傧拗频淖兓?，如校區(qū);行人路口及醫(yī)院或消防局的出入口;車輛駛?cè)雴蜗蛲ㄐ械缆?，多出現(xiàn)于在丘陵地區(qū)。

　　圖2顯示了如何設(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)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(nèi)，車輛B也進(jìn)入了該路點節(jié)點的范圍內(nèi)。

　　● 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(zhuǎn)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(dāng)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(yīng)。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(zhǔn))

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

　　因素 3: 人類的平均反應(yīng)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(shè)車輛A和車輛B同時以 70公里/小時 (19.44 米/秒)接近轉(zhuǎn)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(jù)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(yīng)時間。比方說，警告信息是800比特的數(shù)據(jù)。

　　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(jù)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(nèi)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(yīng)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(biāo)志

　　● 最近加油/加汽站

　　● 最近的醫(yī)院，賓館，市場，汽車服務(wù)站和地標(biāo)信息

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

　　● 路旁餐館的廣告

　　數(shù)據(jù)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(nèi)記錄車輛出入時間和在其范圍內(nèi)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(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)連接到一個網(wǎng)關(guān)節(jié)點，網(wǎng)關(guān)節(jié)點又依次與一個行政辦公室LAN相結(jié)合. 網(wǎng)關(guān)節(jié)點將通過定期查詢每個網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)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(zhì)量、溫度和濕度傳感器整合在一個路點節(jié)點，當(dāng)?shù)氐目諝赓|(zhì)量也可以得到有效的監(jiān)測。由于這些應(yīng)用需要大量的數(shù)據(jù)記錄，快速、長壽命、帶錯誤校正功能的非易失性記憶體應(yīng)包含在路點節(jié)點內(nèi)。

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(jīng)發(fā)出警告信息，每個網(wǎng)關(guān)節(jié)點將收到該車的ZigBee節(jié)點ID編號。

　　● 隨后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點將其及一個“紅色警報”的數(shù)據(jù)包傳遞到各自的路點節(jié)點上。

　　● 路點節(jié)點然后進(jìn)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(dāng)路點節(jié)點找到匹配后，它將提醒網(wǎng)關(guān)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(nèi)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(yīng)用到設(shè)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(wǎng)關(guān)節(jié)點也不需要LCD液晶顯示屏，因為一個技術(shù)員在調(diào)試和維護(hù)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(dāng)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(gòu)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(shè)計。飛思卡爾提供從先進(jìn)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(yīng)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(wǎng)絡(luò)，從而確保數(shù)據(jù)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(jù)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(yīng)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(wǎng)絡(luò)協(xié)議庫、應(yīng)用程序模板和樣例應(yīng)用程序在內(nèi)的開發(fā)包。

　　結(jié)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(jìn)公路的安全標(biāo)準(zhǔn)。該解決方案可顯著降低司機的風(fēng)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(dǎo)航服務(wù)但不具備任何預(yù)警能力。