ZigBee車(chē)輛自動(dòng)識別系統的設計

引言：

如今社會(huì )上出現的利用克隆出租車(chē)、貨車(chē)進(jìn)行運營(yíng)的現象日益嚴重。所謂克隆車(chē)，就是一輛或幾輛無(wú)牌無(wú)證的車(chē)輛套用另一臺有合法手續的車(chē)輛，這些車(chē)輛的車(chē)輛型號、外觀(guān)、車(chē)牌照、行駛證件、保險、檢驗合格證、車(chē)船使用稅、發(fā)動(dòng)機、車(chē)架號都完全一樣。因此，單從外觀(guān)上根本無(wú)法識別車(chē)輛是否為合法車(chē)輛。據業(yè)內人士稱(chēng)，有些城市目前的克隆出租車(chē)竟有上千輛，已嚴重擾亂了出租車(chē)市場(chǎng)。然而由于執法手段的原始，基本上只能靠車(chē)主舉報來(lái)查處，出租車(chē)行業(yè)呼吁運用高科技手段，使用自動(dòng)識別系統來(lái)整治克隆車(chē)。除此以外，車(chē)輛自動(dòng)識別系統還可以用于對被盜車(chē)輛的監控和追蹤。

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(xiàn)通信標準。適應ZigBee標準的解決方案將嵌入在消費者電子學(xué)、家庭和建筑自動(dòng)化、工業(yè)控制、PC外圍設備，醫學(xué)傳感應用、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)調器，它有唯一的標識符，且最多可以同時(shí)和65536個(gè)子節點(diǎn)相連，加之其節點(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，適用于遠距離的低速率識別系統。

2.ZigBee車(chē)輛自動(dòng)識別系統：

2.1系統簡(jiǎn)介：

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

布置于道路邊的數據采集單元一般分為兩個(gè)部分：激活設備和采集設備。當任意一輛內置車(chē)載子節點(diǎn)的車(chē)輛進(jìn)入已布置監控系統的路段時(shí)，由激活設備激活車(chē)內的車(chē)載子節點(diǎn)，發(fā)出命令讓子節點(diǎn)開(kāi)始傳輸數據。但激活設備并不負責接收由子節點(diǎn)傳輸的數據，以留下更多的時(shí)間和容量來(lái)激活高速運動(dòng)的其他子節點(diǎn)。ZigBee休眠設備激活時(shí)間為15ms，活躍設備信道接入時(shí)間為15ms，采集設備應位于激活設備后約40m處。市區內的車(chē)輛行駛速度大概約為20m/s，即在2s的時(shí)間內已經(jīng)足夠激活在道路上高速運動(dòng)的子節點(diǎn)，并使其開(kāi)始傳輸數據。

采集設備負責接收車(chē)載子節點(diǎn)傳來(lái)的信息，并轉交給ZigBee網(wǎng)關(guān)進(jìn)行處理，然后傳到交警的手持觀(guān)測器中。手持觀(guān)測器可以為手機終端或者存儲能量更強的PDA等。信息也可以通過(guò)Internet傳到控制中心?？刂浦行膶Σ杉臄祿妥庸濣c(diǎn)的固有信息進(jìn)行整理，可得出駛行在該路段的車(chē)輛的詳細資料，然后再對數據庫里的保存信息進(jìn)行更新，根據車(chē)輛行駛路段的采集設備的編號，可以自動(dòng)對該車(chē)輛該段時(shí)間內的行駛路線(xiàn)進(jìn)行定位監控。系統結構如圖1所示：

圖1：車(chē)輛自動(dòng)識別系統結構示意圖

2.2系統的功能：

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

2. 識別被盜車(chē)輛。當安裝有車(chē)載子節點(diǎn)的車(chē)輛被盜后，失主可以到監控中心登記，將丟失車(chē)輛的車(chē)牌號等信息輸入數據庫。當被盜車(chē)路經(jīng)布置了采集節點(diǎn)的路段時(shí)，就立刻會(huì )被識別出來(lái)，并產(chǎn)生告警。根據采集設備路段編號就可以對被盜車(chē)輛進(jìn)行追蹤和布控。

3.系統組網(wǎng)過(guò)程

此系統遵循ZigBee星形網(wǎng)的組網(wǎng)原則，即終端設備可以與協(xié)調器通信，本身互相之間不能通信。系統中激活設備和采集設備始終保持同步，且其網(wǎng)絡(luò )標識符一致，激活設備相當于一個(gè)主協(xié)調器，采集設備相當于從協(xié)調器。MAC層信道接入采用無(wú)信標傳輸模式。無(wú)信標模式即為標準的ALOHA CSMA-CA的信道接入機制，終端節點(diǎn)只在有數據要收發(fā)的時(shí)候才和網(wǎng)絡(luò )會(huì )話(huà)，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 )中的充當協(xié)調器的激活設備一直處于工作狀態(tài)，不斷的掃描信道，當發(fā)現有車(chē)載子節點(diǎn)進(jìn)入其網(wǎng)絡(luò )范圍時(shí)，就發(fā)出命令幀對子節點(diǎn)進(jìn)行激活。當車(chē)載子節點(diǎn)接收到激活命令，立即激活其接收機，并向激活設備返回確認幀，表示已被激活；接著(zhù)，激活設備發(fā)出命令告知車(chē)載子節點(diǎn)可以進(jìn)行數據傳輸。同時(shí)，激活設備將告知采集設備準備接收某頻段的數據。利用采集設備單獨來(lái)接收車(chē)載子節點(diǎn)發(fā)出的數據信息，使激活設備有充裕的時(shí)間來(lái)激活高速運動(dòng)的子節點(diǎn)，同時(shí)可以使采集設備在短時(shí)間內完成數據的接收。子節點(diǎn)則采用廣播方式傳輸數據和確認幀。當激活節點(diǎn)發(fā)現車(chē)載子節點(diǎn)傳輸的信息并非確認幀時(shí)，就丟棄該幀，不做任何進(jìn)一步的處理。為了降低車(chē)載子節點(diǎn)的耗能以及避免過(guò)多節點(diǎn)造成信道一直處于忙狀態(tài)，當數據傳輸完畢后，采集子節點(diǎn)負責休眠子節點(diǎn)。系統組網(wǎng)的過(guò)程如圖2所示：

圖2 車(chē)輛自動(dòng)識別系統組網(wǎng)過(guò)程

4.系統設計

4.1硬件設計：

系統核心設備的硬件包括三個(gè)方面：車(chē)載子節點(diǎn)、激活設備，采集設備。硬件結構如圖3所示：

圖3 系統核心硬件設備

車(chē)載子節點(diǎn)安裝于車(chē)輛內部，傳感器元件用于采集車(chē)內的信息，在MCU進(jìn)行簡(jiǎn)單整理后通過(guò)ZigBee收發(fā)機、天線(xiàn)傳輸給采集設備。車(chē)載子節點(diǎn)的硬件設計采用Jennic公司的JN5121，它是一款適應低耗能、低成本IEEE802.15.4的無(wú)線(xiàn)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；64KB的ROM和96KB的RAM；提供多種低成本的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )應用的解決方案。特別的是，該RAM在沒(méi)有額外記憶設備的情況下，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加速器和高級加密標準AES加速器，同時(shí)提供休眠振蕩器和能量保留工具，減低了系統能量消耗。該設備也能兼容大范圍的數字和邏輯外圍設備^[2]。由于該芯片集成了MUC和RF收發(fā)機，只需要對該微處理器外圍電路進(jìn)行適當的配置，就可以直接作為ZigBee車(chē)載子節點(diǎn)，安裝于車(chē)內。整個(gè)ZigBee節點(diǎn)的功耗很低，供電設備要求不高，普通的AA電池可用2年以上。此系統需要供電10年以上，節點(diǎn)可采用車(chē)內電源直接供電。節點(diǎn)的JN5121芯片結構如圖4所示：

圖4 JN5121芯片結構圖：

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

4.2軟件設計

車(chē)輛自動(dòng)識別系統采用嵌入式操作系統，可用C語(yǔ)言編寫(xiě)應用程序，并采用JN5系列軟件開(kāi)發(fā)工具包進(jìn)行調試。

車(chē)載子節點(diǎn)ID數據設計。對于車(chē)輛來(lái)說(shuō)，車(chē)牌號即為車(chē)輛的身份識別碼，但由于它及其容易偽造，僅用觀(guān)測無(wú)法準確識別合法車(chē)輛。自動(dòng)識別系統中的每個(gè)車(chē)載子節點(diǎn)都有自己固有的64位ID，這是子節點(diǎn)的唯一標識符，通過(guò)該標識符，采集節點(diǎn)――即網(wǎng)絡(luò )中的協(xié)調器便可以輕松發(fā)現并識別該車(chē)輛，允許其加入網(wǎng)絡(luò )，進(jìn)行數據傳輸。ID的內容由發(fā)動(dòng)機號、車(chē)牌號等信息進(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)載子節點(diǎn)。

小結：

隨著(zhù)車(chē)輛運營(yíng)業(yè)務(wù)和通信技術(shù)的發(fā)展，對車(chē)輛識別系統等交通管理系統智能化的要求也日益提高。而目前的識別方式還處于觀(guān)測或者近距離停車(chē)識別的原始階段，需要利用高科技手段將無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)與車(chē)輛的管理相結合。通過(guò)從技術(shù)和應用兩方面的分析與比較，可以看出：ZigBee非常適合于低功耗、低速率的監視、傳感網(wǎng)絡(luò )。ZigBee車(chē)輛自動(dòng)識別系統利用新型的無(wú)線(xiàn)技術(shù)為實(shí)現成本低廉、準確有效、安全可靠、快速的自動(dòng)識別系統提供了可能。

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)，設計了新型的車(chē)輛自動(dòng)識別系統，具有廣闊的市場(chǎng)價(jià)值。第二，在組網(wǎng)方面，根據車(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)調器來(lái)進(jìn)行數據的接收，提高了數據傳輸的可靠性。第三，利用子節點(diǎn)ID的內容由發(fā)動(dòng)機號、車(chē)牌號等信息進(jìn)行編碼和加密產(chǎn)生，確保數據安全性。

參考文獻：

[1] ZigBee alliance. ZigBee^TM alliance Network specification version 1.0,2004。

[2] Jennic, JN5121 Data sheet.2006。

[3] 金純，蔣小宇，羅祖秋，ZigBee與藍牙的分析與比較[J]，信息技術(shù)與標準化，2004(6)-17-20。

[4] 鄭武，金純，楊致遠，可穿戴式無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)研究及應用[J]，微計算機信息，2005(8)-108-110。