ZigBee車輛自動識別系統(tǒng)的設計

引言：

如今社會上出現(xiàn)的利用克隆出租車、貨車進行運營的現(xiàn)象日益嚴重。所謂克隆車，就是一輛或幾輛無牌無證的車輛套用另一臺有合法手續(xù)的車輛，這些車輛的車輛型號、外觀、車牌照、行駛證件、保險、檢驗合格證、車船使用稅、發(fā)動機、車架號都完全一樣。因此，單從外觀上根本無法識別車輛是否為合法車輛。據(jù)業(yè)內(nèi)人士稱，有些城市目前的克隆出租車竟有上千輛，已嚴重擾亂了出租車市場。然而由于執(zhí)法手段的原始，基本上只能靠車主舉報來查處，出租車行業(yè)呼吁運用高科技手段，使用自動識別系統(tǒng)來整治克隆車。除此以外，車輛自動識別系統(tǒng)還可以用于對被盜車輛的監(jiān)控和追蹤。

1.ZigBee技術簡介：

ZigBee聯(lián)盟正在發(fā)展一個極低成本、極低耗能、雙向無線通信標準。適應ZigBee標準的解決方案將嵌入在消費者電子學、家庭和建筑自動化、工業(yè)控制、PC外圍設備，醫(yī)學傳感應用、玩具和游戲等領域^[1]。在ZigBee每個PAN中必須有一個協(xié)調(diào)器，它有唯一的標識符，且最多可以同時和65536個子節(jié)點相連，加之其節(jié)點的最優(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)絡覆蓋范圍，適用于遠距離的低速率識別系統(tǒng)。

2.ZigBee車輛自動識別系統(tǒng)：

2.1系統(tǒng)簡介：

車輛自動識別系統(tǒng)的通信協(xié)議是基于ZigBee1.0版本的。其系統(tǒng)組成包括車載子節(jié)點、數(shù)據(jù)采集單元、ZigBee網(wǎng)關和控制中心、手持觀測器五個部分。其中安裝于車內(nèi)的車載子節(jié)點和安裝于道路邊或收費站的數(shù)據(jù)采集點為整個系統(tǒng)的核心部分。車載子節(jié)點里包含有車輛發(fā)動機、車架號、車牌和車輛編號等固有信息，也可以定時的利用傳感器元件采集車內(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部分：激活設備和采集設備。當任意一輛內(nèi)置車載子節(jié)點的車輛進入已布置監(jiān)控系統(tǒng)的路段時，由激活設備激活車內(nèi)的車載子節(jié)點，發(fā)出命令讓子節(jié)點開始傳輸數(shù)據(jù)。但激活設備并不負責接收由子節(jié)點傳輸?shù)臄?shù)據(jù)，以留下更多的時間和容量來激活高速運動的其他子節(jié)點。ZigBee休眠設備激活時間為15ms，活躍設備信道接入時間為15ms，采集設備應位于激活設備后約40m處。市區(qū)內(nèi)的車輛行駛速度大概約為20m/s，即在2s的時間內(nèi)已經(jīng)足夠激活在道路上高速運動的子節(jié)點，并使其開始傳輸數(shù)據(jù)。

采集設備負責接收車載子節(jié)點傳來的信息，并轉(zhuǎn)交給ZigBee網(wǎng)關進行處理，然后傳到交警的手持觀測器中。手持觀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Internet傳到控制中心。控制中心對采集的數(shù)據(jù)和子節(jié)點的固有信息進行整理，可得出駛行在該路段的車輛的詳細資料，然后再對數(shù)據(jù)庫里的保存信息進行更新，根據(jù)車輛行駛路段的采集設備的編號，可以自動對該車輛該段時間內(nèi)的行駛路線進行定位監(jiān)控。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：

圖1：車輛自動識別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2系統(tǒng)的功能：

1. 間接識別克隆車。假設所有正規(guī)車輛都安裝了車載子節(jié)點的情況下，克隆出租車可能沒有安裝車載子節(jié)點，所以當車輛行駛過的時候，如果發(fā)現(xiàn)其相同牌照的合法車在該時段內(nèi)行駛于不同的路段，便能判斷出此處行駛的車為克隆車；當已經(jīng)安裝了車載子節(jié)點的克隆車輛經(jīng)過采集設備時，會立刻識別出該車輛信息與觀測到的車牌不符，就能判斷出該車輛為克隆車輛。

2. 識別被盜車輛。當安裝有車載子節(jié)點的車輛被盜后，失主可以到監(jiān)控中心登記，將丟失車輛的車牌號等信息輸入數(shù)據(jù)庫。當被盜車路經(jīng)布置了采集節(jié)點的路段時，就立刻會被識別出來，并產(chǎn)生告警。根據(jù)采集設備路段編號就可以對被盜車輛進行追蹤和布控。

3.系統(tǒng)組網(wǎng)過程

此系統(tǒng)遵循ZigBee星形網(wǎng)的組網(wǎng)原則，即終端設備可以與協(xié)調(diào)器通信，本身互相之間不能通信。系統(tǒng)中激活設備和采集設備始終保持同步，且其網(wǎng)絡標識符一致，激活設備相當于一個主協(xié)調(diào)器，采集設備相當于從協(xié)調(diào)器。MAC層信道接入采用無信標傳輸模式。無信標模式即為標準的ALOHA CSMA-CA的信道接入機制，終端節(jié)點只在有數(shù)據(jù)要收發(fā)的時候才和網(wǎng)絡會話，其余時間都處于休眠模式，平均功耗非常低^[3]。其組網(wǎng)的過程如下：

首先，在網(wǎng)絡中的充當協(xié)調(diào)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(xiàn)有車載子節(jié)點進入其網(wǎng)絡范圍時，就發(fā)出命令幀對子節(jié)點進行激活。當車載子節(jié)點接收到激活命令，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，激活設備發(fā)出命令告知車載子節(jié)點可以進行數(shù)據(jù)傳輸。同時，激活設備將告知采集設備準備接收某頻段的數(shù)據(jù)。利用采集設備單獨來接收車載子節(jié)點發(fā)出的數(shù)據(jù)信息，使激活設備有充裕的時間來激活高速運動的子節(jié)點，同時可以使采集設備在短時間內(nèi)完成數(shù)據(jù)的接收。子節(jié)點則采用廣播方式傳輸數(shù)據(jù)和確認幀。當激活節(jié)點發(fā)現(xiàn)車載子節(jié)點傳輸?shù)男畔⒉⒎谴_認幀時，就丟棄該幀，不做任何進一步的處理。為了降低車載子節(jié)點的耗能以及避免過多節(jié)點造成信道一直處于忙狀態(tài)，當數(shù)據(jù)傳輸完畢后，采集子節(jié)點負責休眠子節(jié)點。系統(tǒng)組網(wǎng)的過程如圖2所示：

圖2 車輛自動識別系統(tǒng)組網(wǎng)過程

4.系統(tǒng)設計

4.1硬件設計：

系統(tǒng)核心設備的硬件包括三個方面：車載子節(jié)點、激活設備，采集設備。硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示：

圖3 系統(tǒng)核心硬件設備

車載子節(jié)點安裝于車輛內(nèi)部，傳感器元件用于采集車內(nèi)的信息，在MCU進行簡單整理后通過ZigBee收發(fā)機、天線傳輸給采集設備。車載子節(jié)點的硬件設計采用Jennic公司的JN5121，它是一款適應低耗能、低成本IEEE802.15.4的無線微控制器。該微處理器包括一個32比特芯片RISC核；一個非常適合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線傳感器網(wǎng)絡應用的解決方案。特別的是，該RAM在沒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。該設備也能兼容大范圍的數(shù)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行適當?shù)呐渲?，就可以直接作為ZigBee車載子節(jié)點，安裝于車內(nèi)。整個ZigBee節(jié)點的功耗很低，供電設備要求不高，普通的AA電池可用2年以上。此系統(tǒng)需要供電10年以上，節(jié)點可采用車內(nèi)電源直接供電。節(jié)點的JN5121芯片結(jié)構(gòu)如圖4所示：

圖4 JN5121芯片結(jié)構(gòu)圖：

激活設備和采集設備也同樣采用JN5121實現(xiàn)，但這兩類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)，耗能比車載子節(jié)點大，且布置地點固定，就可以采用有線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

車輛自動識別系統(tǒng)采用嵌入式操作系統(tǒng)，可用C語言編寫應用程序，并采用JN5系列軟件開發(fā)工具包進行調(diào)試。

車載子節(jié)點ID數(shù)據(jù)設計。對于車輛來說，車牌號即為車輛的身份識別碼，但由于它及其容易偽造，僅用觀測無法準確識別合法車輛。自動識別系統(tǒng)中的每個車載子節(jié)點都有自己固有的64位ID，這是子節(jié)點的唯一標識符，通過該標識符，采集節(jié)點――即網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器便可以輕松發(fā)現(xiàn)并識別該車輛，允許其加入網(wǎng)絡，進行數(shù)據(jù)傳輸。ID的內(nèi)容由發(fā)動機號、車牌號等信息進行編碼和加密產(chǎn)生，在安裝以前就由生產(chǎn)商提前配置給車載子節(jié)點。

小結(jié)：

隨著車輛運營業(yè)務和通信技術的發(fā)展，對車輛識別系統(tǒng)等交通管理系統(tǒng)智能化的要求也日益提高。而目前的識別方式還處于觀測或者近距離停車識別的原始階段，需要利用高科技手段將無線通信技術與車輛的管理相結(jié)合。通過從技術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(jiān)視、傳感網(wǎng)絡。ZigBee車輛自動識別系統(tǒng)利用新型的無線技術為實現(xiàn)成本低廉、準確有效、安全可靠、快速的自動識別系統(tǒng)提供了可能。

本文作者創(chuàng)新點：第一利用ZigBee這種低功耗、低速率、低成本的特點，設計了新型的車輛自動識別系統(tǒng)，具有廣闊的市場價值。第二，在組網(wǎng)方面，根據(jù)車輛快速行駛的特點，在每個PAN網(wǎng)絡中利用兩個協(xié)調(diào)器來進行數(shù)據(jù)的接收，提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。第三，利用子?jié)點ID的內(nèi)容由發(fā)動機號、車牌號等信息進行編碼和加密產(chǎn)生，確保數(shù)據(jù)安全性。

參考文獻：

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[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]，信息技術與標準化，2004(6)-17-20。

[4] 鄭武，金純，楊致遠，可穿戴式無線網(wǎng)絡技術研究及應用[J]，微計算機信息，2005(8)-108-110。