基于ZigBee技術的車輛測速系統設計

【摘要】車輛的定位及測速對智能交通系統有著重要的意義。本文基于ZigBee技術，采用CC2431芯片為定位核心，采用RSSI定位算法，構建了一款無線測速系統，介紹了測速系統的工作原理。通過試驗結果表明，該系統設計合理，能夠滿足實際交通環境下對車輛測速精度、穩定性的要求。

【關鍵詞】ZigBee;測速;定位;RSSI

The design of vehicle velocity-measuring system based on ZigBee

Dawei zhao

（College of Computer Science and Technology，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing 210016，China）

Abstract：Position and velocity-measuring of the vehicle is of important significance to the intelligent transportation system.Based on ZigBee technology，using CC2431 chip as the core with positioning，and RSSI positioning algorithm，this paper presents an wireless velocity-measuring system，and introduces the work principle of the system.Through the experiment，verified the system design is reasonable，can meet the requirements of vehicle velocity-measuring precision and stability in actual traffic environment.

Key words：ZigBee;velocity-measuring;localization;RSSI

1.引言

隨著高速公路的發展，為提高公路通行效率，降低交通事故發生率，智能交通系統的研究逐漸成為了熱門的研究方向。其中，對于車輛的定位、測速技術的研究是智能交通系統研究的重要內容之一。

常見的車輛測速方式有視頻測速、感應線圈測速、雷達測速、超聲波測速、紅外測速、激光測速等，對于智能車載節點來說，采用基于ZigBee技術的無線短距離定位測速是比較好的選擇。本文提出一種基于ZigBee技術的車輛測速系統，實現對高速公路環境下車輛的準確定位和測速。

2.各模塊工作原理

基于ZigBee技術的定位測速系統主要由三部分構成，分別是協調器與控制中心、信標節點、盲節點。

2.1 協調器與控制中心

協調器的作用是建立和維護網絡，并通過RS232串口與控制中心進行通訊。一個ZigBee網絡只允許有一個協調器網關的存在。協調器網關由一個CC2430模塊和一個電源底板構成。協調器在整個系統中起著核心的作用：接受控制中心發出的節點配置信息，并轉發給各個節點;接受待測盲節點發出的時間、位置、信號強度等數據，進行計算并發送給控制中心。控制中心利用協調器節點發送的數據，對盲節點進行計算，給出盲節點的平均速度。

2.2 信標節點

信標節點是位置已知的固定節點，具有唯一的識別代碼，為全功能設備，可與其他信標節點、盲節點通信，它為盲節點提供自己的位置坐標（X，Y）和信號強度值（RSSI）。在定位系統中，該節點起到無線網絡中路由器的功能，將其直接固定安裝在物體移動路線的兩側，其位置信息由控制中心設定并通過協調器發送。信標節點由一個CC2430模塊和一個電源底板構成，固定安裝于道路兩側，通電即可工作。

2.3 盲節點

盲節點為車載智能交通設備節點，事先安裝在待定位測速的車輛上。盲節點通過獲取信標節點提供的坐標值、信號強度值，計算自身的位置坐標。

盲節點由一個CC2431模塊和一個車載電源底板構成，內嵌的CC2431為該ZigBee自組織網絡的核心部件，盲節點與離自己最近的信標節點通信，根據獲取的信標節點坐標（X，Y）和信號強度（RSSI）值，計算自身位置信息，并將定時獲取的位置信息和對應的時間信息發送給協調器節點。

3.節點定位及測速原理

3.1 節點定位原理

盲節點的定位詳細過程如下：

（1）盲節點接受周圍信標節點的RSSI值，并對RSSI值按大小進行排序;

（2）利用非測距定位的質心算法，得到盲節點的坐標范圍，實現初步定位。式（1）中，x，y為盲節點坐標，誤差范圍為信標節點間距離最大值;

（1）

（3）選取其中前3大RSSI值對應的信標節點，向其發送定位請求;

（4）各信標節點收到盲節點發送的定位請求后，向盲節點發送響應包;

（5）盲節點收到信標節點發回的記錄后，利用式（2）計算出盲節點到各信標節點的距離;

（2）

式中：PL（d）為經過距離d后的路徑損耗，單位dBm;PL（d0）為理想空間中信號傳播距離為d0時的路徑損耗;n為路徑衰減指數，取值范圍為1.5～5;d0為近地參考距離，一般為1m。

（6）根據獲取的盲節點到3個信標節點的距離值，利用圓外切Bounding-box法估算出盲節點的位置坐標A（x，y）;

（7）假設盲節點實際坐標為A（X，Y），則定位誤差如式（3）所示：

（3）

3.2 測速原理

首先在系統開始進行測速前由控制中心發送指令， 對各個節點的定時器進行同步復位，并開始計時，盲節點把經計算獲得的位置信息和此時的計時器時間一同打包發送給協調器，協調器根據盲節點多次發來的位置信息和對應時間利用勻速直線運動速度公式來計算目標的瞬間行駛速度，并將多次計算的結果發送到控制中心，由控制中心顯示速度曲線，并計算整個路程的平均速度，從而獲取盲節點的運動速度。

設盲節點計算得知的位置坐標為：（xi，yi），單位為m，對應的時間為tj，單位為s，其中（i=0，1，…，n）;因此，協調器節點計算某一瞬時速度公式為：

（4）

式（4）中，為盲節點第（i-1）次計算的速度值，單位為m/s;xi-1與ti-1為盲節點計算得到的上一次位置信息與對應時間;控制中心計算整個路段的平均速度為：

（5）

式（5）中，n為控制中心收到的協調器發來速度值的數量，根據與物體運行速度的限值進行比較，對不合理的速度值進行剔除，得到盲節點的最終速度值。

4.試驗分析

試驗在普通高等級公路上進行，采用TI公司芯片CC2431開發節點硬件，組建基于ZigBee技術的無線傳感器網絡，并完成協調器節點、信標節點、盲節點的測試工作流程。采用VC++和MATCOM混合編程的方式設計了定位系統綜合控制和數據分析平臺。試驗過程中，在道路兩側各布置20個信標節點，且對稱布置于路燈桿離地1.8米高度，同側兩節點間距100米，一車輛作為盲節點進行測速測速。同一環境下，該車輛節點進行10個來回測試，車速在0～100km/h范圍，基準車速由GPS定位系統提供。

測試分別在晴朗、小雨、輕度霧三種環境下，50km/h、80km/h、100km/h三種速度下進行了試驗，平均誤差結果如表1所示，可見本方法測速誤差在2%左右，在可接受范圍內，可以滿足高速公路環境下的車輛定位測速應用。

表1公路環境下試驗平均誤差結果

時速

天氣 50km/h 80km/h 100km/h

晴朗 0.8 1.5 1.8

小雨 1.1 1.7 2.1

輕度霧 1.3 1.9 2.4

5.結束語

本文源于智能交通領域對無線傳感器網絡定位測速的實際需求，通過試驗可知，基于ZigBee技術的無線測速系統測量誤差可控制在 2%左右，并且該系統工作穩定，在多種天氣環境下，其精度仍然可以滿足實際測速需求。

下一步將根據實際道路應用的需要，對協調器與控制中心的連接方式進行改進，采用遠距離無線傳輸技術，提高工程應用下的實用性;對信標節點的布局進行合理分配，提高系統效率。

參考文獻

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作者簡介：趙大偉（1983—），男，江蘇鹽城人，碩士研究生，主要研究方向：信息物理融合系統。