基于ZigBee車輛間通信模擬系統設計與實現

韓娜，歐陽龍坤，陳東偉

（北京理工大學珠海學院計算機科學技術學院，珠海 519085）

基于ZigBee車輛間通信模擬系統設計與實現

韓娜，歐陽龍坤，陳東偉

（北京理工大學珠海學院計算機科學技術學院，珠海 519085）

采用嵌入式技術及物聯網技術，在Linux操作系統上開發基于Qt4.5的應用程序框架，結合ZigBee（CC2530）硬件模塊和Cortex-A8開發板平臺，設計與實現一套基于ZigBee車輛間通信模擬系統，其主要包含兩個功能，ZigBee模塊的自組網架構下的數據無線傳輸功能和眼部狀態識別功能。該系統不僅實現駕駛員模擬疲勞狀態的實時監測，而且能實現車輛信息的交互等功能，具有實用性強、可靠性高等特點，有廣闊的應用前景及市場前景。

ZigBee；Qt；無線通信；自組網

0 引言

現在隨著智能化的不斷發展，智能交通系統也慢慢地突出它的顯著地位。在全球發展的同時，交通這個問題日益顯著，智能交通中車輛間通信系統成為了重要的研究內容，獲得了世界廣泛的關注。實踐證明,車輛間通信可以使車輛發生碰撞前發出報警，將大大地提高車輛安全性能。從Daimler-Benr公司的研究表明，車輛之間僅需要預先1秒的報警，就可以減少50%到90%的追尾事故發生率。因此，國外應用以及車輛間通信系統已經開展了深入的研究，并且世界各大汽車公司都投入了大量的人力和物力去研究和實現。

在國外，智能車輛間通信系統的研究已經有20多年的發展。在1999年時，美國交通部就投入三千五百萬美元和通用汽車公司合并開展車輛間通信系統的研究。目前，在美國、德國、日本等汽車工業大國在車輛間通信系統方面都已經獲得了一定的實用化研究成果，并且在此基礎上，還加入諸如主動避撞、自動巡航等一系列功能，從而逐漸開發出一系列的智能產品，使汽車的安全性能和自動駕駛性能邁上一個新臺階。

智能交通系統是解決公路交通問題的有效途徑。智能交通系統是指將先進的信息技術、數據通信技術、電控制技術和系統集成技術等有效地應用于公路交通的建設與管理，從而加強車輛、道路、使用者三者之間的聯系，從而形成一種安全、高效的交通管理系統。

基于ZigBee車輛間通信系統設計與實現，一方面可以讓駕駛員知道其附近車輛的車速與轉向燈方向等車輛信息，大大地提高了車輛人員的安全性與減少了因駕駛員的個人因素造成的車輛事故。另一方面有助于交通警察對造事車主的犯案追查，因為車輛間通信可以將事發前的數據存儲下來，例如車速、方向的數據等，這樣就可以判斷到底肇事車主是否因超速而導致事故發生。

1 功能設計

車輛間通信模擬系統框圖如圖1所示。

車輛間通信模擬系統模型圖如圖2所示。

硬件環境：基于Cortex-A8的硬件開發平臺、攝像頭、Wi-Fi模塊以及ZigBee模塊

軟件環境：Linux操作系統、IAR 8.10、Qt-embedded-linux-opensource 4.5、VS 2010

本系統通過攝像頭模塊采集駕駛員的圖像數據，利用人眼定位以及人眼特征的提取技術，結合自行設計的動態滑動窗口人眼狀態判斷算法，判斷出駕駛員的疲勞狀態。車載終端通過Wi-Fi模塊發送采集到的定位數據及駕駛員當前疲勞狀態信息到監控中心，監控中心實時保存至數據庫。

圖1 車輛通信模擬系統的系統框架圖

圖2 基于ZigBee車輛通信模擬系統的模型

車輛終端通過ZigBee自組網技術與其他車輛在特定區域上聯系起來，在無線傳輸技術下進行信息交互，從而達到模擬車輛間通信。當終端應用程序檢測到駕駛員處于疲勞狀況，將數據發送給串口緩沖區，Zig-Bee從串口緩沖區接收到數據，無線發送給ZigBee協調器，由協調器轉發該車的疲勞狀況給附近的車輛，告訴駕駛員附近有處于疲勞狀況的駕駛員。

該系統的ZigBee無線傳輸技術，設計每輛攜帶ZigBee終端節點的車在進入一個協調器可允許組網范圍內就自動分配一個特定地址給車輛，這樣在一個協調器允許組網的區域內，每輛車都是獨一無二的，就可以結合無線通信技術，在特定區域內進行車輛間無線數據交互，達到模擬無線通信系統效果。

2 系統硬件設計

本系統采用是PC、Cortex-A8開發板、ZigBee（CC2530）無線傳輸模塊、攝像頭等硬件平臺。

2.1 CC2530特性

CC2530是ZigBee應用模塊上的一個片上系統（SoC）解決方案，其工作頻段在2.4GHz，內置增強型的51單片機。其能在低成本、低功耗、遠距離上建立強大的無線通信網絡節點。片上系統內有可編程的閃存，擁有良好的RF收發器的性能與作用，8KB RAM能使系統運作流暢，并且還擁有許多其他強大的功能。

CC2530芯片有著不同的閃存版本，分別有32/64/ 128/256 KB的閃存。因而其具有不同的運行模式，所以使得它特別適應超低功耗要求的系統。運行模式之間的轉換時間短，能很好地確保低能源消耗。

2.2 硬件電路的設計

系統硬件結構圖如圖3所示。

圖3 系統硬件結構圖

系統的硬件采用模塊化設計。根據功能的不同，主要有以下模塊：

（1）Cortex-A8模塊：用于運行Qt眼部檢測應用程序，外接攝像頭、Wi-Fi模塊以及串口連接ZigBee終端節點。

（2）數據傳輸層模塊：用于Cortex-A8和ZigBee模塊之間的數據傳輸，主要是串口RS-232。

（3）ZigBee擴展模塊：采用單播方式實現無線數據發送給協調器。

（4）ZigBee協調器：采用廣播方式實現多用戶無線數據發送。

（5）監控中心模塊：實現車載系統通過Wi-Fi模塊上傳的數據存儲與顯示。

3 系統軟件設計

本系統主要擴展ZigBee無線通信功能，在系統所需的硬件和相關外圍模塊已搭建好的情況下，結合眼部檢測功能，主要設計ZigBee無線傳輸的軟件程序，實現多輛車基于ZigBee的無線通信功能。

3.1 軟件平臺搭建

軟件平臺搭建主要搭建ZigBee開發平臺。包括IAR工具和ZigBee協議棧搭建。

（1）IAR工具介紹

IAR Systems是全球領先的嵌入式系統開發工具和服務的供應商。公司成立于1983年，提供的產品和服務涉及到嵌入式系統的設計、開發和測試的每一個階段，包括：帶有C/C++編譯器和調試器的集成開發環境（IDE）、實時操作系統和中間件、開發套件、硬件仿真器以及狀態機建模工具。

本項目主要基于IAR 8.10工具進行程序開發。

圖4 系統流程圖

（2）ZigBee協議棧介紹

ZigBee協議棧是由一組子層構成，每一層為其上層提供一組特定的服務：一個數據實體提供數據傳輸服務；一個管理實體提供全部其他服務。每個服務實體通過一個服務接入點（SAP）為其上層提供服務接口，并且每個SAP提供了一系列的基本服務指令來完成相應的功能。

ZigBee設備在運作過程中，不同的任務執行在不同的層次上面，并且通過層提供的服務，達到完成執行任務的程序。

在協議棧上的每一層中提供的服務主要完成兩種功能：

①一種功能是依據其下層服務要求，為上層提供相應的服務程序。

②一種功能是根據其上層的服務要求，對其下層提供相應的服務。

上述的各層服務都是通過服務原語來實現。

圖5所示，ZigBee協議棧的體系結構包括有：應用層（應用程序）、網絡層、MAC層和PHY層。整個協議棧基于標準的7層開放式系統互聯模型。IEEE802.15.4 2003標準定義了最下面的兩層：物理層（PHY）和介質接入控制子層（MAC）。ZigBee聯盟提供了網絡層和應用層（APL）框架的設計。其中應用層的框架包括了應用支持子層（APS）、ZigBee設備對象（ZDO）和由不同制造商制定的應用對象。

本項目主要基于ZStack-CC2530-2.5.1a協議棧進行程序開發。

圖5

3.2 ZigBee模塊應用程序開發

本系統ZigBee數據傳輸模型如圖6所示，每個ZigBee協調器在自身有效功率的范圍內自組一個無線網絡，大概這個范圍有150～300米左右，每個ZigBee終端節點進入該網絡會自動加入該區域的網絡，所以這個區域內的多個ZigBee終端節點可以通過ZigBee協調器進行信息無線交互，從而可以模擬一個基于Zig-Bee車輛間通信的模擬系統。

（1）ZigBee終端節點設計

①設計終端標志id（每個車載終端都必須定義不同的id）,用于標志一輛車載終端，并防止該ZigBee終端重復接收自身發送的數據。

②定一個回調函數，ZigBee終端節點接收到串口數據后，自動調用回調函數，并以單播方式無線發送數據給協調器。

③ZigBee終端節點接收到無線數據后，判斷該數據的標志位是否為本身，如果是就不做處理，否則就將接收到的數據寫入串口（該項目模擬只有兩個車載終端，標志位分別是0x01和0x02）。

（2）ZigBee協調器設計

①協調器接收到無線數據，就以廣播方式無線發送數據給其網絡范圍內的ZigBee終端節點，分別調用以下兩個函數，第一個是接收到無線數據執行LED燈的變換，第二個是發送由ZigBee終端節點發送過來的標志位數據和處理數據。

3.3 眼部狀態檢測應用程序開發

本系統首先由攝像頭采集頭部人臉彩色圖像，然后對圖像進行預處理（圖像灰度化和圖像均衡化），去除實際圖像中存在的噪聲，放大圖像細節，為后續的圖像處理環節保證源圖像質量。利用基于Haar-like特征[6]的級聯人眼分類器對預處理過的圖像進行人眼定位，再把定位出來的人眼圖像進行二值化（采用OSTU最大類間方差算法來對灰度圖像進行自適應的二值化）[7]。接下來通過得到的人眼二值圖，計算出圖像中平均每條垂直線段所占的像素值用以判斷眼睛的閉合狀況，從而進行人眼特征提取。由于光照問題，眼睛可能出現反光現象，可以在垂直方向上，將相鄰很緊的黑色線段合并以改善反光帶來的問題。最后是通過計算人眼的持續閉合時間，根據PERCLOS標準來確定是否疲勞。

4 結語

本項目在PC平臺上實現了基本的疲勞駕駛監控終端系統，并使用Cortex-A8開發板搭建了一個疲勞檢測的車載終端系統。重要的是為車輛交通管理提供一個解決方案，并且應用了物聯網的概念，實時監控車輛的信息，其核心在于駕駛員疲勞的檢測和車輛之間信息的互通形成提醒作用，并且將這些信息傳遞給監控中心，同時完成提醒工作。項目車輛之間的通信以ZigBee模塊為基礎，實現車輛數據的無線發送，在特定的區域內實現車車通信，達到駕駛員能了解附近車輛的狀況，并提前做出相應的安全駕駛措施。這個項目還擁有多種擴展模式，應用前景廣闊，希望在后面的時間，可以對周圍車輛發出求助信息。物聯網概念的融合，使得這個項目變得更有發展潛力，滿足各類市場需求的同時，也幫助了交通部門的監控及案件處理的工作。

圖6

[1] 龔冠祥,梁杰申,梁輝宏.基于DSP的疲勞駕駛預警系統的設計[J].微計算機信息，2009，5

[2] 劉松巖.基于計算機視覺的駕駛員駕駛疲勞監測系統的設計[D].秦皇島：燕山大學，2009

[3] 高鍵，方濱，尹金玉，胡葛軍.ZigBee無線通信網絡節點設計與組網實現[J].計算機測量與控制，2008.12.25

[4] 閆沫.ZigBee協議棧的分析與設計[D].廈門大學，碩士學位論文，2007.5

[5] 方志輝.基于嵌入式平臺的疲勞駕駛參數信息融合研究[D].太原理工大學，2011.6.8

Design and Implementation of Inter-vehicle Communications Simulation System Based on ZigBee

HAN Na，OUYANG Long-kun，CHEN Dong-wei
（School of Computer Science and Technology,Zhuhai Department,Beijing Institute of Technology,Zhuhai 519085）

With embedded technology and Internet of Things technology,based on the Qt4.5 on the Linux operating system,develops the application framework.Combined with ZigBee(CC2530)hardware modules and Cortex-A8 developing platform,designs and implements an inter-vehicle simulation communication system based on ZigBee,including two main functions:data wireless transmission and ocular status recognition resulting from the MANET structure of ZigBee module.The system not only supervises drivers'fatigue situation,but also realizes the transmission of information among different vehicles,with the particulars of practical,dependable and applicable with broad and promising market prospect.

ZigBee;Qt;Wireless Information Transmission;MANET

1007-1423（2015）03-0026-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.03.007

韓娜（1981-），女，碩士，助教，研究方向為物聯網工程、嵌入式系統

歐陽龍坤（1992-），男，廣東東莞人，本科，研究方向為計算機科學與技術

2014-12-02

2015-01-04

陳東偉（1982-），男，河南獲嘉人，碩士，講師，研究方向為嵌入式系統設計與應用