|
引言 本文提出一個(gè)完整的基于ZigBee?的駕駛輔助系統解決方案，該方案充分利用了具有低成本、低功耗和安全無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )功能等特性的ZigBee協(xié)議。 該方案會(huì )在司機駕車(chē)接近公路上的一個(gè)預設道路點(diǎn)時(shí)提醒和通知司機�；赯igBee的裝置安裝在每一個(gè)道路點(diǎn)，相關(guān)的信息通過(guò)廣播發(fā)送到內置的ZigBee設備的接近車(chē)輛中。這種系統大大減少了對人類(lèi)視覺(jué)及道路照明條件的依賴(lài)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據速率、低功耗網(wǎng)絡(luò )的物理層(PHY)和介質(zhì)訪(fǎng)問(wèn)控制層(MAC)的IEEE 802.15.4標準之上的。ZigBee在802.15.4之上增加了網(wǎng)絡(luò )(NWK)層和應用層(APL)的規范，從而組成了完整的ZigBee協(xié)議棧。 更多關(guān)于ZigBee網(wǎng)絡(luò )的內容可參考Beyond Bits第4期的文章, 基于ZigBee/IEEE 802.15.4的定位監測。 該解決方案的網(wǎng)絡(luò )擁有以下類(lèi)型的ZigBee節點(diǎn)： ● 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn): 此節點(diǎn)位于交通管制站或警察局中，用于同步和收集附近路點(diǎn)節點(diǎn)的信息。每個(gè)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)將通過(guò)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)節點(diǎn)。交通數據記錄應用，或者說(shuō)，任何屬于城市管理職權范圍內和要求涵蓋面廣的應用，都需要有一個(gè)路點(diǎn)節點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )。這便于中央數據的收集和分析，以及遠程節點(diǎn)的更新和維護。 ● 路點(diǎn)節點(diǎn): 有兩種類(lèi)型的路點(diǎn)節點(diǎn)：網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)和獨立節點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)執行繁重的數據記錄操作，并永久地與一個(gè)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)相連接。這種節點(diǎn)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，這些節點(diǎn)還可以向車(chē)載節點(diǎn)廣播有用的駕車(chē)信息，比如附近的加油站或醫院等信息。 這些路點(diǎn)節點(diǎn)應能處理道路任一方向的交通。因此，每個(gè)車(chē)載節點(diǎn)需要通知路點(diǎn)節點(diǎn)其行駛方向，路點(diǎn)節點(diǎn)將反饋相關(guān)的信息。由于這些節點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)組成了網(wǎng)絡(luò )，因此它們可以得到其鄰近地區最新的地標和公用事業(yè)信息。 ● 獨立節點(diǎn)用于臨時(shí)部署，它不一定連接到該地區的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)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，這些節點(diǎn)將被移除。獨立節點(diǎn)還可以作為廣告，這并不需要連接到城市管理的路點(diǎn)網(wǎng)絡(luò )。 ● 車(chē)載節點(diǎn)：這些節點(diǎn)放置在每輛車(chē)內用來(lái)與路點(diǎn)節點(diǎn)通訊。這些節點(diǎn)有一個(gè)人機界面，如鍵盤(pán)， LED或液晶顯示屏等，以方便用戶(hù)使用該系統。 
如圖1所示, 標記為1–4的路點(diǎn)節點(diǎn)將有效地執行下列功能： 1. 提供有關(guān)潛在盲點(diǎn)的交通警示; 2. 提供各種陸標信息。如加油站、商場(chǎng)和醫院; 3. 提供關(guān)于接近鐵路公路交叉道口的列車(chē)信息; 4. 暫時(shí)提供一個(gè)關(guān)于，建筑及其他交通障礙物警告。 在接下來(lái)的章節，我們將看到所有節點(diǎn)協(xié)同工作，可以同時(shí)支持多種應用。 設置 每一個(gè)ZigBee車(chē)載節點(diǎn)都有一個(gè)唯一的ID分配給它，就像汽車(chē)的牌照號碼。 車(chē)載節點(diǎn)以周期間隔發(fā)出包含ID 的“ping”數據包，一旦收到“ping”數據包，路點(diǎn)節點(diǎn)將回發(fā)某一特定消息數據。 應用 廣義上，應用可分為以下三類(lèi)。 路況告警 路況告警將使用信息來(lái)提醒司機前方道路上的危險情況。路點(diǎn)節點(diǎn)能檢測到駛近的車(chē)輛并傳輸警告信息以說(shuō)明即將出現的危險情況，如： ● 路面不平導致的限速和限行;轉彎盲點(diǎn);道路維修;禁停，禁止駛入或車(chē)速限制的變化，如校區;行人路口及醫院或消防局的出入口;車(chē)輛駛入單向通行道路，多出現于在丘陵地區。
圖2顯示了如何設置路點(diǎn)節點(diǎn)裝置提前給予汽車(chē)司機警告以及時(shí)采取糾正措施。對于在轉彎盲點(diǎn)附近車(chē)輛的警告流程如下： ● 圖2中，路點(diǎn)節點(diǎn)檢測到車(chē)輛A接近交叉口(收到車(chē)輛A的ping包)。 ● 路點(diǎn)節點(diǎn)于是記錄下車(chē)輛A的ID，并發(fā)出“轉彎盲點(diǎn)”的警告信息。 ● 在接到警告信息后，車(chē)輛A的車(chē)載節點(diǎn)將同時(shí)給司機發(fā)送音頻和視頻的“轉彎盲點(diǎn)“警告信息。 ● 現在，車(chē)輛A仍然在路點(diǎn)節點(diǎn)的范圍內，車(chē)輛B也進(jìn)入了該路點(diǎn)節點(diǎn)的范圍內。 ● 路點(diǎn)節點(diǎn)檢測到車(chē)輛B后，會(huì )改變它的廣播信息為“多輛汽車(chē)接近轉彎盲點(diǎn)”。因為它是一個(gè)廣播信息，所以它會(huì )被兩輛車(chē)都接收到。 ● 兩車(chē)的車(chē)載節點(diǎn)會(huì )再次發(fā)出音頻告警，并打開(kāi)一個(gè)紅色發(fā)光二極管。一條警告消息也會(huì )顯示在每輛車(chē)的LCD顯示屏上。 ● 兩車(chē)的司機可以按要求減速或停車(chē)。 ● 當兩輛車(chē)都離開(kāi)路點(diǎn)節點(diǎn)的范圍時(shí)，該節點(diǎn)停止廣播。 對所有的路況告警來(lái)說(shuō)，路點(diǎn)節點(diǎn)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(shí)間作出反應。正確的安置取決于下列因素： 因素 1:路點(diǎn)節點(diǎn)或車(chē)載節點(diǎn)的廣播范圍(以較短者為準) 因素 2: 車(chē)載節點(diǎn)與路點(diǎn)節點(diǎn)之間連接的ZigBee數據傳輸率 因素 3: 人類(lèi)的平均反應時(shí)間 因素 4: 車(chē)速限制，這有助于確定把車(chē)停下來(lái)所需的平均距離 讓我們假設車(chē)輛A和車(chē)輛B同時(shí)以 70公里/小時(shí) (19.44 米/秒)接近轉彎盲點(diǎn), 該速度即為車(chē)速限制(因素4)。因素1等于50米(保守估計)，以及數據傳輸速率為50 Kbps(因素2 ) 。在70公里/小時(shí)的速度下，剎車(chē)距離大約是43米，其中包括了司機的反應時(shí)間。比方說(shuō)，警告信息是800比特的數據。 那么，A和B將在距離路點(diǎn)節點(diǎn)50米處被發(fā)現，并在50Kbps的數據傳速率下，發(fā)送800比特的警示訊息只需16毫秒，在這段時(shí)間內車(chē)行距離約為32厘米。從50米減去這一數字的話(huà)，仍然留有超過(guò)43米的剎車(chē)距離。
信息廣播 這類(lèi)應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： ● 道路標志 ● 最近加油/加汽站 ● 最近的醫院，賓館，市場(chǎng)，汽車(chē)服務(wù)站和地標信息 ● 方向指導，如目的地A是在當前位置的前方2公里處，目的地B是當前位置的右方3公里處和目的地C是當前位置的左方3公里處 ● 路旁餐館的廣告
數據記錄 每一個(gè)在主要路口和主要高速公路出入口的路點(diǎn)節點(diǎn)能夠保存通過(guò)車(chē)輛的ID和時(shí)間信息。節點(diǎn)在其監聽(tīng)范圍內記錄車(chē)輛出入時(shí)間和在其范圍內的停留時(shí)間。這有助于城市規劃人員掌握交通模式和流量的概況。 在一個(gè)特定的位置，幾十個(gè)路點(diǎn)節點(diǎn)可通過(guò)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )連接到一個(gè)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)又依次與一個(gè)行政辦公室LAN相結合. 網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)將通過(guò)定期查詢(xún)每個(gè)網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )中的路點(diǎn)節點(diǎn)來(lái)更新其主日志。主日志信息可用來(lái)生成一個(gè)每日或每月的綜合報告。通過(guò)將空氣質(zhì)量、溫度和濕度傳感器整合在一個(gè)路點(diǎn)節點(diǎn)，當地的空氣質(zhì)量也可以得到有效的監測。由于這些應用需要大量的數據記錄，快速、長(cháng)壽命、帶錯誤校正功能的非易失性記憶體應包含在路點(diǎn)節點(diǎn)內。 該解決方案也可以通過(guò)以下步驟來(lái)追蹤被盜或逃逸車(chē)輛： ● 一旦某一車(chē)輛已經(jīng)發(fā)出警告信息，每個(gè)網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)將收到該車(chē)的ZigBee節點(diǎn)ID編號。 ● 隨后，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)將其及一個(gè)“紅色警報”的數據包傳遞到各自的路點(diǎn)節點(diǎn)上。 ● 路點(diǎn)節點(diǎn)然后進(jìn)入一個(gè)特殊模式，它們把各自記錄的車(chē)輛ID與“紅色警報”ID相比較。當路點(diǎn)節點(diǎn)找到匹配后，它將提醒網(wǎng)關(guān)節。 ● 一條粗略的行車(chē)路線(xiàn)可以被記錄下來(lái)，其中包括每一個(gè)路點(diǎn)節點(diǎn)識別該車(chē)的時(shí)間。 系統詳情 我們這里推出了“動(dòng)態(tài)單元”和“靜態(tài)單元”兩個(gè)概念。其中被安裝在車(chē)內的ZigBee單元被稱(chēng)為動(dòng)態(tài)單元，而道路上的路點(diǎn)節點(diǎn)則是靜態(tài)單元。在動(dòng)態(tài)單元上，一個(gè)汽車(chē)儀表板的液晶顯示屏以及LED陣列被用于顯示信息并通過(guò)音頻警告一起警示司機。使用的LCD液晶顯示屏的種類(lèi)(分段式或彩色)取決于微控制器的種類(lèi)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(guò)SPI連接LCD液晶顯示屏 。發(fā)光二極管可通過(guò)通用I/O(GPIO)或快速I(mǎi)/O(RGPIO)應用到設計中，它可于低成本解決方案中以取代LCD液晶顯示屏。另外，路點(diǎn)節點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)也不需要LCD液晶顯示屏，因為一個(gè)技術(shù)員在調試和維護時(shí)可通過(guò)筆記本電腦連接節點(diǎn)來(lái)查看其信息。對所有動(dòng)態(tài)節點(diǎn)來(lái)說(shuō)，必須支持音頻告警。 為節省功耗，靜態(tài)節點(diǎn)在大多數時(shí)間中都處于睡眠模式，當它發(fā)現一輛車(chē)駛近時(shí)才被喚醒。太陽(yáng)能也可用于為路點(diǎn)節點(diǎn)的提供工作電源，并為其電池充電，以24小時(shí)的能源效率。 飛思卡爾的優(yōu)勢 飛思卡爾提供所有構建模塊用于開(kāi)發(fā)一個(gè)完整的ZigBee兼容平臺解決方案，包括硬件，軟件，工具和參考設計。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(jiǎn)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，微控制器應包括液晶控制器或兩個(gè)或兩個(gè)以上的SPI接口。 作為特色之一，ZigBee能確保信息在一個(gè)信道上傳輸而不干擾其他無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )，從而確保數據的完整性。
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(chē)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(diǎn)節點(diǎn)發(fā)送的信息。
有數據記錄功能的路點(diǎn)節點(diǎn)也將包含SPI閃存，閃存可通過(guò)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(kāi)發(fā)環(huán)境( IDE )用以嵌入式應用開(kāi)發(fā)。并提供配合IDE一起使用的BeeKit ?無(wú)線(xiàn)連接工具包，這是一套全面包含無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )協(xié)議庫、應用程序模板和樣例應用程序在內的開(kāi)發(fā)包。
結語(yǔ) 在本文中我們討論了一個(gè)有效的駕駛輔助系統的重要性，以及它如何幫助我們改進(jìn)公路的安全標準。該解決方案可顯著(zhù)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而言，我們基于 ZigBee的駕駛輔助系統是一個(gè)高性?xún)r(jià)比的選擇，它可替代那些諸如GPS的昂貴商用系統，后者雖然提供導航服務(wù)但不具備任何預警能力。 參考文獻： [1] MC1322x -Advanced ZigBee-Compliant SoC Platform for the 2.4 GHz IEEE 802.15.4 Standard Reference Manual.(2009-02).http://www.freescale.com/files/rf_if/doc/data_sheet/MC1322x.pdf [2] Freescale supports ZigBee Alliance’s move to integrate RF4CE technology.(2009-03).http:// www.freescale.com/zigbee [3] Research On The Road To Intelligent Cars. ScienceDaily. (2006-03-11).http://www.sciencedaily.com/ releases/2006/03/060311090833.htm [4] Concept of an Intelligent Adaptive Vehicle Front-Lighting Assistance System.H Shadeed,J. Wallaschek. Proceedings of the 2007 IEEE Intelligent Vehicles Symposium [5] Zonal Location and Asset Tracking with ZigBee Technology (using RSSI).Cambridge Consultants. (2006-10-12).http://www.zigbee.org/imwp/idms/ ... .asp?contentID=9567 作者：飛思卡爾印度設計中心系統項目的驗證和測試工程師Suhas Chakravarty，Varun Jain；飛思卡爾印度設計中心體系結構與IP項目的驗證工程師Nakul Midha；飛思卡爾印度設計中心片上系統的架構和設計工程師Prashant Bhargava |
