高速公路在能見(jiàn)度較低時(shí)會(huì)對(duì)車輛駕駛帶來(lái)安全隱患,，所以,，在惡劣的天氣下，高速公路被迫關(guān)閉,，這會(huì)造成很大的損失,。因此需要合理解決此問(wèn)題以提高高速公路的利用率，而有效監(jiān)督是確保高速公路上的車輛在極端惡劣天氣安全行駛的必要措施,。
    目前市場(chǎng)上用于車輛定位的是車載GPS,，但是由于受制于民用，即使在信號(hào)很好的情況也會(huì)有5 m的誤差,。而采用蝙蝠定位原理的超聲波技術(shù),，其定位精度最高能達(dá)到9 cm，但是這類系統(tǒng)的成本太高,，無(wú)法大面積推廣,。而近幾年發(fā)展迅速的無(wú)線局域網(wǎng)定位系統(tǒng)很好地解決了上述問(wèn)題。在一定的區(qū)域內(nèi)安裝適量的無(wú)線基站,，根據(jù)這些基站獲得的待定物體發(fā)送的信息,，結(jié)合基站的地理數(shù)據(jù)確定物體的具體位置。這類系統(tǒng)可以利用現(xiàn)有的無(wú)線局域網(wǎng)設(shè)備,，僅需要增加相應(yīng)的信息分析服務(wù)器即可完成定位,，成本較低，而且其精度能達(dá)到1 m,。本文利用基于IEEE802.15.4的ZigBee定位及通信功能設(shè)計(jì)了一套應(yīng)用于高速公路上的車輛在極端天氣下鄰車協(xié)調(diào)的裝置,。
1 系統(tǒng)設(shè)想
1.1 系統(tǒng)構(gòu)成
    該系統(tǒng)包含無(wú)線通信模塊ZigBeeCC2431和液晶顯示模塊。其中,，無(wú)線通信模塊ZigBeeCC2431主要用于通信和定位的功能,，在高速公路的兩側(cè)每隔一段距離就安放一個(gè)ZigBeeCC2430作為參考節(jié)點(diǎn)，CC2431安裝在車上作為移動(dòng)節(jié)點(diǎn)來(lái)定位(CC2431有一個(gè)無(wú)線定位跟蹤引擎,，而CC2430沒(méi)有),，通過(guò)ZigBee的無(wú)線通信功能，將前后車輛的坐標(biāo)數(shù)據(jù)互相傳遞,，并將數(shù)據(jù)以坐標(biāo)形式顯示出來(lái),，使駕駛員對(duì)周圍的車輛情況一目了然。
1.2 ZigBee通信
    ZigBee是一種新興的短距離,、低功耗,、低數(shù)據(jù)速率、低成本和低復(fù)雜度的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，它的基礎(chǔ)是IEEE 802.15,。但I(xiàn)EEE僅處理低級(jí)MAC層和物理層協(xié)議，因此ZigBee聯(lián)盟擴(kuò)展了IEEE,，對(duì)其網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化,。有了協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)后，數(shù)千個(gè)微小的傳感器就可以相互協(xié)調(diào)實(shí)現(xiàn)通信．并且這些傳感器只需很少的能量,，以接力的方式通過(guò)無(wú)線電波將數(shù)據(jù)從一個(gè)傳感器傳到另一個(gè)傳感器,，所以它們的通信效率非常高[1]。另外,，由于網(wǎng)絡(luò)流量會(huì)隨著待測(cè)節(jié)點(diǎn)數(shù)量的增加而成比例遞增,，因此，ZigBee 還允許同一網(wǎng)絡(luò)中存在大量的待測(cè)節(jié)點(diǎn),。最后,，這些數(shù)據(jù)就可以進(jìn)入計(jì)算機(jī)用于存儲(chǔ)和分析。
1.3 ZigBee無(wú)線定位
    木文采用CC2431無(wú)線定位引擎技術(shù),，該技術(shù)基于RSSI,，定位系統(tǒng)由參考節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)組成。參考節(jié)點(diǎn)是已知自身位置并將其通過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)包的方式通知其鄰節(jié)點(diǎn),。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接收參考節(jié)點(diǎn)發(fā)出的數(shù)據(jù)包信號(hào),，從數(shù)據(jù)包中獲取參考節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)及相應(yīng)的RSSI值，并將其寫入定位引擎,，然后利用定位引擎計(jì)算可以讀出自身位置,。RSSI值由接收節(jié)點(diǎn)(移動(dòng)節(jié)點(diǎn))計(jì)算獲得，在參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送給移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)包內(nèi),，它至少包含參考節(jié)點(diǎn)的水平位置坐標(biāo)參數(shù)X和豎直位置坐標(biāo)參數(shù)Y,，定位原理如圖1所示。

    硬件定位引擎CC2431在速度,、精度,、占用處理器時(shí)間等方而都比軟件定位方法更有優(yōu)勢(shì)。定位引擎的特點(diǎn)：定位估計(jì)算法需3～16個(gè)參考節(jié)點(diǎn),；定位估計(jì)分辨率為0.25 m,；計(jì)算節(jié)點(diǎn)位置耗時(shí)少于50 μs,；定位范圍為64 m×64 m；定位偏差小于3 m,；采用分布式計(jì)算定位估計(jì)方法,。該方法使用已知參考節(jié)點(diǎn)的RSSI信號(hào),進(jìn)行定位集中計(jì)算方法帶來(lái)的大量網(wǎng)絡(luò)傳輸與通信延遲的問(wèn)題，分布式定位計(jì)算都可避免[2],。當(dāng)CC2431把所有必要的參考讀取后,，就開(kāi)始定位計(jì)算，然后輸出移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的定位坐標(biāo),。
2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
    無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)一般由傳感器模塊,、數(shù)據(jù)處理模塊、電源和數(shù)據(jù)模塊組成,。由于本文主要涉及通信和定位,，因此忽略傳感器模塊。ZigBeeCC2431自帶具有高性能和低功耗的8051微控制器核,，故無(wú)須再配備其他處理器,。系統(tǒng)中其余模塊只是芯片的級(jí)聯(lián)，只有天線需要自己設(shè)計(jì),，系統(tǒng)中使用了兩種天線：一種是外界的2.4 G天線,，通過(guò)SMA頭連接，市場(chǎng)上有很成熟的外接天線,；另一種是采用倒F型微帶天線,，其制作成本低且具有較低的傳輸損耗和較好的微波傳輸特性。另外,，用一個(gè)128×64點(diǎn)陣的圖形點(diǎn)陣液晶顯示屏顯示當(dāng)前車輛之間的位置,，提供盡可能詳盡的當(dāng)前信息，完成人機(jī)交互,。設(shè)計(jì)中使用一個(gè)升壓變換器為液晶顯示器電路提供7 V的工作電壓,。圖2為系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。

    在板上安裝4個(gè)LED,，一個(gè)用于電源指示,，其余3個(gè)連接無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)插座，用來(lái)表示無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)當(dāng)前的工作狀態(tài),，如圖3所示,。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
    無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)以ZigBee2006協(xié)議棧為基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)中按照節(jié)點(diǎn)完成的功能分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn),、參考節(jié)點(diǎn),、移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在整個(gè)系統(tǒng)中負(fù)責(zé)建立和配置網(wǎng)絡(luò),，等待其他類型節(jié)點(diǎn)入網(wǎng),。參考節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)路由節(jié)點(diǎn)或者終端設(shè)備節(jié)點(diǎn),，負(fù)責(zé)信號(hào)的采集和處理以及外部設(shè)備狀態(tài)的控制和查詢。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)將收集所有參考節(jié)點(diǎn)對(duì)它的請(qǐng)求所返回的信息,，讀出相關(guān)的RSSI值,，將收集到的數(shù)值傳輸?shù)接布ㄎ灰娌⒃谥笞x出、計(jì)算,，得到位置并將該位置信息在液晶上顯示。
3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立
    在一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,，只有協(xié)調(diào)器具有建立網(wǎng)絡(luò),、維護(hù)鄰居設(shè)備表、分配邏輯網(wǎng)絡(luò)地址,、允許設(shè)備MAC層/應(yīng)用層連接或斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的功能,，而路由器則只具有維護(hù)鄰居設(shè)備表、對(duì)邏輯網(wǎng)絡(luò)地址進(jìn)行分配,、允許設(shè)備MAC層/應(yīng)用層連接或斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的功能,。所有的ZigBee設(shè)備都具有連接或斷開(kāi)網(wǎng)絡(luò)的功能。
    協(xié)調(diào)器通過(guò)NLME-NETWORK-FORMATION.request原語(yǔ)來(lái)啟動(dòng)一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的建立過(guò)程,。
    NLME-NETWORK-FORMATION.request(Scanchannels, ScanDuration,BeaconOrder,SuperframeOrder,BatteryLifeExtension)
    {
    }
3.2 加入網(wǎng)絡(luò)
    只有當(dāng)設(shè)備為ZigBee協(xié)調(diào)器或者路由器時(shí),，才允許設(shè)備嘗試與網(wǎng)絡(luò)連接，該過(guò)程通過(guò)NLME-PERMIT-JOINING.request原語(yǔ)來(lái)允許設(shè)備與網(wǎng)絡(luò)連接,。
    NLME-PERMIT-JOINING.request
    {
    PermitDuration
    },；
3.3 參考節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序?qū)崿F(xiàn)
    參考節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)路由器的角色，在定位系統(tǒng)中由用戶指定固定坐標(biāo)是靜態(tài)節(jié)點(diǎn),，其坐標(biāo)位置是固定的,，不參與定位計(jì)算，因此參考節(jié)點(diǎn)可由CC2430或者CC2431器件實(shí)現(xiàn),，節(jié)點(diǎn)的任務(wù)是提供包含本身位置X,、Y坐標(biāo)和RSSI值給定位節(jié)點(diǎn)。安放參考節(jié)點(diǎn)數(shù)的經(jīng)驗(yàn)法則是,，使用盡可能多的節(jié)點(diǎn),，至少使用3個(gè)[3]。如果節(jié)點(diǎn)太少,，每個(gè)節(jié)點(diǎn)的影響都很大,，一個(gè)不正確的RSSI值就會(huì)很大程度上影響位置的計(jì)算。參考節(jié)點(diǎn)工作流程圖如圖4所示,。

3.4 移動(dòng)定位節(jié)點(diǎn)應(yīng)用程序
    移動(dòng)節(jié)點(diǎn)可在參考節(jié)點(diǎn)所包圍的區(qū)域內(nèi)任意移動(dòng),。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)收集定位區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值，并使用定位算法來(lái)計(jì)算其坐標(biāo)位置,定位節(jié)點(diǎn)模塊選擇CC2431,。程序?qū)崿F(xiàn)如下：
    Void CalcultePostition
(LOC_REF_NODE refNodes
[LOC_EN-GINE_NODE_CAPA],
uint a_val,uint n_index,uint
*locX,uint *locY)
{
}[4]
    移動(dòng)節(jié)點(diǎn)工作流程圖如5所示,。
3.5 液晶顯示
    當(dāng)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)計(jì)算出位置信息并經(jīng)過(guò)處理器處理以后送給顯示器顯示,，其上用亮點(diǎn)來(lái)顯示車輛位置：
void Lcd12864DrawPoint( unsigned char X , unsigned char Y, unsigned char Color )
{
}
4 系統(tǒng)測(cè)試及顯示結(jié)果
    系統(tǒng)測(cè)試步驟如下：
    (1)將8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)布置在空曠的區(qū)域；
    (2)配置參考節(jié)點(diǎn),，即給參考節(jié)點(diǎn)初始化一個(gè)位置信息,；
    (3)將移動(dòng)節(jié)點(diǎn)放置在參考節(jié)點(diǎn)區(qū)域內(nèi)，本次選擇1個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)作為測(cè)試用,；
    (4)將位置信息通過(guò)12864顯示出來(lái),。
    通過(guò)多次改變移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置來(lái)測(cè)量移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置，然后與實(shí)際位置進(jìn)行比較,，表1是在一個(gè)區(qū)域內(nèi)測(cè)量的結(jié)果,。
    圖6顯示的是實(shí)際位置(4，5.5),，測(cè)量位置為(4.4,，6.2)的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)位置。由圖可以看到,，需要定位的點(diǎn)不斷閃爍,，其余靜止不動(dòng)的是參考節(jié)點(diǎn)的位置，其待定點(diǎn)的誤差不超過(guò)1 m,，基本上達(dá)到本實(shí)驗(yàn)的要求,。

    在此實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上再添加多個(gè)移動(dòng)的節(jié)點(diǎn)，利用ZzigBee的通信功能互相傳遞位置數(shù)據(jù),，然后顯示出它們的位置,。
    本系統(tǒng)由于受到環(huán)境的干擾，信號(hào)出現(xiàn)了一點(diǎn)偏差,，顯示的位置和實(shí)際位置有點(diǎn)出入,，但是隨著技術(shù)的發(fā)展，利用ZigBee無(wú)線通信及定位技術(shù)完全可實(shí)現(xiàn)在能見(jiàn)度較低或冰雪天氣等極端惡劣情況下對(duì)車輛的動(dòng)態(tài)定位,，從而使高速公路上的車輛能相互協(xié)調(diào)與監(jiān)督,，確保車輛行駛的安全，提高高速公路的利用率,。
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