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論 文 專 利 著 作 項 目 ZigBee 與 Uwb動態 技術FAQ
 

ZigBee車輛自動識別系統的設計

金純[1、2]羅鳳[1] 陳峰[3]許光辰[4]
      (1.重慶郵電大學;2.重慶金甌科技有限公司;3. 重慶市科學技術委員會;4.重慶大學)

摘要:本文將介紹一種基于ZigBee技術的車輛自動識別系統的設計方案。該系統可用于不停車地自動識別車輛的信息,可用于直接或間接識別被盜車輛、克隆車輛等。利用低成本、低耗能的ZigBee無線通信技術,能較為理想的完成整個系統的設計方案,發揮其自動識別功能。
關鍵詞:車輛自動識別系;ZigBee;克隆車
文獻識別碼:A
中圖分類號:TP277 The Design of the ZigBee Vehicle Automatic Identification System
                     JIN Chun [1、2] LUO Feng [1] CHEN Feng[3] XU Guang-chen[4]

1.Chongqing university of posts and telecommunications, Chongqing, 400065,China;
2.Chongqing JINOU science and technology development co., Ltd, Chongqing, 400039, China;
3.Chongqing Science and Technology Commission, Chongqing, 401147, China;
4.Chongqing University, Chongqing, 400030, China
Abstract: This paper give an introduction about the design of the vehicle automatic identification system which based on the ZigBee. This system can automatically identify the 'clone car' and the cars which have been stole directly or indirectly, and didn't need the cars stopping. Because of the low cost and very low power consumption, ZigBee adapts well to the system, it would complete the development of this system perfectly.
Keyword:Vehicle Automatic Identification System ;ZigBee ;clone car

引言:
   如今社會上出現的利用克隆出租車、貨車進行運營的現象日益嚴重。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。據業內人士稱,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。然而由于執法手段的原始,基本上只能靠車主舉報來查處,出租車行業呼吁運用高科技手段,使用自動識別系統來整治克隆車。除此以外,車輛自動識別系統還可以用于對被盜車輛的監控和追蹤。

1.ZigBee技術簡介:
   ZigBee聯盟正在發展一個極低成本、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、工業控制、PC外圍設備,醫學傳感應用、玩具和游戲等領域[1]。在ZigBee每個PIN網絡中必須有一個協調器,它有唯一的標識符,且最多可以同時和65536個子節點相連,加之其節點的最優通信質量距離在10m到75m之間,從而可以形成廣闊的網絡覆蓋范圍,適用于遠距離的低速率識別系統。

2.ZigBee車輛自動識別系統:
2.1系統簡介:

   車輛自動識別系統的通信協議是基于ZigBee1.0版本的。其系統組成包括車載子節點、數據采集單元、ZigBee網關和控制中心、手持觀測器五個部分。其中安裝于車內的車載子節點和安裝于道路邊或收費站的數據采集點為整個系統的核心部分。車載子節點里包含有車輛發動機、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所需要的信息。
   布置于道路邊的數據采集單元一般分為兩個部分:激活設備和采集設備。當任意一輛內置車載子節點的車輛進入已布置監控系統的路段時,由激活設備激活車內的車載子節點,發出命令讓子節點開始傳輸數據。但激活設備并不負責接收由子節點傳輸的數據,以留下更多的時間和容量來激活高速運動的其他子節點。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。市區內的車輛行駛速度大概約為20m/s,即在2s的時間內已經足夠激活在道路上高速運動的子節點,并使其開始傳輸數據。
   采集設備負責接收車載子節點傳來的信息,并轉交給ZigBee網關進行處理,然后傳給交警的手持觀測器,手持觀測器可以為手機終端或者存儲能量更強的PDA等等。信息也可以通過Internet傳到控制中心?刂浦行膶Σ杉臄祿妥庸濣c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,然后再對數據庫里的保存信息進行更新,根據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的行駛路線進行定位監控。系統結構如圖1所示:
車輛自動識別系統結構示意圖
圖1:車輛自動識別系統結構示意圖
2.2系統的功能:
  1. 間接識別克隆車。假設所有正規車輛都安裝了車載子節點的情況下,克隆出租車可能沒有安裝車載子節點,所以當車輛行駛過的時候,如果發現其相同牌照的合法車在該時段內行駛于不同的路段,便能判斷出此處行駛的車為克隆車;當已經安裝了車載子節點的克隆車輛經過采集設備時,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。當安裝有車載子節點的車輛被盜后,失主可以到監控中心登記,將丟失車輛的車牌號等信息輸入數據庫。當被盜車路經布置了采集節點的路段時,就立刻會被識別出來,并產生告警。根據采集設備路段編號就可以對被盜車輛進行追蹤和布控。
3.系統組網過程
   此系統遵循ZigBee星形網的組網原則,即終端設備可以與協調器通信,本身互相之間不能通信。系統中激活設備和采集設備始終保持同步,且其網絡標識符一致,激活設備相當于一個主協調器,采集設備相當于從協調器。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,終端節點只在有數據要收發的時候才和網絡會話,其余時間都處于休眠模式,平均功耗非常低[3]。其組網的過程如下:
   首先,在網絡中的充當協調器的激活設備一直處于工作狀態,不斷的掃描信道,當發現有車載子節點進入其網絡范圍時,就發出命令幀對子節點進行激活。當車載子節點接收到激活命令,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,激活設備發出命令告知車載子節點可以進行數據傳輸。同時,激活設備將告知采集設備準備接收某頻段的數據。利用采集設備單獨來接收車載子節點發出的數據信息,使激活設備有充裕的時間來激活高速運動的子節點,同時可以使采集設備在短時間內完成數據的接收。子節點則采用廣播方式傳輸數據和確認幀。當激活節點發現車載子節點傳輸的信息并非確認幀時,就丟棄該幀,不做任何進一步的處理。為了降低車載子節點的耗能以及避免過多節點造成信道一直處于忙狀態,當數據傳輸完畢后,采集子節點負責休眠子節點。系統組網的過程如圖2所示:
車輛自動識別系統組網過程圖
         圖2 車輛自動識別系統組網過程圖
4.系統設計
4.1硬件設計:

系統核心設備的硬件包括三個方面:車載子節點、激活設備,采集設備。硬件結構如圖3所示:
系統核心硬件設備
         圖3 系統核心硬件設備
   車載子節點安裝于車輛內部,傳感器元件用于采集車內的信息,在MCU進行簡單整理后通過ZigBee收發機、天線傳輸給采集設備。車載子節點的硬件設計采用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收發機;64KB的ROM和96KB的RAM;提供多種低成本的無線傳感器網絡應用的解決方案。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,減低了系統能量消耗。該設備也能兼容大范圍的數字和邏輯外圍設備[2]。由于該芯片集成了MUC和RF收發機,只需要對該微處理器外圍電路進行適當的配置,就可以直接作為ZigBee車載子節點,安裝于車內。整個ZigBee節點的功耗很低,供電設備要求不高,普通的AA電池可用2年以上。此系統需要供電10年以上,節點可采用車內電源直接供電。節點的JN5121芯片結構如圖4所示:
JN5121芯片結構圖
                        圖4 JN5121芯片結構圖:
   激活設備和采集設備也同樣采用JN5121實現,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,耗能比車載子節點大,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
   車輛自動識別系統采用嵌入式操作系統,可用C語言編寫應用程序,并采用JN5系列軟件開發工具包進行調試。
車載子節點ID數據設計。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。自動識別系統中的每個車載子節點都有自己固有的64位ID,這是子節點的唯一標識符,通過該標識符,采集節點——即網絡中的協調器便可以輕松發現并識別該車輛,允許其加入網絡,進行數據傳輸。ID的內容由發動機號、車牌號等信息進行編碼和加密產生,在安裝以前就由生產商提前配置給車載子節點。
小結:
   隨著車輛運營業務和通信技術的發展,對車輛識別系統等交通管理系統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、低速率的監視、傳感網絡。ZigBee車輛自動識別系統利用新型的無線技術為實現成本低廉、準確有效、安全可靠、快速的自動識別系統提供了可能。
本文作者創新點: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,具有廣闊的市場價值。第二,在組網方面,根據車輛快速行駛的特點,在每個PIN網絡中利用兩個協調器來進行數據的接收,提高了數據傳輸的可靠性。第三,利用子節點ID的內容由發動機號、車牌號等信息進行編碼和加密產生,確保數據安全性。
參考文獻:
[1] ZigBee alliance. ZigBeeTM alliance Network specification version 1.0,2004。
[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,可穿戴式無線網絡技術研究及應用[J],微計算機信息,2005(8)-108-110。
項目介紹:本文受到重慶市科委自然科學基金"基于無線通信的可穿戴式網絡設備,系統結構及其關鍵技術研究"項目支持,項目編號:CSTC,2005BB2220
作者簡介:金純:(1966-),男(漢族),重慶市人,重慶郵電大學通信學院教授,博士,1989年赴美留學,主要從事短距離通信技術研發。
JIN Chun : (1966-), male (Han), Chongqing, the professor of Chongqing University of Post and Telecommunications, Doctor., traveling to the United States to study in 1989. He mainly engaged in short-range communication technology research and development.
羅鳳:(1982- ),女,籍貫重慶,重慶郵電大學通信與信息系統專業碩士研究生,研究方向:個人通信。
LUO Feng: (1982- ), female, Chongqing, 24, the postgraduate of Chongqing University of Post and Telecommunications, engaged in personal communications research.
詳細聯系方式:
通信地址:重慶市高新區渝州路華軒支路108號重慶金甌科技發展有限責任公司 實習研究生 羅鳳(收)
郵政編碼:400041 電話:13206149256 E-mail: [email protected]

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