基于ZigBee技术的车辆测速系统设计

【摘要】车辆的定位及测速对智能交通系统有着重要的意义。本文基于ZigBee技术，采用CC2431芯片为定位核心，采用RSSI定位算法，构建了一款无线测速系统，介绍了测速系统的工作原理。通过试验结果表明，该系统设计合理，能够满足实际交通环境下对车辆测速精度、稳定性的要求。

【关键词】ZigBee;测速;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

随着高速公路的发展，为提高公路通行效率，降低交通事故发生率，智能交通系统的研究逐渐成为了热门的研究方向。其中，对于车辆的定位、测速技术的研究是智能交通系统研究的重要内容之一。

常见的车辆测速方式有视频测速、感应线圈测速、雷达测速、超声波测速、红外测速、激光测速等，对于智能车载节点来说，采用基于ZigBee技术的无线短距离定位测速是比较好的选择。本文提出一种基于ZigBee技术的车辆测速系统，实现对高速公路环境下车辆的准确定位和测速。

2.各模块工作原理

基于ZigBee技术的定位测速系统主要由三部分构成，分别是协调器与控制中心、信标节点、盲节点。

2.1 协调器与控制中心

协调器的作用是建立和维护网络，并通过RS232串口与控制中心进行通讯。一个ZigBee网络只允许有一个协调器网关的存在。协调器网关由一个CC2430模块和一个电源底板构成。协调器在整个系统中起着核心的作用：接受控制中心发出的节点配置信息，并转发给各个节点;接受待测盲节点发出的时间、位置、信号强度等数据，进行计算并发送给控制中心。控制中心利用协调器节点发送的数据，对盲节点进行计算，给出盲节点的平均速度。

2.2 信标节点

信标节点是位置已知的固定节点，具有唯一的识别代码，为全功能设备，可与其他信标节点、盲节点通信，它为盲节点提供自己的位置坐标（X，Y）和信号强度值（RSSI）。在定位系统中，该节点起到无线网络中路由器的功能，将其直接固定安装在物体移动路线的两侧，其位置信息由控制中心设定并通过协调器发送。信标节点由一个CC2430模块和一个电源底板构成，固定安装于道路两侧，通电即可工作。

2.3 盲节点

盲节点为车载智能交通设备节点，事先安装在待定位测速的车辆上。盲节点通过获取信标节点提供的坐标值、信号强度值，计算自身的位置坐标。

盲节点由一个CC2431模块和一个车载电源底板构成，内嵌的CC2431为该ZigBee自组织网络的核心部件，盲节点与离自己最近的信标节点通信，根据获取的信标节点坐标（X，Y）和信号强度（RSSI）值，计算自身位置信息，并将定时获取的位置信息和对应的时间信息发送给协调器节点。

3.节点定位及测速原理

3.1 节点定位原理

盲节点的定位详细过程如下：

（1）盲节点接受周围信标节点的RSSI值，并对RSSI值按大小进行排序;

（2）利用非测距定位的质心算法，得到盲节点的坐标范围，实现初步定位。式（1）中，x，y为盲节点坐标，误差范围为信标节点间距离最大值;

（1）

（3）选取其中前3大RSSI值对应的信标节点，向其发送定位请求;

（4）各信标节点收到盲节点发送的定位请求后，向盲节点发送响应包;

（5）盲节点收到信标节点发回的记录后，利用式（2）计算出盲节点到各信标节点的距离;

（2）

式中：PL（d）为经过距离d后的路径损耗，单位dBm;PL（d0）为理想空间中信號传播距离为d0时的路径损耗;n为路径衰减指数，取值范围为1.5～5;d0为近地参考距离，一般为1m。

（6）根据获取的盲节点到3个信标节点的距离值，利用圆外切Bounding-box法估算出盲节点的位置坐标A（x，y）;

（7）假设盲节点实际坐标为A（X，Y），则定位误差如式（3）所示：

（3）

3.2 测速原理

首先在系统开始进行测速前由控制中心发送指令， 对各个节点的定时器进行同步复位，并开始计时，盲节点把经计算获得的位置信息和此时的计时器时间一同打包发送给协调器，协调器根据盲节点多次发来的位置信息和对应时间利用匀速直线运动速度公式来计算目标的瞬间行駛速度，并将多次计算的结果发送到控制中心，由控制中心显示速度曲线，并计算整个路程的平均速度，从而获取盲节点的运动速度。

设盲节点计算得知的位置坐标为：（xi，yi），单位为m，对应的时间为tj，单位为s，其中（i=0，1，…，n）;因此，协调器节点计算某一瞬时速度公式为：

（4）

式（4）中，为盲节点第（i-1）次计算的速度值，单位为m/s;xi-1与ti-1为盲节点计算得到的上一次位置信息与对应时间;控制中心计算整个路段的平均速度为：

（5）

式（5）中，n为控制中心收到的协调器发来速度值的数量，根据与物体运行速度的限值进行比较，对不合理的速度值进行剔除，得到盲节点的最终速度值。

4.试验分析

试验在普通高等级公路上进行，采用TI公司芯片CC2431开发节点硬件，组建基于ZigBee技术的无线传感器网络，并完成协调器节点、信标节点、盲节点的测试工作流程。采用VC++和MATCOM混合编程的方式设计了定位系统综合控制和数据分析平台。试验过程中，在道路两侧各布置20个信标节点，且对称布置于路灯杆离地1.8米高度，同侧两节点间距100米，一车辆作为盲节点进行测速测速。同一环境下，该车辆节点进行10个来回测试，车速在0～100km/h范围，基准车速由GPS定位系统提供。

测试分别在晴朗、小雨、轻度雾三种环境下，50km/h、80km/h、100km/h三种速度下进行了试验，平均误差结果如表1所示，可见本方法测速误差在2%左右，在可接受范围内，可以满足高速公路环境下的车辆定位测速应用。

表1公路环境下试验平均误差结果

时速

天气 50km/h 80km/h 100km/h

晴朗 0.8 1.5 1.8

小雨 1.1 1.7 2.1

轻度雾 1.3 1.9 2.4

5.结束语

本文源于智能交通领域对无线传感器网络定位测速的实际需求，通过试验可知，基于ZigBee技术的无线测速系统测量误差可控制在 2%左右，并且该系统工作稳定，在多种天气环境下，其精度仍然可以满足实际测速需求。

下一步将根据实际道路应用的需要，对协调器与控制中心的连接方式进行改进，采用远距离无线传输技术，提高工程应用下的实用性;对信标节点的布局进行合理分配，提高系统效率。

参考文献

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作者简介：赵大伟（1983—），男，江苏盐城人，硕士研究生，主要研究方向：信息物理融合系统。