高速公路在能見度較低時(shí)會(huì)對(duì)車輛駕駛帶來安全隱患，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，無法大面積推廣。而近幾年發(fā)展迅速的無線局域網(wǎng)定位系統(tǒng)很好地解決了上述問題。在一定的區(qū)域內(nèi)安裝適量的無線基站，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)包含無線通信模塊ZigBeeCC2431和液晶顯示模塊。其中，無線通信模塊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)來定位(CC2431有一個(gè)無線定位跟蹤引擎，而CC2430沒有)，通過ZigBee的無線通信功能，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，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，以接力的方式通過無線電波將數(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無線定位
    木文采用CC2431無線定位引擎技術(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)算方法帶來的大量網(wǎng)絡(luò)傳輸與通信延遲的問題，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SMA頭連接，市場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)連接無線傳感器節(jié)點(diǎn)插座，用來表示無線傳感器節(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)用層連接或斷開網(wǎng)絡(luò)的功能。所有的ZigBee設(shè)備都具有連接或斷開網(wǎng)絡(luò)的功能。
    協(xié)調(diào)器通過NLME-NETWORK-FORMATION.request原語來啟動(dòng)一個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的建立過程。
    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，該過程通過NLME-PERMIT-JOINING.request原語來允許設(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)過處理器處理以后送給顯示器顯示，其上用亮點(diǎn)來顯示車輛位置：
void Lcd12864DrawPoint( unsigned char X , unsigned char Y, unsigned char Color )
{
}
4 系統(tǒng)測試及顯示結(jié)果
    系統(tǒng)測試步驟如下：
    (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)作為測試用；
    (4)將位置信息通過12864顯示出來。
    通過多次改變移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置來測量移動(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)測量的結(jié)果。
    圖6顯示的是實(shí)際位置(4，5.5)，測量位置為(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無線通信及定位技術(shù)完全可實(shí)現(xiàn)在能見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。
參考文獻(xiàn)
[1] 王偉杰，黃守志，趙學(xué)增.基于ZIGBEE的高速公路車輛間通信技術(shù)研究[J].大連交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2009(6).
[2] 王中生，曹琦.基于ZigBee技術(shù)的無線定位研究與實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2010(12).
[3] 徐志京，胡波.基于CC2431的無線定位技術(shù)研究[J].電子設(shè)計(jì)工程，2009(10).
[4] 宋保業(yè)，許琳.帶定位引擎的射頻芯片CC2431[J].單片機(jī)與嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用，2007(11).