ZigBee车辆自动识别系统的设计

引言：

如今社会上出现的利用克隆出租车、货车进行运营的现象日益严重。所谓克隆车，就是一辆或几辆无牌无证的车辆套用另一台有合法手续的车辆，这些车辆的车辆型号、外观、车牌照、行驶证件、保险、检验合格证、车船使用税、发动机、车架号都完全一样。因此，单从外观上根本无法识别车辆是否为合法车辆。据业内人士称，有些城市目前的克隆出租车竟有上千辆，已严重扰乱了出租车市场。然而由于执法手段的原始，基本上只能靠车主举报来查处，出租车行业呼吁运用高科技手段，使用自动识别系统来整治克隆车。除此以外，车辆自动识别系统还可以用于对被盗车辆的监控和追踪。

1.ZigBee技术简介：

ZigBee联盟正在发展一个极低成本、极低耗能、双向无线通信标准。适应ZigBee标准的解决方案将嵌入在消费者电子学、家庭和建筑自动化、工业控制、PC外围设备，医学传感应用、玩具和游戏等领域^[1]。在ZigBee每个PAN中必须有一个协调器，它有唯一的标识符，且最多可以同时和65536个子节点相连，加之其节点的最优通信质量距离在10m到75m之间，从而可以形成广阔的网络覆盖范围，适用于远距离的低速率识别系统。

2.ZigBee车辆自动识别系统：

2.1系统简介：

车辆自动识别系统的通信协议是基于ZigBee1.0版本的。其系统组成包括车载子节点、数据采集单元、ZigBee网关和控制中心、手持观测器五个部分。其中安装于车内的车载子节点和安装于道路边或收费站的数据采集点为整个系统的核心部分。车载子节点里包含有车辆发动机、车架号、车牌和车辆编号等固有信息，也可以定时的利用传感器元件采集车内所需要的信息。

布置于道路边的数据采集单元一般分为两个部分：激活设备和采集设备。当任意一辆内置车载子节点的车辆进入已布置监控系统的路段时，由激活设备激活车内的车载子节点，发出命令让子节点开始传输数据。但激活设备并不负责接收由子节点传输的数据，以留下更多的时间和容量来激活高速运动的其他子节点。ZigBee休眠设备激活时间为15ms，活跃设备信道接入时间为15ms，采集设备应位于激活设备后约40m处。市区内的车辆行驶速度大概约为20m/s，即在2s的时间内已经足够激活在道路上高速运动的子节点，并使其开始传输数据。

采集设备负责接收车载子节点传来的信息，并转交给ZigBee网关进行处理，然后传到交警的手持观测器中。手持观测器可以为手机终端或者存储能量更强的PDA等。信息也可以通过Internet传到控制中心。控制中心对采集的数据和子节点的固有信息进行整理，可得出驶行在该路段的车辆的详细资料，然后再对数据库里的保存信息进行更新，根据车辆行驶路段的采集设备的编号，可以自动对该车辆该段时间内的行驶路线进行定位监控。系统结构如图1所示：

图1：车辆自动识别系统结构示意图

2.2系统的功能：

1. 间接识别克隆车。假设所有正规车辆都安装了车载子节点的情况下，克隆出租车可能没有安装车载子节点，所以当车辆行驶过的时候，如果发现其相同牌照的合法车在该时段内行驶于不同的路段，便能判断出此处行驶的车为克隆车；当已经安装了车载子节点的克隆车辆经过采集设备时，会立刻识别出该车辆信息与观测到的车牌不符，就能判断出该车辆为克隆车辆。

2. 识别被盗车辆。当安装有车载子节点的车辆被盗后，失主可以到监控中心登记，将丢失车辆的车牌号等信息输入数据库。当被盗车路经布置了采集节点的路段时，就立刻会被识别出来，并产生告警。根据采集设备路段编号就可以对被盗车辆进行追踪和布控。

3.系统组网过程

此系统遵循ZigBee星形网的组网原则，即终端设备可以与协调器通信，本身互相之间不能通信。系统中激活设备和采集设备始终保持同步，且其网络标识符一致，激活设备相当于一个主协调器，采集设备相当于从协调器。MAC层信道接入采用无信标传输模式。无信标模式即为标准的ALOHA CSMA-CA的信道接入机制，终端节点只在有数据要收发的时候才和网络会话，其余时间都处于休眠模式，平均功耗非常低^[3]。其组网的过程如下：

首先，在网络中的充当协调器的激活设备一直处于工作状态，不断的扫描信道，当发现有车载子节点进入其网络范围时，就发出命令帧对子节点进行激活。当车载子节点接收到激活命令，立即激活其接收机，并向激活设备返回确认帧，表示已被激活；接着，激活设备发出命令告知车载子节点可以进行数据传输。同时，激活设备将告知采集设备准备接收某频段的数据。利用采集设备单独来接收车载子节点发出的数据信息，使激活设备有充裕的时间来激活高速运动的子节点，同时可以使采集设备在短时间内完成数据的接收。子节点则采用广播方式传输数据和确认帧。当激活节点发现车载子节点传输的信息并非确认帧时，就丢弃该帧，不做任何进一步的处理。为了降低车载子节点的耗能以及避免过多节点造成信道一直处于忙状态，当数据传输完毕后，采集子节点负责休眠子节点。系统组网的过程如图2所示：

图2 车辆自动识别系统组网过程

4.系统设计

4.1硬件设计：

系统核心设备的硬件包括三个方面：车载子节点、激活设备，采集设备。硬件结构如图3所示：

图3 系统核心硬件设备

车载子节点安装于车辆内部，传感器元件用于采集车内的信息，在MCU进行简单整理后通过ZigBee收发机、天线传输给采集设备。车载子节点的硬件设计采用Jennic公司的JN5121，它是一款适应低耗能、低成本IEEE802.15.4的无线微控制器。该微处理器包括一个32比特芯片RISC核；一个非常适合2.4GHz频段的IEEE802.15.4收发机；64KB的ROM和96KB的RAM；提供多种低成本的无线传感器网络应用的解决方案。特别的是，该RAM在没有额外记忆设备的情况下，允许支持路由器和控制器能力。为了进一步的降低成本，JN5121使用MAC加速器和高级加密标准AES加速器，同时提供休眠振荡器和能量保留工具，减低了系统能量消耗。该设备也能兼容大范围的数字和逻辑外围设备^[2]。由于该芯片集成了MUC和RF收发机，只需要对该微处理器外围电路进行适当的配置，就可以直接作为ZigBee车载子节点，安装于车内。整个ZigBee节点的功耗很低，供电设备要求不高，普通的AA电池可用2年以上。此系统需要供电10年以上，节点可采用车内电源直接供电。节点的JN5121芯片结构如图4所示：

图4 JN5121芯片结构图：

激活设备和采集设备也同样采用JN5121实现，但这两类设备上不需要安装传感器元件。由于激活设备和采集设备一直处于工作状态，耗能比车载子节点大，且布置地点固定，就可以采用有线电力或体积更大的供电设备。对于采集设备，还要求安装存储更大容量的存储器。

4.2软件设计

车辆自动识别系统采用嵌入式操作系统，可用C语言编写应用程序，并采用JN5系列软件开发工具包进行调试。

车载子节点ID数据设计。对于车辆来说，车牌号即为车辆的身份识别码，但由于它及其容易伪造，仅用观测无法准确识别合法车辆。自动识别系统中的每个车载子节点都有自己固有的64位ID，这是子节点的唯一标识符，通过该标识符，采集节点――即网络中的协调器便可以轻松发现并识别该车辆，允许其加入网络，进行数据传输。ID的内容由发动机号、车牌号等信息进行编码和加密产生，在安装以前就由生产商提前配置给车载子节点。

小结：

随着车辆运营业务和通信技术的发展，对车辆识别系统等交通管理系统智能化的要求也日益提高。而目前的识别方式还处于观测或者近距离停车识别的原始阶段，需要利用高科技手段将无线通信技术与车辆的管理相结合。通过从技术和应用两方面的分析与比较，可以看出：ZigBee非常适合于低功耗、低速率的监视、传感网络。ZigBee车辆自动识别系统利用新型的无线技术为实现成本低廉、准确有效、安全可靠、快速的自动识别系统提供了可能。

本文作者创新点：第一利用ZigBee这种低功耗、低速率、低成本的特点，设计了新型的车辆自动识别系统，具有广阔的市场价值。第二，在组网方面，根据车辆快速行驶的特点，在每个PAN网络中利用两个协调器来进行数据的接收，提高了数据传输的可靠性。第三，利用子节点ID的内容由发动机号、车牌号等信息进行编码和加密产生，确保数据安全性。

参考文献：

[1] ZigBee alliance. ZigBee^TM alliance Network specification version 1.0,2004。

[2] Jennic, JN5121 Data sheet.2006。

[3] 金纯，蒋小宇，罗祖秋，ZigBee与蓝牙的分析与比较[J]，信息技术与标准化，2004(6)-17-20。

[4] 郑武，金纯，杨致远，可穿戴式无线网络技术研究及应用[J]，微计算机信息，2005(8)-108-110。