ZigBee車輛自動識別系統的設計

    如今社會上出現的利用克隆計程車、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台有合法手續的車輛。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計程車競有上千輛，已嚴重擾亂了計程車市場。然而由於執法手段的原始，基本上只能靠車主舉報來查處。計程車行業呼籲運用高科技手段，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於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、家庭和建築自動化、工業控制、PC外圍設備。醫學感測應用、玩具和遊戲等領域。在ZigBee每個PAN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路覆蓋範圍.適用於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於ZigBee 1.0版本的。其系統組成包括車載子節點、數據採集單元、ZigBee網關和控制中心、手持觀測器五個部分。其中安裝於車內的車載子節點和安裝於道路邊或收費站的數據採集點為整個系統的核心部分。車載子節點裡包含有車輛發動機、車架號、車牌和車輛編號等固有信息.也可以定時的利用感測器元件採集車內所需要的信息。布置於道路邊的數據採集單元一般分為兩個部分：激活設備和採集設備。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。但激活設備並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，活躍設備通道接入時間為15ms，採集設備應位於激活設備后約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，並使其開始傳輸數據。
    採集設備負責接收車載子節點傳來的信息，並轉交給ZigBee網關進行處理，然後傳到交警的手持觀測器中。手持觀測器可以為手機終端或者存儲能量更強的PDA等。信息也可以通過Internet傳到控制中心。控制中心對採集的數據和子節點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，然後再對資料庫里的保存信息進行更新，根據車輛行駛路段的採集設備的編號，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：
 
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，克隆計程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於不同的路段，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採集設備時.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資料庫。當被盜車路經布置了採集節點的路段時。就立刻會被識別出來，併產生告警。根據採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。系統中激活設備和採集設備始終保持同步，且其網路標識符一致，激活設備相當於一個主協調器，採集設備相當於從協調器。MAC層通道接入採用元信標傳輸模式。無信標模式即為標準的ALOHA CSMA-CA的通道接入機制，終端節點只在有數據要收發的時候才和網路會話，其餘時間都處於休眠模式，平均功耗非常低。其組網的過程如下：
    首先，在網路中的充當協調器的激活設備一直處於工作狀態，不斷的掃描通道，當發現有車載子節點進入其網路範圍時，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，並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，激活設備將告知採集設備準備接收某頻段的數據。利用採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，同時可以使採集設備在短時間內完成數據的接收。子節點則採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並非確認幀時.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通道一直處於忙狀態，當數據傳輸完畢后，採集子節點負責休眠子節點。系統組網的過程如圖2所示。
 
圖2車輛自動識別系統組網過程

4 系統設計
4.1硬體設計：
    系統核心設備的硬體包括三個方面：車載子節點、激活設備，採集設備。硬體結構如圖3所示：
 
圖3系統核心硬體設備
    車載子節點安裝於車輛內部，感測器元件用於採集車內的信息，在MCU進行簡單整理后通過ZigBee收發機、天線傳輸給採集設備。車載子節點的硬體設計採用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比特晶元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感測器網路應用的解決方案。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。該設備也能兼容大範圍的數字和邏輯外圍設備。由於該晶元集成了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，安裝於車內。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，節點可採用車內電源直接供電。節點的JN5121晶元結構如圖4所示。
 
    激活設備和採集設備也同樣採用JN5121實現，但這兩類設備上不需要安裝感測器元件。由於激活設備和採集設備一直處於工作狀態.耗能比車載子節點大，且布置地點固定，就可以採用有線電力或體積更大的供電設備。對於採集設備，還要求安裝存儲更大容量的存儲器。
4.2軟體設計
    車輛自動識別系統採用嵌入式操作系統.可用C語言編寫應用程序.並採用JN5系列軟體開發工具包進行調試。
    車載子節點ID數據設計。對於車輛來說，車牌號即為車輛的身份識別碼，但由於它及其容易偽造，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，採集節點—— 即網路中的協調器便可以輕鬆發現並識別該車輛，允許其加入網路，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於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非常適合於低功耗、低速率的監視、感測網路。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PAN網路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。