韓娜，歐陽(yáng)龍坤，陳東偉

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，珠海 519085）

基于ZigBee車(chē)輛間通信模擬系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

韓娜，歐陽(yáng)龍坤，陳東偉

（北京理工大學(xué)珠海學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)學(xué)院，珠海 519085）

采用嵌入式技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，在Linux操作系統(tǒng)上開(kāi)發(fā)基于Qt4.5的應(yīng)用程序框架，結(jié)合ZigBee（CC2530）硬件模塊和Cortex-A8開(kāi)發(fā)板平臺(tái)，設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)一套基于ZigBee車(chē)輛間通信模擬系統(tǒng)，其主要包含兩個(gè)功能，ZigBee模塊的自組網(wǎng)架構(gòu)下的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸功能和眼部狀態(tài)識(shí)別功能。該系統(tǒng)不僅實(shí)現(xiàn)駕駛員模擬疲勞狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而且能實(shí)現(xiàn)車(chē)輛信息的交互等功能，具有實(shí)用性強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)，有廣闊的應(yīng)用前景及市場(chǎng)前景。

ZigBee；Qt；無(wú)線通信；自組網(wǎng)

0 引言

現(xiàn)在隨著智能化的不斷發(fā)展，智能交通系統(tǒng)也慢慢地突出它的顯著地位。在全球發(fā)展的同時(shí)，交通這個(gè)問(wèn)題日益顯著，智能交通中車(chē)輛間通信系統(tǒng)成為了重要的研究?jī)?nèi)容，獲得了世界廣泛的關(guān)注。實(shí)踐證明,車(chē)輛間通信可以使車(chē)輛發(fā)生碰撞前發(fā)出報(bào)警，將大大地提高車(chē)輛安全性能。從Daimler-Benr公司的研究表明，車(chē)輛之間僅需要預(yù)先1秒的報(bào)警，就可以減少50%到90%的追尾事故發(fā)生率。因此，國(guó)外應(yīng)用以及車(chē)輛間通信系統(tǒng)已經(jīng)開(kāi)展了深入的研究，并且世界各大汽車(chē)公司都投入了大量的人力和物力去研究和實(shí)現(xiàn)。

在國(guó)外，智能車(chē)輛間通信系統(tǒng)的研究已經(jīng)有20多年的發(fā)展。在1999年時(shí)，美國(guó)交通部就投入三千五百萬(wàn)美元和通用汽車(chē)公司合并開(kāi)展車(chē)輛間通信系統(tǒng)的研究。目前，在美國(guó)、德國(guó)、日本等汽車(chē)工業(yè)大國(guó)在車(chē)輛間通信系統(tǒng)方面都已經(jīng)獲得了一定的實(shí)用化研究成果，并且在此基礎(chǔ)上，還加入諸如主動(dòng)避撞、自動(dòng)巡航等一系列功能，從而逐漸開(kāi)發(fā)出一系列的智能產(chǎn)品，使汽車(chē)的安全性能和自動(dòng)駕駛性能邁上一個(gè)新臺(tái)階。

智能交通系統(tǒng)是解決公路交通問(wèn)題的有效途徑。智能交通系統(tǒng)是指將先進(jìn)的信息技術(shù)、數(shù)據(jù)通信技術(shù)、電控制技術(shù)和系統(tǒng)集成技術(shù)等有效地應(yīng)用于公路交通的建設(shè)與管理，從而加強(qiáng)車(chē)輛、道路、使用者三者之間的聯(lián)系，從而形成一種安全、高效的交通管理系統(tǒng)。

基于ZigBee車(chē)輛間通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，一方面可以讓駕駛員知道其附近車(chē)輛的車(chē)速與轉(zhuǎn)向燈方向等車(chē)輛信息，大大地提高了車(chē)輛人員的安全性與減少了因駕駛員的個(gè)人因素造成的車(chē)輛事故。另一方面有助于交通警察對(duì)造事車(chē)主的犯案追查，因?yàn)檐?chē)輛間通信可以將事發(fā)前的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)下來(lái)，例如車(chē)速、方向的數(shù)據(jù)等，這樣就可以判斷到底肇事車(chē)主是否因超速而導(dǎo)致事故發(fā)生。

1 功能設(shè)計(jì)

車(chē)輛間通信模擬系統(tǒng)框圖如圖1所示。

車(chē)輛間通信模擬系統(tǒng)模型圖如圖2所示。

硬件環(huán)境：基于Cortex-A8的硬件開(kāi)發(fā)平臺(tái)、攝像頭、Wi-Fi模塊以及ZigBee模塊

軟件環(huán)境：Linux操作系統(tǒng)、IAR 8.10、Qt-embedded-linux-opensource 4.5、VS 2010

本系統(tǒng)通過(guò)攝像頭模塊采集駕駛員的圖像數(shù)據(jù)，利用人眼定位以及人眼特征的提取技術(shù)，結(jié)合自行設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)滑動(dòng)窗口人眼狀態(tài)判斷算法，判斷出駕駛員的疲勞狀態(tài)。車(chē)載終端通過(guò)Wi-Fi模塊發(fā)送采集到的定位數(shù)據(jù)及駕駛員當(dāng)前疲勞狀態(tài)信息到監(jiān)控中心，監(jiān)控中心實(shí)時(shí)保存至數(shù)據(jù)庫(kù)。

圖1 車(chē)輛通信模擬系統(tǒng)的系統(tǒng)框架圖

圖2 基于ZigBee車(chē)輛通信模擬系統(tǒng)的模型

車(chē)輛終端通過(guò)ZigBee自組網(wǎng)技術(shù)與其他車(chē)輛在特定區(qū)域上聯(lián)系起來(lái)，在無(wú)線傳輸技術(shù)下進(jìn)行信息交互，從而達(dá)到模擬車(chē)輛間通信。當(dāng)終端應(yīng)用程序檢測(cè)到駕駛員處于疲勞狀況，將數(shù)據(jù)發(fā)送給串口緩沖區(qū)，Zig-Bee從串口緩沖區(qū)接收到數(shù)據(jù)，無(wú)線發(fā)送給ZigBee協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器轉(zhuǎn)發(fā)該車(chē)的疲勞狀況給附近的車(chē)輛，告訴駕駛員附近有處于疲勞狀況的駕駛員。

該系統(tǒng)的ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)，設(shè)計(jì)每輛攜帶ZigBee終端節(jié)點(diǎn)的車(chē)在進(jìn)入一個(gè)協(xié)調(diào)器可允許組網(wǎng)范圍內(nèi)就自動(dòng)分配一個(gè)特定地址給車(chē)輛，這樣在一個(gè)協(xié)調(diào)器允許組網(wǎng)的區(qū)域內(nèi)，每輛車(chē)都是獨(dú)一無(wú)二的，就可以結(jié)合無(wú)線通信技術(shù)，在特定區(qū)域內(nèi)進(jìn)行車(chē)輛間無(wú)線數(shù)據(jù)交互，達(dá)到模擬無(wú)線通信系統(tǒng)效果。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)采用是PC、Cortex-A8開(kāi)發(fā)板、ZigBee（CC2530）無(wú)線傳輸模塊、攝像頭等硬件平臺(tái)。

2.1 CC2530特性

CC2530是ZigBee應(yīng)用模塊上的一個(gè)片上系統(tǒng)（SoC）解決方案，其工作頻段在2.4GHz，內(nèi)置增強(qiáng)型的51單片機(jī)。其能在低成本、低功耗、遠(yuǎn)距離上建立強(qiáng)大的無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。片上系統(tǒng)內(nèi)有可編程的閃存，擁有良好的RF收發(fā)器的性能與作用，8KB RAM能使系統(tǒng)運(yùn)作流暢，并且還擁有許多其他強(qiáng)大的功能。

CC2530芯片有著不同的閃存版本，分別有32/64/ 128/256 KB的閃存。因而其具有不同的運(yùn)行模式，所以使得它特別適應(yīng)超低功耗要求的系統(tǒng)。運(yùn)行模式之間的轉(zhuǎn)換時(shí)間短，能很好地確保低能源消耗。

2.2 硬件電路的設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

系統(tǒng)的硬件采用模塊化設(shè)計(jì)。根據(jù)功能的不同，主要有以下模塊：

（1）Cortex-A8模塊：用于運(yùn)行Qt眼部檢測(cè)應(yīng)用程序，外接攝像頭、Wi-Fi模塊以及串口連接ZigBee終端節(jié)點(diǎn)。

（2）數(shù)據(jù)傳輸層模塊：用于Cortex-A8和ZigBee模塊之間的數(shù)據(jù)傳輸，主要是串口RS-232。

（3）ZigBee擴(kuò)展模塊：采用單播方式實(shí)現(xiàn)無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送給協(xié)調(diào)器。

（4）ZigBee協(xié)調(diào)器：采用廣播方式實(shí)現(xiàn)多用戶無(wú)線數(shù)據(jù)發(fā)送。

（5）監(jiān)控中心模塊：實(shí)現(xiàn)車(chē)載系統(tǒng)通過(guò)Wi-Fi模塊上傳的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與顯示。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要擴(kuò)展ZigBee無(wú)線通信功能，在系統(tǒng)所需的硬件和相關(guān)外圍模塊已搭建好的情況下，結(jié)合眼部檢測(cè)功能，主要設(shè)計(jì)ZigBee無(wú)線傳輸?shù)能浖绦?，?shí)現(xiàn)多輛車(chē)基于ZigBee的無(wú)線通信功能。

3.1 軟件平臺(tái)搭建

軟件平臺(tái)搭建主要搭建ZigBee開(kāi)發(fā)平臺(tái)。包括IAR工具和ZigBee協(xié)議棧搭建。

（1）IAR工具介紹

IAR Systems是全球領(lǐng)先的嵌入式系統(tǒng)開(kāi)發(fā)工具和服務(wù)的供應(yīng)商。公司成立于1983年，提供的產(chǎn)品和服務(wù)涉及到嵌入式系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試的每一個(gè)階段，包括：帶有C/C++編譯器和調(diào)試器的集成開(kāi)發(fā)環(huán)境（IDE）、實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)和中間件、開(kāi)發(fā)套件、硬件仿真器以及狀態(tài)機(jī)建模工具。

本項(xiàng)目主要基于IAR 8.10工具進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。

圖4 系統(tǒng)流程圖

（2）ZigBee協(xié)議棧介紹

ZigBee協(xié)議棧是由一組子層構(gòu)成，每一層為其上層提供一組特定的服務(wù)：一個(gè)數(shù)據(jù)實(shí)體提供數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)；一個(gè)管理實(shí)體提供全部其他服務(wù)。每個(gè)服務(wù)實(shí)體通過(guò)一個(gè)服務(wù)接入點(diǎn)（SAP）為其上層提供服務(wù)接口，并且每個(gè)SAP提供了一系列的基本服務(wù)指令來(lái)完成相應(yīng)的功能。

ZigBee設(shè)備在運(yùn)作過(guò)程中，不同的任務(wù)執(zhí)行在不同的層次上面，并且通過(guò)層提供的服務(wù)，達(dá)到完成執(zhí)行任務(wù)的程序。

在協(xié)議棧上的每一層中提供的服務(wù)主要完成兩種功能：

①一種功能是依據(jù)其下層服務(wù)要求，為上層提供相應(yīng)的服務(wù)程序。

②一種功能是根據(jù)其上層的服務(wù)要求，對(duì)其下層提供相應(yīng)的服務(wù)。

上述的各層服務(wù)都是通過(guò)服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

圖5所示，ZigBee協(xié)議棧的體系結(jié)構(gòu)包括有：應(yīng)用層（應(yīng)用程序）、網(wǎng)絡(luò)層、MAC層和PHY層。整個(gè)協(xié)議?；跇?biāo)準(zhǔn)的7層開(kāi)放式系統(tǒng)互聯(lián)模型。IEEE802.15.4 2003標(biāo)準(zhǔn)定義了最下面的兩層：物理層（PHY）和介質(zhì)接入控制子層（MAC）。ZigBee聯(lián)盟提供了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層（APL）框架的設(shè)計(jì)。其中應(yīng)用層的框架包括了應(yīng)用支持子層（APS）、ZigBee設(shè)備對(duì)象（ZDO）和由不同制造商制定的應(yīng)用對(duì)象。

本項(xiàng)目主要基于ZStack-CC2530-2.5.1a協(xié)議棧進(jìn)行程序開(kāi)發(fā)。

圖5

3.2 ZigBee模塊應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

本系統(tǒng)ZigBee數(shù)據(jù)傳輸模型如圖6所示，每個(gè)ZigBee協(xié)調(diào)器在自身有效功率的范圍內(nèi)自組一個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，大概這個(gè)范圍有150～300米左右，每個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)入該網(wǎng)絡(luò)會(huì)自動(dòng)加入該區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)，所以這個(gè)區(qū)域內(nèi)的多個(gè)ZigBee終端節(jié)點(diǎn)可以通過(guò)ZigBee協(xié)調(diào)器進(jìn)行信息無(wú)線交互，從而可以模擬一個(gè)基于Zig-Bee車(chē)輛間通信的模擬系統(tǒng)。

（1）ZigBee終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

①設(shè)計(jì)終端標(biāo)志id（每個(gè)車(chē)載終端都必須定義不同的id）,用于標(biāo)志一輛車(chē)載終端，并防止該ZigBee終端重復(fù)接收自身發(fā)送的數(shù)據(jù)。

②定一個(gè)回調(diào)函數(shù)，ZigBee終端節(jié)點(diǎn)接收到串口數(shù)據(jù)后，自動(dòng)調(diào)用回調(diào)函數(shù)，并以單播方式無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)給協(xié)調(diào)器。

③ZigBee終端節(jié)點(diǎn)接收到無(wú)線數(shù)據(jù)后，判斷該數(shù)據(jù)的標(biāo)志位是否為本身，如果是就不做處理，否則就將接收到的數(shù)據(jù)寫(xiě)入串口（該項(xiàng)目模擬只有兩個(gè)車(chē)載終端，標(biāo)志位分別是0x01和0x02）。

（2）ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)

①協(xié)調(diào)器接收到無(wú)線數(shù)據(jù)，就以廣播方式無(wú)線發(fā)送數(shù)據(jù)給其網(wǎng)絡(luò)范圍內(nèi)的ZigBee終端節(jié)點(diǎn)，分別調(diào)用以下兩個(gè)函數(shù)，第一個(gè)是接收到無(wú)線數(shù)據(jù)執(zhí)行LED燈的變換，第二個(gè)是發(fā)送由ZigBee終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的標(biāo)志位數(shù)據(jù)和處理數(shù)據(jù)。

3.3 眼部狀態(tài)檢測(cè)應(yīng)用程序開(kāi)發(fā)

本系統(tǒng)首先由攝像頭采集頭部人臉彩色圖像，然后對(duì)圖像進(jìn)行預(yù)處理（圖像灰度化和圖像均衡化），去除實(shí)際圖像中存在的噪聲，放大圖像細(xì)節(jié)，為后續(xù)的圖像處理環(huán)節(jié)保證源圖像質(zhì)量。利用基于Haar-like特征[6]的級(jí)聯(lián)人眼分類器對(duì)預(yù)處理過(guò)的圖像進(jìn)行人眼定位，再把定位出來(lái)的人眼圖像進(jìn)行二值化（采用OSTU最大類間方差算法來(lái)對(duì)灰度圖像進(jìn)行自適應(yīng)的二值化）[7]。接下來(lái)通過(guò)得到的人眼二值圖，計(jì)算出圖像中平均每條垂直線段所占的像素值用以判斷眼睛的閉合狀況，從而進(jìn)行人眼特征提取。由于光照問(wèn)題，眼睛可能出現(xiàn)反光現(xiàn)象，可以在垂直方向上，將相鄰很緊的黑色線段合并以改善反光帶來(lái)的問(wèn)題。最后是通過(guò)計(jì)算人眼的持續(xù)閉合時(shí)間，根據(jù)PERCLOS標(biāo)準(zhǔn)來(lái)確定是否疲勞。

4 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目在PC平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)了基本的疲勞駕駛監(jiān)控終端系統(tǒng)，并使用Cortex-A8開(kāi)發(fā)板搭建了一個(gè)疲勞檢測(cè)的車(chē)載終端系統(tǒng)。重要的是為車(chē)輛交通管理提供一個(gè)解決方案，并且應(yīng)用了物聯(lián)網(wǎng)的概念，實(shí)時(shí)監(jiān)控車(chē)輛的信息，其核心在于駕駛員疲勞的檢測(cè)和車(chē)輛之間信息的互通形成提醒作用，并且將這些信息傳遞給監(jiān)控中心，同時(shí)完成提醒工作。項(xiàng)目車(chē)輛之間的通信以ZigBee模塊為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛數(shù)據(jù)的無(wú)線發(fā)送，在特定的區(qū)域內(nèi)實(shí)現(xiàn)車(chē)車(chē)通信，達(dá)到駕駛員能了解附近車(chē)輛的狀況，并提前做出相應(yīng)的安全駕駛措施。這個(gè)項(xiàng)目還擁有多種擴(kuò)展模式，應(yīng)用前景廣闊，希望在后面的時(shí)間，可以對(duì)周?chē)?chē)輛發(fā)出求助信息。物聯(lián)網(wǎng)概念的融合，使得這個(gè)項(xiàng)目變得更有發(fā)展?jié)摿?，滿足各類市場(chǎng)需求的同時(shí)，也幫助了交通部門(mén)的監(jiān)控及案件處理的工作。

圖6

[1] 龔冠祥,梁杰申,梁輝宏.基于DSP的疲勞駕駛預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].微計(jì)算機(jī)信息，2009，5

[2] 劉松巖.基于計(jì)算機(jī)視覺(jué)的駕駛員駕駛疲勞監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2009

[3] 高鍵，方濱，尹金玉，胡葛軍.ZigBee無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)與組網(wǎng)實(shí)現(xiàn)[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2008.12.25

[4] 閆沫.ZigBee協(xié)議棧的分析與設(shè)計(jì)[D].廈門(mén)大學(xué)，碩士學(xué)位論文，2007.5

[5] 方志輝.基于嵌入式平臺(tái)的疲勞駕駛參數(shù)信息融合研究[D].太原理工大學(xué)，2011.6.8

Design and Implementation of Inter-vehicle Communications Simulation System Based on ZigBee

HAN Na，OUYANG Long-kun，CHEN Dong-wei
（School of Computer Science and Technology,Zhuhai Department,Beijing Institute of Technology,Zhuhai 519085）

With embedded technology and Internet of Things technology,based on the Qt4.5 on the Linux operating system,develops the application framework.Combined with ZigBee(CC2530)hardware modules and Cortex-A8 developing platform,designs and implements an inter-vehicle simulation communication system based on ZigBee,including two main functions:data wireless transmission and ocular status recognition resulting from the MANET structure of ZigBee module.The system not only supervises drivers'fatigue situation,but also realizes the transmission of information among different vehicles,with the particulars of practical,dependable and applicable with broad and promising market prospect.

ZigBee;Qt;Wireless Information Transmission;MANET

1007-1423（2015）03-0026-05

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.03.007

韓娜（1981-），女，碩士，助教，研究方向?yàn)槲锫?lián)網(wǎng)工程、嵌入式系統(tǒng)

歐陽(yáng)龍坤（1992-），男，廣東東莞人，本科，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)科學(xué)與技術(shù)

2014-12-02

2015-01-04

陳東偉（1982-），男，河南獲嘉人，碩士，講師，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)設(shè)計(jì)與應(yīng)用