基于ZigBee技术的无线定位及测速系统的设计与实现

摘要

为减少车辆超速行驶诱发的事故，诸多用于高速公路监控、测速等电子设备和产品应运而生，如感应线圈测速系统、视频测速系统等等。这些设备在安装复杂程度、控制终端计算量和实时处理方面，不能很好地满足处理现存困难的技术条件，不能有效缓解日益突出的高速交通监管问题。本文在ZigBee技术基础上，研究提出并实现了一种新型高速公路车辆无线定位测速系统的解决方案。
　　首先，在分析高速公路车辆定位及测速系统实际需求的基础上提出了所研制系统的功能和技术指标。结合ZigBee组网技术特点给出系统总体设计结构，阐明系统所选取的网络拓扑结构，以及系统网络地址分配和路由分配规则，并对系统工作特点进行论证。
　　其次，依系统功能提出芯片选取原则，最终选择CC2431芯片作为系统核心芯片采用6个ZigBee模块为硬件支撑构建了小型星型无线网络。在ZigBee2006协议栈基础之上进行软件设计，剖析系统功能函数实现方法并进行实施验证。对比典型无线测距方法，分析采用基于接收信号强度定位技术的可行性，进而以CC2431为核心芯片实现了无线定位功能;文中采用最大似然估计算法提高车辆速度测量值的准确性，实现了对监测车辆进行实时定位和测速的目标。
　　最后，进行了计算机模拟和实验室测试，实验结果表明所研发的ZigBee无线网络的定位和测速结果误差满足设计要求，数据传输稳定、可靠，有效减轻了控制中心工作量。论文研究表明，该系统方案适合高速公路移动车辆的定位和测速应用，便于在不同的硬件平台上运行，具有广阔的应用前景。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 国内外研究现状

1．2．1 智能交通系统研究现状

1．2．2 车辆检测技术研究现状

1．3 课题研究的目的和意义

1．4 文章主要研究内容及结构安排

第2章 总体方案设计

2．1 系统结构设计

2．1．1 系统结构

2．1．2 系统工作网络类型选取

2．1．3 系统节点网络地址分配方式

2．1．4 系统路由分配方式

2．2 系统中各节点的功能

2．2．1 车载待测节点功能

2．2．2 固定节点功能

2．2．3 网络协调器功能

2．3 系统工作特点

2．4 本章小结

第3章 系统设计与实现

3．1 核心芯片选取

3．1．1 CC2430芯片介绍

3．1．2 CC2431芯片介绍

3．1．3 CC2431硬件定位实现原理

3．2 系统各模块硬件结构介绍

3．2．1 车载待测节点硬件结构

3．2．2 固定节点和协调器硬件结构

3．3 各节点设备类型的选取

3．4 系统软件开发协议栈

3．4．1 ZigBee2006协议栈模型

3．4．2 ZigBee2006协议栈工作流程

3．5 ZigBee2006协议栈中Profile概念的引入

3．5．1 引入Profile的意义

3．5．2 Profile的功能

3．5．3 Profile的规范作用

3．6 软件设计与实现

3．6．1 主程序设计

3．6．2 车载待测节点程序设计

3．6．3 固定节点程序设计

3．6．4 网络协调器程序设计

3．7 本章小结

第4章 定位测速原理和测试实验分析

4．1 选择CC2431硬件定位方法的必然性

4．2 选择RSSI测距定位算法的必然性

4．2．1 RSSI算法

4．2．2 基于到达时间算法

4．2．3 基于到达时间差算法

4．2．4 基于到达角度算法

4．3 待测节点坐标计算方法

4．3．1 三边测量法

4．3．2 三角测量法

4．3．3 MLE算法

4．4 基于RSSI算法的定位实现

4．4．1 A和n值选取对RSSI值的影响

4．4．2 减小RSSI值误差的方法

4．5 车辆测速实现方法

4．6 ZigBee无线网络基本测试

4．6．1 测试实验环境配置

4．6．2 组网测试数据分析

4．7 系统定位测速功能测试

4．7．1 静态网络定位测试

4．7．2 动态网络定位测试

4．7．3 待测节点速度测试

4．8 测速实验结果分析

4．9 本章小结

结论

参考文献

攻读学位期间发表的论文和取得的科研成果

致谢

附录