一种基于ZigBee动态自组织网络的车辆群定位通信系统的制作方法

本发明涉及一种车辆通信装置，更具体地说，涉及一种基于zigbee动态自组织网络的车辆群定位通信系统。

背景技术：

中国专利申请号：201120378995.7公开了一种警察与警车对讲定位指挥系统，包括指挥中心和带定位功能的对讲机，所述指挥中心包括：接收塔、中心台接收模块、中心中继台和公安gis系统，所述带定位功能的对讲机包括对讲机模块、gps模块、控制处理模块和供电模块，通过所述对讲机模块与指挥中心进行对讲通讯，带定位功能的对讲机通过内置的gps模块接收gps定位信息，gps定位信息通过350mhz公安专用频段调制解调器将信息传递至指挥中心，在指挥中心将gps信息添加到公安gis系统实现远程指挥和调度。本实用新型的有益效果为：将gps定位设备内置到对讲机中，实现了一套设备既能对讲也能定位的功能。上述专利申请虽然公开了解决传统车辆定位存在的不足，但所述系统的实现成本巨大；系统整体太过复杂；gps定位信息通过专用频段，不仅容易受到干扰，而且不能运用至民用领域。

公布号cn102735236a公布日2012.10.17公开一种多辆车辆出行相互定位系统，每辆车辆上安装有相互定位系统，所述的相互定位系统包括卫星定位模块、导航屏、数字对讲机，卫星定位模块分别与导航屏、数字对讲机相连；所述的数字对讲机包括发射接收模块、dsp、第一mcu，所述的dsp分别与发射接收模块、第一mcu相连，所述的卫星定位模块与dsp相连；发送信息时，dsp对卫星定位信息进行处理编码、调制；接收信息时，dsp对卫星定位信息进行处理解码、解调；然后通过第一mcu把信息发导航屏；导航屏在地图上显示相关位置信息。其是利用数字对讲机的工作原理，在没有移动网络覆盖的情况下车辆之间能够进行信息的传递。上述专利申请很难进行有效灵活的组网，组网性能差；缺乏对相邻车辆运动状态的感知。

技术实现要素：

为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于zigbee动态自组织网络的车辆群定位通信系统，该通信系统为自组织建立车联网络，每辆车上的节点都可以对等地向其他车辆节点发送消息和行驶状态信息，网络内车辆群的坐标和运动状态数据可实时显示在地图界面上，且能显示当前车辆与其他车辆的相对距离和相对速度，车辆间可以通过文字短消息进行交互，并能对较小相对距离和较大相对速度的车辆以标示。

实现上述发明目的，本发明采用的技术方案：

一种基于zigbee动态自组织网络的车辆群定位通信系统，其特征在于：在各车辆（移动载体）上设有android主控模块、zigbee无线通讯模块、gps定位模块和传感器采集模块；所述zigbee无线通信模块负责网络节点的组网、关联、解关联、路由信息功能，所述zigbee无线通信模块与android主控模块通过uart接口进行数据和控制流的交互；所述gps定位模块负责卫星定位信息的采集，通过uart与android主控模块连接；所述传感器采集模块负责对车辆节点运动参数的采集，通过spi接口传输给android主控模块；装有本系统的车辆（移动载体）以其中任意一个zigbee无线通讯模块为协调器节点，通信范围内的车辆通过自身的zigbee无线通讯模块加入网络，组成mesh型的对等网络，实现网络内数据交互和共享；每辆车都能在android主控模块上看到网络内所有车辆的位置坐标；每辆车上的节点都可以对等地向其他车辆节点发送消息和行驶状态信息，也支持一个节点向整个网络发送消息和行驶状态信息；当某节点即将脱离网络通信有效范围时，系统将发出报警，在经过判断后提醒其改变速度或方向，保证该节点不脱离网络。

所述的行驶状态信息包括实时速度值、与前车距离值和车身坐标、行驶方向、加速度；消息是成员间交互的文字或语音信息，实时速度值及车身坐标由车载的gps定位模块提供。

协调器节点是根据通信协议中的中心原则来确定，是任一车辆上的zigbee无线通讯模块，不需要在交通基础设施设置协调节点和存储器。

每一辆车的zigbee无线通信模块作为一个通信节点，在装有本系统的车辆（移动载体）以其中任意一个zigbee无线通讯模块为协调节点，通信范围内的车辆通过自身的zigbee无线通讯模块加入网络，组成mesh型的对等网络，实现网络内数据交互和共享；每辆车都能在android主控模块的地图上看到网络内所有车辆的位置；每辆车上的节点都可以对等地向其他车辆节点发送消息和行驶状态信息，也支持一个节点向整个网络发送数据和消息；当某节点即将脱离移动中的网络通信有效范围时，系统将发出报警，在经过判断后提醒其改变速度或方向，保证网络中节点不丢失。

组网过程为：协调器节点建立mesh型的对等网络后，各车辆节点以路由器身份加入；协调器按加入此网络的节点先后次序，将其信息保存在一个称之为节点信息表的数据结构中，此节点信息表结构的数据元素包括节点被分配的网络短地址、节点序号nn和通信状态成员，节点序号按本设备在节点信息表的次序分配；协调器将加入网络的节点分成n/m个分组，多余的节点组成第n/m+1分组，n为网络中节点的总数，m为每个分组的节点(m>1,m<20)。

节点的运动状态信息通信过程为：

1)协调器将一个信标周期设置为cfp(无竞争访问期)和cap(竞争访问期)两个部分，在cfp中占用k(k>1,k<10)个gts(保护时隙)，在节点加入网络后，在下一信标周期的cfp内将此节点序号nn和单播给入网节点，入网节点接收后将nn存储在自身ram内；

2)在每个信标周期的cfp内协调器向网络广播分组号g和总节点数n，并将节点表结构中当前分组节点的通信状态设置为未完成；节点采用权利要求6的算法计算自已所在分组，并判断接收到的广播分组号g，如果自身属于此分组且未发起过通信，则在cap开始后竞争信道访问权，tsymbol为固定周期；

3)车辆节点如果在cap内获得信道访问权，则向网络中广播自身的运动状态和节点序号nn，网络中的其它节点在接收后更新此节点信息；协调器收到节点运动状态信息之后，将节点信息表中此节点的通信状态设置为已完成，协调器在每一个信标周期中检查当前分组内节点通信的完成情况，如果发现全部完成，则将分组号g指向下一个分组，然后执行从2)开始的流程；

4)如果协调器在当前信标周期内检测到未完成通信的节点，则在下一个信标周期的cfp继续广播此分组号。如果协调器累计r个周期未收到某个节点的信息则将其节点信息从节点信息表中移除，并从网络中删除此节点，将分组号指向下一个分组，然后执行从2)开始的流程；

5)经过至少n/m+1个信标周期后，网络中各节点的信息都得到更新。

节点间的文字消息通信流程：

所述文字消息的通信，支持两种通信模式：点对点传输和广播传输，点对点传输模式是一个节点发送，只有指定的接收节点接收和显示文字消息；广播传输模式是一个节点发送，网络中所有节点都可以接收和显示文字消息；

在点对点传输模式下，发送节点的主控设备需要先选择节点序号为nn的目的节点，获取输入的文字信息后将其加上本车辆节点和目的车辆节点序号后打包后发送到网络中，只有设定的目的序号节点可以接收到信息。在广播寻址模式下，不需要设置目的节点，网络中的所有车辆节点都可以接收到文字信息，接收节点接收到信息包后对信息包解包并提取出发送源车辆节点序号和文字信息并显示。

采用上述技术方案的有益效果：本发明系统通过无线传感器网络技术将移动车辆组成一个动态自组织的车联网络，在车辆间进行高效的消息和数据通信，可在车辆之间无线共享彼此的位置、运动状态等信息，具备车际消息通信功能，利用车联网络在车辆之间点对点或广播发送短消息；通过安卓移动终端和数字地图技术可显示车辆坐标和运动状态、车辆间的相对位置、相对速度等信息，并对车辆间距超限、相对速度超限等危险情况告警，提供友好的用户操作界面。

系统内各个车辆上安装有一套定位-通信设备节点，该设备节点包含如下几个模块：１）android主控模块；２）zigbee通信模块；３）gps定位模块；４）传感器采集模块android主控模块负责车联网络数据、gps及传感器数据的汇总、分析、存储及传输、地图及交互界面显示、消息通信。zigbee通信模块负责车联网络节点的组网、关联、解关联、路由信息等功能。可在任意两个对等的系统节点之间可靠地传输数据。zigbee模块工作于2.4ghz的ism频段。zigbee模块与android主控模块通过uart接口进行数据和控制流的交互。gps模块负责卫星定位信息的采集，通过uart与android主控模块连接。传感器采集模块负责对车辆节点运动参数的采集，包括速度、方向、加速度等，通过spi接口传输给android主控模块。

车辆定位通信工作流程：

1．车辆定位

1)系统运行后，各车辆节点的zigbee模块上电工作并自组织建立车联网络，网络拓扑为mesh型的对等网络。每辆车上的节点都可以对等地向另一辆车辆节点发送消息和数据，这是peertopeer的数据传输模式；网络也支持broadcast（广播）的数据传输模式，即一个节点可以向整个网络发送数据和消息。不同车辆的消息和数据是通过数据包内车辆的id域进行区分；

2)车联网络建立后，车辆节点gps模块和传感器采集模块开始工作，采集车辆当前的位置和运动状态数据，并定时向android主控模块反馈，为了兼顾系统节点信息更新的实时性和无线网络负载性能，将反馈周期设定为500ms。为了避免gps信道干扰造成的位置漂移，结合运动状态传感数据，利用扩展卡尔曼滤波方法(ekf)对当前车辆位置数据进行修正，得到滤波后的车辆位置和运动状态数据；

3)android主控模块在接收到车辆当前的位置和运动状态数据后，存储并将其加上当前车辆id封装为车辆状态数据包后通过串口发送至zigbee模块。zigbee模块接收到车辆状态数据包后，在无线协议栈的应用层将其转化为apdu(应用层协议数据单元)，向下层分发。在mac(媒体访问控制)层利用csma-ca(载波侦听-冲突避免)机制获取通信时隙，将车辆节点状态数据广播发送至车联网络。车联网络通过多跳(muti-hop)方式传输信息，最大跳数为5，可将网络内信息传输距离扩展5倍；

4)车辆节点的zigbee模块将在一定周期(1s)内接收到网络内其他车辆的状态广播数据包并将其通过串口发送给android主控模块。android主控模块接收到数据包后将其分拆，提取出车辆id、车辆位置、运动状态等信息，并将其实时显示在地图界面上。android主控模块根据座标和运动状态关系计算出当前车辆与其他车辆的相对距离和相对速度，并能对较小相对距离和较大相对速度的车辆以标示。地图显示采用随车辆定位区域的移动而滑动的方式。车联网络允许节点随机加入和退出，加入的节点在android主控模块界面上实时更新，退出的节点在６个数据更新周期(3s)后移除。

2．消息通信

系统支持简单的消息通信功能，可在任意两个节点之间发送文字信息，也可广播发送文字信息(每次100个汉字以内)。通过android主控模块输入文字信息，有两种输入方式：语音输入和触摸屏输入。android主控模块在获取输入的文字信息后将其加上源车辆和目的车辆id后打包发送给zigbee模块。zigbee模块将文字信息包通过点对点或广播寻址模式发送到网络中。在点对点寻址模式下，只有设定的目的节点可以接收到信息，在广播寻址模式下，网络中的所有车辆节点都可以接收到文字信息。接收节点的zigbee模块将信息包发送给android主控模块后，由andoid设备对其解包并提取出发送源车辆id和文字信息并显示在ui界面上。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细的说明。

图1为系统构成原理图；

图2为设备节点构成模块示意图；

图3为车辆定位工作流程图；

图4为多跳网络图；

图5为消息通信工作流程图。

具体实施方式

如图1-5所示的一种基于zigbee动态自组织网络的车辆群定位通信系统，在各车辆（移动载体）上设有android主控模块、zigbee无线通讯模块、gps定位模块和传感器采集模块；所述zigbee无线通信模块负责网络节点的组网、关联、解关联、路由信息功能，所述zigbee无线通信模块与android主控模块通过uart接口进行数据和控制流的交互；所述gps定位模块负责卫星定位信息的采集，通过uart与android主控模块连接；所述传感器采集模块负责对车辆节点运动参数的采集，通过spi接口传输给android主控模块；装有本系统的车辆（移动载体）以其中任意一个zigbee无线通讯模块为协调器节点，通信范围内的车辆通过自身的zigbee无线通讯模块加入网络，组成mesh型的对等网络，实现网络内数据交互和共享；每辆车都能在android主控模块上看到网络内所有车辆的位置坐标；每辆车上的节点都可以对等地向其他车辆节点发送消息和行驶状态信息，也支持一个节点向整个网络发送消息和行驶状态信息；当某节点即将脱离网络通信有效范围时，系统将发出报警，在经过判断后提醒其改变速度或方向，保证该节点不脱离网络。

所述的行驶状态信息包括实时速度值、与前车距离值和车身坐标、行驶方向、加速度；消息是成员间交互的文字或语音信息，实时速度值及车身坐标由车载的gps定位模块提供。

协调器节点是根据通信协议中的中心原则来确定，是任一车辆上的zigbee无线通讯模块，不需要在交通基础设施设置协调节点和存储器。

每一辆车的zigbee无线通信模块作为一个通信节点，在装有本系统的车辆（移动载体）以其中任意一个zigbee无线通讯模块为协调节点，通信范围内的车辆通过自身的zigbee无线通讯模块加入网络，组成mesh型的对等网络，实现网络内数据交互和共享；每辆车都能在android主控模块的地图上看到网络内所有车辆的位置；每辆车上的节点都可以对等地向其他车辆节点发送消息和行驶状态信息，也支持一个节点向整个网络发送数据和消息；当某节点即将脱离移动中的网络通信有效范围时，系统将发出报警，在经过判断后提醒其改变速度或方向，保证网络中节点不丢失。

组网过程为：协调器节点建立mesh型的对等网络后，各车辆节点以路由器身份加入；协调器按加入此网络的节点先后次序，将其信息保存在一个称之为节点信息表的数据结构中，此节点信息表结构的数据元素包括节点被分配的网络短地址、节点序号nn和通信状态成员，节点序号按本设备在节点信息表的次序分配；协调器将加入网络的节点分成n/m个分组，多余的节点组成第n/m+1分组，n为网络中节点的总数，m为每个分组的节点(m>1,m<20)。

节点的运动状态信息通信过程为：

1)协调器将一个信标周期设置为cfp(无竞争访问期)和cap(竞争访问期)两个部分，在cfp中占用k(k>1,k<10)个gts(保护时隙)，在节点加入网络后，在下一信标周期的cfp内将此节点序号nn和单播给入网节点，入网节点接收后将nn存储在自身ram内；

2)在每个信标周期的cfp内协调器向网络广播分组号g和总节点数n，并将节点表结构中当前分组节点的通信状态设置为未完成；节点采用权利要求6的算法计算自已所在分组，并判断接收到的广播分组号g，如果自身属于此分组且未发起过通信，则在cap开始后竞争信道访问权，tsymbol为固定周期；

3)车辆节点如果在cap内获得信道访问权，则向网络中广播自身的运动状态和节点序号nn，网络中的其它节点在接收后更新此节点信息；协调器收到节点运动状态信息之后，将节点信息表中此节点的通信状态设置为已完成，协调器在每一个信标周期中检查当前分组内节点通信的完成情况，如果发现全部完成，则将分组号g指向下一个分组，然后执行从2)开始的流程；

4)如果协调器在当前信标周期内检测到未完成通信的节点，则在下一个信标周期的cfp继续广播此分组号。如果协调器累计r个周期未收到某个节点的信息则将其节点信息从节点信息表中移除，并从网络中删除此节点，将分组号指向下一个分组，然后执行从2)开始的流程；

5)经过至少n/m+1个信标周期后，网络中各节点的信息都得到更新。

节点间的文字消息通信流程：所述文字消息的通信，支持两种通信模式：点对点传输和广播传输，点对点传输模式是一个节点发送，只有指定的接收节点接收和显示文字消息；广播传输模式是一个节点发送，网络中所有节点都可以接收和显示文字消息；在点对点传输模式下，发送节点的主控设备需要先选择节点序号为nn的目的节点，获取输入的文字信息后将其加上本车辆节点和目的车辆节点序号后打包后发送到网络中，只有设定的目的序号节点可以接收到信息。在广播寻址模式下，不需要设置目的节点，网络中的所有车辆节点都可以接收到文字信息，接收节点接收到信息包后对信息包解包并提取出发送源车辆节点序号和文字信息并显示。