專利名稱：無線車載行駛監(jiān)控裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及高速公路駕駛協助系統技術領域，更具體的說，是一種由無線數字通信和基于GPS的定位技術組成的高速公路駕駛協助裝置。
背景技術：
公路交通日益繁忙和安全狀況已經促使工業(yè)界開發(fā)安全預警和駕駛協助系統。目前此類系統大多數基于雷達，紅外或圖像處理技術，對于單個車輛及慢速機動有較好的協助，比如倒車，停泊，以及其他近距離移動車輛警告等。在高速行駛和多車倆行駛環(huán)境基于對雷達發(fā)射回波的處理，或紅外的圖像識別運算需要高速運算及較高功耗圖像處理器。雷達和紅外系統都必須用校準的天線和傳感器提高定位準確性，安裝相對復雜。這會給一些領域的應用造成一定困難，比如在高速危險路段臨時加裝使用。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是，克服現有技術中存在的不足，提供一種無線車載行駛監(jiān)控裝置。本發(fā)明無線車載行駛監(jiān)控裝置，通過下述技術方案予以實現，所述裝置由單片GPS 接收機、具有無線收發(fā)和WPAN無線網絡功能的單片WPAN混合信號芯片和通用處理器芯片組成。所述單片GPS接收機、具有無線收發(fā)和WPAN無線網絡功能的單片WPAN混合信號芯片和通用處理器芯片依次通過芯片間通用串行接口連接，由所述通用處理器芯片連接輔助功能電路。所述輔助功能電路例如自動收費功能有源ID發(fā)射電路(Active RFID Tag)等。本發(fā)明使用GPS接收機獲得本車輛定位和速度，并將每輛車的位置信息通過無線數字收發(fā)器互相傳送以至每輛車都能看到自己和周圍的車輛情況。其最明顯的優(yōu)點是本裝置無需實時處理計算獲得多車輛位置和速度，而從自含GPS直接獲得位置、時間和速度數據。無線數字收發(fā)器在多輛車間互相傳送GPS數據使每輛車獲得其它車輛行駛狀態(tài)圖(相對位置、速度和時間)。監(jiān)控裝置不斷更新狀態(tài)圖并計算預測潛在危險狀態(tài)并發(fā)出提醒。本發(fā)明也可用于高速公路的管理。例如在前方車輛在發(fā)生事故和故障拋錨時，此車輛可以發(fā)射應急信息提醒后續(xù)來車。監(jiān)控裝置也可接收由地面固定點發(fā)射的限速提醒和路段出口提醒信息等。另外路程計算和收費功能也可以加入本裝置以方便駕駛。車載無線監(jiān)控裝置由GPS接收機芯片組，無線數字收發(fā)器組件(數字信號處理器和射頻收發(fā))組成。通用GPS定位相對精度約為數米，時間精度約為毫秒，可以提供高速行駛監(jiān)控所需使用的數據。無線數字收發(fā)器射頻選擇2. 4GHz ISM開放頻段 (2400MHZ-2483. 5MHz)，采用250Kbps (千比特/秒)的收發(fā)數據率以期可以識別較多車輛， 信道帶寬為2MHz。高速公路不同的行駛方向使用不同的信道以減少干擾。相同行車方向的發(fā)射和接收使用同一信道。本裝置的設計采用國際標準網絡構架以期最大限度在多車輛間使用標準無線通信協議以使得在必要時較方便的提升或添加網絡功能和應用功能。這一無線網絡通信協議不僅用于每輛車載裝置，而且在固定路面上用于事故或故障提醒，限速提醒，以及路段出口提醒的裝置中也使用兼容通信協議的收發(fā)機以增強整體高速公路監(jiān)控管理系統的功能并降低整個運作和維護的成本。


圖1是IEEE 802. 15. 4 WPAN物理層在2. 4GHz頻段擁有的可用信道分布圖；圖2是共享信道CSMA-CA流程圖；圖3是同一車流方向四輛車載數字無線收發(fā)器使用同一個2. 4GHz信道的理想狀態(tài)下(無競爭)時分復用圖示；圖 4 是 IEEE 802. 15. 4 的 O-QPSK 調制器；圖5是IEEE 802. 15. 4物理層接收解調器；圖6是本發(fā)明系統框圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發(fā)明做進一步描述。如圖6所示，本發(fā)明主要由三個芯片組成1)單片GPS接收機，2)單片WPAN混合信號芯片，負責無線收發(fā)和WPAN無線及網絡功能，3)通用處理器芯片，其運行車輛位置/速度處理軟件和提供用戶接(User Interface)。通用處理器芯片負責控制和連接一些輔助功能電路，輔助功能電路例如自動收費功能有源ID發(fā)射電路(Active RFID Tag)等。其中單片GPS接收機為單一模塊，包括GPS前端接收和定位處理集成單芯片組模塊，可采用Trimble C1919C或ATR0630P1。GPS接收靈敏度為_140dBm以上，定位精度為數米，時間精度好于500us，更新率高于1Hz。有UART接口支持NMEA協議。單片WPAN混合信號芯片采用TI C2530，其包含一個2. 4G ISM頻段的WPAN無線收發(fā)器前端模擬電路，一個負責物理層(PHY)調制解調器和編碼解碼的信號處理器，和一個簡易通用CPU內核處理MAC和網絡層(Network Layer)功能。單片WPAN混合信號芯片含射頻電路而可直接連接天線。射頻組件發(fā)射功率為可編程范圍從-20到4dBm。接收靈敏度在約為_90dBm，以便可以覆蓋百米范圍。C2530使用較少的分離元件使得硬件設計非常簡單。使用C2530還可得到良好的WPAN和ZigBee軟件支持，包括支持802. 15. 4 WPAN物理層(PHY)和訪問控制層(MAC)都可以由芯片商提供，或者可從第三方軟件商得到ZigBee網絡層軟件。最終開發(fā)者只須集中精力于應用層的研發(fā)和產品集成。通用處理器芯片選擇高速(峰值200-300 MIPS)通用CPU或DSP芯片負責處理位置數據和其它圖形有關的應用。采用芯片TI C5505-150，其具有一定的硬件加速電路以利于2-D圖形顯示和語音的應用。TI C5505-150芯片具有較大的內存，較強中斷處理，眾多 DMA和USB2. 0接口，模擬信號連接支持(ADC)，低功耗，以及良好的開發(fā)支持。下面結合附圖對本發(fā)明的原理做詳細說明車載監(jiān)控裝置的無線數字收發(fā)器采用由IEEE 802. 15. 4定義的 Low-Rateffireless Personal Area Network(WPAN)標準。信道位于 2. 4GHz ISM 開放頻段。IEEE 802. 15. 4物理層(PHY Layer)對數據采用16電平擴譜編碼和移位正交調制 (16-ary DSSS Offset-QPSK)，具有一定的抗多路徑衰減能力，適用于車輛間通信。如圖1
4所示，802. 15. 4WPAN物理層(PHY)在2. 4GHz頻段擁有16個數據率最大為250Kbps (千比特每秒)的可用信道(從信道11至沈，覆蓋2400MHZ-2483. 5MHz)，每個信道帶寬為2MHz。 WPAN要求最小接收靈敏度為-85cffim。IEEE 802. 15. 4 WPAN物理層(PHY)使用可變長度的數據包(幀)，較適合車載無線監(jiān)控系統的應用。除數據發(fā)射與接收外，PHY的其它功能包括激活無線收發(fā)器，接收信道能量檢測，連接信號質量和為媒介訪問控制層(MAC)的CSMA-CA算法提供信道閑置識別。IEEE 802. 15. 4媒介訪問控制層(MAC)提供幀同步，信道訪問控制，數據傳送，數據加密，和一些管理服務。MAC層數據幀(PS⑶)包含在PHY層數據幀(PPDU)中，成為網絡層與物理層之間的接口。MAC提供的信道訪問控制對無線車輛監(jiān)控應用非常合適。IEEE 802.15.4 WPAN信道訪問控制的CSMA-CA(載波敏感的免競爭信道復用)算法適用于多車輛環(huán)境以避免發(fā)射信道的競爭，從而使得多監(jiān)控裝置共享一個信道成為可能。附圖2所示為CSMA-CA流程決定每一監(jiān)控裝置如何有效共享一個發(fā)射信道，這一流程由單片WPAN混合信號芯片實現。圖中NB為等待周期數，被初始化為0 ；BE為等待指數，一般被初始化為3。 macMaxBE 一般被設為5 ；macMaxCSMAbackoffs為MAC Layer決定信道分配失敗以前的最大等待周期數，一般為4。車載監(jiān)控裝置使用IEEE 802. 15.4的PHY層和MAC層，而更高層的網絡層 (Network Layer)和應用層(Application Layer)則可選擇自行設計，或采用現有的基于 IEEE 802. 15. 4的ZigBee，以便在網絡和應用層得到豐富的無線網管理功能和應用框架和多種標準網絡拓撲結構，包括無需網絡地址的廣播模式(Broadcast Mode)。盡管目前的監(jiān)控裝置不一定需要使用ZigBee，但ZigBee標準帶來的主要的優(yōu)點是較多的現有軟件選擇，并在將來必要時非常易于臨時組成所需的網絡結構和節(jié)點，并可接入周邊現有網絡。ZigBee的代價是額外的數據開銷(在應用層數據包APDU和網絡層數據包NPDU的額外數據開銷)，會增大數據傳輸量而影響到監(jiān)控裝置的可監(jiān)控車輛數量。以下分析監(jiān)控裝置可能達到的車輛監(jiān)控容量。如果GPS位置，速度和時間信息約 200比特。如果GPS每1000ms更新一次，其發(fā)送的位置，速度和時間信息約200比特，加上 IEEE 802. 15.4的120比特發(fā)射數據幀頭尾開銷總和再加上ZigBee幀格式的網絡和應用層的數據包開銷約至少128比特，得到約450比特數據包。在250Kbps數據率下，發(fā)射或接收一個WPAN物理層PPDU需要450/250K/S = 1. 8ms (約^is)。如有必要，還須加上額外的前置脈沖串(Preamble) ans，總共約為細8。附圖3中顯示在理想情況(無競爭)下的時分復用信道狀況為例，理論上整個1000ms = 250x4ms時段可供250輛車監(jiān)控裝置使用(實際環(huán)境中不可能達到)。但考慮到百米范圍內高速行駛車輛最高一般為數十輛，所以設計的時分復用容量是可行的。在共用信道中，使用CSMA-CA算法是必要的。為了避免在同一信道同時發(fā)射的競爭，每個監(jiān)控裝置發(fā)射前檢測信道接收能量，如果信道正在被使用，監(jiān)控裝置則 (隨機性)滯后(2BE-1)個周期再發(fā)射。從統計分析上每輛車時分復用的時段將在O-IOOOms 之間應趨于均勻分布。圖3為同一車流方向四輛車載數字無線收發(fā)器使用一個2. 4GHz信道的理想狀態(tài)下(無競爭)時分復用情形。如果有競爭則進入CSMA時分復用流程，實現每車輪流發(fā)射。以下闡述行使監(jiān)控裝置的發(fā)射方向的工作原理。通用GPS定位相對精度約為數米，時間精度約為毫秒，可以提供行駛監(jiān)控所需使用的數據。GPS接收機提供徑緯度和時間數據(約平均M00-4800bps，每秒比特)由1 接口至信號處理電路的DMA通道傳至信號處理電路的內存。不同GPS產品其更新率約為每1000ms—次或更高。在把GPS信息嵌入網絡層數據包(NPDU)之前，可選擇將信息數據進行信道編碼以期在低功率條件獲得高信噪比(但代價是增加數據傳輸量)。其后進行打包成為250Kbps的比特率的數據。經過擴譜處理，然后進入Offset-QPSK(OQPSK)調制器，分別調制成I-phase和Q-phase的IMbps 的OQPSK基帶信號，經接口電路傳至射頻電路(RF module)，并以2. 4GHZ射頻發(fā)射出去。如圖4所示為IEEE 802. 15. 4的O-QPSK調制器，即發(fā)射信號調制原理圖示。GPS信息被打包成WPAN甚至ZigBee幀格式，并以IEEE 802. 15. 4支持的250K比特/秒數據率進行0_QP9( 調制發(fā)射。在接收方向，每個裝置中單片WPAN混合信號芯片的無線監(jiān)控摸塊都應收到互相發(fā)射的2. 4GHz射頻信號，經混頻，解調成中頻I/Q信號再轉成數字信號，降低采樣率后成為基帶的QPSK信號樣本，由軟件控制的串行接口和DMA硬件自動讀取到內存進入物理層處理電路。以后進行解調，濾波，相關和擴譜解碼。如圖5所示為IEEE 802. 15. 4物理層接收解調器，即接收信號解調原理圖示。250Kbps (比特/每秒)的數據可選擇信道解碼處理后得到所有車輛位置/速度估計用于應用層軟件來處理顯示和提醒或報警。應用層軟件負責處理所有鄰近車輛距離/速度，并顯示所有附近車輛。距離-速度處理軟件優(yōu)先處理鄰近車輛和快速接近的車輛的數據。這些車輛被編入優(yōu)先處理組。優(yōu)先組的車輛點坐標在下一秒的位置的計算采用普通的二維幾何算法即可得到。如果預測距離太近則發(fā)出警示。
權利要求
1.一種無線車載行駛監(jiān)控裝置，其特征是，所述裝置由單片GPS接收機、具有無線收發(fā)和WPAN無線網絡功能的單片WPAN混合信號芯片和通用處理器芯片組成，所述單片GPS接收機、具有無線收發(fā)和WPAN無線網絡功能的單片WPAN混合信號芯片和通用處理器芯片依次通過芯片間通用串行接口連接，由所述通用處理器芯片連接輔助功能電路。
2.根據權利要求1所述的無線車載行駛監(jiān)控裝置，其特征是，所述輔助功能電路為具有自動收費功能有源ID發(fā)射電路。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種無線車載行駛監(jiān)控裝置。本發(fā)明通過下述技術方案予以實現，所述裝置由單片GPS接收機、具有無線收發(fā)和WPAN無線網絡功能的單片WPAN混合信號芯片和通用處理器芯片組成。所述單片GPS接收機、具有無線收發(fā)和WPAN無線網絡功能的單片WPAN混合信號芯片和通用處理器芯片依次通過芯片間通用串行接口連接，由所述通用處理器芯片連接輔助功能電路。本發(fā)明使用GPS接收機獲得本車輛定位和速度，并將每輛車的位置信息通過無線數字收發(fā)器互相傳送以至每輛車都能看到自己和周圍的車輛情況。其最明顯的優(yōu)點是本裝置無需實時處理計算獲得多車輛位置和速度，而從自含GPS直接獲得位置、時間和速度數據。
文檔編號G08G1/0962GK102298849SQ20111017648
公開日2011年12月28日 申請日期2011年6月28日 優(yōu)先權日2011年6月28日
發(fā)明者殷曉峰, 謝剛 申請人:天津成科傳動機電技術股份有限公司