CN202126761U - 无线车载行驶监控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种无线车载行驶监控装置。本实用新型通过下述技术方案予以实现，所述装置由单片GPS接收机、具有无线收发和WPAN无线网络功能的单片WPAN混合信号芯片和通用处理器芯片组成。所述单片GPS接收机、具有无线收发和WPAN无线网络功能的单片WPAN混合信号芯片和通用处理器芯片依次通过芯片间通用串行接口连接，由所述通用处理器芯片连接辅助功能电路。本实用新型使用GPS接收机获得本车辆定位和速度，并将每辆车的位置信息通过无线数字收发器互相传送以至每辆车都能看到自己和周围的车辆情况。其最明显的优点是本装置无需实时处理计算获得多车辆位置和速度，而从自含GPS直接获得位置、时间和速度数据。

Description

无线车载行驶监控装置

技术领域

本实用新型涉及高速公路驾驶协助系统技术领域，更具体的说，是一种由无线数字通信和基于GPS的定位技术组成的高速公路驾驶协助装置。

背景技术

公路交通日益繁忙和安全状况已经促使工业界开发安全预警和驾驶协助系统。目前此类系统大多数基于雷达，红外或图像处理技术，对于单个车辆及慢速机动有较好的协助，比如倒车，停泊，以及其他近距离移动车辆警告等。在高速行驶和多车俩行驶环境基于对雷达发射回波的处理，或红外的图像识别运算需要高速运算及较高功耗图像处理器。雷达和红外系统都必须用校准的天线和传感器提高定位准确性，安装相对复杂。这会给一些领域的应用造成一定困难，比如在高速危险路段临时加装使用。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术中存在的不足，提供一种无线车载行驶监控装置。

本实用新型无线车载行驶监控装置，通过下述技术方案予以实现，所述装置由单片GPS接收机、具有无线收发和WPAN无线网络功能的单片WPAN混合信号芯片和通用处理器芯片组成。所述单片GPS接收机、具有无线收发和WPAN无线网络功能的单片WPAN混合信号芯片和通用处理器芯片依次通过芯片间通用串行接口连接，由所述通用处理器芯片连接辅助功能电路。

所述辅助功能电路例如自动收费功能有源ID发射电路(Active RFID Tag)等。

本实用新型使用GPS接收机获得本车辆定位和速度，并将每辆车的位置信息通过无线数字收发器互相传送以至每辆车都能看到自己和周围的车辆情况。其最明显的优点是本装置无需实时处理计算获得多车辆位置和速度，而从自含GPS直接获得位置、时间和速度数据。无线数字收发器在多辆车间互相传送GPS数据使每辆车获得其它车辆行驶状态图(相对位置、速度和时间)。监控装置不断更新状态图并计算预测潜在危险状态并发出提醒。

本实用新型也可用于高速公路的管理。例如在前方车辆在发生事故和故障抛锚时，此车辆可以发射应急信息提醒后续来车。监控装置也可接收由地面固定点发射的限速提醒和路段出口提醒信息等。另外路程计算和收费功能也可以加入本装置以方便驾驶。

车载无线监控装置由GPS接收机芯片组，无线数字收发器组件(数字信号处理器和射频收发)组成。通用GPS定位相对精度约为数米，时间精度约为毫秒，可以提供高速行驶监控所需使用的数据。无线数字收发器射频选择2.4GHz ISM开放频段(2400MHz-2483.5MHz)，采用250Kbps(千比特/秒)的收发数据率以期可以识别较多车辆，信道带宽为2MHz。高速公路不同的行驶方向使用不同的信道以减少干扰。相同行车方向的发射和接收使用同一信道。本装置的设计采用国际标准网络构架以期最大限度在多车辆间使用标准无线通信协议以使得在必要时较方便的提升或添加网络功能和应用功能。这一无线网络通信协议不仅用于每辆车载装置，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装置中也使用兼容通信协议的收发机以增强整体高速公路监控管理系统的功能并降低整个运作和维护的成本。

附图说明

图1是IEEE 802.15.4WPAN物理层在2.4GHz频段拥有的可用信道分布图；

图2是共享信道CSMA-CA流程图；

图3是同一车流方向四辆车载数字无线收发器使用同一个2.4GHz信道的理想状态下(无竞争)时分复用图示；

图4是IEEE 802.15.4的O-QPSK调制器；

图5是IEEE 802.15.4物理层接收解调器；

图6是本实用新型系统框图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型做进一步描述。

如图6所示，本实用新型主要由三个芯片组成：1)单片GPS接收机，2)单片WPAN混合信号芯片，负责无线收发和WPAN无线及网络功能，3)通用处理器芯片，其运行车辆位置/速度处理软件和提供用户接(UserInterface)。通用处理器芯片负责控制和连接一些辅助功能电路，辅助功能电路例如自动收费功能有源ID发射电路(Active RFID Tag)等。

其中单片GPS接收机为单一模块，包括GPS前端接收和定位处理集成单芯片组模块，可采用Trimble C1919C或ATR0630P1。GPS接收灵敏度为-140dBm以上，定位精度为数米，时间精度好于500us，更新率高于1Hz。有UART接口支持NMEA协议。

单片WPAN混合信号芯片采用TI C2530，其包含一个2.4G ISM频段的WPAN无线收发器前端模拟电路，一个负责物理层(PHY)调制解调器和编码解码的信号处理器，和一个简易通用CPU内核处理MAC和网络层(Network Layer)功能。单片WPAN混合信号芯片含射频电路而可直接连接天线。射频组件发射功率为可编程范围从-20到4dBm。接收灵敏度在约为-90dBm，以便可以覆盖百米范围。C2530使用较少的分离元件使得硬件设计非常简单。使用C2530还可得到良好的WPAN和ZigBee软件支持，包括支持802.15.4WPAN物理层(PHY)和访问控制层(MAC)都可以由芯片商提供，或者可从第三方软件商得到ZigBee网络层软件。最终开发者只须集中精力于应用层的研发和产品集成。

通用处理器芯片选择高速(峰值200-300MIPS)通用CPU或DSP芯片负责处理位置数据和其它图形有关的应用。采用芯片TI C5505-150，其具有一定的硬件加速电路以利于2-D图形显示和语音的应用。TI C5505-150芯片具有较大的内存，较强中断处理，众多DMA和USB2.0接口，模拟信号连接支持(ADC)，低功耗，以及良好的开发支持。

下面结合附图对本实用新型的原理做详细说明：

车载监控装置的无线数字收发器采用由IEEE 802.15.4定义的Low-RateWireless Personal Area Network(WPAN)标准。信道位于2.4GHz ISM开放频段。IEEE 802.15.4物理层(PHY Layer)对数据采用16电平扩谱编码和移位正交调制(16-ary DSSS Offset-QPSK)，具有一定的抗多路径衰减能力，适用于车辆间通信。如图1所示，802.15.4WPAN物理层(PHY)在2.4GHz频段拥有16个数据率最大为250Kbps(千比特每秒)的可用信道(从信道11至26，覆盖2400MHz-2483.5MHz)，每个信道带宽为2MHz。WPAN要求最小接收灵敏度为-85dBm。

IEEE 802.15.4WPAN物理层(PHY)使用可变长度的数据包(帧)，较适合车载无线监控系统的应用。除数据发射与接收外，PHY的其它功能包括激活无线收发器，接收信道能量检测，连接信号质量和为媒介访问控制层(MAC)的CSMA-CA算法提供信道闲置识别。

IEEE 802.15.4媒介访问控制层(MAC)提供帧同步，信道访问控制，数据传送，数据加密，和一些管理服务。MAC层数据帧(PSCU)包含在PHY层数据帧(PPDU)中，成为网络层与物理层之间的接口。MAC提供的信道访问控制对无线车辆监控应用非常合适。IEEE 802.15.4WPAN信道访问控制的CSMA-CA(载波敏感的免竞争信道复用)算法适用于多车辆环境以避免发射信道的竞争，从而使得多监控装置共享一个信道成为可能。附图2所示为CSMA-CA流程决定每一监控装置如何有效共享一个发射信道，这一流程由单片WPAN混合信号芯片实现。图中NB为等待周期数，被初始化为0；BE为等待指数，一般被初始化为3。macMaxBE一般被设为5；macMaxCSMAbackoffs为MAC Layer决定信道分配失败以前的最大等待周期数，一般为4。

车载监控装置使用IEEE 802.15.4的PHY层和MAC层，而更高层的网络层(Network Layer)和应用层(Application Layer)则可选择自行设计，或采用现有的基于IEEE 802.15.4的ZigBee，以便在网络和应用层得到丰富的无线网管理功能和应用框架和多种标准网络拓扑结构，包括无需网络地址的广播模式(Broadcast Mode)。

尽管目前的监控装置不一定需要使用ZigBee，但ZigBee标准带来的主要的优点是较多的现有软件选择，并在将来必要时非常易于临时组成所需的网络结构和节点，并可接入周边现有网络。ZigBee的代价是额外的数据开销(在应用层数据包APDU和网络层数据包NPDU的额外数据开销)，会增大数据传输量而影响到监控装置的可监控车辆数量。

以下分析监控装置可能达到的车辆监控容量。如果GPS位置，速度和时间信息约200比特。如果GPS每1000ms更新一次，其发送的位置，速度和时间信息约200比特，加上IEEE 802.15.4的120比特发射数据帧头尾开销总和再加上ZigBee帧格式的网络和应用层的数据包开销约至少128比特，得到约450比特数据包。在250Kbps数据率下，发射或接收一个WPAN物理层PPDU需要450/250K/S＝1.8ms(约2ms)。如有必要，还须加上额外的前置脉冲串(Preamble)2ms，总共约为4ms。附图3中显示在理想情况(无竞争)下的时分复用信道状况为例，理论上整个1000ms＝250x4ms时段可供250辆车监控装置使用(实际环境中不可能达到)。但考虑到百米范围内高速行驶车辆最高一般为数十辆，所以设计的时分复用容量是可行的。在共用信道中，使用CSMA-CA算法是必要的。为了避免在同一信道同时发射的竞争，每个监控装置发射前检测信道接收能量，如果信道正在被使用，监控装置则(随机性)滞后(2^BE-1)个周期再发射。从统计分析上每辆车时分复用的时段将在0-1000ms之间应趋于均匀分布。图3为同一车流方向四辆车载数字无线收发器使用一个2.4GHz信道的理想状态下(无竞争)时分复用情形。如果有竞争则进入CSMA时分复用流程，实现每车轮流发射。

以下阐述行使监控装置的发射方向的工作原理。通用GPS定位相对精度约为数米，时间精度约为毫秒，可以提供行驶监控所需使用的数据。GPS接收机提供径纬度和时间数据(约平均2400-4800bps，每秒比特)由I²C接口至信号处理电路的DMA通道传至信号处理电路的内存。不同GPS产品其更新率约为每1000ms一次或更高。在把GPS信息嵌入网络层数据包(NPDU)之前，可选择将信息数据进行信道编码以期在低功率条件获得高信噪比(但代价是增加数据传输量)。其后进行打包成为250Kbps的比特率的数据。经过扩谱处理，然后进入Offset-QPSK(OQPSK)调制器，分别调制成I-phase和Q-phase的1Mbps的OQPSK基带信号，经接口电路传至射频电路(RF module)，并以2.4GHZ射频发射出去。如图4所示为IEEE 802.15.4的O-QPSK调制器，即发射信号调制原理图示。GPS信息被打包成WPAN甚至ZigBee帧格式，并以IEEE 802.15.4支持的250K比特/秒数据率进行O-QPSK调制发射。

在接收方向，每个装置中单片WPAN混合信号芯片的无线监控摸块都应收到互相发射的2.4GHz射频信号，经混频，解调成中频I/Q信号再转成数字信号，降低采样率后成为基带的QPSK信号样本，由软件控制的串行接口和DMA硬件自动读取到内存进入物理层处理电路。以后进行解调，滤波，相关和扩谱解码。如图5所示为IEEE 802.15.4物理层接收解调器，即接收信号解调原理图示。250Kbps(比特/每秒)的数据可选择信道解码处理后得到所有车辆位置/速度估计用于应用层软件来处理显示和提醒或报警。

应用层软件负责处理所有邻近车辆距离/速度，并显示所有附近车辆。距离-速度处理软件优先处理邻近车辆和快速接近的车辆的数据。这些车辆被编入优先处理组。优先组的车辆点坐标在下一秒的位置的计算采用普通的二维几何算法即可得到。如果预测距离太近则发出警示。

Claims (2)

1.一种无线车载行驶监控装置，其特征是，所述装置由单片GPS接收机、具有无线收发和WPAN无线网络功能的单片WPAN混合信号芯片和通用处理器芯片组成，所述单片GPS接收机、具有无线收发和WPAN无线网络功能的单片WPAN混合信号芯片和通用处理器芯片依次通过芯片间通用串行接口连接，由所述通用处理器芯片连接辅助功能电路。

2.根据权利要求1所述的无线车载行驶监控装置，其特征是，所述辅助功能电路为具有自动收费功能有源ID发射电路。

Images