ZigBee技术在高速公路雾天通行保障系统中的应用研究

论文摘要

世界各国的高速公路运行管理经验表明,在所有不利气候条件中,大雾对高速公路运行所产生的危害最大。目前,在世界范围内降低或预防因大雾引发高速公路交通事故的方法主要有关闭高速公路、大雾自动警告及速度控制系统和基于红外、微波或摄像等技术的驾驶员辅助驾驶系统等。但是每一种方法都有其显而易见的缺点。关闭高速公路带来的运输损失和出行不便,大雾自动警告及速度控制系统的安装和维护成本过高,基于红外、微波或摄像等技术的驾驶员辅助驾驶系统不仅需要对车辆进行改装,并且要求所有车辆都必须安装该系统,在实际应用时很难推广。大雾对高速公路行车安全的影响主要是雾天能见度降低,从而影响驾驶人员的视距,使得驾驶人员看不清路面情况而偏离车道或者不能保持安全车距而发生车辆追尾造成事故。高速公路雾天通行保障与导航系统就是针对雾天能见度降低这一原因而研究和设计的。该系统利用GPS技术为驾驶人员提供行车导航,通过ZigBee无线通信技术使车辆间能够彼此通信,为驾驶人员提供车距和路况等信息,并且整个系统采用嵌入式开发技术,避免了对车辆的改装。近年来,随着无线技术和嵌入式系统等技术的飞速发展,无线通信网络技术也不断发展,并被广泛应用于无线抄表、无线数字语音、智能交通等系统。高速公路雾天通行保障与导航系统结合了ZigBee无线通信技术、嵌入式技术、GPS定位技术构建高速公路雾天通行保障与导航系统。概括介绍了项目背景、所采用的技术标准规范、原理和应用领域,并在此基础上设计了系统的硬件和软件框架,介绍了相应的开发平台与环境,完成主体部分的工作,重点针对系统高实时性的要求展开研究与讨论,采用马尔可夫链数学分析模型对ZigBee协议里MAC层的非时隙CSMA/CA算法进行了分析与实验。由于系统中一些重要参数及其性能在物理环境下往往难于测量和评估,为解决这一难题,论文通过NS2网络模拟平台对所建模型进行了验证,对其重要参数进行了仿真分析,从而进一步验证了高速公路雾天安全行驶系统的可行性。本课题得到重庆大学研究生创新科技基金的资助,项目编号:200701Y1B0220208。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 绪论
• 1.1 引言
• 1.2 国内外研究现状
• 1.3 论文的研究内容及意义
• 1.3.1 论文主要研究内容与完成的工作
• 1.3.2 论文研究的意义
• 2 IEEE 802.15.4/ZIGBEE 技术标准介绍
• 2.1 IEEE 802.15.4/ZigBee 技术介绍
• 2.1.1 IEEE 802.15.4 协议架构及其技术特点
• 2.1.2 ZigBee 技术的优势
• 2.1.3 ZigBee 技术的典型应用
• 2.2 ZigBee 网络拓扑结构
• 2.2.1 星形网络的形成过程
• 2.2.2 点对点网络的形成过程
• 2.3 IEEE 802.15.4 网络协议栈MAC 子层
• 3 通行保障系统的关键技术研究
• 3.1 系统的硬件架构设计
• 3.1.1 ARM 硬件开发平台选择
• 3.1.2 GPS 硬件开发平台选择
• 3.1.3 ZigBee 硬件开发平台选择
• 3.2 软件开发环境介绍与实现
• 3.2.1 ARM 开发环境介绍与研究重点
• 3.2.2 ZigBee 开发环境介绍与研究重点
• 4 系统实时性分析
• 4.1 IEEE 802.15.4 载波监听多路访问冲突避免算法
• 4.1.1 CSMA/CA 机制简介
• 4.1.2 CSMA/CA 算法流程
• 4.2 对非时隙CSMA/CA 算法分析
• 4.2.1 马尔可夫链模型
• 4.2.2 确定网络性能指标
• 4.3 仿真实验设置与结果分析
• 4.3.1 NS2 仿真平台的介绍
• 4.3.2 仿真环境的设定
• 4.3.3 仿真实验1——网络负载较重
• 4.3.4 仿真实验2——网络负载较轻
• 4.4 仿真实验结论
• 5 总结与展望
• 5.1 总结
• 5.2 后续研究工作的展望
• 致谢
• 参考文献
• 附录