一种基于ZigBee的一维无线测速方法及装置 |
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| 申请号 | CN201410469981.4 | 申请日 | 2014-09-16 | 公开(公告)号 | CN104280726A | 公开(公告)日 | 2015-01-14 |
| 申请人 | 中南大学; | 发明人 | 李尹; 施荣华; | ||||
| 摘要 | 本 发明 公开了一种基于ZigBee的一维无线测速方法及装置，将已知 节点 作为测量节点，与测量节点位于同一直线上运动的速度未知物体作为待测节点，在两个节点上均安装能发射和接收 信号 的包含ZigBee芯片的测速装置，并由其中一个节点向另一节点发送两次信号，两次信号之间的间隔时间为预设间隔时间，然后利用节点分别接收到两次信号的时间、预设间隔时间和已知的 信号传输 速度来计算待测节点相对测量节点的速度。该测速方法通过将结构简单的测速装置，安装在测量节点和待测节点上，利用信号在测量节点和待测节点之间传输，通过记录信号的收发间隔时间，采用MCU进行简单的运算即可获得待测节点的速度，大大降低移动测速成本。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于ZigBee的一维无线测速方法，其特征在于，将已知节点作为测量节点，与测量节点位于同一直线上运动的速度未知物体作为待测节点，在两个节点上均安装能发射和接收信号的包含ZigBee芯片的测速装置，并由其中一个节点向另一节点发送两次信号，两次信号之间的间隔时间为预设间隔时间，然后利用节点分别接收到两次信号的时间、预设间隔时间和已知的信号传输速度来计算待测节点相对测量节点的速度。 |
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| 说明书全文 | 一种基于ZigBee的一维无线测速方法及装置技术领域[0001] 本发明涉及一种基于ZigBee的一维无线测速方法及装置。 背景技术[0004] 视频测速原理是对同一物体进行多张连续拍摄，然后对拍摄到的连续图像帧进行分析，通过在视频图像中对物体头部或尾部的检测，利用图像信息按照一定的比例，估计图像中的距离与真实世界坐标系中距离的映射关系，或将车辆特征点在图像空间中位移转换为实际世界坐标系中的距离，然后推算出物体移动的实际距离以得到物体的运动速度。 [0005] 雷达测速原理则是通过测量雷达发出的电磁波照射待测物体，接收待测物反射的雷达回波特性来分析物体移动速度。 [0006] 基于ZigBee技术的无线定位测速方法主要包括： [0007] 1.利用TOA(到达时间)原理对室内物体进行定位，并将定位信息通过ZigBee网络与其它应用共享； [0008] 2.利用RSSI(接收信号强度指示)及三边测量法结合的定位方法通过ZigBee功能模块对物体进行定位与测速； [0009] 3.利用GPS技术获取车辆位置及速度信息，通过ZigBee无线通信技术使车辆间能够彼此通信，在雾天为驾驶人员提供车距和路况等信息。 [0010] 采用RSSI(接受信号强度指示)及三边测量法结合的定位方法，接收信号强度会随着距离的增大而减弱，计算公式为：RSSI＝-(10nlgd+A)，式中：n是信号传播常数；d是待测节点与某一已知节点之间的距离；A是距离已知节点1m时的信号强度，属于经验值，可通过多次实验确定。 [0011] RSSI原理主要是利用事先设定已知节点的发射信号强度，待测节点根据接收到的信号强度计算出信号传播损耗，利用理论或经验将传输损耗转换为通信距离，再利用三边测量法计算出未知节点的位置坐标。三边测量法是选取一些点，将它们连成若干三角形，经过观察三角形各边长，再根据控制点的坐标、起始边的边长和坐标方位角，经过对三角形和坐标方位 角推算可得到三角形各边的边长和坐标方位角。 [0012] 利用RSSI及三边测量法结合的定位方法通过ZigBee功能模块对物体进行定位与测速，它的主要设计思路如下： [0013] 无线定位测速系统主要包括监控视频前端、ZigBee功能模块和控制中心3大部分，系统工作示意图如图1所示。 [0014] 该系统通过监控视频前端对经过的移动物体进行拍照，从而在控制中心找寻对应记录信息，并通过ZigBee功能模块对该物体进行定位与测速，将ZigBee功能模块计算得知的速度数据打包传输至控制中心，通过控制中心监控其运行速度。 [0015] ZigBee功能模块包括3种节点，分别为：已知位置(坐标)节点、待测物体未知(坐标)节点和协调器节点。该已知节点扮演着ZigBee无线网络中路由器的角色，它决定是否允许待测节点加入或退出该ZigBee无线测速网络，已知节点为无线测速系统中的已知坐标节点，将其安装在物体移动路线两侧。其坐标是由控制中心设定并通过协调器发送给各个已知节点，待测节点也属于ZigBee网络中的路由器，为无线测速系统中的移动节点。待测节点由工作人员事先安装在被测物体上，系统通过该待测节点识别该设备或物体的移动速度，从而监控物体的整个运行过程。 [0016] 所述ZigBee网络中的协调器节点是无线测速系统中的协调器，通过RS232串口线与控制中心相连，首先它要接收由控制中心提供的各已知节点的配置数据，并发送给相应的节点；其次，还要接收由待测节点发送来的各时间点位置信息和对应时间的数据包，进行计算得出待测节点在各时间点的速度值，并将其打包发送给控制中心；控制中心接到协调器节点发来的数据，对整个运行过程绘出物体的运动曲线，并给出平均速度值。 [0017] 上述现有技术中存在如下不足： [0018] RFID对工作环境要求较高，其测量距离通常在十多米的量级，需要在待测区域内部署大量的射频标签或无线读写器，系统造价较贵； [0019] 视频测速技术原理简单，实现也不复杂，但只适用于固定地点测速且测速前必须对摄像机进行标定，不利于移动方式使用，系统造价高； [0020] 基于雷达波束的测速方法误差较小，也可移动使用，但无法自组网，且单体造价高； [0021] 红外测速、超声波测速等技术，其发射信号可能对人体和环境有伤害，且需要红外激光或超声波发生器，造价高，对使用环境要求也较高。 [0022] 基于ZigBee技术的无线定位测速方法中，利用TOA原理定位技术，只能对室内物体定位，无法室外使用，且不具备测速功能；利用RSSI及三边测量法结合的定位测速方法需要使 用视频前端，系统造价高，且只能固定使用，测试前准备步骤复杂，且无法移动测速；利用GPS技术获取车辆位置及速度信息，通过ZigBee技术使车辆间彼此通信，严格而言，该方法并不是直接利用ZigBee技术对物体进行定位和测速，且遇大雾等恶劣天气时，GPS设备无法获得卫星信号，系统无法使用。 发明内容[0023] 本发明提供了一种基于ZigBee的一维无线测速方法及装置，其目的在于克服现有技术中测速系统需要配备视频装置，造价高且无法进行移动测速的问题。 [0024] 一种基于ZigBee的一维无线测速方法，将已知运动速度的节点作为测量节点，与测量节点位于同一直线上运动的速度未知物体作为待测节点，在两个节点上均安装能发射和接收信号的包含ZigBee芯片的测速装置，并由其中一个节点向另一节点发送两次信号，两次信号之间的间隔时间为预设间隔时间，然后利用节点分别接收到两次信号的时间、预设间隔时间和已知的信号传输速度来计算待测节点相对测量节点的速度。 [0025] 利用测量节点上的ZigBee芯片每间隔时间delt发送一次测量信号，待测节点上的ZigBee芯片接收测量信号并发送测量信号的响应信号，待测节点相对测量节点的速度V： [0026] [0027] 其中，delt1为测量节点前一次发出测量信号到收到响应信号的时间间隔，delt2为测量节点后一次发出测量信号到收到响应信号的时间间隔，测量节点前一次发出测量信号和后一次发出测量信号之间的间隔时间为delt，c为信号传输速度即光速。 [0028] 利用待测节点上的ZigBee芯片每间隔时间delt发送一次测量信号，测量节点上的ZigBee芯片接收测量信号，待测节点相对测量节点的速度V： [0029] V＝c·(1-delt3/delt) [0030] 其中，delt3表示测量节点从接收前一个测量信号到接收后一个测量信号之间的时间间隔，待测节点发出前一个测量信号到发出后一个测量信号之间的间隔时间为delt，c为信号传输速度即光速。 [0031] 一种基于ZigBee的一维无线测速装置，用于实现所述基于ZigBee的一维无线测速方法，该测速装置包含ZigBee芯片、MCU、天线及电源，所述ZigBee芯片、天线及电源均与MCU相连。 [0032] 所述测速装置安装在测量节点和待测节点上。 [0033] 有益效果 [0034] 本发明提供了一种基于ZigBee的一维无线测速方法及装置，将已知节点作为测量节点，与测量节点位于同一直线上运动的速度未知物体作为待测节点，在两个节点上均安装能发射和接收信号的包含ZigBee芯片的测速装置，并由其中一个节点向另一节点发送两次信号，两次信号之间的间隔时间为预设间隔时间，然后利用节点分别接收到两次信号的时间、预设间隔时间和已知的信号传输速度来计算待测节点相对测量节点的速度。该测速方法通过将结构简单的测速装置，安装在测量节点和待测节点上，利用信号在测量节点和待测节点之间传输，通过记录信号的收发间隔时间，采用MCU进行简单的运算即可获得待测节点相对测量节点的一维运动速度，大大降低移动测速成本。整个测速装置结构简单、成本低廉，大大降低了测速成本，易于推广。附图说明 [0035] 图1为现有技术中的无线定位测速系统的结构示意图； [0037] 图3为实施例一的测速模型示意图； [0038] 图4为实施例二的测速模型示意图。 具体实施方式[0039] 下面将结合附图和实施例对本发明做进一步的说明。 [0040] 一种基于ZigBee的一维无线测速方法，将已知节点作为测量节点，与测量节点位于同一直线上运动的速度未知物体作为待测节点，在两个节点上均安装能发射和接收信号的包含ZigBee芯片的测速装置，并由其中一个节点向另一节点发送两次信号，两次信号之间的间隔时间为预设间隔时间，然后利用节点分别接收到两次信号的时间、预设间隔时间和已知的信号传输速度来计算待测节点相对测量节点的速度。 [0041] 如图2所示，一种基于ZigBee的一维无线测速装置，用于实现所述基于ZigBee的一维无线测速方法，该测速装置包含ZigBee芯片、MCU、天线及电源，所述ZigBee芯片、天线及电源均与MCU相连。 [0042] 所述测速装置安装在测量节点和待测节点上。 [0043] 实施例一 [0044] 利用测量节点上的ZigBee芯片间隔时间delt发送一次测量信号，待测节点车辆节点上的 ZigBee芯片接收测量信号并发送测量信号的响应信号，待测节点相对测量节点的速度V： [0045] [0046] 其中，delt1为测量节点第一次发出测量信号并收到响应信号的时间间隔，delt2为测量节点第二次发出测量信号并收到响应信号的时间间隔，c为信号传输速度即光速。 [0047] 节点A作为测量节点，节点B作为待测节点； [0048] 节点A静止或运动，由于测量一次的时间周期很短(通常在1s以内)，因此在该周期内，节点A即使在运动状态，也可视为匀速运动，可建立以A点为原点的一维坐标系；节点B具有相对节点A的运动速度，同理也可视为匀速运动。建立测速理论模型如图3所示。 [0049] 1.节点A以间隔delt发出两个信号，发第一个信号时，B在B0点，假定信号从MCU到天线的间隔为t1，再经时间t2，节点B的天线在B1处收到A发送的第一个信号； [0050] 2.B的MCU一旦接收到测量信号即刻发送响应信号，由于硬件结构相同，因此经过2*t1时间，B的天线发出响应信号，此时，B已运动至B2点； [0051] 3.经时间t3，第一个响应信号返回至A点天线处，再经时间t1，到达A点MCU，此时B已运动至B3点。那么第一个信号来回的时间(在A点MCU处可测量)为： [0052] delt1＝t1+t2+2*t1+t3+t1＝t2+t3+4*t1 (1) [0053] 4.A点发出第二个信号时，B在B4点，A收到第二个响应信号时，B在B7点。同理可得，第二个信号来回的时间为： [0054] delt2＝t5+t6+4*t1 (2) [0055] 5.B从B0点运动至B4点，对应时间间隔为delt，假定B相对A速度为V，则[0056] AB0＝AB4+V*delt (3) [0057] 而AB0＝AB1+V*(t1+t2) (4) [0058] AB4＝AB5+V*(t1+t5) (5) [0059] 且有AB1＝c*t2 (6) [0060] AB5＝c*t5 (7) [0061] 其中c为光速。 [0062] 将式(4)～(7)代入式(3)，整理可得： [0063] t2–t5＝V*delt/(c+V) (8) [0064] 再由AB0＝AB2+V*(t1+t2+2*t1) (9) [0065] AB4＝AB6+V*(t1+t5+2*t1) (10) [0066] 且有AB2＝c*t3 (11) [0067] AB6＝c*t6 (12) [0068] 将式(9)～(12)代入式(3)，并结合式(8)，整理可得： [0069] t3–t6＝V*delt/(c+V) (13) [0070] 再将(1)–(2)得： [0071] delt1–delt2＝(t2–t5)+(t3–t6) (14) [0072] 将式(8)、式(13)代入式(14)，整理可得： [0073] V＝c*(delt1–delt2)/(2*delt–(delt1–delt2)) (15)[0074] 这就是节点B相对节点A的速度V的最终表达式，其中delt为预设值，delt1和delt2在A点MCU处均可测量，c为光速。如果V为正表示B点正趋向A，V为负表示B点正远离A点运动。 [0075] 实施例二 [0076] 利用待测节点上的ZigBee芯片间隔时间delt发送一次测量信号，测量节点上的ZigBee芯片接收测量信号，待测节点相对测量节点的速度V： [0077] V＝c·(1-delt3delt) [0078] 其中，delt3表示测量节点从接收第一个测量信号到接收第二个测量信号之间的时间间隔，c为信号传输速度即光速。 [0079] 节点A作为测量节点，节点B作为待测节点； [0080] 节点A静止或运动，由于测量一次的时间周期很短(通常小于1秒)，因此在该周期内，节点A即使在运动状态，也可视为匀速运动，因此可建立以A点为原点的一维坐标系；节点B具有相对节点A的运动速度，同理也可视为匀速运动。建立测速理论模型如图4所示。 [0081] 1.节点B以间隔delt发出两个信号，B的MCU发出第一个信号时，B在B0点；假定信号从MCU到天线的时间间隔为t1，第一个信号从B的天线发出时，B在B1点；再经时间t2，节点A的天线收到B发送的第一个信号，此时B在B2处；再经时间t1，A的MCU收到第一个信号，此时B在B3处； [0082] 2.A的MCU一旦接收到第一个测量信号即开始计时； [0083] 3.B点在发出第一个信号后，经过预设时间值delt其MCU发出第二个信号，此时B在B4点；B点天线发出时B在B5点；再经时间t5，节点A的天线收到B发送的第二个信号， 此时B在B6处；再经时间t1，A的MCU收到第二个信号，计时结束，计时时间长度为delt3，此时B在B7处； [0084] 4.B从B0点运动至B4点，对应时间间隔为delt，假定B相对A速度为V，则[0085] B0B4＝V*delt＝(c*t2+V*t1)–(c*t5+V*t1) [0086] ＝c*(t2–t5) (16) [0087] 而delt3＝(delt+t1+t5+t1)–(t1+t2+t1) [0088] ＝delt–(t2–t5) (17) [0089] 联立(16)、(17)式可得 [0090] V*delt＝c*(delt–delt3) [0091] 即V＝c*(1–delt3/delt) (18) [0092] 其中c为光速。 [0093] 这就是根据被动测速方法推导出节点B相对节点A的速度V的最终表达式，其中delt为预设值，delt3在A点MCU处可测量，c为光速。如果V为正表示B点正趋向A，V为负表示B点正远离A点运动。 |
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