西安电子科技大学

西安电子科技大学国家大学生创新性实验计划项目申请书 项目名称： 基于GPRS-ZigBee立体网络的 城市交通诱导信息实时发布系统 项目负责人： 赵炜 指导老师：马佩军所在院系：微电子学院研究起止时间：2008年4月至 2009年4月 西安电子科技大学教务处二八年三月制 填表说明一、项目申请书要按顺序逐项填写，空缺项要填“无”。要求一律用A4纸打印，于左侧装订成册。二、项目申请书中栏目“一至九”由学生填写，栏目“十至十二”由教师填写，栏目“十三”由学院负责人填写。三、项目申请书由所在学院审查、签署意见后，一式五份（均为原件），报送教务处教学研究科。项目名称基于GPRS-ZigBee立体网络的城市交通诱导信息实时发布系统项目来源教师的科研项目 学生自选题目申请经费1.75万项目完成时间2009年4月申请人(团队)姓名学号性别身份证号码专业班级联系电话手机E-mail赵炜14061118男61043119880607003X微电子学140612班029-8189573815934883266zhaowei003x王健14062130男370283198705188317集成电路与集成系统140622班029-8189574613468623183jianwsdl雷登云14062197男142431198801217513集成电路与集成系统140622班029-8189571815319900881leidengyun一、项目组成员情况介绍（包括自身具备的知识条件，有何特长、兴趣，参加哪些科技事件创新活动等）赵炜，微电子学院2006级学生。2006年开始接触嵌入式系统设计相关知识，在学校嵌入式实验室杨刚主任的指导下开始学习嵌入式系统设计，并于2007年暑假参加嵌入式实验室本科科研训练计划，初步掌握ARM7系列STR750芯片.期间参与“Zigbee煤矿井下人员定位系统”的设计。目前正在深入学习ZigBee无线通信技术。王健，微电子学院2006级学生。2007年初接触单片机，并产生浓厚兴趣。2007年寒假期间在青岛澳波泰克公司实习，以PIC12F685单片机为平台学习了单片机的基础知识。大一下学期开学后，开始研究ATMELmega8 八位单片机，目前已熟练应用。2007年7月10日至8月15日在校嵌入式系统实验室学习，对STR750和PXA270三十二位单片机进行研究，并在此期间协助参与了挑战杯项目“老人助理系统”。作品“指间音乐”获19届星火杯校一等奖.雷登云，喜欢电子制作，编程。2007年参加星火杯，作品“显微镜坐标定位系统”获得了校特等奖。2007年参加过学校举办的程序设计比赛，获得校二等奖。参加了INTEL嵌入式培训，并通过笔试。选修学习过工科数学实验，/C+软件设计等，有较好的数学与理工科基础。二、项目研究背景 随着城市规模的扩大, 人们社会活动的增多,交通需求量迅速上升, 因为交通参与的随意性和无规律性，使交通管理者无法提前规划，也因此加剧了城市交通管理的压力，交通拥堵和事故频繁发生,越来越严重地困扰着各大城市, 据不完全统计，道路堵塞在欧盟国家造成的损失可达GDP总量的2%，我国每年因为交通拥挤而造成的经济损失约为2000 亿人民币。城市交通拥挤现象非常严重, 但并不是所有的道路同时处于拥挤状况, 有相当一部分道路, 交通仍然很畅通, 所以, 如果能使车辆均衡地分配在道路网络上, 交通拥挤现象将有望大幅度改善。交通诱导是解决交通拥挤的有效途径, 它通过调整驾驶员的行驶路线使得路网交通流量分配达到所希望的状态, 实现路网交通流量的均衡分配。由于它能防止交通拥挤, 减少车辆在道路上的运行时间,因而成为当前国际上的热门研究领域。交通诱导系统可分为三个部分：交通信息的采集、诱导信息的生成、诱导信息的发布。如何利用现代通信技术将诱导信息及时发布给用户则成为交通诱导系统的关键技术。三、国内外的研究现状及研究意义研究现状：目前比较普遍的交通诱导信息发布途径为手机短信、交通电台、Internet、VMS等。国际上主要有三种交通诱导信息发布系统：美国的TravTek系统、日本的VICS系统以及欧洲的RDS- TMC系统，而这三种发布方式都是基于专用网络进行发布的，开发、建网和运营成本较高。国内现阶段主要以调频广播和诱导信息发布牌的方式发布诱导信息，然而这些途径都只能通过文字或语音形式发布静态交通诱导信息，并不能满足日益扩大的城市交通规模和瞬息万变的城市交通情况的需求。研究意义：城市交通诱导系统是智能交通系统研究的一个重要内容，诱导信息的发布又是其中的关键技术。基于无线通信网络的交通诱导信息发布系统可以实时的将动态路况信息直接发布给城市交通的参与者，以便其自主选择最佳出行路线，减少盲日交通对路网造成的压力，也有利于城市的可持续发展，符合人性化设计的理念。四、项目研究的目标及主要内容目标：本项目以国外专用交通诱导信息发布系统成本过高和国内现有发布途径缺乏实时性的矛盾为出发点，利用现有的移动GPRS网络和ZigBee自组织无线网络构建新型实时化交通诱导信息发布系统。主要内容：系统结构图如下：交管中心服务器通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络，GPRS基站通过无线网络将数据发送给路口固定节点，路口固定节点与该路口所有车载终端形成星状ZigBee网络,将实时交通信息通过广播形式发送给网络中的所有车载终端。车载终端将自身身份识别码发送给固定节点供特定追踪使用。该项目研究的核心内容可分为以下几点：、网络系统：研究GPRS-ZigBee立体网络在实时路况信息发布系统中的应用。通过构建由一个中央发送端、两个固定节点和两个车载终端构成的简易网络模型验证GPRS-ZigBee立体网络的可行性； 、信息传输模式：研究实时路况信息的格式定义，打包与解包方式，信息的加密与识别，路况信息的刷新方式，信息流的纠错，以及特定车辆追踪信息的采集与反馈；、硬件系统的设计：设计路口固定节点和车载终端两个硬件模块。固定节点模块整合GPRS、ZigBee两种通信模块，完成信息在上下两层网络之间的互通，并提供软件和硬件预留接口，以供扩展功能之用；车载终端由ZigBee模块、微处理器和显示屏组成，主要完成路况信息的接收、处理和显示以及追踪信号的反馈功能； 4、软件系统设计：车载终端采用Linux操作系统，设计终端电子地图标识软件，在已有电子地图上面根据接收到的实时路况信息以不同颜色标注各路段拥堵等级、意外事故点等信息；各通信模块间设计相应软件接口、信息发送通道。五、项目创新特色概述（50字以内）1、采用GPRS-ZigBee双层立体网络结构，成本低，易维护，符合中国国情;2、实时诱导信息直接发布到每个交通参与者，并以图形方式显示，符合人性化设计理念；3、ZigBee身份识别功能可对特定车辆进行追踪； 六、项目实施方案及实施计划实施方案： 系统共分为三层，交管中心通过一条2M APN专线接入移动公司GPRS网络，将实时路况信息传送给移动运营商（此部分不做研究）；路口固定节点通过GPRS模块接收由基站发送的数据并进行验证后通过ZigBee模块以广播的形式发送给星状ZigBee局域网内的所有车载移动终端，并获取各终端的标识代码供特定追踪使用；车载终端对接收到的路况信息进行解包处理并以图形方式标识在电子地图上面，完成实时交通诱导信息的发布任务。1、无线通信网络解决方案： a. 中心控制系统和路口固定节点间的无线通信方案（GPRS）： 传统的交通信号优化不外乎通过有线专网、调频电台和GSM短消息这三种方式，但是这些传统的通讯方式存在着很大的问题:例如有线专网传输方式的可靠性、实时性较差，受环境限制，铺设费用比较大，维修比较困难；调频电台实时性差，针对性差；GSM短信容量有限，只适合于突发事件的发布等。 采用GPRS网络的优势相对于传统的交通信息发布手段，采用现代的GPRS无线传输方式发布路况信息其优势则要明显的多。GPRS网络具有覆盖范围广，实时永远在线的特点，而且支持标准的互联网协议，有着很好的兼容性。GPRS用户的接入速度大概在30kbps40kbps，在使用数据加速系统后，速率体现大概在60kbps80kbps左右。我们每次要发的信息量不超过40kb(按照五千条路,每条路1字节信息量计算),发送时间一秒左右.这样,发送速度远高于路况更新速度,并且能够双向数据传送，因此使用GPRS能够满足系统的要求。 目前GPRS网络的优势体现在以下几点:建设周期短，节省建设费用。.使用GPRS可以充分利用现有移动通信网络，节省网络建设成本；其次，目前手机通信模块很多（如SIMCOM系列，WAVECOM系列，GTM900），技术成熟向通信模块发送相应AT指令即可实现GPRS通信，开发难度小，周期短;提高了数据的安全性和可靠性。用于GPRS专网的SIM卡仅开通该专用APN，限制使用其他APN。得到APN后，给所有监控点及中心分配移动内部固定IP。移动终端和服务器平台之间采用端到端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离，并在防火墙上进行IP地址和端口过滤,可靠性和安全性能大大提高； 二次开发容易，网络维护简单。GPRS模块内嵌TCP/IP协议，开发时只需提供数据接口，无需软件重复开发。b. 路口固定节点与车载终端间的无线通信方案(ZigBee)：路口固定节点与车载终端的通信对带宽和传输速率要求弱，却对传输可靠性、安全性、自动组网能力以及使用成本要求苛刻。采用Zigbee网络系统本身所使用的频段为2.4Ghz的免费频段（ISM），采用的是保密性好，抗干扰能力强的直序扩频通信方式。ZigBee可自动组网，形成以路口固定节点为中心的星状拓扑结构。ZigBee模块成本低，功耗小，利于系统的建设，维护和推广。 几种短距离无线通信方式对比：种类Zigbee蓝牙Wi-Fi单点覆盖距离50 -300m10 米50 米网络扩展性自动扩展无无电池寿命数年数天数小时传输速率250Kbps1 Mbps1 to 11 Mbps频段868Mhz-2.4GHz2.4 GHz2.4 GHz网络节点数65000850联网所需时间仅 30 毫秒高达10 秒3 秒终端设备费用低低高安全性128 bit AES64bit,128bitSSID使用成本低低一般安装使用难易非常简单一般难 c. GPRS-ZigBee双层立体通信模型的优点： 交通诱导信息发布具有信息量大，信息重复性大以及信息更新快的特点，采用单一的一维点对点通信模型有一定缺陷，例如采用单一的GPRS通信方式发布信息，将增加交通参与者的使用成本；采用单一的ZigBee网络则需架设广泛的网络节点，增加模块的通信压力和网络建设成本。 采用GPRS-ZigBee双层立体通信模型则既降低的交通管理部门架设网络节点的成本又降低了交通参与者的使用成本，同时便于信息的分块管理，以及网络功能的可扩展性均有所提高。2、信息传输模式解决方案： 对于硬件驱动接口软件，采用的软件将数据库中的数据以一定的方式的进行压缩，添加自定义的软件验证代码，通过头部的定位最大程度的将数据进行压缩，提高数据的有效率，以最快的方式将数据传达到车载终端，达到最高的效率。3、车载终端解决方案：车载终端要求体积小巧、功能强、价格低廉、稳定可靠。车载终端以Linux系统为软件平台，Linux是一种针对小容量、移动式、智能化设备的多任务、抢占式、模块化的嵌入式操作系统。以ARM9为处理芯片，以ARM9实验版为硬件平台。在设计中主要以LCD彩色屏为显示端，通过一个方向键作为方向控制器，辅助两个控制键来实现地图的放大与缩小。本系统通过颜色为路况的辨别特征，直观的体现了路面交通的现状。对于特殊车辆通过和意外交通事故显现以一种不同的闪烁，体现其紧急性，从而为特殊车辆提供最快的特殊通道。、软件解决方案： 使用C+制作一个基本的城区地图。通过获得的路况交通，分别标以1-4（代表道路的通畅情况）。并将其写入数据库。通过GRRS网络，将数据库中的信息发到路面节点。路面节点将收到的数据重新编码，采用ZegBee的发送方式，以广播的形式发送到附近汽车的接收端。汽车接收端验证了数据完整性后，写入自身的数据库中。驱动模块：采用现有的硬件驱动程序，加载到linux系统中。在软件设计上采用多重验证，保证数据的完整性。将获取的数据写入系统自带数据库，而不是直接转发，提高稳定性的同时提高了安全性。实施计划： 第一阶段：准备阶段，08.0408.07。四个月的信息采集，产品详细设计和知识学习阶段。在此阶段，信息采集方面，我们将广泛调研，确定交通路况分级方式以及数据传输格式等；硬件方面，选好适合我们产品的Zigbee和GPRS模块；建立路口固定节点和车载终端的模型。软件方面，我们要选好车载终端软件的开发平台，并学习其开发技术。同时对于软硬件接口我们要制定详细方案。第二阶段：实现阶段，08.0808.12。四个月的项目详细制作阶段。在此阶段我们会完成车载终端的制作和通信网络模型的搭建。基本是分离制作。在制作阶段，我们会时时记录文档，经常讨论，不让通信终端和通信架构产生分歧。第三阶段：整合及测试阶段，09.0109.04。三个月的整合和测试。在此阶段，我们会把项目模型的各个部分整合在一起，测试软件和硬件的结合情况。测试项目功能，处理整合时出现的问题。完成项目的文档制作。如果时间允许，我们还会扩展项目的功能。七、成员分工情况 赵炜：主要负责通信系统硬件以及接口的设计，负责项目管理以及文档整理工作； 王健：主要负责车载终端硬件部分以及接口的设计与调试； 雷登云：主要负责系统软件的设计和数据传输阶段的调试。八、预期成果及成果形式 预期成果：、通过小规模搭建网络模型实现诱导信息发布过程；、利用接收到的诱导信息在车载终端电子地图上标注各路段拥堵指数；、固定节点对车载终端识别并监视特定车辆行踪。 成果形式：样机模型：两个车载终端、两个固定节点、一个中央发送节点构成简易的交通诱导信息发送系统。九、资助经费使用计划 本项目共申请经费1.75万元使用计划：、4000元购买所需求的zigbee模块及开发平台；2、6000元购买要整合的ARM微处理器及其开发平台（两块开发板，三块实验板）；3、3500元购买所需求的GPRS模块及开发平台；、4000元作为前期项目调研、软件系统开发和系统调试费用。申请人签名： 年 月 日 导 师姓名马佩军性别男出生年月1972.2职称副教授职务系主任所属院系微电子学院联系电话029-88202073手机13991208595E-mailpjma十、指导教师科研项目情况指导教师基本情况：1994和1997年分别获得西安电子科技大学本科与硕士学位，于2001年3月获得西安电子科技大学“微电子学与固体电子学”学科工学博士学位，同年留校任教至今。在微电子学院先后承担过7门本科、工程硕士、工学硕士课程教学，2006年曾赴欧洲微电子中心(IMEC)培训进修，并获得20052006年度西安电子科技大学优秀教师称号。 近年来先后参与国家科技攻关、国家预研、预研基金、863科技计划等科研项目，并主持自然科学基金“超深亚微米铜互连可靠性研究”等研究计划，科研项目计划经费总和超过200万元，发表学术论文数十篇。十一、指导教师能否提供实验场地，如何解决实验场地的问题 能够协助解决部分实验场地。十二、指导教师意见及具体的指导计划1. 该项目有较好的技术基础，研究内容有较大的潜在应用价值。2. 从项目技术水平来看，比较适合本科同学作为科技攻关项目。3. 计划提供老校区微电子学院现有科研场所和条件，支持该项目的具体研究。4. 项目分为系统研究和技术实现两大部分，系统研究方面，拟组织相关同学探讨交通系统中GPRS和ZigBee的应用点，建立简易模型，对具体方案的优缺点进行评估。技术实现方面，对GPRS、ZigBee、ARM/Linux三种开发板的通信协作方面，进行具体的技术指导、协助调试和应用软件功能设计。 指导教师签名： 年 月 日十三、学院意见 负责人（签字）： （公章） 年 月 日十四、评审委员会意见 组长（签字）： 年 月 日十五、学校意见负责人（签字）： （公章） 年 月 日13