草丁图书馆

  1. 首页 > 生活百科 >

以ZigBee技术为核心的机动车综合检测系统方案

提出了一种以ZigBee技术为核心的机动车综合检测系统方案,以CC2430无线通信芯片和LPC2292微控制器为核心设计了数据采集终端节点和网络协调器 ， 并对系统的数据收发过程以及无线网络组网过程进行了详细分析,给出了关键技术实现过程 。
    随着无线技术应用领域的不断扩展 ， 工业控制领域开始使用无线通信技术进行现场数据传输 ， 与有线设备相比 ， 无线通信技术具有成本低、无需布线等优点 。近年来 ， 面向低成本的无线网络通信标准ZigBee备受关注 ， 不断开发出基于ZigBee标准的无线网络通信设备及基于ZigBee标准的无线网络通信技术(以下简称ZigBee技术) 。ZigBee标准是建立在IEEE 802.15.4协议的基础之上 ， 具备强大的设备联网功能 。它主要支持三种自组织的无线网络类型：星型网络、对等网络、簇树状网络 。网络系统节点具有多跳路由功能 ， 特别是能够组成蜂窝网状网络结构 ， 因此 ， 具有很强的网络健壮性和系统可靠性 。
ZigBee技术具有低功耗、低成本、短时延、高容量、免布线等特点 ， 以其为核心对现有的机动车检测系统进行技术升级 ， 将极大地简化系统结构 ， 降低生产及维护成本 。
1 系统总体设计
完整的机动车检测系统一般由后台管理系统、前台控制系统、现场检测系统三部分组成 。后台管理系统由服务器、办公系统、收费机等组成；前台控制系统由主控计算机系统、前置板、光电开关、网络系统、录入程序、通信服务程序等组成；现场检测系统由CO/HC分析仪、烟度计、车速检验台、轮重仪、制动检验台、侧滑检验台、前照灯检测仪、声级计及二次仪表等组成 。基于ZigBee无线网络的检测系统框图如图1所示 。
    在检测系统中采用星型拓扑结构 ， 只有一个网络协调器控制整个网络的通信 ， 主要完成网络同步和维护设备之间的链接管理 。在网络中 ， 终端设备之间不能直接通信 ， 只能通过网络协调器配合完成设备之间的通信 。
现场检测系统中每一个检测工位的检测设备均内置ZigBee模块成为无线终端节点 ， 网络协调器通过UART接口与前台控制系统中的主控机相连 。应用时 ， 将终端设备(终端节点)连接于现场检测设备；基站(协调器)连接于前台主控制机 。终端设备部分对实时采集的数据进行滤波处理计算 ， 处理后的数据通过芯片CC2430内部集成的ZigBee射频( RF)前端调制成模拟信号发送出去 。基站部分的CC2430将收到的远程数据解调后通过UART接口传输给上位机 ， 进一步对数据进行处理、分析、显示、存储和共享 。由于设备一次性置于现场数据采集点 ， 无需额外布线 ， 降低了施工难度和成本 。同时 ， 即使某一设备出现故障 ， 也不会影响其他设备的正常工作 ， 增强了系统的可靠性和稳定性 。由于可以将设备带离现场数据采集点 ， 也使检修工作更加方便快捷 。
2 终端节点与协调器设计
终端节点由ZigBee芯片CC2430、LPC2292、外存储器Flash、ADC模块、RS232及RS485接口组成 ， 负责现场检测数据的采集、存储与无线发送 。终端节点硬件原理图如图2所示 。CC2430是IEEE802.15.4标准的低成本、低功耗单片高集成度的解决方案 ， 工作在ISM免费频带上 ， 工作频率为2.4 GHz 。
　终端节点相当于通信协议转换器 ， 根据所连接的检测设备（如CO/HC 分析仪、烟度计、车速检验台、轮重仪、制动检验台等）的接口特性设置了相应的通信接口(RS485、RS232以及A/D采样接口) ， 直接进行数据采集与分析 。控制模块主芯片是ARM7TDMI-S内核的LPC2292 ， 最高工作频率为60 MHz,内含256 KB的Flash空间和16 KB的RAM空间 ， 外围控制部分包括定时器模块、捕捉/比较模块、A/D转换模块、SPI接口和USART串口等 ， 完成系统的控制和处理功能 。
   CC2430与主控制器是通过SPI连接的 ， 其中主控制器处于主模式 ， CC2430处于从模式 。LPC2292还有4个I/O与CC2430相连 ， 主要作用为必要时查询CC2430的状态 。CC2430使用SFD、 FIFO、 FIFOP和CCA 4个引脚表示收发数据的状态 。SFD脚高电平表示处于接收状态；FIFO和FIFOP引脚表示接收FIFO缓存区的状态；CCA引脚在信道有信号时输出高电平 ， 它只在接收状态下有效 。CC2430是一个半双工的RF芯片 ， 在同一时刻只处于一种工作状态 。CC2430有15个命令寄存器 ， 每个寄存器都有一个固定的地址 。发送缓冲与接收缓冲是分开的：TXFIFO、RXFIFO各128 bit 。
协调器的硬件结构与终端节点类似 ， 在此不再赘述 。数据传输的格式规定如表1,帧数据格式为：检测工位编号（1B）+数据内容（4B） 。
2.1 硬件数据发送程序
　发送程序首先通过查询状态字来确保CC2430允许发送 ， 若允许发送 ， 程序先把残留在TXFIFO中的信息清空 ， 然后将待发送的数据包通过SPI写入TXFIFO中 。然后通过SPI接口触发发送命令,即STROBE_ STXONCCA 。通过状态位来判断是否发送成功 ， 若不成功则调用CSMS/CA的算法多次尝试；若发送成功 ， 则向上层返回发送成功的原语 。程序流程如图3所示 。
2.2 硬件数据接收程序
　当CC2430接收到一个有效的数据包后 ， 会通过拉高FIFOP引脚电平指示数据包的到来 。主控制器检测到FIFOP的高电平会触发外部中断 ， 利用中断函数来接收数据 ， 此中断优先级设为最高 。程序流程如图4所示 。
3 网络建立与通信
　本文设计的网络系统未使用ZigBee联盟定义的标准配置文件 ， 而在应用程序中对网络进行配置 。设置节点的最大子节点数为5 ， 网络深度为3 ， 子节点中最大路由器个数为3 ， 由此可计算出网络最大节点数为66 。
　在ZigBee技术定义的LR-WPAN中 ， 网络建立的起点是PAN网络协调器(PAN Coordinator) 。节点在两种情况下将建立一个新的PAN网络： (1)在主动扫描时没有收到任何信标帧； (2)收到的信标帧参数与自身节点能力不相匹配 。
　建立PAN网络步骤如下：
　(1)协调器节点加电后 ， 首先由网络层发布NLME-NETWORK-FORMATION.request 原语 ， 之后由网络层管理实体(NLME)请求MAC层检测网络信道 ， 通过发布MLME-SCAN.request 原语扫描有效信道能量 ， 扫描完成后的结果由MLME-SCAN.confirm 原语返回至网络层管理实体 。NLME根据能量检测结果将能量水平较低的信道丢弃不用 ， 之后对选出的信道进行主动扫描 ， 最终找出建立网络的最佳信道（默认为18信道） 。
　(2)选择网络标识 。每一个网络都分配有一个独立的网络标识PAN ID 。网络中的设备根据此标识来确认自己所属的网络 。在完成第一步的工作之后 ， 协调器节点在此信道上选择一个随机的网络标识 ， 并开始侦听该信道 。本系统采用18号信道对应的PAN ID编号0x1aab 。
　(3)设定网络地址 。一旦网络标识被选定 ， NLME将选择一个16位网络地址 ， 同时通过发布MLME-SET. request原语修改MAC子层的PIB属性macShortAddress ， 与其保持一致 。此时NLME将向MAC层发布MLME START.request 原语开始一个新的PAN的操作 。然后 ， 网络层管理实体(NLME)通过发送NLME-NETWORK-FORMATION.confirm 原语将初始化ZigBee协调器的执行结果通知上一层 。
　在ZigBee协调器设备建立网络后 ， 终端设备可作为子节点加入协调器建立的网络 ， 子节点加入网络的方式有两种：通过MAC层关联方式加入网络；通过指定的父节点直接方式加入网络 。本文取前种方式 。            
　首先子节点调用NLME-NETWORK-DISCOVERY.request 原语 ， 设定待扫描的信道以及每个信道扫描的时间 ， 一旦MAC层完成了扫描 ， 将发送 MLME-SCAN.confirm 原语,告知网络层 ， 网络层将发送NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm 原语 ， 告知应用层 ， 应用层从关联表中选择所发现的网络加入 。一旦潜在的父节点确定 ， 网络层将调用MLME-ASSOCIATE.request 原语到MAC层 。当收到节点的入网请求后 ， 协调器的MAC层会将分配给子节点的16 bit网络地址与其IEEE 64 bit网络地址存入AddressMap ， 并在NeighborEntry中加以记录 。协调器将在关联表中创建一个表项 ， 作为其子节点 ， 并通过MLME-ASSOCIATE.reponse 原语 ， 将16 bit网络地址包含在确认信息中返回终端节点 。
　图5是协调器组网以及终端节点入网的相关信息显示 。在调试模式下硬件通过串口向计算机发送数据 ， 串口传输设置为:速率9 600 b/s, 8位数据位 ， 1位起始位 ， 1位停止位 ， 无奇偶校验 。图5左侧显示了协调器组网及添加子节点的过程 ， 右侧则显示了子节点入网过程 。
【以ZigBee技术为核心的机动车综合检测系统方案】
　ZigBee是一种高性能的短距离、低速率无线网络技术 ， 具有广泛的应用前景 。机动车检测系统终端设备较多、现场环境复杂 ， 采用ZigBee技术来构建无线传感器网络、实现对各检测工位数据的实时处理 ， 具有组网简单、系统花费少、扩展网络容易、通信稳定、维护简便等优点 ， 这是机动车检测系统集成化、智能化的新趋势 。

    推荐阅读


    上一篇：TPMS 传感器模块技术分析

    下一篇：TPMS技术及轮胎定位原理的电路设计