基于ZigBee技術(shù)的機(jī)動車綜合檢測系統(tǒng)的研究
隨著無線技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，工業(yè)控制領(lǐng)域開始使用無線通信技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸，與有線設(shè)備相比，無線通信技術(shù)具有成本低、無需布線等優(yōu)點。近年來，面向低成本的無線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)ZigBee備受關(guān)注，不斷開發(fā)出基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備及基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)(以下簡稱ZigBee技術(shù))。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是建立在IEEE 802.15.4協(xié)議的基礎(chǔ)之上，具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能。它主要支持三種自組織的無線網(wǎng)絡(luò)類型：星型網(wǎng)絡(luò)、對等網(wǎng)絡(luò)、簇樹狀網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點具有多跳路由功能，特別是能夠組成蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，因此，具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。
ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、短時延、高容量、免布線等特點，以其為核心對現(xiàn)有的機(jī)動車檢測系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級，將極大地簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)及維護(hù)成本。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
完整的機(jī)動車檢測系統(tǒng)一般由后臺管理系統(tǒng)、前臺控制系統(tǒng)、現(xiàn)場檢測系統(tǒng)三部分組成。后臺管理系統(tǒng)由服務(wù)器、辦公系統(tǒng)、收費(fèi)機(jī)等組成；前臺控制系統(tǒng)由主控計算機(jī)系統(tǒng)、前置板、光電開關(guān)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、錄入程序、通信服務(wù)程序等組成；現(xiàn)場檢測系統(tǒng)由CO/HC分析儀、煙度計、車速檢驗臺、輪重儀、制動檢驗臺、側(cè)滑檢驗臺、前照燈檢測儀、聲級計及二次儀表等組成?；赯igBee無線網(wǎng)絡(luò)的檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示?！?p style="TEXT-ALIGN: center">
在檢測系統(tǒng)中采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，只有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器控制整個網(wǎng)絡(luò)的通信，主要完成網(wǎng)絡(luò)同步和維護(hù)設(shè)備之間的鏈接管理。在網(wǎng)絡(luò)中，終端設(shè)備之間不能直接通信，只能通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器配合完成設(shè)備之間的通信。
現(xiàn)場檢測系統(tǒng)中每一個檢測工位的檢測設(shè)備均內(nèi)置ZigBee模塊成為無線終端節(jié)點，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過UART接口與前臺控制系統(tǒng)中的主控機(jī)相連。應(yīng)用時，將終端設(shè)備(終端節(jié)點)連接于現(xiàn)場檢測設(shè)備；基站(協(xié)調(diào)器)連接于前臺主控制機(jī)。終端設(shè)備部分對實時采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理計算，處理后的數(shù)據(jù)通過芯片CC2430內(nèi)部集成的ZigBee射頻( RF)前端調(diào)制成模擬信號發(fā)送出去?；静糠值腃C2430將收到的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)解調(diào)后通過UART接口傳輸給上位機(jī)，進(jìn)一步對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、顯示、存儲和共享。由于設(shè)備一次性置于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集點，無需額外布線，降低了施工難度和成本。同時，即使某一設(shè)備出現(xiàn)故障，也不會影響其他設(shè)備的正常工作，增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。由于可以將設(shè)備帶離現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集點，也使檢修工作更加方便快捷。
2 終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器設(shè)計
終端節(jié)點由ZigBee芯片CC2430、LPC2292、外存儲器Flash、ADC模塊、RS232及RS485接口組成，負(fù)責(zé)現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的采集、存儲與無線發(fā)送。終端節(jié)點硬件原理圖如圖2所示。CC2430是IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低成本、低功耗單片高集成度的解決方案，工作在ISM免費(fèi)頻帶上，工作頻率為2.4 GHz。
終端節(jié)點相當(dāng)于通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器，根據(jù)所連接的檢測設(shè)備（如CO/HC 分析儀、煙度計、車速檢驗臺、輪重儀、制動檢驗臺等）的接口特性設(shè)置了相應(yīng)的通信接口(RS485、RS232以及A/D采樣接口)，直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析。控制模塊主芯片是ARM7TDMI-S內(nèi)核的LPC2292，最高工作頻率為60 MHz,內(nèi)含256 KB的Flash空間和16 KB的RAM空間，外圍控制部分包括定時器模塊、捕捉/比較模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、SPI接口和USART串口等，完成系統(tǒng)的控制和處理功能。
CC2430與主控制器是通過SPI連接的，其中主控制器處于主模式，CC2430處于從模式。LPC2292還有4個I/O與CC2430相連，主要作用為必要時查詢CC2430的狀態(tài)。CC2430使用SFD、 FIFO、 FIFOP和CCA 4個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。SFD腳高電平表示處于接收狀態(tài)；FIFO和FIFOP引腳表示接收FIFO緩存區(qū)的狀態(tài)；CCA引腳在信道有信號時輸出高電平，它只在接收狀態(tài)下有效。CC2430是一個半雙工的RF芯片，在同一時刻只處于一種工作狀態(tài)。CC2430有15個命令寄存器，每個寄存器都有一個固定的地址。發(fā)送緩沖與接收緩沖是分開的：TXFIFO、RXFIFO各128 bit。
協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)與終端節(jié)點類似，在此不再贅述。數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷揭?guī)定如表1,幀數(shù)據(jù)格式為：檢測工位編號（1B）+數(shù)據(jù)內(nèi)容（4B）。
2.1 硬件數(shù)據(jù)發(fā)送程序
發(fā)送程序首先通過查詢狀態(tài)字來確保CC2430允許發(fā)送，若允許發(fā)送，程序先把殘留在TXFIFO中的信息清空，然后將待發(fā)送的數(shù)據(jù)包通過SPI寫入TXFIFO中。然后通過SPI接口觸發(fā)發(fā)送命令,即STROBE_ STXONCCA。通過狀態(tài)位來判斷是否發(fā)送成功，若不成功則調(diào)用CSMS/CA的算法多次嘗試；若發(fā)送成功，則向上層返回發(fā)送成功的原語。程序流程如圖3所示。
2.2 硬件數(shù)據(jù)接收程序
當(dāng)CC2430接收到一個有效的數(shù)據(jù)包后，會通過拉高FIFOP引腳電平指示數(shù)據(jù)包的到來。主控制器檢測到FIFOP的高電平會觸發(fā)外部中斷，利用中斷函數(shù)來接收數(shù)據(jù)，此中斷優(yōu)先級設(shè)為最高。程序流程如圖4所示。
3 網(wǎng)絡(luò)建立與通信
本文設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)未使用ZigBee聯(lián)盟定義的標(biāo)準(zhǔn)配置文件，而在應(yīng)用程序中對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置。設(shè)置節(jié)點的最大子節(jié)點數(shù)為5，網(wǎng)絡(luò)深度為3，子節(jié)點中最大路由器個數(shù)為3，由此可計算出網(wǎng)絡(luò)最大節(jié)點數(shù)為66。
在ZigBee技術(shù)定義的LR-WPAN中，網(wǎng)絡(luò)建立的起點是PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(PAN Coordinator)。節(jié)點在兩種情況下將建立一個新的PAN網(wǎng)絡(luò)： (1)在主動掃描時沒有收到任何信標(biāo)幀； (2)收到的信標(biāo)幀參數(shù)與自身節(jié)點能力不相匹配。
建立PAN網(wǎng)絡(luò)步驟如下：
(1)協(xié)調(diào)器節(jié)點加電后，首先由網(wǎng)絡(luò)層發(fā)布NLME-NETWORK-FORMATION.request 原語，之后由網(wǎng)絡(luò)層管理實體(NLME)請求MAC層檢測網(wǎng)絡(luò)信道，通過發(fā)布MLME-SCAN.request 原語掃描有效信道能量，掃描完成后的結(jié)果由MLME-SCAN.confirm 原語返回至網(wǎng)絡(luò)層管理實體。NLME根據(jù)能量檢測結(jié)果將能量水平較低的信道丟棄不用，之后對選出的信道進(jìn)行主動掃描，最終找出建立網(wǎng)絡(luò)的最佳信道（默認(rèn)為18信道）。
(2)選擇網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識。每一個網(wǎng)絡(luò)都分配有一個獨立的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識PAN ID。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備根據(jù)此標(biāo)識來確認(rèn)自己所屬的網(wǎng)絡(luò)。在完成第一步的工作之后，協(xié)調(diào)器節(jié)點在此信道上選擇一個隨機(jī)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識，并開始偵聽該信道。本系統(tǒng)采用18號信道對應(yīng)的PAN ID編號0x1aab。
(3)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)地址。一旦網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識被選定，NLME將選擇一個16位網(wǎng)絡(luò)地址，同時通過發(fā)布MLME-SET. request原語修改MAC子層的PIB屬性macShortAddress，與其保持一致。此時NLME將向MAC層發(fā)布MLME START.request 原語開始一個新的PAN的操作。然后，網(wǎng)絡(luò)層管理實體(NLME)通過發(fā)送NLME-NETWORK-FORMATION.confirm 原語將初始化ZigBee協(xié)調(diào)器的執(zhí)行結(jié)果通知上一層。
在ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備建立網(wǎng)絡(luò)后，終端設(shè)備可作為子節(jié)點加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò)，子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的方式有兩種：通過MAC層關(guān)聯(lián)方式加入網(wǎng)絡(luò)；通過指定的父節(jié)點直接方式加入網(wǎng)絡(luò)。本文取前種方式。
首先子節(jié)點調(diào)用NLME-NETWORK-DISCOVERY.request 原語，設(shè)定待掃描的信道以及每個信道掃描的時間，一旦MAC層完成了掃描，將發(fā)送 MLME-SCAN.confirm 原語,告知網(wǎng)絡(luò)層，網(wǎng)絡(luò)層將發(fā)送NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm 原語，告知應(yīng)用層，應(yīng)用層從關(guān)聯(lián)表中選擇所發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)加入。一旦潛在的父節(jié)點確定，網(wǎng)絡(luò)層將調(diào)用MLME-ASSOCIATE.request 原語到MAC層。當(dāng)收到節(jié)點的入網(wǎng)請求后，協(xié)調(diào)器的MAC層會將分配給子節(jié)點的16 bit網(wǎng)絡(luò)地址與其IEEE 64 bit網(wǎng)絡(luò)地址存入AddressMap，并在NeighborEntry中加以記錄。協(xié)調(diào)器將在關(guān)聯(lián)表中創(chuàng)建一個表項，作為其子節(jié)點，并通過MLME-ASSOCIATE.reponse 原語，將16 bit網(wǎng)絡(luò)地址包含在確認(rèn)信息中返回終端節(jié)點。
圖5是協(xié)調(diào)器組網(wǎng)以及終端節(jié)點入網(wǎng)的相關(guān)信息顯示。在調(diào)試模式下硬件通過串口向計算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù)，串口傳輸設(shè)置為:速率9 600 b/s, 8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位，無奇偶校驗。圖5左側(cè)顯示了協(xié)調(diào)器組網(wǎng)及添加子節(jié)點的過程，右側(cè)則顯示了子節(jié)點入網(wǎng)過程。
ZigBee是一種高性能的短距離、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具有廣泛的應(yīng)用前景。機(jī)動車檢測系統(tǒng)終端設(shè)備較多、現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜，采用ZigBee技術(shù)來構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)對各檢測工位數(shù)據(jù)的實時處理，具有組網(wǎng)簡單、系統(tǒng)花費(fèi)少、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容易、通信穩(wěn)定、維護(hù)簡便等優(yōu)點，這是機(jī)動車檢測系統(tǒng)集成化、智能化的新趨勢。
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