基于TI Z-STACK的智能小車調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對(duì)高職院校物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)實(shí)訓(xùn)問題，基于MCS-51及CC2430單片機(jī)、紅外及超聲波傳感器，設(shè)計(jì)了一套基于TI Z-STACK協(xié)議棧的智能小車調(diào)度系統(tǒng)。分析了無線網(wǎng)的組建流程及軟件實(shí)現(xiàn)方法。
關(guān)鍵詞：Z-STACK協(xié)議棧；智能小車；物聯(lián)網(wǎng)實(shí)訓(xùn)；CC2430

    無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是高職高專物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)專業(yè)課程體系中的核心課程之一。目前，各院校的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)課程實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)多以51內(nèi)核的CC2430為主，如何快速從51單片機(jī)轉(zhuǎn)型到掌握CC2430是專業(yè)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)需解決的核心問題。為此，設(shè)計(jì)了本套基于單片機(jī)及TI Z-STACK協(xié)議棧的智能小車調(diào)度系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)組成及功能
    本系統(tǒng)由模擬通信指揮車(Coordinator)、探路車(Sensor Endpoint)、架橋車和運(yùn)輸車(Endpoint)及沙盤等構(gòu)成，在圖1所示的模擬調(diào)度環(huán)境運(yùn)行。由探路車先行獲取路面信息，發(fā)送給通信指揮車，由通信指揮車調(diào)度其他車輛行駛。探路車若進(jìn)入架橋區(qū)，則向通信指揮車報(bào)告路面遇阻信息，然后由通信指揮車下發(fā)指令，讓運(yùn)輸車停車，讓架橋車趕赴架橋區(qū)架橋。待橋面架好后，探路車再次向通信指揮車報(bào)告路面恢復(fù)信息，由后者下發(fā)指令，調(diào)度探路車、運(yùn)輸車?yán)^續(xù)行駛，最終到達(dá)指定泊車區(qū)。

2 硬件電路設(shè)計(jì)
    通信指揮車、架橋車、運(yùn)輸車的硬件電路包括51單片機(jī)控制模塊、紅外傳感器模塊、L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊及CC2430通信模塊，探路車還包括超聲波傳感器模塊，如圖2所示。其中，紅外傳感器模塊主要用于巡線；超聲波傳感器用于探測(cè)架橋區(qū)的斷裂路面；L298N電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊用于驅(qū)動(dòng)小車電機(jī)；51單片機(jī)控制模塊用于小車巡線控制，并與CC2430通信模塊通過串口方式進(jìn)行通信。CC2430通信模塊是調(diào)度系統(tǒng)的核心，用于完成無線通信網(wǎng)絡(luò)組建和數(shù)據(jù)傳輸功能。由于CC2430和51單片機(jī)控制模塊分別工作于3．3 V和5 V邏輯電平，故在進(jìn)行串口通信時(shí)需進(jìn)行電平轉(zhuǎn)換。本系統(tǒng)采用在51單片機(jī)的TX和CC2430的RX引腳間接100 Ω電阻的方案保證了二者通信正常運(yùn)行。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 基于Z-STACK協(xié)議棧的無線網(wǎng)絡(luò)組建
3．1．1 Z-STACK無線網(wǎng)絡(luò)組建的基本流程
    Z-STACK是TI公司推出的符合ZigBee2006規(guī)范，定義了完全構(gòu)建在應(yīng)用層上的操作系統(tǒng)抽象層(Operation System Abstraction Layer，OSAL層)來隔離Z-STACK協(xié)議棧和特定硬件系統(tǒng)，采用輪詢及優(yōu)先級(jí)控制方式實(shí)現(xiàn)任務(wù)調(diào)度。在進(jìn)入應(yīng)用層小車調(diào)度任務(wù)(Car_Dispatch)處理之前，需首先進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)的組建。本系統(tǒng)采用星形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，由通信指揮車(協(xié)凋器)負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起。在Z-STACK(基于ZigBee2006)中，無線網(wǎng)絡(luò)組建的基本流程為：
    main()→osal_init_system()→osalInitTasks()→ZDApp_Init(taskID++)→ZDOInitDevice(0)→ZDApp_NetworkInit(extendedDelay)→osal_set_event(ZDAppTaskID，ZDO_NETWORK_INIT)
    通過tasksEvents[ZDAppTaskID] |=ZDO_NETWORK_INIT向ZDAppTaskID任務(wù)中添加ZDO_NETWORK_INIT事件(消息)，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)初始化，接下來在ZDApp_event_loop中處理ZDO_NETWORK_INIT事件，其過程為：
    ZDApp_event_loop→ZDO_StartDevice
    在該函數(shù)中，協(xié)調(diào)器將通過NLME_NetworkFor-mationReques發(fā)起網(wǎng)絡(luò)，執(zhí)行回調(diào)函數(shù)ZDO_NetworkFormationConfirmCB()，向ZDAppTask ID任務(wù)發(fā)ZDO_NETWORK_START消息，然后在ZDApp_event_loop中通過osal_set_event(ZDAppTaskID，ZDO_STATE_CHANGE_EVT)向應(yīng)用層發(fā)ZDO_ STATE_CHANGE_EVT消息，應(yīng)用層的小車調(diào)度任務(wù)處理函數(shù)根據(jù)ZDO_STATE_CHANGE_EVT判斷無線網(wǎng)的狀態(tài)，并確定探路車、運(yùn)輸車的注冊(cè)情況；而路由器和終端節(jié)點(diǎn)將通過NLME_NetworkDiscoveryRequest發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)，并執(zhí)行回調(diào)函數(shù)ZDO_NetworkDiscoveryConfirmCB()，加入?yún)f(xié)調(diào)器組建的無線網(wǎng)絡(luò)。
3．1．2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渑c數(shù)據(jù)幀格式
    本系統(tǒng)采用星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，通信指揮車負(fù)責(zé)系統(tǒng)的調(diào)度。無線網(wǎng)絡(luò)上下行鏈路以及各小車的車載CC2430模塊與51單片機(jī)模塊通信的數(shù)據(jù)幀格式如圖3所示。

    以探路車為例，它與通信指揮車通信的信息流向如圖4所示。圖中①為Endpoint向Sink注冊(cè)；②為51單片機(jī)利用傳感器采集路面信息，通過串口發(fā)送到Endpoint；③為Endpoint通過RF方式將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絊ink；④為Sink從收到的數(shù)據(jù)中提取信息，分析出路面狀態(tài)，然后向Endpoi nt下發(fā)控制指令；⑤為Endpoint從收到的數(shù)據(jù)控制指令后進(jìn)行處理，然后通過串口向51單片機(jī)下發(fā)控制指令；⑥為循環(huán)執(zhí)行①～⑤。

3．2 CC2430程序買現(xiàn)
    從圖4可知，CC2430通信模塊的主要功能是完成無線數(shù)據(jù)傳輸和處理串口事件。在處理串口事件上，需首先注冊(cè)串口，然后編寫串口處理函數(shù)。串口波特率設(shè)置為57 600波特，以滿足使用11．059 2 MHz晶振的單片機(jī)模塊與CC2430通信模塊通信。串口注冊(cè)由函數(shù)SPIMgr_Regis terTaskID(Car_Dispatch_TaskID)實(shí)現(xiàn)。串口接收處理函數(shù)在協(xié)議棧MT層SPIMgr．c中，由uartConfig．callBackFunc=SPIMgr_ProcessZTool Data指明串口接收回調(diào)函數(shù)。為能接收自定義格式的串口數(shù)據(jù)，需修改協(xié)議棧自帶的SPIMgr_ProcessZToolData函數(shù)，包括在SPIMgr．h中定義圖3中SOP(#define SOP1_VALUE 0x2A)，F(xiàn)CS(#defineEND 0x23)，在SPIMgr．c中重構(gòu)數(shù)據(jù)格式，向APP層Car_Dispatch應(yīng)用程序發(fā)送CMD_ SERIAL_MSG消息等。根據(jù)圖3可知，Endpoint上行傳輸需在第6個(gè)字節(jié)發(fā)送數(shù)據(jù)長度LEN-Token，因此在串口數(shù)據(jù)重構(gòu)中需添加SPI_Msg->msg[5]=LEN_Token，然后在Car_Dispatch應(yīng)用程序中的SYS_EVENT_MSG消息處理函數(shù)下面，加入處理串口消息代碼：


    通信指揮車(Sink)在收到Endpoint發(fā)來的無線網(wǎng)信息后觸發(fā)AF_INCOMING_MSG_CMD事件，然后執(zhí)行Car_Dispatch_MessageMSGCB(MSGpkt)回調(diào)函數(shù)，首先判斷信息類型(探路車、架橋車還足運(yùn)輸車發(fā)送的)，然后進(jìn)行分析和下發(fā)指令(例如若是探路車發(fā)來路面遇阻信息，則按圖3向架橋車發(fā)送指令0x2A0x00 0x00 0x6F 0x79 0x02 0x01 0xFF 0x23，啟動(dòng)架橋)。
3．3 51單片機(jī)程序?qū)崿F(xiàn)
    51單片機(jī)模塊主要用于小車巡線控制及串口通信。以架橋車為例，工作流程如圖5所示。串口設(shè)置為接收中斷模式，全局變量USART_Re ce_CMD用于控制小車的運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)通信指揮車下發(fā)指令后，車載CC2430模塊接收數(shù)據(jù)并進(jìn)行解析，通過串口向51單片機(jī)發(fā)送指令，51單片機(jī)在串口接收中斷函數(shù)中修改USART_Rece_CMD的值，進(jìn)而改變小車的運(yùn)行狀態(tài)。

4 結(jié)語
    本系統(tǒng)以51單片機(jī)為小車控制平臺(tái)，以CC2430為通信平臺(tái)，通過Z-STACK實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)組建，并以串口通信為紐帶，實(shí)現(xiàn)51單片機(jī)和CC2430的通信，由此實(shí)現(xiàn)了簡(jiǎn)易的小車調(diào)度。本系統(tǒng)還可進(jìn)行進(jìn)一步擴(kuò)展，例如開發(fā)上位機(jī)應(yīng)用程序?qū)f(xié)調(diào)器進(jìn)行控制，可實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互。本系統(tǒng)綜合運(yùn)用了單片機(jī)、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)及傳感器的知識(shí)，可應(yīng)用于物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用技術(shù)的專業(yè)實(shí)訓(xùn)。