基于ZigBee技術(shù)的XBee Pro模塊在智能公交系統(tǒng)中的應(yīng)用

隨著國(guó)內(nèi)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，城市的規(guī)模在不斷擴(kuò)大，尤其是各種交通工具的增長(zhǎng)更迅速，從而使城市交通需求與供給的矛盾日益突出，而單靠擴(kuò)大道路交通基礎(chǔ)設(shè)施來(lái)緩解矛盾的做法已難以為繼。在這種情況下，智能公交系統(tǒng)(Advanced Public Transportation Systems，APTS)也就應(yīng)運(yùn)而生，并且成為近年來(lái)國(guó)內(nèi)研究的熱點(diǎn)。在智能公交系統(tǒng)所涉及的各種技術(shù)中，無(wú)線通信技術(shù)尤為引人注目。而ZigBee作為一種新興的短距離、低速率的無(wú)線通信技術(shù)，更是得到了越來(lái)越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。目前市場(chǎng)上也出現(xiàn)了大量與ZigBee相關(guān)的各種產(chǎn)品，其中，比較有競(jìng)爭(zhēng)力的ZigBee解決方案主要有下面幾種：

(1) Freescale：MC1319X平臺(tái)；

(2) Chipcon：SoC解決方案CC2430；

(3) Ember：EM250ZigBee系統(tǒng)晶片及EM260網(wǎng)絡(luò)處理器；

(4) Jennic的JN5121芯片；

經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研，發(fā)現(xiàn)Freescale的MC1319X平臺(tái)功耗低、價(jià)格低廉、硬件集成度高，方便二次開(kāi)發(fā)，射頻通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性高。所以，在本文的設(shè)計(jì)中選用了MaxStream公司與ZigBee兼容的以Freescale MC1319x芯片組為核心的XBee Pro RF模塊。下面主要介紹Xbee Pro的特性、接口應(yīng)用、操作模式以及在智能公交無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用。

1  XBee Pro模塊的特性與接口

XBee模塊的基本性能參數(shù)如下：

(1)發(fā)送功率：100 mW；

(2)接收靈敏度：-92 dBm；

(3)室內(nèi)傳輸距離為100 m，室外傳輸距離為1500m；

(4)RF數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbps；

(5)在3.3 V電源下，發(fā)送電流為215 mA，接收電流為55 mA：

(6)在網(wǎng)絡(luò)性能方面，具有DSS(直接序列擴(kuò)頻)功能，可以組成對(duì)等網(wǎng)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)及點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)，具有12個(gè)軟件可選的直接序列信道，每個(gè)信道有65 000個(gè)可用網(wǎng)絡(luò)地址。

XBee Pro模塊體積小，功耗低，接口簡(jiǎn)單，容易使用，非常適用于低數(shù)據(jù)速率的短距離通信應(yīng)用，尤其是無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。XBeePro模塊還提供有免費(fèi)X-CTU測(cè)試軟件以便能夠輕松測(cè)試和配置網(wǎng)絡(luò)。該模塊還可以通過(guò)下載該公司最新的固件(Firmware)，使用戶在使用原有硬件模塊的基礎(chǔ)上，獲得最新的功能，從而為設(shè)計(jì)提供了極大的靈活性。

圖1所示是XBee Pro模塊的引腳圖。Xbee Pro有20個(gè)引腳。其中引腳中的VCC、GND、DOUT及DIN用于與RS232接口的電路板引腳連接。VCC引腳是電源引腳，范圍為2.8～3.4 V；GND為地引腳；DIN引腳信號(hào)方向?yàn)檩斎?，作為UART的數(shù)據(jù)輸入，通常與處理器的UART接收端TX相連；DOUT引腳信號(hào)方向?yàn)檩敵觯鳛閁ART數(shù)據(jù)輸出，通常與處理器的UART接收端RX相連。MaxStream公司發(fā)布的fimrwaer版本暫不支持引腳ADO-AD5、DIO0-DIO7以及DO8的功能。


在XBee Pro模塊中集成有一個(gè)UART接口，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖2所示。


當(dāng)串行數(shù)據(jù)通過(guò)DIN引腳進(jìn)入XBee Pro模塊后，數(shù)據(jù)會(huì)先存儲(chǔ)在DI緩沖器中，直到被發(fā)送器通過(guò)天線發(fā)送出去；當(dāng)天線接收RF數(shù)據(jù)后，接收數(shù)據(jù)則先進(jìn)入DO緩沖器，然后再串行送入主機(jī)中。在一定條件下，模塊可能無(wú)法立即處理串位接收緩沖中的數(shù)據(jù)，這個(gè)時(shí)候就需用到CTS流控以此來(lái)避免因大量串行數(shù)據(jù)輸人而造成接收緩沖溢出的問(wèn)題。XBee Pro模塊可以通過(guò)UART接口直接與控制器的UART接口相連，其硬件接口非常簡(jiǎn)單實(shí)用。

2 XBee Pro模塊的操作模式

XBee Pro有空模式、接收模式、發(fā)送模式、睡眠模式和命令模式等5種操作模式，如圖3所示。每一種操作模式都有透明方式和應(yīng)用程序接口(API)方式兩種操作方式。當(dāng)工作在透明方式時(shí)，模塊可起到替代串口線的作用，并以字節(jié)為單位來(lái)處理各種信息；當(dāng)工作在API方式下，所有進(jìn)出模塊的數(shù)據(jù)均被包含在定義模塊的操作和事件的幀結(jié)構(gòu)中。本設(shè)計(jì)采用API操作方式。



API操作要求模塊之間采用一種結(jié)構(gòu)化的接口(數(shù)據(jù)通過(guò)一種定義好序列的幀來(lái)交互通信來(lái)進(jìn)行通信)來(lái)進(jìn)行通信。同時(shí)API規(guī)定了通過(guò)串口數(shù)據(jù)幀如何發(fā)命令、命令響應(yīng)以及模塊狀態(tài)信息的傳送與接收。

3 XBee Pro模塊在智能公交系統(tǒng)中的應(yīng)用

在站牌處通常會(huì)有多輛公交車同時(shí)到達(dá)，一個(gè)站牌對(duì)應(yīng)多輛公交車，適合使用星狀網(wǎng)布線網(wǎng)絡(luò)。但為了保證網(wǎng)絡(luò)的可靠性，當(dāng)公交車站牌外的通道阻塞時(shí)，可以通過(guò)其它公交車路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到站牌，本設(shè)計(jì)采用網(wǎng)狀(Mesh)網(wǎng)模型。可將分布在公交線路上的電子站牌配置為協(xié)調(diào)器，而將到達(dá)的公交車配置為路由器。當(dāng)站牌上ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和PAN ID并啟動(dòng)時(shí)，便建立了一個(gè)ZigBee個(gè)人局網(wǎng)(PAN)。一旦協(xié)調(diào)器已啟動(dòng)PAN，便可允許路由器和終端設(shè)備結(jié)點(diǎn)加入PAN。路由器加入PAN時(shí)，將收到一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址，并且能夠發(fā)送和接收來(lái)自PAN內(nèi)其他設(shè)備的數(shù)據(jù)。PAN協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址總是0。由于站牌上ZigBee模塊的網(wǎng)絡(luò)物理地址是唯一的，可以通過(guò)物理地址向站牌發(fā)送信息。

公交車到達(dá)站牌后，根據(jù)站牌的MAC地址將日期、時(shí)間、車號(hào)、公交線路、車內(nèi)人數(shù)、行駛方向等信息發(fā)送到電子站牌。公交車ZigBee模塊發(fā)送模式的API幀結(jié)構(gòu)定義如圖4所示。

為實(shí)現(xiàn)可靠的傳輸，當(dāng)公交車傳送信息給電子站牌的請(qǐng)求完成后，必須得到電子站牌的信息確認(rèn)信息，因此還必須得到電子站牌回饋給公交車的發(fā)送狀態(tài)信息。這個(gè)信息將指出數(shù)據(jù)包是否被成功發(fā)送。如果發(fā)送失敗就必須重新發(fā)送公交車的信息，直至發(fā)送成功。圖5為T(mén)X的狀態(tài)幀結(jié)構(gòu)。其中的Bytes 9指出了傳送狀態(tài)信息，Bytes6、7為接收模塊的16位網(wǎng)絡(luò)地址。

電子站牌ZigBee模塊接收模式的API幀結(jié)構(gòu)定義如圖6所示。



可以通過(guò)XBee Pro模塊提供的配置軟件X-CTU來(lái)進(jìn)行命令參數(shù)的配置，也可以通過(guò)輸入“+++”進(jìn)入命令模式來(lái)進(jìn)行配置。XBee Pro模塊的命令格式如下：

AT ASCIlI碼命令空格參數(shù)(可選)回車

表1所列是對(duì)電子站牌終端的ZigBee模塊進(jìn)行的參數(shù)設(shè)置。



公交車的ZigBee模塊須設(shè)置為路由器(Rooter)模式，并且應(yīng)保證通道和PAN ID與電子站牌設(shè)置相同。經(jīng)過(guò)測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定。

4結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了MaxStream公司與ZigBee／IEEE802.15.4協(xié)議兼容的Xbee Pro模塊的性能特點(diǎn)及其在智能公交系統(tǒng)無(wú)線通信中的應(yīng)用。目前，該公司發(fā)布的針對(duì)Xbee Pro模塊的網(wǎng)狀網(wǎng)firmware版本，大大加強(qiáng)了其組網(wǎng)功能。隨著ZigBee技術(shù)的普及，Xbee Pro模塊也將在無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)中得到更廣泛的應(yīng)用。