車載無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)設計

摘要：基于IEEE 802．15．4和ZigBee標準實現(xiàn)了一個車載無線傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測系統(tǒng)。借助通用無線傳感器網(wǎng)絡，為車載系統(tǒng)擴展了監(jiān)控范圍和監(jiān)控功能，實現(xiàn)了車載設備狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)視，以及必要的設備控制、拓撲控制、拓撲查詢等功能。
關鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；監(jiān)測系統(tǒng)；MC9S08GB60；MC13192

引言
    為了滿足人們對車載安全性、操控性以及舒適性的要求，車載上集成了越來越多的電子系統(tǒng)。目前，汽車電子設備廣泛采用16位或32位微處理器進行控制。本文基于IEEE 802．15．4和ZigBee標準的無線傳感器網(wǎng)絡構建車載監(jiān)測系統(tǒng)，設計實現(xiàn)更加優(yōu)化的無線傳感器網(wǎng)絡，逐步實現(xiàn)車載系統(tǒng)的網(wǎng)絡化、智能化和可控性，以提，高車載系統(tǒng)的安全性。

1 系統(tǒng)設計方案
    本文在現(xiàn)有的車載系統(tǒng)上，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綌U展為無線傳輸方式，實現(xiàn)一個星型網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。并能分別將各個數(shù)據(jù)采集節(jié)點的所獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關，網(wǎng)關通過串口將數(shù)據(jù)上傳到主機上，在主機中實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時波形顯示，并以數(shù)據(jù)庫的方式加以保存，供后續(xù)數(shù)據(jù)處理。該采集系統(tǒng)的應用對象由溫度傳感器、油壓傳感器、轉速傳感器、速度傳感器、電流傳感器、壓力傳感器等傳感器子系統(tǒng)所組成。這樣設計的目的是用一個監(jiān)控主機端來檢測多個待測目標環(huán)境，考慮到接入的數(shù)據(jù)吞吐量和軟件系統(tǒng)的復雜程度，采用時分復用的方式，逐個對網(wǎng)內的終端采集點進行控制采集。
    如圖1所示，該車載系統(tǒng)分3個部分：車載監(jiān)控中心、車載網(wǎng)關和車載傳感器節(jié)點。車載網(wǎng)關是整個車載系統(tǒng)的核心，可以和所有的車載傳感器節(jié)點通信。車載監(jiān)控中心可以向車載網(wǎng)關發(fā)出控制命令，由車載網(wǎng)關將控制命令轉換為射頻信號后發(fā)送給車載傳感器節(jié)點。當車載傳感器節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，車載網(wǎng)關進入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)上傳到車載監(jiān)控中心作進一步處理。此外，車載傳感器節(jié)點之間不能互相通信。監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件與車載網(wǎng)關之間以RS232的接口標準進行通信。

    車載傳感器節(jié)點的生命周期由活躍期和休眠期構成。節(jié)點在活躍期完成數(shù)據(jù)采集，向網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)，接收并執(zhí)行網(wǎng)關命令；在休眠期關閉無線射頻模塊以節(jié)省能量，直到下一個活躍期來臨。系統(tǒng)通過這種休眠機制來減少系統(tǒng)的能量消耗，延長系統(tǒng)整體壽命。
    本系統(tǒng)用PC機作為監(jiān)控中心，PC機上的監(jiān)控軟件在VB環(huán)境下開發(fā)，是一個基于對話框的應用軟件。為了提高通信傳輸模塊的智能化水平，在設計中，它的功能不限于數(shù)據(jù)的實時顯示，所有的數(shù)據(jù)采集由監(jiān)控軟件通過發(fā)送請求信號的方式觸發(fā)?？紤]到原始數(shù)據(jù)需要進行后續(xù)的處理與深入的分析，才能對車載系統(tǒng)的狀況進行準確的判定，軟件中還添加了數(shù)據(jù)文件形式的保存與數(shù)據(jù)文件回顯功能。
    總體上來講，整個網(wǎng)絡的所有節(jié)點都受控于主機監(jiān)控軟件，工作過程中網(wǎng)絡的每一個節(jié)點都不需要人為的參與。

2 系統(tǒng)硬件設計
2．1 應用芯片介紹
    Freescale公司的MC13192符合IEEE 802．15．4標準，工作頻率是2．405～2．480 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，采用0-QPSK調試方式。這種功能豐富的雙向2．4 GHz收發(fā)器帶有一個數(shù)據(jù)調制解調器，可以在ZigBee技術應用中使用。它還具有一個優(yōu)化的數(shù)字核心，有助于降低MCU處理功率，縮短執(zhí)行周期。
    主控MCU選用Freescale公司HCS08系列的低功耗、高性能微處理器MC9S08GB60。該處理器具有60 KB的應用可編程Flash、4 KB的RAM、8通道的10位ADC、2個異步串行通信接口(SCI)、1個同步串行外部接口(SPI)以及I2C總線模塊，完全能夠滿足車載網(wǎng)關和節(jié)點對處理器的要求。
2．2 MCl3192與MC9S08GB60的硬件連接
    MC13192與MC9S08GB60的硬件連接圖如圖2所示。MC13192的控制和數(shù)據(jù)傳送依靠4線串行外設接口(SPI)完成，其4個接口信號分別是MOS-I、MISO、、SPICLK。主控MCU通過控制信號退出睡眠模式或休眠模式，通過來復位收發(fā)器，通過RXTXEN來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，或者強制收發(fā)器進入空閑模式。由傳感器輸出的模擬信號經(jīng)過MCU的8通道10位ADC轉換后輸入到MCU。MCU通過SPI口進行MC13192的讀寫操作，并把傳感器采集的信號經(jīng)過處理后通過MC13192發(fā)射出去。MC13192的中斷通過IRQ引腳和中斷寄存器來判斷中斷類型。MC908GB60通過引腳來控制MC13192進入不同的工作模式。對傳感器的控制信號可以從MC13192的天線接收進來，通過SPI傳送到MCU上，經(jīng)過MCU的判斷處理后通過GPIO口傳送到傳感器上，完成對傳感器的控制。同時，MCU完成MC13192收發(fā)控制和所需要的MAC層操作。

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3 系統(tǒng)軟件設計
3．1 軟件整體設計
    軟件設計是本設計的核心，關鍵在于軟件的總體架構和數(shù)據(jù)結構的設計。著重要考慮的因素一個是效率，另一個是設計的清晰性。
    車載系統(tǒng)軟件由網(wǎng)關節(jié)點與傳感器節(jié)點兩大部分組成，這兩部分都需要完成SMAC協(xié)議的移植，并根據(jù)不同需要為上層通信應用提供API接口函數(shù)。因為SMAC協(xié)議棧編程模型采用層次設計，只有底層的PHY和MAC程序層與硬件相關，而網(wǎng)絡層和應用層程序則不受硬件影響。SMAC在不同硬件平臺的移植只需修改PHY和MAC層，其上各層可以屏蔽硬件差異直接運行。
    如圖3所示，本設計把軟件分為系統(tǒng)平臺層、協(xié)議層和應用層3層。同時，定義了3個API接口：系統(tǒng)層接口、協(xié)議層接口和應用層接口。系統(tǒng)層接口定義了硬件的寄存器映射，這樣C語言就能直接訪問硬件寄存器來控制硬件。系統(tǒng)平臺層建立在μC／OS-II實時操作系統(tǒng)上，為協(xié)議層提供系統(tǒng)服務。硬件驅動模塊提供硬件驅動程序，所有對硬件的控制都通過該模塊提供的服務。系統(tǒng)平臺層通過協(xié)議層接口為協(xié)議層提供服務。協(xié)議層則實現(xiàn)了基于IEEE 802．15．4的物理層和鏈路層以及基于ZigBee的網(wǎng)絡層協(xié)議。應用層通過應用層接口來調用協(xié)議層提供的服務，實現(xiàn)網(wǎng)絡的管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?。應用配置模塊既會調用協(xié)議層提供的網(wǎng)絡服務，也會直接對系統(tǒng)進行配置和查詢，這主要是通過AT指令來實現(xiàn)的，因此該模塊會調用應用層接口和協(xié)議層接口提供的服務。

3．2 傳感器節(jié)點軟件設計
    基于系統(tǒng)長期使用的功能需求，傳感器節(jié)點中軟件設計的關鍵是既能實現(xiàn)所需的功能，又能最大限度地減少傳感器節(jié)點的能耗。
通過測試發(fā)現(xiàn)，ZigBee模塊的能耗要遠遠大于中央處理器和傳感模塊的能耗。因此，傳感器節(jié)點應用軟件的設計既要盡量使各模塊處于休眠狀態(tài)，又要盡量減少喚醒ZigBee模塊的次數(shù)。因此，在傳感器節(jié)點上電各功能模塊初始化完成、并加入了網(wǎng)絡后，即進入休眠狀態(tài)，中央處理器周期地被定時喚醒向網(wǎng)關發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收網(wǎng)關的命令。傳感器節(jié)點的工作流程如圖4所示。

3．3 網(wǎng)關節(jié)點軟件設計
    車載網(wǎng)關向下管理傳感器節(jié)點，向上完成和PC監(jiān)控中心的交互，需要進行復雜的任務管理和調度，因此，采用基于uC／OS內核的嵌入式操作系統(tǒng)管理整個網(wǎng)關，為應用任務的高效運行提供良好的軟件平臺支撐。根據(jù)網(wǎng)關的功能需求，將μC／OS-II、SMAC協(xié)議有機的結合，構成一個網(wǎng)絡化的操作環(huán)境，用戶可以方便地在其基礎上開發(fā)應用程序?；?mu;C／OS-II擴展的網(wǎng)關軟件平臺結構如圖5所示?；?mu;C／OS-II操作系統(tǒng)，分別構建系統(tǒng)任務SYS_task()、SMAC星型組網(wǎng)任務START_task()、網(wǎng)關和傳感器節(jié)點交互任務COMM_task()、PC臨控中心端口監(jiān)聽任務SER_task()等一系列應用任務，從而實現(xiàn)網(wǎng)關軟件的應用功能。

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3．4 主機監(jiān)控軟件的設計
    本系統(tǒng)最終目的是將采集到的車載傳感器數(shù)據(jù)實時地傳送到主機，并在主機中得到顯示和保存。顯示的目的是獲得被車載傳感器節(jié)點所監(jiān)控環(huán)境的初步情況，保存的目的是作為深入分析的數(shù)據(jù)樣本。除此以外，作為整個系統(tǒng)的主控方和數(shù)據(jù)采集請求的發(fā)起者，需要能夠按照要求發(fā)送數(shù)據(jù)請求信號。根據(jù)以上要求，在VB環(huán)境下開發(fā)了一個基于對話框的應用程序。這個應用程序包括了4個模塊：
    ①實時數(shù)據(jù)顯示波形模塊。該模塊的作用是將節(jié)點的數(shù)據(jù)以波形的形式實時地進行顯示，實現(xiàn)的方式是利用MSChart和Timer控件。
    ②拓撲顯示模塊。當用戶希望了解無線傳感器網(wǎng)絡的拓撲構建情況時，可以查看拓撲信息欄，了解網(wǎng)絡中節(jié)點的加入和丟失情況。
    ③歷史數(shù)據(jù)顯示模塊。在車載網(wǎng)絡系統(tǒng)運行到一定時期，可能需要對過去某一段時間的原始數(shù)據(jù)進行后續(xù)的處理與深入的分析，以便對車載系統(tǒng)的狀況進行準確的判定。借助歷史數(shù)據(jù)顯示模塊，可以將監(jiān)控中心從車載網(wǎng)關中得到的數(shù)據(jù)，按照不同節(jié)點的屬性、地址和時間分別保存到數(shù)據(jù)庫的相應字段中，并可以通過波形圖的方式將歷史數(shù)據(jù)顯示出來，供用戶分析。
    ④控制模塊。在車載系統(tǒng)運行過程中可能關心某一個車載傳感器節(jié)點的數(shù)值，或者需要對某一個傳感器進行閾值設置，以便待監(jiān)測的環(huán)境出現(xiàn)異常情況可以及時地報告給系統(tǒng)。這些都可以通過控制模塊對系統(tǒng)進行相應的設置，控制模塊還可以對系統(tǒng)中的某個不需要的節(jié)點進行刪除操作。
    總之，通過主機監(jiān)控軟件用戶可以直觀且多方面地對通用無線傳感器網(wǎng)絡系統(tǒng)進行了解和使用。

4 測試與驗證
4．1 組網(wǎng)測試
    測試設備：4個MCl3192 ZigBee芯片節(jié)點，1個作為網(wǎng)關節(jié)點，其余3個作為傳感器節(jié)點。
    測試方法：網(wǎng)關節(jié)點上電后，4個LED同時點亮，掃描信道如果搜索到空閑信道后，LED熄滅并加入空閑信道等待。傳感器節(jié)點上電后，4個LED在掃描信道的同時，輪詢點亮。當網(wǎng)關節(jié)點收到傳感器節(jié)點的Beacon幀后，LED1閃爍一次；當傳感器節(jié)點收到網(wǎng)關節(jié)點的分配地址后，LED1也閃爍一次。至此，組網(wǎng)過程和地址綁定過程完成。
4．2 ZigBee射頻通信測試
    測試設備：ZigBee節(jié)點4個，計算機終端1臺。
    測試方法：根據(jù)ZigBee傳輸?shù)膸袷剑瑢嶋H傳輸總字節(jié)數(shù)為(n+6)，即(n+6)個字節(jié)為一個數(shù)據(jù)包。根據(jù)設定的軟件參數(shù)，如有數(shù)據(jù)包丟失則丟包數(shù)加1。若接收到數(shù)據(jù)包，則接收數(shù)據(jù)包數(shù)加1，然后與發(fā)送數(shù)據(jù)進行比較，若數(shù)據(jù)正確則正確包數(shù)加1，反之錯誤包數(shù)加1。最后統(tǒng)計數(shù)據(jù)結果，就可以知道數(shù)據(jù)的丟包率和誤包率。4個節(jié)點組建一個ZigBee網(wǎng)絡，其中1個作為網(wǎng)關，其余3個節(jié)點作為傳感器節(jié)點。編寫程序設定：3個節(jié)點均與網(wǎng)關通信，計算機終端與網(wǎng)關通過RS232相連，終端設備軟件記錄從3個節(jié)點接收數(shù)據(jù)的情況，節(jié)點工作在2．4 GHz頻段下，傳輸一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，循環(huán)發(fā)送100次。最后取得3個節(jié)點的測試平均數(shù)作為數(shù)據(jù)結果進行分析。星形網(wǎng)射頻通信誤碼率測試結果如表1所列。

    實驗分析：在星形網(wǎng)絡中進行數(shù)據(jù)傳輸，測試結果明顯差于單點對單點傳輸方式。這主要是因為，在傳輸過程中節(jié)點之間存在一定的頻率干擾和其他干擾。
4．3 功耗測試
    在系統(tǒng)工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)下，分別使用萬用表測試網(wǎng)關節(jié)點和傳感器節(jié)點的功耗情況，測試結果如表2所列。

結語
    本文分析了IEEE 802．15．4和ZigBee協(xié)議，結合通信系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的一般開發(fā)原則，在μC／OS-II操作系統(tǒng)上實現(xiàn)IEEE802．15．4協(xié)議，選擇合適的軟硬件平臺，著重于軟件支撐平臺的構建、軟件總體結構設計以及通信協(xié)議棧的實現(xiàn)，最終實現(xiàn)了一個符合ZigBee規(guī)范的車載星型無線數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡。該系統(tǒng)具有以下的優(yōu)勢：
    ①系統(tǒng)安裝方便。無線互連使得設備安裝位置靈活，同時滿足了系統(tǒng)安裝的自動化要求。人們只需要把設備上電就可以了。該車載網(wǎng)絡系統(tǒng)能夠自動完成網(wǎng)絡的配置。
    ②可擴展性。把設備放在車載網(wǎng)關的覆蓋范圍以內，打開設備電源，節(jié)點將自動加入網(wǎng)絡。
    ③網(wǎng)絡自我修復能力。如果網(wǎng)絡中某個設備出現(xiàn)故障，車載網(wǎng)關能夠自動監(jiān)測到，發(fā)出指令將該設備復位并重新入網(wǎng)。