1、摘要隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，汽車逐漸走進(jìn)千家萬戶，成為人類日常生活的重要交通工具。為使道路交通適應(yīng)國民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，實(shí)現(xiàn)城市道路交通的智能化、科學(xué)化管理，做好道路交通車輛信息的正確采集和及時傳遞至關(guān)重要。及時準(zhǔn)確了解道路車輛信息，不僅可以實(shí)現(xiàn)對路面的實(shí)時管理，使道路交通高質(zhì)量、高效率地運(yùn)行，還可以為交通預(yù)測、道路等決策部門提供參考。規(guī)劃、建設(shè)。本文首先分析了現(xiàn)有車輛性能檢測儀器的不足，根據(jù)其發(fā)展的實(shí)際需要，提出了一種利用ZigBee技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛性能檢測傳感器數(shù)據(jù)采集的新方法。其次，完成了傳感器電路硬件的具體設(shè)計(jì)，利用磁阻傳感器的工作原理，通過磁阻傳感器檢測通過采集儀的車輛的類型和速度。最后,本文

2、設(shè)計(jì)了基于CC2430芯片ZigBee無線通信技術(shù)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),并完成了基于Zigbee協(xié)議棧Z-Stack的系統(tǒng)軟件功能設(shè)計(jì),開發(fā)了過車傳感器應(yīng)用軟件。目前ZigBee技術(shù)還沒有具體應(yīng)用到車輛性能檢測領(lǐng)域，這給了這個課題更大的研究和應(yīng)用空間。關(guān)鍵詞：交通量，磁阻傳感器，zigbee無線通信技術(shù)，嵌入式系統(tǒng)目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc261681792 目錄 PAGEREF _Toc261681792 h 7 HYPERLINK l _Toc261681793 1簡介 PAGEREF _Toc261681793 h 1 HYPERLINK l _To

3、c261681794 1.1本課題的研究目的和意義 PAGEREF _Toc261681794 h 1 HYPERLINK l _Toc261681795 1.2國外交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc261681795 h 2 HYPERLINK l _Toc261681796 1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc261681796 h 2 HYPERLINK l _Toc261681797 1.2.2國家發(fā)展現(xiàn)狀 PAGEREF _Toc261681797 h 3 HYPERLINK l _Toc261681798 1.2.3常用車輛檢測傳感器 PAGEREF _

4、Toc261681798 h 3 HYPERLINK l _Toc261681799 1.3本課題研究內(nèi)容 PAGEREF _Toc261681799 h 5 HYPERLINK l _Toc261681800 2 .傳遞傳感器相關(guān)技術(shù) PAGEREF _Toc261681800 h 6 HYPERLINK l _Toc261681801 2.1嵌入式技術(shù) PAGEREF _Toc261681801 h 6 HYPERLINK l _Toc261681802 2.2磁阻傳感器的工作原理 PAGEREF _Toc261681802 h 6 HYPERLINK l _Toc261681803 2.

5、2.1磁阻效應(yīng) PAGEREF _Toc261681803 h 7 HYPERLINK l _Toc261681804 2.1.2磁阻傳感器在車輛檢測中的應(yīng)用 PAGEREF _Toc261681804 h 7 HYPERLINK l _Toc261681805 2.3 Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù) PAGEREF _Toc261681805 h 9 HYPERLINK l _Toc261681806 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)各層幀結(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc261681806 h 10 HYPERLINK l _Toc261681807 2.3.3 ZigBee技術(shù)原語 PAGEREF _Toc2616

6、81807 h 13 HYPERLINK l _Toc261681808 2.3.4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?PAGEREF _Toc261681808 h 14 HYPERLINK l _Toc261681809 2.3.5 Zigbee網(wǎng)絡(luò)形成 PAGEREF _Toc261681809 h 15 HYPERLINK l _Toc261681810 2.5章節(jié)總結(jié) PAGEREF _Toc261681810 h 15 HYPERLINK l _Toc261681811 3.過車傳感器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc261681811 h 17 HYPERLINK l _Toc26168

7、1812 3.1系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及硬件架構(gòu) PAGEREF _Toc261681812 h 17 HYPERLINK l _Toc261681813 3.2硬件設(shè)備的選擇 PAGEREF _Toc261681813 h 18 HYPERLINK l _Toc261681814 3.2.1磁阻傳感器 PAGEREF _Toc261681814 h 18 HYPERLINK l _Toc261681815 3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器 PAGEREF _Toc261681815 h 19 HYPERLINK l _Toc261681816 3.2.3無線通信芯片CC2430 PAGEREF _Toc261

8、681816 h 20 HYPERLINK l _Toc261681817 3.2.4電源模塊 PAGEREF _Toc261681817 h 22 HYPERLINK l _Toc261681818 3.3與通過傳感器相關(guān)的通信 PAGEREF _Toc261681818 h 22 HYPERLINK l _Toc261681819 3.4章節(jié)總結(jié) PAGEREF _Toc261681819 h 25 HYPERLINK l _Toc261681820 4.通過傳感器硬件電路及驅(qū)動開發(fā) PAGEREF _Toc261681820 h 26 HYPERLINK l _Toc261681821

9、4.1傳感器電路 PAGEREF _Toc261681821 h 26 HYPERLINK l _Toc261681822 4.1.1 CPU電路 PAGEREF _Toc261681822 h 26 HYPERLINK l _Toc261681823 4.1.2 A/D轉(zhuǎn)換電路 PAGEREF _Toc261681823 h 27 HYPERLINK l _Toc261681824 4.1.3數(shù)據(jù)存儲器電路 PAGEREF _Toc261681824 h 27 HYPERLINK l _Toc261681825 4.1.4電源電路 PAGEREF _Toc261681825 h 27 HYP

10、ERLINK l _Toc261681826 4.2驅(qū)動程序的發(fā)展 PAGEREF _Toc261681826 h 28 HYPERLINK l _Toc261681827 4.3通過傳感器的驅(qū)動程序 PAGEREF _Toc261681827 h 29 HYPERLINK l _Toc261681828 4.3.1數(shù)據(jù)存儲器的操作功能 PAGEREF _Toc261681828 h 29 HYPERLINK l _Toc261681829 4.3.2 A/D轉(zhuǎn)換器操作功能 PAGEREF _Toc261681829 h 33 HYPERLINK l _Toc261681830 4.4章節(jié)總結(jié)

11、 PAGEREF _Toc261681830 h 34 HYPERLINK l _Toc261681831 5.車輛通過傳感器應(yīng)用軟件開發(fā) PAGEREF _Toc261681831 h 35 HYPERLINK l _Toc261681832 5.1開發(fā)環(huán)境 PAGEREF _Toc261681832 h 35 HYPERLINK l _Toc261681833 5.2實(shí)時多任務(wù)軟件開發(fā) PAGEREF _Toc261681833 h 36 HYPERLINK l _Toc261681834 5.2 Zigbee協(xié)議棧Z-Stack PAGEREF _Toc261681834 h 37 HY

12、PERLINK l _Toc261681835 5.2.1 Z-Stack結(jié)構(gòu)及相關(guān)概念 PAGEREF _Toc261681835 h 37 HYPERLINK l _Toc261681836 Z-Stack 38下的應(yīng)用軟件開發(fā) PAGEREF _Toc261681836 h HYPERLINK l _Toc261681837 5.3應(yīng)用軟件的功能設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc261681837 h 41 HYPERLINK l _Toc261681838 5.4應(yīng)用軟件開發(fā) PAGEREF _Toc261681838 h 42 HYPERLINK l _Toc261681839 5.4.

13、1車輛數(shù)據(jù)收集 PAGEREF _Toc261681839 h 42 HYPERLINK l _Toc261681840 5.4.2車輛數(shù)據(jù)的存儲 PAGEREF _Toc261681840 h 43 HYPERLINK l _Toc261681841 5.4.3數(shù)據(jù)傳輸 PAGEREF _Toc261681841 h 45 HYPERLINK l _Toc261681842 5.4.4 PC 命令總結(jié) PAGEREF _Toc261681842 h 45 HYPERLINK l _Toc261681843 5.5章節(jié)總結(jié) PAGEREF _Toc261681843 h 46 HYPERLIN

14、K l _Toc261681844 6.結(jié)論與展望 PAGEREF _Toc261681844 h 47 HYPERLINK l _Toc261681845 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc261681845 h 48 HYPERLINK l _Toc261681846 到 PAGEREF _Toc261681846 h 501 簡介道路交通是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)，交通調(diào)查的任務(wù)將更加重要。交通管理、科研、設(shè)計(jì)工作也必須適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時代的社會發(fā)展。因此，開發(fā)一種新型的交通采集系統(tǒng)，對于提高公路部門的技術(shù)和管理水平，適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時代的發(fā)展具有重要意義。1.1本研究的目的和意義“十一五”期間，道路交通對

15、國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展具有重要意義，特別是在交通信息資源整合利用、提高交通行業(yè)信息化監(jiān)管水平、加強(qiáng)綜合交通運(yùn)輸?shù)确矫孢\(yùn)營分析輔助決策，提升公共交通信息服務(wù)質(zhì)量。等方面實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)突破。隨著汽車普及率的不斷提高，公路網(wǎng)建設(shè)的不斷發(fā)展，城市路網(wǎng)密度和道路交通流量也在不斷增加，交通狀況調(diào)查的任務(wù)將更加艱巨。交通管理、科研、設(shè)計(jì)等工作也必須適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時代的社會發(fā)展。因此，開發(fā)一種新型的交通采集系統(tǒng)，對于提高公路部門的技術(shù)和管理水平，適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)時代的發(fā)展具有重要意義。 1為適應(yīng)社會的快速進(jìn)步，智能交通建設(shè)被提上日程，智能交通裝備在各地交通道路管理中得到普及。通過這些交通智能設(shè)備收集和處理交通流量、速度、飽和度等交通數(shù)

16、據(jù)，并以直觀的方式實(shí)時反饋給交通管理部門。以實(shí)現(xiàn)道路交通的智能化、信息化管理。在交通發(fā)展規(guī)劃和未來交通需求預(yù)測工作中，交通數(shù)據(jù)的采集是不可缺少的環(huán)節(jié)和步驟，是規(guī)劃內(nèi)容的重要組成部分，是決策和規(guī)劃的依據(jù)和依據(jù)。在描述交通的三個基本交通參數(shù)中，交通量信息是反映交通狀況的最重要的參數(shù)。通過對交通量信息的分析整理，可以了解交通量的時空分布、交通量的各種變化規(guī)律以及影響交通量數(shù)據(jù)的各種因素，從而為路網(wǎng)規(guī)劃、交通安全、道路交通等提供信息。為設(shè)計(jì)和施工的各個環(huán)節(jié)提供堅(jiān)實(shí)可靠的依據(jù)。 2通過對交通量的分析，交通工作者可以準(zhǔn)確掌握交通現(xiàn)狀及其變化規(guī)律，也為實(shí)現(xiàn)適合未來交通需求的道路工程設(shè)施和交通管控方法提供依據(jù)

17、.目前國外廣泛使用的車流量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括線圈檢測設(shè)備、視頻檢測設(shè)備、道路雷達(dá)檢測、 GPS浮動車輛檢測等，但大部分檢測設(shè)施需要路面鋪設(shè)和現(xiàn)場人員操作，不能滿足目前的路網(wǎng)。管理和智能交通要求。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的飛速發(fā)展，檢測儀器正朝著小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。公路交通檢測儀器的發(fā)展也不例外，也應(yīng)向小型化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展。無線通信技術(shù)的使用，不僅提高了檢測儀器的技術(shù)水平，而且在高速公路的環(huán)境方面也保證了中介人員的人身安全。為適應(yīng)交通量不斷增長的趨勢，交通量采集系統(tǒng)應(yīng)具有更高的精度和大容量的數(shù)據(jù)存儲。還應(yīng)有網(wǎng)絡(luò)接口和移動存儲接口，以適應(yīng)計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)

18、展和道路交通管理和科學(xué)研究的需要。1.2 國外交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀交通量檢測系統(tǒng)利用一定的車輛檢測技術(shù)，將交通流量信息等物理量形式的信息轉(zhuǎn)化為電子量，然后通過傳輸線傳輸?shù)叫盘柨刂破鞯男畔⑻幚聿糠诌M(jìn)行處理。它是一種城市交通道路控制系統(tǒng)。不可或缺的組件主要是通過數(shù)據(jù)采集和設(shè)備監(jiān)控來監(jiān)控交通數(shù)據(jù)。1.2.1國外發(fā)展現(xiàn)狀美國作為世界上公路建設(shè)里程最多、公路網(wǎng)最發(fā)達(dá)、人均汽車占有率最高的發(fā)達(dá)國家，充分利用其強(qiáng)大的資金支持和車載通信等通信技術(shù)優(yōu)勢和衛(wèi)星通信成為道路上的領(lǐng)先者 是車輛檢測技術(shù)最先進(jìn)、最成熟的國家之一。美國計(jì)劃在 2000 年至 2011 年的 10 年間投資高達(dá) 2000 億美元建設(shè)國家

19、 ITS，利用現(xiàn)代通信技術(shù)、智能控制技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)，加強(qiáng)和提高高速公路監(jiān)控和車輛檢測能力，然后到整個公共交通?？茖W(xué)管理和維護(hù)網(wǎng)絡(luò)，可以減少高速公路造成的交通事故，減少交通事故造成的嚴(yán)重?fù)p失。為滿足現(xiàn)代智能交通“高速、安全、智能、舒適”的要求，日本的實(shí)時路面檢測系統(tǒng)也取得了一定的成果，投入了大量的人力、物力和資金，組織了“動態(tài)路徑感應(yīng)系統(tǒng)”的實(shí)驗(yàn)。并成立了“車路交通智能協(xié)會”，建設(shè)部、工商部、交通運(yùn)輸部、公安部門密切配合，參與了智能交通系統(tǒng)的建設(shè)，確保道路上的每一輛車都暢通無阻。在監(jiān)控系統(tǒng)中。檢測領(lǐng)域，在日本目前上路的車輛中，有超過200萬輛汽車配備了車載導(dǎo)航定位設(shè)備。該設(shè)備可以為駕駛員提供實(shí)

20、時道路信息服務(wù)。集成了車輛行駛信息、駕駛員個人信息和監(jiān)控中心之間的通信系統(tǒng)。1980年代，歐洲國家為了提高路測設(shè)備的更新?lián)Q代，投入超過50億美元。歐盟國務(wù)部建立了交通運(yùn)輸專用無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)，使車輛控制、信息服務(wù)和電子收費(fèi)系統(tǒng)有機(jī)統(tǒng)一在一個完整的監(jiān)控指揮系統(tǒng)中，同時利用地球同步衛(wèi)星準(zhǔn)確定位和確認(rèn)交通事故等交通預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)高速公路上車輛的安全運(yùn)行。 3國外生產(chǎn)交通采集器的主要國家有：美國、澳大利亞、英國、瑞典等。進(jìn)口的儀器大部分是美國和澳大利亞生產(chǎn)的儀器。國外儀器的特點(diǎn)是運(yùn)行穩(wěn)定、抗干擾能力強(qiáng)、使用方便。這些儀器在結(jié)構(gòu)上一般采用上位機(jī)和下位機(jī)的形式。儀表作為下位機(jī)，按照給定的要求采集車輛數(shù)據(jù)，

21、經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)處理后，存儲在儀表的數(shù)據(jù)存儲器中或直接傳輸給上位機(jī)。各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計(jì)分析工作由上位機(jī)完成。數(shù)據(jù)傳輸方式有串口、USB接口或紅外接口。供電方式采用電池供電或太陽能供電。在我國使用時的主要問題是：價(jià)格昂貴，不適合一般使用；由于使用環(huán)境不同，國外儀器在使用過程中會遇到一些困難，比如傳感器容易丟失，交通流量比國外密集，導(dǎo)致統(tǒng)計(jì)精度下降；維護(hù)困難。1.2.2國家發(fā)展現(xiàn)狀與歐美相比，我國智能公交系統(tǒng)的發(fā)展起步較晚。 1970年代，從國外引進(jìn)了一些相關(guān)項(xiàng)目，開展了一些智能交通系統(tǒng)或與智能交通系統(tǒng)相關(guān)的基礎(chǔ)項(xiàng)目的研究和應(yīng)用，但僅限于城市交通信號控制實(shí)驗(yàn)。 1990年代中期以來，我國開始研

22、究開發(fā)地理信息系統(tǒng)GIS和全球定位系統(tǒng)GPS在交通運(yùn)輸方面的戰(zhàn)略和應(yīng)用。 2001年，交通部公路科學(xué)研究所國家智能交通工程研究中心制定了中國智能交通系統(tǒng)體系框架，為我國道路檢測的發(fā)展指明了方向。在制定國家發(fā)展“十一五”規(guī)劃和2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃時，ITS已作為重要項(xiàng)目列入戰(zhàn)略研究計(jì)劃。目前，我國已成立國家ITS協(xié)調(diào)組，組織完成了中國ITS標(biāo)準(zhǔn)體系框架研究、ITS系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究等一批重點(diǎn)項(xiàng)目，將道路車輛信息檢測與監(jiān)測作為智能交通管理的重要組成部分。內(nèi)容。 4然而，目前各省市車輛信息采集系統(tǒng)所使用的軟硬件五花八門，無法有效協(xié)調(diào)和集成?？鐓^(qū)域建立大規(guī)模、大規(guī)模的車輛檢測系統(tǒng)是一個巨大的障礙。我國目前

23、生產(chǎn)的儀表有計(jì)數(shù)器、計(jì)軸器、電磁感應(yīng)線圈交通量采集器、紅外交通量采集器?？偟膩碚f，工作的穩(wěn)定性較差，部分技術(shù)落后。隨著時間的推移，該儀器已經(jīng)無法滿足當(dāng)前的流量統(tǒng)計(jì)需求。主要問題是：數(shù)據(jù)存儲容量太小，串口主要用來和電腦通訊，速度慢，沒有網(wǎng)絡(luò)接口，不能滿足目前路網(wǎng)管理和智能化的要求運(yùn)輸。1.2.3常見的車輛檢測傳感器車輛檢測傳感器的種類很多，其工作原理各不相同，但有兩個基本功能：一是檢測車輛的存在和外觀，二是檢測車輛通過時的運(yùn)動和狀態(tài)?？倓t車輛檢測器至少具備以上兩種功能?；竟δ苤弧?6目前，車輛檢測傳感器按工作原理主要分為以下幾類：1.壓敏型壓敏探測器一般用于早期交通數(shù)據(jù)采集。車輛經(jīng)過時，通過

24、檢測壓力變化來采集數(shù)據(jù)，然后將壓力數(shù)據(jù)變化轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號分析處理。由于其檢測信息量少，自動化程度不高，逐漸被新型探測器所取代。2.金屬感應(yīng)式這種檢測器是世界上最常用的檢測設(shè)備。它一般采用電磁感應(yīng)傳感器，通過檢測車輛經(jīng)過時產(chǎn)生的電磁感應(yīng)變化，來計(jì)算車速、流量、時間占用和交通長度。參數(shù)上傳至控制裝置，具有易于掌握、計(jì)數(shù)準(zhǔn)確、成本低的優(yōu)點(diǎn)。3.超聲波感應(yīng)式超聲波檢測器一般使用設(shè)置在車道上方的超聲波探頭，接收超聲波發(fā)生器發(fā)射的超聲波束和車輛反射的超聲波回波，從而對車輛進(jìn)行檢測。優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備體積小，檢測精度高。該設(shè)備安裝在每條車道上方，無需切割路面。缺點(diǎn)是檢測精度受環(huán)境溫度和氣流影響較大。4.視頻圖像類型

25、視頻圖像檢測器也是各國常用的檢測方法。行駛在道路上的車輛通過攝像設(shè)備拍攝為圖像，然后通過視頻圖像技術(shù)對圖像信息進(jìn)行處理，檢測交通數(shù)據(jù)。優(yōu)點(diǎn)是無需破壞路面，在采集交通狀況數(shù)據(jù)的同時，還能提供直觀的視覺圖像參考。汽車的動態(tài)陰影也會干擾檢測，尤其是在夜間工作時，誤報(bào)率比較高。交通數(shù)據(jù)收集需要使用通信技術(shù)。借助計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)，形成了交通檢測網(wǎng)絡(luò)。只有依靠傳感器獲取的實(shí)時數(shù)據(jù)，才能得到及時的處理和反饋，交管中心才能了解道路交通情況，實(shí)時監(jiān)控路網(wǎng)。遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要分為有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)兩大類。(1)有線網(wǎng)絡(luò)接入方式有線網(wǎng)絡(luò)方式是將現(xiàn)場傳感器采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，通過以太網(wǎng)傳輸?shù)娇刂平K端。然

26、后控制終端對接收到的信號進(jìn)行分析和處理，得出結(jié)論并將其反饋給現(xiàn)場。主要有以下幾種有線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。線法這種傳輸方式采用XSDL技術(shù)，利用現(xiàn)有線路進(jìn)行數(shù)字信號傳輸，提供直接接入和不間斷服務(wù)。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是可以使用普通網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)信號傳輸，無需額外組網(wǎng)，可以大大降低系統(tǒng)成本。DDN方式DDN是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的縮寫。它主要由數(shù)字傳輸電路和相應(yīng)的數(shù)字交叉復(fù)用設(shè)備組成。采用這種方式時，可以根據(jù)實(shí)際需要申請帶寬。點(diǎn)對多點(diǎn)數(shù)字專線的優(yōu)點(diǎn)是傳輸速率和質(zhì)量高、協(xié)議簡單、組網(wǎng)靈活，但DDN網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和維護(hù)成本高，長期使用存在局限性。光纖通道光纖通道具有傳輸質(zhì)量高、通道穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。但目前我國光纖拉伸預(yù)制棒供應(yīng)嚴(yán)重不足，主

27、要依賴進(jìn)口。因此，光纖組網(wǎng)的設(shè)備成本和建設(shè)成本居高不下，無法在高速公路網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管中廣泛推廣。(2) 無線網(wǎng)絡(luò)接入無線組網(wǎng)采用無線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有靈活、簡單、速度快等優(yōu)點(diǎn)，特別適用于一些路況復(fù)雜的地區(qū)組網(wǎng)。目前，流量監(jiān)控中的無線接入方式主要有以下幾種：藍(lán)牙無線通訊藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)是一種低功耗、短距離的無線通信技術(shù)。主要優(yōu)點(diǎn)是可以輕松建立無線連接，便攜性強(qiáng)，應(yīng)用范圍廣。但其通信距離短，待機(jī)功耗高。不適合道路交通數(shù)據(jù)采集。GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)GPRS是在GSM基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的分組交換數(shù)據(jù)承載業(yè)務(wù)，一般稱為2.5G（2G和3G）通信技術(shù)。使用該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交通數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢在于可以使

28、用中國移動現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)，方便快捷，接入時間短，傳輸速率高。但是GPRS小區(qū)的容量是有限的，GPRS對容量的影響取決于預(yù)留的GPRS使用時隙的數(shù)量。在網(wǎng)絡(luò)使用高峰期，數(shù)據(jù)傳輸容易被阻塞，實(shí)際傳輸速度大大降低。Zigbee 技術(shù)ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，適用于各種電子設(shè)備之間的低功耗、低傳輸速率的數(shù)據(jù)傳輸。其網(wǎng)絡(luò)容量大、組網(wǎng)靈活，非常適合用于流量采集的傳感器網(wǎng)絡(luò)。1.3 本課題研究內(nèi)容傳統(tǒng)的車輛檢測方式大多需要在安裝檢測設(shè)備時破壞路面，不僅增加了使用和維護(hù)成本，還嚴(yán)重影響了路面的使用壽命。針對傳統(tǒng)車輛檢測方法存在的種種不足，本文利用電子技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的新成果，

29、基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將傳感器和無線通信模塊集成在一起，實(shí)現(xiàn)了安裝方便，不影響環(huán)境。小型、高穩(wěn)定性、低成本的智能車輛檢測傳感器。本文的主要工作是分析和研究現(xiàn)有交通流量檢測系統(tǒng)的特點(diǎn)和存在的問題，利用磁阻傳感器、Zigbee無線通信技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)研發(fā)一種新型的過車傳感器。傳感器的研究分為硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)兩個部分。硬件包括磁阻傳感模塊、信號處理電路、AD轉(zhuǎn)換模塊和zigbee無線通信模塊。軟件包括驅(qū)動程序的開發(fā)、數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸和命令處理。2.傳遞傳感器相關(guān)技術(shù)嵌入式技術(shù)已廣泛應(yīng)用于傳感器和檢測儀器。磁阻傳感器由于其高靈敏度可用于車輛檢測。無線通信技術(shù)大大提高了傳感器的技術(shù)

30、水平和實(shí)用性。2.1 嵌入式技術(shù)嵌入式系統(tǒng)（embedded system）簡單來說就是將專用計(jì)算機(jī)作為智能控制部件嵌入到設(shè)備本體中。嵌入式系統(tǒng)是以嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心，面向特定功能和目的的軟硬件的集合。即以應(yīng)用為中心，基于計(jì)算機(jī)技術(shù)，軟硬件可定制，適用于對應(yīng)用系統(tǒng)的功能、可靠性、成本、尺寸、功耗等有嚴(yán)格要求的特殊計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。它是計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語音和圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，甚至是將傳感器等先進(jìn)技術(shù)與特定應(yīng)用對象相結(jié)合的更新產(chǎn)品。嵌入式系統(tǒng)包括硬件和軟件。硬件部分作為整個系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，為軟件運(yùn)行平臺與其他設(shè)備的通信提供接口；軟件部分包括操作系統(tǒng)組件和應(yīng)用程序編程?？?/p>

31、以為實(shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行和功能實(shí)現(xiàn)提供一種控制方法。一般來說，嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式外部硬件、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式處理器和嵌入式應(yīng)用軟件組成。圖 2.1 嵌入式系統(tǒng)框架示意圖Fig2.1嵌入式系統(tǒng)框架圖2.2 磁阻傳感器的工作原理地球本身就是一塊巨大的磁鐵，它在太空中產(chǎn)生的磁場稱為地磁場。人們使用地磁學(xué)已有大約2000年的歷史。最早的磁傳感器是指南針，用于指示方向。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，各種現(xiàn)代磁傳感器不僅可以測量地球磁場的強(qiáng)度和方向，還可以測量金屬物體運(yùn)動產(chǎn)生的磁場、電流，甚至腦電波。由于磁傳感器在檢測過程中是非接觸式的，可以檢測到非常微弱的磁場變化，因此被

32、廣泛應(yīng)用于各種磁場相關(guān)的測量中。2.2.1磁阻效應(yīng)MR（Magnetio Resistor）效應(yīng)是一種物質(zhì)的電阻在磁場作用下發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。由鐵磁性物質(zhì)構(gòu)成的雙極磁鐵通過純地磁場時，會引起地磁場畸變，產(chǎn)生不規(guī)則磁場，如圖2.2所示。圖 2.2 鐵磁性物質(zhì)引起的磁場變化Fig2.2鐵磁材料的磁場表征磁阻效應(yīng)大小的物理量為MR，定義為：式中： 物質(zhì)在非零磁場中的電阻率 0 磁場為零時物質(zhì)的電阻率2.1.2磁阻傳感器在車輛檢測中的應(yīng)用用于車輛檢測的磁阻傳感技術(shù)是基于磁偏角檢測技術(shù)。磁阻傳感器是由四層鐵鎳合金（坡莫合金）薄膜沉積在硅片上形成電阻條形電阻。這四個電阻連接起來形成一個惠斯通電橋，如圖

33、2.3 所示。沿單軸的磁場強(qiáng)度和方向。橋臂的典型電阻為1000歐姆，典型帶寬為1-5MHz 。磁阻效應(yīng)高度敏感，不受線圈和振蕩頻率等因素的影響。此外，傳感器可以在硅晶片上批量生產(chǎn)，以商業(yè)集成電路的形式封裝。這內(nèi)容磁傳感器與其他電路和系統(tǒng)組件自動組合。圖2.3惠斯通電橋圖 2.3徽石橋地磁場的強(qiáng)度約為 500-600 毫高斯。汽車在道路上行駛時，由于其材料中含有大量的鐵磁物質(zhì)，可以認(rèn)為是鐵磁材料模型。當(dāng)行駛車輛通過低場磁阻感應(yīng)時，它相當(dāng)于一個鐵磁物體切割傳感器附近的地磁場，因此會引起地面附近地磁場的擾動，而磁阻傳感器可以準(zhǔn)確地檢測到地磁場的變化。地球磁場在坐標(biāo)分量的 1/12000 處的強(qiáng)度和方

34、向?？梢詼?zhǔn)確地檢測到車輛經(jīng)過時地球磁場的畸變。 4利用磁學(xué)原理測量地磁場沿車身縱坐標(biāo)系的分量變化，通過數(shù)值計(jì)算和誤差修正得到所需的車輛信息。至此，車輛檢測完成。圖 2.4 車輛引起的地磁場變化Fig2.4車輛引起的磁場變化三軸智能數(shù)字磁場計(jì)HMR2300具有X、Y、Z三個輸出引腳，可檢測傳感器所在磁場三個方向的強(qiáng)度變化，并可直接與計(jì)算機(jī)通訊輸出三軸X 、 Y和Z權(quán)重。三軸AMR磁力計(jì)安裝在車道上。當(dāng)車輛通過傳感器時，地磁場的磁偏角發(fā)生明顯變化，可用于車輛檢測。圖 2.5 顯示了車輛距離傳感器 1 英尺時的磁干擾信號的平滑曲線。圖 2.5 車輛引起的地磁干擾Fig2.5車輛地磁干擾由于磁阻傳感器

35、具有體積小、功耗低、安裝方便、溫度特性好、抗干擾能力強(qiáng)、誤差不隨時間累積等特點(diǎn)，適合制作小型通過傳感器，安裝在在不影響車輛的車道上。安全運(yùn)行，同時能夠準(zhǔn)確記錄交通數(shù)據(jù)。本文擬采用霍尼韋爾基于磁偏角設(shè)計(jì)的HMC2003三軸磁傳感器作為車輛檢測傳感器。2.3 Zigbee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)目前市場上的短距離無線通信技術(shù)主要包括無線局域網(wǎng)WiFi、藍(lán)牙和一些特殊標(biāo)準(zhǔn)（如Ad hoc網(wǎng)絡(luò)等）的產(chǎn)品。一些大公司也在積極研究和制定一些新的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如無線USB、超寬帶通信UWB（Ultra-Wideband）和WiMax（Worldwid Interoperability for Microwave A

36、ccess），以開拓市場和應(yīng)用領(lǐng)域。 . 9ZigBee 是一種新興的無線通信技術(shù)，具有短距離傳輸、低功耗、低數(shù)據(jù)速率和低成本的特點(diǎn)。從它誕生到現(xiàn)在才短短幾年。該技術(shù)在無線傳輸領(lǐng)域具有以下優(yōu)勢：省電：其工作模式有休眠模式，收發(fā)信息時的功耗很小。在某些應(yīng)用中，兩節(jié)電池可以使用兩年左右；高可靠性：MAC層采用完全確認(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，即數(shù)據(jù)致時，需要等待接收方返回的確認(rèn)信息；極低的成本：目前芯片的價(jià)格低于 3 美元。由于其低傳輸速率和免費(fèi)協(xié)議，大大降低了成本；延時短：設(shè)備搜索延時典型值為30ms，休眠激活延時典型值為15ms，活動設(shè)備信道訪問延時為15ms；網(wǎng)絡(luò)容量大：一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以容納1

37、到255個設(shè)備，使用這種技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)平臺可以由多達(dá)65535個無線微功率收發(fā)器組成。綜上所述，一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以擴(kuò)展數(shù)千個微小的傳感器節(jié)點(diǎn)，這些傳感器功耗低，傳感器節(jié)點(diǎn)之間可以相互通信，zigbee可以協(xié)調(diào)數(shù)千個微小傳感器之間的交互。通信適應(yīng)城市道路機(jī)動性，組網(wǎng)方式靈活，通信效率高。在現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)中，ZigBee 是功耗最小、成本最低的技術(shù)。由于ZigBee技術(shù)的這些特點(diǎn)，也決定了ZigBee技術(shù)適合承載小數(shù)據(jù)流量的道路檢測等大規(guī)模無線組網(wǎng)業(yè)務(wù)。2.3.1Zigbee網(wǎng)絡(luò)Zigbee是一種基于IEEE 802.15.4的無線通信協(xié)議，該協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)對等體之間的幀格式、含義和

38、交換方式。其結(jié)構(gòu)由物理層（PHY） 、媒體接入層（MAC） 、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層四層框架組成。各層之間的關(guān)系分布如下圖所示。圖 2.6 Zigbee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖2.6 Zigbee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu)與服務(wù)和服務(wù)原語不同，協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)對等層之間的幀格式、含義和交換方法。每一層實(shí)體都使用協(xié)議來實(shí)現(xiàn)服務(wù)。對于網(wǎng)絡(luò)各層之間的幀傳輸，當(dāng)幀從低層傳輸?shù)礁邔訒r。層傳輸時，每一層都會在傳輸?shù)膸屑尤敕从潮緦酉嚓P(guān)信息的數(shù)據(jù)，分別成為幀的頭和尾。從下到上輸入時，每一層都會刪除附加信息。下面是ZigBee各層的幀結(jié)構(gòu)示意圖：(1) 物理層根據(jù)分層網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，每一層都必須將自己的協(xié)議信息添加到致的數(shù)據(jù)中，以形成協(xié)議

39、數(shù)據(jù)單元 11 。物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）也稱為物理層數(shù)據(jù)包，其格式如表2.2所示。表 2.1 物理層幀結(jié)構(gòu)表2.1物理層幀結(jié)構(gòu)4字節(jié)1 個字節(jié)1 個字節(jié)多變的前言幀分隔符幀長1 個保留位PSDU同步物理層物理層負(fù)載由于致方致連續(xù)的比特流，有一定的延遲，接收方必須與致方保持相同的時間才能正確接收數(shù)據(jù)，這稱為同步。同步分為位同步和幀同步；比特同步的作用是實(shí)現(xiàn)比特的鎖定，幀同步時實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的定界和識別。致同步的方法用于引導(dǎo)接收端和致端實(shí)現(xiàn)同步，同步由4字節(jié)的前導(dǎo)碼和1字節(jié)的幀分隔。(2) MAC層一個完整的 MAC 層幀由幀頭、幀有效載荷（數(shù)據(jù)）和幀尾組成。幀頭由幾個字段按一定順序排列，但并

40、非所有幀都包含所有字段。 MAC層幀結(jié)構(gòu)如表2.3所示。從圖中可以看出，幀頭有幀控制字段、序列號、地址字段等，地址字段包含目的PAN標(biāo)識、目的地址、源PAN標(biāo)識、源地址。表 2.2 MAC 層幀結(jié)構(gòu)表2.2 MAC層幀結(jié)構(gòu)2 個字節(jié)1 個字節(jié)0/2 字節(jié)0/2/8字節(jié)0/2 字節(jié)0/2/8字節(jié)多變的2 個字節(jié)幀控制序列號目標(biāo) PAN 標(biāo)識符目的地址源 PAN 標(biāo)識符源地址幀有效載荷FCS地址字段MHR（MAC層幀頭）MAC有效載荷MFR（幀結(jié)束）ZigBee 的 MAC 層有 4 個不同的幀：信標(biāo)幀、數(shù)據(jù)幀、確認(rèn)幀和命令幀。信標(biāo)幀：在使用信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器周期性地致信標(biāo)以指示超幀的開始。

41、信標(biāo)包含了PAN的基本信息，其整體結(jié)構(gòu)與MAC層幀相同。數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀包含目的地址子字段或源地址子字段，根據(jù)幀控制字段的配置，幀序號應(yīng)為當(dāng)前macDSN的值，數(shù)據(jù)幀payload子字段的內(nèi)容為上層需要MAC層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。 .確認(rèn)幀：確認(rèn)幀只包含控制字段、序列號和校驗(yàn)碼。命令幀：設(shè)備通過致命令與協(xié)調(diào)建立連接。(3) 網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層幀是網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU），由以下兩部分組成：網(wǎng)絡(luò)幀頭，包括幀控制、地址和序列信息等；可變長度幀有效載荷，即幀傳輸?shù)男畔?；下圖是網(wǎng)絡(luò)框架的大體結(jié)構(gòu)：表 2.3 網(wǎng)絡(luò)框架的一般結(jié)構(gòu)表2.3網(wǎng)絡(luò)框架的一般結(jié)構(gòu)2 個字節(jié)2 個字節(jié)2 個字節(jié)0/1 字節(jié)0/1 字節(jié)可變

42、長度幀控制字段目的地址源地址廣播半徑廣播序號幀有效載荷路由域網(wǎng)絡(luò)層頭網(wǎng)絡(luò)層有效載荷幀控制字段包含幀類型、地址、序號等信息。其結(jié)構(gòu)如圖2.5所示表 2.4 網(wǎng)絡(luò)幀控制字段結(jié)構(gòu)網(wǎng)絡(luò)框架的控制場結(jié)構(gòu)0-12-56-78910-15框架類型協(xié)議版本發(fā)現(xiàn)路線預(yù)訂安全預(yù)訂(4) 應(yīng)用層APS 幀 (APDU) 由以下兩部分組成：APS頭，包括幀控制和地址信息；APS 幀有效載荷，即幀傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)，具有可變長度。APS幀的結(jié)構(gòu)如表2.6所示表 2.5 APS 幀結(jié)構(gòu)表2.5 APS幀結(jié)構(gòu)1 個字節(jié)0/1 字節(jié)0/1 字節(jié)0/2 字節(jié)0/1 字節(jié)多變的幀控制字段目標(biāo)端點(diǎn)集群標(biāo)識符模板標(biāo)識符源端點(diǎn)幀有效載荷幀

43、地址字段APS 標(biāo)頭APS 有效載荷從上圖可以看出，APS頭由幀控制字段和地址字段組成。地址域的子域根據(jù)具體情況可能不存在。幀控制字段的長度為 1 個字節(jié)，包含有關(guān)幀類型、尋址和標(biāo)志的信息。2.3.2ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備根據(jù)設(shè)備功能的不同，IEEE 802.15.4將zigbee網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)備分為兩種：全功能設(shè)備（FFD）：它可以工作在所有的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，可以作為網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器和路由器，并且可以與網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。縮減功能設(shè)備（RFD）：一些功能簡單的設(shè)備只能與FFD通信，不能直接相互通信，不能作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器或路由器。FFD可以提供信息的雙向傳輸，可以在FFD和RFD之間建立直

44、接通信，而RFD只能和FFD通信，不能在RFD和RFD之間通信。 RFD的結(jié)構(gòu)比較簡單，所以任務(wù)也比較簡單。在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，它們的任務(wù)一般只是將采集到的數(shù)據(jù)信息致到其協(xié)調(diào)點(diǎn)，而RFDs不具備數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)等功能。與FFD相比， RFD占用資源少，存儲容量小，成本低。與RFD不同的是，F(xiàn)FD增加了存儲等電路。在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中， FFD在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中起到匯聚節(jié)點(diǎn)的作用，通常稱為 PAN 協(xié)調(diào)點(diǎn)。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中只有一個 PAN 協(xié)調(diào)點(diǎn)。 PAN 協(xié)調(diào)點(diǎn)實(shí)際上是一種特殊的 FFD。功能強(qiáng)大，是整個網(wǎng)絡(luò)的主節(jié)點(diǎn)。主要任務(wù)有：建立新網(wǎng)絡(luò)、設(shè)置網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、管理網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)并存

45、儲zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息等。FFD和RFD設(shè)備都可以作為終端節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。此外，一個普通的FFD也可以在其個人操作空間（POS）中充當(dāng)一個協(xié)調(diào)點(diǎn)，但是這個普通的FFD仍然在PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)的控制之下，這與PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)不同。 ZigBee 中每個協(xié)調(diào)點(diǎn)直接連接的節(jié)點(diǎn)最多可達(dá)255 個，每個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)最多可容納65535 個節(jié)點(diǎn)。 19在本研究課題中，車輛通過傳感器是一種RFD設(shè)備，僅負(fù)責(zé)車輛數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和傳輸。2.3.3ZigBee 技術(shù)的原語在 ZigBee 協(xié)議棧中，每一層通過使用下一層提供的服務(wù)來完成自己的功能，同時向上層提供服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)通信在對等層進(jìn)行。這些服

46、務(wù)由設(shè)備中的實(shí)體通過致服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)。所謂服務(wù)原語，就是對代表相應(yīng)服務(wù)的符號和參數(shù)進(jìn)行格式化、標(biāo)準(zhǔn)化的表示，與服務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)無關(guān)。不同的服務(wù)原語可以有不同的編號和不同的形式參數(shù)，它們共同描述服務(wù)。 ZigBee 技術(shù)中的原語有以下四種請求原語指示原語響應(yīng)原語確認(rèn)原語原語的書面形式包括服務(wù)的實(shí)體、原語的功能和原語的類型。物理層數(shù)據(jù)訪問類型原語以PD開頭，物理層管理原語以PLME開頭； MAC層數(shù)據(jù)服務(wù)原語以MCPS開頭，MAC層管理服務(wù)原語以MLME開頭；網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)原語以NLDE開頭，網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)原語以NLME開頭；應(yīng)用層支持以 APSED 開頭的子層數(shù)據(jù)服務(wù)原語，應(yīng)用支持以 APSME

47、開頭的子層管理服務(wù)原語等。表 2.6 原語的書面形式表2.1原語形式服務(wù)原語管理原語物理層PDPLMEMAC層MCPSMLME網(wǎng)絡(luò)層NLDENLME應(yīng)用層APSEDAPSME例如，物理層的檢測請求原語是PLME-ED.request，MAC層與協(xié)調(diào)器的同步請求原語是MLME-SYNS.request，網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)確認(rèn)原語是NLME-NETWORK -DISCOVERY.confirm 等。原語被致到服務(wù)實(shí)體的相鄰層。圖元的基本概念和功能如圖2.1所示圖2.7。服務(wù)原語示意圖圖 2.7服務(wù)原語示意圖圖 2.7 顯示了兩個用戶在對等層通過服務(wù)原語交換信息的示意圖。 N1 用戶向其 M 層致服務(wù)

48、請求，這導(dǎo)致 N2 用戶的 M 層向 N2 用戶發(fā)出指令原語，以宣布事件的發(fā)生。 N2 用戶通過響應(yīng)原語進(jìn)行響應(yīng)。 N1 的 M 層向用戶致確認(rèn)原語，指示氣球原語的執(zhí)行結(jié)果。至此，N1用戶的一項(xiàng)服務(wù)就完成了。右圖為M層應(yīng)用向P層致服務(wù)原語，P層根據(jù)原語執(zhí)行結(jié)果向M層返回確認(rèn)原語。2.3.4ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋃igBee網(wǎng)絡(luò)主要有星型網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和混合網(wǎng)絡(luò)三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星形網(wǎng)絡(luò)（圖2.8 - a）由一個 PAN 協(xié)調(diào)點(diǎn)和一個或多個終端節(jié)點(diǎn)組成。 PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)起整個網(wǎng)絡(luò)的建立和管理，所以必須是FFD ，而其他終端節(jié)點(diǎn)一般都是RFD，在PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)的控制下直接與PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)通信。星型網(wǎng)絡(luò)

49、通常適用于節(jié)點(diǎn)數(shù)較少的場合。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)（圖2.8 -b）通常是由幾個 FFD 連接在一起形成的。這些 FFD之間的通信完全是點(diǎn)對點(diǎn)的。在其無線通信區(qū)域內(nèi)，每個節(jié)點(diǎn)都可以與其他節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。 .在Mesh網(wǎng)絡(luò)中，發(fā)起網(wǎng)絡(luò)建立的FFD節(jié)點(diǎn)通常被設(shè)置為PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)都是FFD， Mesh網(wǎng)絡(luò)具有高可靠性和“自恢復(fù)”能力。它可以為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供多條路徑。即使一條路徑失敗，仍然會有另一條或更多條路徑。路徑可以選擇。圖 2.8 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銯ig2.8 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)銶esh網(wǎng)絡(luò)可以通過FFD擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，形成由Mesh網(wǎng)絡(luò)和星形網(wǎng)絡(luò)組成的混合網(wǎng)絡(luò)（圖2.8- C）。在混合網(wǎng)絡(luò)中，終端

50、節(jié)點(diǎn)采集的信息首先傳輸?shù)酵蛔泳W(wǎng)的協(xié)調(diào)點(diǎn)，然后通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上傳到上層網(wǎng)絡(luò)的PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)?；旌暇W(wǎng)絡(luò)一般適用于覆蓋范圍較大的網(wǎng)絡(luò)。2.3.5Zigbee網(wǎng)絡(luò)形成ZigBee網(wǎng)絡(luò)，只有 PAN協(xié)調(diào)器才能組成新的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。 PAN協(xié)調(diào)器在建立新網(wǎng)絡(luò)時，首先掃描所有信道，并選擇其中一個空閑信道建立新網(wǎng)絡(luò)。在找到合適的空閑信道后， ZigBee 協(xié)調(diào)器將選擇一個 PAN 標(biāo)識符來匹配新網(wǎng)絡(luò)。一旦確定了 PAN 標(biāo)識符，就意味著網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建立。之后，如果遇到另一個PAN coordinator掃描信道，這個網(wǎng)絡(luò)的 coordinator將響應(yīng)并聲明這個新網(wǎng)絡(luò)的存在。同時， ZigBee 協(xié)調(diào)器也會

51、給自己設(shè)置一個 16位的網(wǎng)絡(luò)地址，通常為 0000。一個 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都有兩個地址：一個是64 位的 IEEE 擴(kuò)展地址，另一個是16 位的網(wǎng)絡(luò)地址。 16bit的網(wǎng)絡(luò)地址也是802.15.4MAC短地址，全網(wǎng)唯一。中的 PAN協(xié)調(diào)器選擇網(wǎng)絡(luò)地址時，它開始接受來自其他新節(jié)點(diǎn)的申請加入其網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)一個節(jié)點(diǎn)想要加入網(wǎng)絡(luò)時，它首先通過信道掃描搜索它周圍存在的網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)網(wǎng)絡(luò)被找到時，它將通過關(guān)聯(lián)過程加入網(wǎng)絡(luò)。此時， zigbee網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能的節(jié)點(diǎn)可以內(nèi)容或拒絕其他節(jié)點(diǎn)通過它關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。如果網(wǎng)絡(luò)中的一個節(jié)點(diǎn)在與網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系后想要重新加入網(wǎng)絡(luò)，它可以通過孤兒通知過程重新加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中每

52、個具有路由器功能的節(jié)點(diǎn)都有路由表和路由發(fā)現(xiàn)表，通過與其他節(jié)點(diǎn)的關(guān)聯(lián)參與數(shù)據(jù)包轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)，從而擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大致可以分為三類：周期性數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)的傳輸速率根據(jù)不同的應(yīng)用而定，比如傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；間歇性數(shù)據(jù)，這種數(shù)據(jù)傳輸速率根據(jù)應(yīng)用或外部刺激來確定傳輸狀態(tài)，例如電燈開關(guān)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；重復(fù)的、低響應(yīng)時間的數(shù)據(jù)，這類數(shù)據(jù)的傳輸狀態(tài)是由時隙分配決定的，比如我們電腦上無線鼠標(biāo)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。為了降低 ZigBee 節(jié)點(diǎn)的平均功耗，ZigBee 節(jié)點(diǎn)可以設(shè)置為活動和睡眠兩種工作狀態(tài)，只有在兩個節(jié)點(diǎn)都活動時才能完成數(shù)據(jù)傳輸。在有信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee 協(xié)調(diào)點(diǎn)通過定

53、期向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)廣播信標(biāo)來保持整個網(wǎng)絡(luò)的同步；在沒有信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，終端節(jié)點(diǎn)被設(shè)置為工作周期，定時休眠，定時喚醒，并且終端節(jié)點(diǎn)以外的每個節(jié)點(diǎn)都必須始終處于活躍工作狀態(tài)，每次終端節(jié)點(diǎn)喚醒時，將主動詢問其協(xié)調(diào)點(diǎn)是否有數(shù)據(jù)要致給自己。在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，當(dāng)有數(shù)據(jù)包要致到休眠節(jié)點(diǎn)時，協(xié)調(diào)點(diǎn)負(fù)責(zé)緩存這些數(shù)據(jù)包。2.5 章節(jié)總結(jié)本章系統(tǒng)介紹了嵌入式技術(shù)、磁阻傳感器原理和新型無線網(wǎng)絡(luò)。主要介紹了Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)、協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浜途W(wǎng)絡(luò)組成。3、過車傳感器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)硬件是整個傳感器的基礎(chǔ)，直接關(guān)系到傳感器的功能。對于工作在復(fù)雜環(huán)境中的過車傳感器來說，做好硬件設(shè)計(jì)非常重要。3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理及硬件架

54、構(gòu)在實(shí)踐中，超車傳感器往往放置在高速公路的路面上，工作條件惡劣。夏季，在陽光直射的情況下，高速公路路面溫度可高達(dá)50 60體積小，厚度薄，安裝后不影響車輛正常行駛整體結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，經(jīng)大型車輛碾壓后仍能保持正常工作狀態(tài)工作時間長，可靠穩(wěn)定電池供電低功耗無線傳輸，抗干擾能力強(qiáng)經(jīng)過的無線傳感器首先收集來自磁阻傳感器的信號。傳感器采集到的模擬信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，再由微處理器對數(shù)字信號進(jìn)行處理，無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。進(jìn)一步的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、分析和使用。本系統(tǒng)采用霍尼韋爾HM2003三軸固態(tài)低磁混合電路磁阻傳感器檢測車輛的受干擾地磁場。 CC2431集成了單片機(jī)模塊和zigbee無線通信模

55、塊。因此，無線龍CC2431模塊用作數(shù)據(jù)處理和傳輸。模塊。其硬件架構(gòu)如圖 3.1 所示。1616位A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)存儲數(shù)據(jù)、命令傳送三軸磁阻 傳感器信號處理電路CC2430C8051F CPURF射頻電路圖 3.1 過路傳感器總體框架Fig3.1車輛傳感器框架硬件設(shè)備的選擇3.2.1磁阻傳感器H MC2003磁阻傳感器是美國霍尼韋爾公司生產(chǎn)的用于精確測量低磁場強(qiáng)度的三軸磁阻傳感器的混合電路元件。該裝置由高靈敏度溫度補(bǔ)償電路組成。該混合電路可由6 15V單電源供電，并接+2.5V參考電壓，每個坐標(biāo)軸都有一個模擬輸出，供外部接口使用?？蓹z測磁場強(qiáng)度范圍可達(dá)40 2Gs ，工作溫度在- 40之間。8

56、5傳感器的磁敏方向?yàn)檠仉p列直插式混合電路的長、寬、高三個方向。 X 、 Y 、 Z磁傳感器電橋電路與放大器相連，輸出0-5V信號。 0高斯對應(yīng)2.5V輸出（典型值） ，這個電壓的實(shí)際值由參考電壓Vref決定。地球磁場通常為0.5高斯，放大后的電橋輸出靈敏度典型值為1.0V/ Guass，輸出模擬量從0.5到4.5V不等。利用這種混合電路的靈敏度和線性度，可以檢測到地磁場的各種變化，以提供羅盤方向感測。因此，混合電路非常適合需要2軸或3軸磁場感應(yīng)、有限體積和抗振性以及僅前端感應(yīng)部分的應(yīng)用。圖 3.2 H MC2003 結(jié)構(gòu)示意圖3.2 HMC2003結(jié)構(gòu)圖3.2.2 A/D 轉(zhuǎn)換器磁阻傳感器的輸

57、出是模擬信號，需要通過A/D轉(zhuǎn)換讀入計(jì)算機(jī)。 A/D轉(zhuǎn)換器的選擇需要考慮以下指標(biāo)。1. 分辨率分辨率是指模數(shù)轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換過程中所能分辨的最小量，習(xí)慣上用轉(zhuǎn)換結(jié)果的位數(shù)來表示。分辨率表示A/D轉(zhuǎn)換器將輸入模擬信號數(shù)字化的精細(xì)程度。在不進(jìn)行范圍切換時，可以根據(jù)輸入模擬信號的動態(tài)范圍和需要解析的最小輸入計(jì)算所需的ADC分辨率，即：(3.1)(3.2)ADC中的位數(shù)為 14。2.準(zhǔn)確度_準(zhǔn)確度可以用兩種方式表示：絕對準(zhǔn)確度和相對準(zhǔn)確度。1)絕對誤差在轉(zhuǎn)換器中，對應(yīng)于一個數(shù)字量的實(shí)際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差的最大值被定義為“絕對誤差”。絕對誤差通常以數(shù)字量的最低有效位 (LSB) 的小數(shù)值表示

58、，例如 1LSB 。絕對誤差包括量化誤差和所有其他誤差。2)相對誤差指在整個轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任何數(shù)字量對應(yīng)的模擬輸入的實(shí)際值與理論值之差，以模擬滿量程的百分比表示。例如滿量程為5V，12位A/D芯片，其絕對精度為11/2LSB ，其最低位量化單位為1.22mV ，絕對精度為0.61mV ，相對準(zhǔn)確率為0.061%3.轉(zhuǎn)換時間（率）轉(zhuǎn)換時間是ADC完成一次轉(zhuǎn)換所用的時間。對于大多數(shù)ADC ，轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)就是轉(zhuǎn)換速率。積分A /D轉(zhuǎn)換時間為毫秒級低速A/D，逐次比較A/ D為微秒級中速A/D ，全并行/串并A/D可達(dá)到納秒級。磁阻傳感器信號的A/D轉(zhuǎn)換電路對本系統(tǒng)非常重要，直接關(guān)系到測量精度。CC2

59、430有8通道，最高14位A/D轉(zhuǎn)換器，14位時轉(zhuǎn)換時間為132s。HMC2003有Xout、Yout、Zout三個輸出引腳，分別對應(yīng)傳感器所在的X軸、Y軸、Z軸上的磁場強(qiáng)度。三個引腳輸出0-5V的電壓（2.5V代表磁場強(qiáng)度為0），所以信號輸出可以直接接到CC2430的A/D通道。這樣，進(jìn)一步減小了傳感器的尺寸和功耗。3.2.3無線通信芯片CC2430CC2430是TI推出的ZigBee無線通信芯片，擴(kuò)展了之前CC2420芯片的架構(gòu)，對2.4GHz ISM頻段應(yīng)用要求低成本、低功耗。它可以滿足低功耗ZigBee （ IEEE 802.15.4 ）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需求。圖 3.3 CC243

60、0 電路板外觀Fig3.3 CC2430外觀電路圖C C2430 將高性能2.4GHz DSSS（直接序列擴(kuò)頻） RF 收發(fā)器內(nèi)核與工業(yè)級8051微控制器控制器相結(jié)合。 CC2430 芯片延續(xù)了之前CC2420芯片的架構(gòu)，將ZigBee射頻(RF)前端、存儲器和微控制器集成在一個芯片上。它采用1 個 8位MCU ( 8051 )，具有32/64/128 KB可編程閃存和8KB RAM，還包含模數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC) 、定時器 ( Timer )、看門狗定時器 ( Watchdog Timer )、 AES128安全協(xié)處理器、 32 kHz晶振睡眠狀態(tài)定時器、掉電檢測電路、上電復(fù)位電路等19CC24