基于zigbee的車輛數(shù)據(jù)采集傳感器的研究-3講解

1、 圖2.6 Zigbee 協(xié)議棧結(jié)構(gòu) Fig2.6 Zigbee protocol stack structure 與服務(wù)與服務(wù)原語(yǔ)不同， 協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)對(duì)等層之間的幀格式、 意義和交換方式， 各層實(shí)體 利用協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)服務(wù)， 對(duì)于幀在網(wǎng)絡(luò)各層之間的傳輸， 當(dāng)從下層向上層傳輸時(shí)， 每層都會(huì)在 傳輸?shù)膸懈郊由戏从潮緦酉嚓P(guān)信息的數(shù)據(jù)， 分別成為幀的首部和尾部。 而從下層向上層傳 輸時(shí)，各層將附加信息去掉。以下是ZigBee 各層幀結(jié)構(gòu)示意圖： （ 1）物理層 按分層的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，每一層都要在發(fā)送的數(shù)據(jù)上附加上自己的協(xié)議信息，以形成 協(xié)議數(shù)據(jù)單元 11 。物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（ PPDU ）又稱物理

2、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) Table2.1 Physical layer frame structure 4 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 可變 前同步碼 幀定界符 幀長(zhǎng)度 保留位 1 位 PSDU 同步包頭 物理層包頭 物理層載荷 由于發(fā)送端按一定的是延發(fā)送連續(xù)的位流，而接收端必須在時(shí)間上保持與發(fā)送端相同 才能正確的接收數(shù)據(jù)， 這稱為同步。 同步又分為位同步和幀同步； 位同步的功能是實(shí)現(xiàn)位的 鎖定，而幀同步時(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的定界和識(shí)別。 采用發(fā)送同步包頭的方法引導(dǎo)接收端與發(fā)送端 實(shí)現(xiàn)同步，同步包頭由 4 字節(jié)的前同步碼和 1 字節(jié)的幀定界。 （ 2） MAC 層

3、 一個(gè)完整的 MAC 層幀由幀首部，幀載荷（數(shù)據(jù)）和幀尾 3 部分組成。其中幀首部又由 若干個(gè)域按一定的順序排列，但并不是所有的幀中都包含有全部的域。 MAC 層幀結(jié)構(gòu)如表 2.3 所示。由圖可見(jiàn)，幀首部有幀控制域，序列號(hào)，地址域等，其中地址域又包含目的 PAN 標(biāo)識(shí)符，目的地址，源 PAN 標(biāo)識(shí)符和源地址等。 表 2.2MAC 層幀結(jié)構(gòu) Table2.2 MAC layer frame structure 2 字節(jié) 1 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) 可變 2 字節(jié) 幀控制 序列號(hào) 目的 PAN 標(biāo) 識(shí)符 目的地 址 源 PAN 標(biāo)識(shí)符 源地址 幀載

4、荷 FCS 地址域 MHR（MAC 層幀首部 ） MAC Payload（MAC 載荷 ） MFR（ 幀 尾） ZigBee 的 MAC 層有 4 種不同的幀：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)器周期性的發(fā)送信標(biāo)，表示一個(gè)超幀的開(kāi)始， 信標(biāo) 中包含了 PAN 的基本信息，其總體結(jié)構(gòu)與 MAC 層幀相同。 數(shù)據(jù)幀： 數(shù)據(jù)幀中包含目的地址子域或源地址子域， 取決于幀控制域的配置， 幀序列號(hào)應(yīng)為 當(dāng)前 macDSN 的值，數(shù)據(jù)幀載荷子域的內(nèi)容是上層要求 MAC 層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。 確認(rèn)幀：確認(rèn)幀僅包含控制域，序列號(hào)和校驗(yàn)碼。 命令幀：設(shè)備通過(guò)發(fā)送命令與協(xié)調(diào)建立連接。

5、 （ 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 ），它由下列兩部分組成： 網(wǎng)絡(luò)幀首部，包含幀控制，地址和序列信息等； 長(zhǎng)度可變的幀載荷，即幀所傳送的信息； 下圖是網(wǎng)絡(luò)幀通用結(jié)構(gòu)： 表 2.3 網(wǎng)絡(luò)幀通用結(jié)構(gòu) Table2.3 General structure of the network frame 2 字節(jié) 2 字節(jié) 2 字節(jié) 0/1 字節(jié) 0/1 字節(jié) 可變長(zhǎng) 幀控制域 目的地址 源地址 廣播半徑域 廣播序列號(hào) 幀載荷 路由域 網(wǎng)絡(luò)層首部 網(wǎng)絡(luò)層的有 效載荷 幀控制域包含了幀的類型，地址，序列號(hào)以及其他一些信息。其結(jié)構(gòu)如圖 2.5 所示 表 2.4 網(wǎng)絡(luò)幀控制域結(jié)構(gòu) Tab

6、le2.4 Control field structure of network frame 0-1 2-5 6-7 8 9 10-15 幀類型 協(xié)議版本 發(fā)現(xiàn)路由 保留 安全性 保留 （4）應(yīng)用層 APS 幀（ APDU ）由以下兩部分組成： APS 首部，包含幀控制及地址信息； APS 幀載荷，即幀傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)，其長(zhǎng)度可變。 APS 幀的結(jié)構(gòu)如表 2.6 所示 表 2.5APS 幀結(jié)構(gòu) Table2.5 Structure of APS frame 1 字節(jié) 0/1 字節(jié) 0/1 字節(jié) 0/2 字節(jié) 0/1 字節(jié) 可變 幀控制域 目的端點(diǎn) 簇標(biāo)識(shí)符 模板標(biāo)識(shí)符 源端點(diǎn) 幀載荷 幀地址域

7、APS 首部 APS 載荷 由上圖可以看出， APS 首部由幀控制域和地址域組成。其中地址域的各子域根據(jù)具體 情況不同可以不存在。幀控制域的長(zhǎng)度為 1 字節(jié)，包含了有關(guān)幀類型，尋址，標(biāo)志等信息。 2.3.2 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備 根據(jù)設(shè)備功能的不同， IEEE 802.15.4 把 zigbee 網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)設(shè)備分為兩種： 全功能設(shè)備（ Full Function Device,FFD ）：可工作于所有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可作為網(wǎng)絡(luò)中的 協(xié)調(diào)器、路由器，能夠和網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)通信。 簡(jiǎn)化功能設(shè)備（ Reduced Function Device ， RFD） ：一些功能簡(jiǎn)單的設(shè)備，僅能與 FFD

8、通信彼此之間不能直接通信 , ，無(wú)法作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器或路由器。 FFD可以提供信息雙向傳輸與 FFD、RFD之間都可以建立直接通信，而 RFD卻只能與 FFD通 信， RFD和RFD之間無(wú)法通信。 RFD的構(gòu)造相對(duì)簡(jiǎn)單，因此任務(wù)比較單一，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中， 它們的任務(wù)一般只是將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給它的協(xié)調(diào)點(diǎn)， 像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、 路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)等 功能 RFD并不具備。相對(duì)于 FFD，RFD占用資源少，需要的存儲(chǔ)容量也小，成本比較低。 和RFD不同， FFD增加了內(nèi)存和其他電路，在 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中， FFD扮演著在無(wú)線傳感器網(wǎng) 絡(luò)中匯聚節(jié)點(diǎn)的角色，通常稱作 PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)。一個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)

9、中只有一個(gè) PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)， PAN 協(xié)調(diào)點(diǎn)其實(shí)就是一個(gè)特殊的 FFD，它具有較強(qiáng)大的功能，是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)，主要工作 有：建立起新網(wǎng)絡(luò)、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、管理網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ) zigbee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息等。 FFD和RFD兩種設(shè)備都可以作為終端節(jié)點(diǎn)加入 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。此外，普通 FFD在它的個(gè)人操作空 間（ POS）中也可以充當(dāng)協(xié)調(diào)點(diǎn)，但是這種普通FFD與PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)不同 ,它仍然受 PAN協(xié)調(diào)點(diǎn) 的控制。 ZigBee中每個(gè)協(xié)調(diào)點(diǎn)直接連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可以達(dá)到255個(gè)，而每一個(gè) ZigBee 網(wǎng)絡(luò) 最多可容納 65535個(gè)節(jié)點(diǎn)。 19 在本研究課題中，過(guò)車傳感器是 RFD設(shè)備， 只

10、負(fù)責(zé)車輛數(shù)據(jù)的采集、 處理、存儲(chǔ)和發(fā)送。 2.3.3 ZigBee 技術(shù)的原語(yǔ) 在 ZigBee 協(xié)議棧中， 每一層通過(guò)使用下一層提供的服務(wù)完成自己的功能， 同時(shí)對(duì)上層提 供服務(wù)， 網(wǎng)絡(luò)的通信在對(duì)等的層次上進(jìn)行。 這些服務(wù)是設(shè)備中的實(shí)體通過(guò)發(fā)送服務(wù)原語(yǔ)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。 所謂的服務(wù)原語(yǔ)是代表相應(yīng)服務(wù)的符號(hào)和參數(shù)的一種格式化， 規(guī)范化的表示， 它與服 務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)方式?jīng)]有關(guān)系。 不同的服務(wù)原語(yǔ)可帶有不同的個(gè)數(shù)， 不同的形式參數(shù)， 它們共 同描述了該服務(wù)。在 ZigBee 技術(shù)中存在著以下四種類型的原語(yǔ) 請(qǐng)求原語(yǔ) 指示原語(yǔ) 響應(yīng)原語(yǔ) 確認(rèn)原語(yǔ) 原語(yǔ)的書(shū)寫(xiě)形式包含了服務(wù)的實(shí)體， 原語(yǔ)的功能及原語(yǔ)的類型， 物

11、理層數(shù)據(jù)訪問(wèn)類型原 語(yǔ)用 PD 開(kāi)頭，物理層管理類原語(yǔ)用 PLME 開(kāi)頭；MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)原語(yǔ)用 MCPS 開(kāi)頭，MAC 層管理服務(wù)原語(yǔ)用 MLME 開(kāi)頭；網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)原語(yǔ)用 NLDE 開(kāi)頭，網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)原語(yǔ) 用 NLME 開(kāi)頭；應(yīng)用層支持子層數(shù)據(jù)服務(wù)原語(yǔ)用 APSED 開(kāi)頭， 應(yīng)用支持子層管理服務(wù)原語(yǔ) 用 APSME 開(kāi)頭等。 表 2.6 原語(yǔ)的書(shū)寫(xiě)形式 Table2.1 Forms of primitive 服務(wù)類原語(yǔ) 管理類原語(yǔ) 物理層 PD PLME MAC 層 MCPS MLME 網(wǎng)絡(luò)層 NLDE NLME 應(yīng)用層 APSED APSME P層 例如，物理層的檢測(cè)請(qǐng)求原語(yǔ)為 P

12、LME-ED.request,MAC 層的與協(xié)調(diào)器同步請(qǐng)求原語(yǔ)為 MLME-SYNS.request, 絡(luò)層的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)確認(rèn)原語(yǔ)為 NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm 等。原語(yǔ)都是發(fā)送給服務(wù)實(shí)體相鄰層的。原語(yǔ)的基本概念與作用如果圖 2.1 所示 服務(wù)提供者（ M 層） 用戶 1請(qǐng)求（ N 層） 用戶 2指示（ N層） 請(qǐng)求（ M 層） 用戶 2響應(yīng)（ N層） 確認(rèn)（ M 層） 用戶 1確認(rèn) （N層） 圖 2.7. 服務(wù)原語(yǔ)示意圖 Fig 2.7 Service primitive sketch 圖 2.7 中表示的是兩用戶在對(duì)等層上通過(guò)服務(wù)原語(yǔ)實(shí)現(xiàn)信息交換的示意圖。 N

13、1 用戶向 它的 M 層發(fā)出服務(wù)請(qǐng)求，它引起 N2 用戶的 M 層向 N2 用戶發(fā)出指示原語(yǔ)，通告某事件的 發(fā)生。 N2 用戶通過(guò)響應(yīng)原語(yǔ)作出回應(yīng)。 N1 的 M 層向用戶發(fā)送確認(rèn)原語(yǔ)，指示氣球原語(yǔ)執(zhí) 行的結(jié)果。至此， N1 用戶的一次服務(wù)完成。右側(cè)圖是 M 層應(yīng)用向 P層發(fā)送服務(wù)原語(yǔ)， P 層 根據(jù)原語(yǔ)執(zhí)行的結(jié)果向 M 層返回確認(rèn)原語(yǔ)。 2.3.4 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) ZigBee 網(wǎng)絡(luò)主要有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，星型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和混合網(wǎng)。星型網(wǎng)（圖 2.8-a ）是由 一個(gè) PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)和一個(gè)或多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)組成的。PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)起建立和管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)， 因 此它必須是 FFD，而其它的終端

14、節(jié)點(diǎn)一般為 RFD，在 PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)的控制之下， 直接與 PAN協(xié)調(diào)點(diǎn) 進(jìn)行通信。星型網(wǎng)通常適用于用于節(jié)點(diǎn)數(shù)量較少的場(chǎng)合。 Mesh網(wǎng)（圖 2.8-b ）一般是由若干個(gè) FFD連接在一起形成，這幾個(gè) FFD之間通信是完全的 對(duì)等的，在其無(wú)線通訊范圍內(nèi)， 每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與其它節(jié)點(diǎn)通信。 Mesh網(wǎng)中，通常將發(fā)起建 立網(wǎng)絡(luò)的那個(gè) FFD節(jié)點(diǎn)設(shè)置為 PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)。由于節(jié)點(diǎn)均為 FFD， Mesh網(wǎng)具有很高可靠性，而且 具有“自恢復(fù)”能力， 它可以為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供多條路徑， 即使一條路徑出現(xiàn)故障， 則依 然存在另外一條或多條路徑可以選擇。 圖 2.8 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Fig2.8 Zig

15、bee network topology Mesh網(wǎng)可以通過(guò) FFD擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)， 組成 Mesh網(wǎng)與星型網(wǎng)構(gòu)成的混合網(wǎng) （圖 2.8-C ）。混合網(wǎng) 中，終端節(jié)點(diǎn)采集的信息首先傳到同一子網(wǎng)內(nèi)的協(xié)調(diào)點(diǎn)， 再通過(guò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上傳到上一層網(wǎng)絡(luò) 的PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)?；旌暇W(wǎng)一般適用于覆蓋范圍較大的網(wǎng)絡(luò)。 2.3.5 Zigbee網(wǎng)絡(luò)組建 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中，只有 PAN協(xié)調(diào)器能夠組建一個(gè)新的 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)。在 PAN協(xié)調(diào)器建立一 個(gè)新網(wǎng)絡(luò)時(shí)， 首先要對(duì)所有的信道進(jìn)行掃描， 選擇其中一個(gè)空閑信道來(lái)建立新的網(wǎng)絡(luò)。 在找 到合適的空閑信道后， ZigBee 協(xié)調(diào)器就會(huì)選擇一個(gè) PAN標(biāo)識(shí)符和新網(wǎng)絡(luò)匹配。 PAN

16、標(biāo)識(shí)符一 旦確定，就說(shuō)明已經(jīng)建立了網(wǎng)絡(luò)，此后， 如果遇到另一個(gè) PAN協(xié)調(diào)器掃描該信道， 這個(gè)網(wǎng)絡(luò) 的協(xié)調(diào)器就會(huì)響應(yīng)并聲明這個(gè)新網(wǎng)絡(luò)的存在。同時(shí)，這個(gè) ZigBee 協(xié)調(diào)器還會(huì)為自己設(shè)置一 個(gè) 16bit 的網(wǎng)絡(luò)地址，一般是0000。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點(diǎn)都有兩個(gè)地址：一個(gè)是 64bitIEEE 擴(kuò)展地址，另一個(gè)是 16bit 網(wǎng)絡(luò)地址。 16bit 網(wǎng)絡(luò)地址也就是 802.15.4 MAC 短地址，它在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中是唯一的。 當(dāng)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的 PAN協(xié)調(diào)器選定網(wǎng)絡(luò)地址后，便開(kāi)始接受其他新節(jié)點(diǎn)加入其網(wǎng)絡(luò)的申 請(qǐng)。當(dāng)一個(gè)節(jié)點(diǎn)希望加入該網(wǎng)絡(luò)時(shí)， 它首先通過(guò)信道掃描來(lái)搜索它周圍存在的

17、網(wǎng)絡(luò)， 當(dāng)搜尋 到了這個(gè)網(wǎng)絡(luò)后， 它就會(huì)通過(guò)關(guān)聯(lián)過(guò)程來(lái)加入網(wǎng)絡(luò)， 這時(shí) zigbee 網(wǎng)絡(luò)中具備路由功能的節(jié)點(diǎn) 可以允許或拒絕別的節(jié)點(diǎn)通過(guò)它關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò)。 如果網(wǎng)絡(luò)中的某個(gè)節(jié)點(diǎn)與網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系后想要再 次加入網(wǎng)絡(luò)， 它可以通過(guò)孤立通知過(guò)程來(lái)重新加入網(wǎng)絡(luò)。 網(wǎng)絡(luò)中每個(gè)具備路由器功能的節(jié)點(diǎn) 都具有一個(gè)路由表和一個(gè)路由發(fā)現(xiàn)表， 并參與數(shù)據(jù)包的轉(zhuǎn)發(fā)、 路由發(fā)現(xiàn)和路由維護(hù)， 以及關(guān) 聯(lián)其它節(jié)點(diǎn)來(lái)擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)大體上可分為三類： 周期性數(shù)據(jù)， 這一類數(shù)據(jù)的傳輸速率根據(jù) 不同的應(yīng)用而確定， 例如傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳輸?shù)臄?shù)據(jù)； 間歇性數(shù)據(jù)， 這一類數(shù)據(jù)的傳輸狀態(tài)根 據(jù)應(yīng)用或者外部激勵(lì)而確定，例

18、如電燈開(kāi)關(guān)傳輸?shù)臄?shù)據(jù)； 反復(fù)性的、反應(yīng)時(shí)間低的數(shù)據(jù)，這 一類數(shù)據(jù)的傳輸狀態(tài)是由時(shí)隙分配而確定的， 例如我們電腦上無(wú)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)定為激活和睡眠兩種工作狀態(tài)，當(dāng)兩個(gè)節(jié)點(diǎn)都 處于激活狀態(tài)才能完成數(shù)據(jù)的傳輸。 在有信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中， ZigBee 協(xié)調(diào)點(diǎn)通過(guò)定期地向網(wǎng)絡(luò)節(jié) 點(diǎn)廣播信標(biāo)使整個(gè)網(wǎng)絡(luò)保持同步； 在無(wú)信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中， 終端節(jié)點(diǎn)會(huì)被設(shè)定工作周期， 定期睡 眠，定期醒來(lái)， 而終端節(jié)點(diǎn)以外的各個(gè)節(jié)點(diǎn)要始終保證處于激活的工作狀態(tài)， 終端節(jié)點(diǎn)每次 醒來(lái)后會(huì)主動(dòng)向它的協(xié)調(diào)點(diǎn)發(fā)出詢問(wèn)是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送給自己。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中， 當(dāng)有數(shù)據(jù)

19、包要發(fā)送給正在睡眠的節(jié)點(diǎn)時(shí)，協(xié)調(diào)點(diǎn)負(fù)責(zé)為這些數(shù)據(jù)包提供緩存。 2.5 本章小結(jié) 本章中對(duì)嵌入式技術(shù)， 磁阻傳感器原理和新型無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了系統(tǒng)的介紹。 其中重點(diǎn)介 紹了 Zigbee 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)，協(xié)議，網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和網(wǎng)絡(luò)的組建。 3. 過(guò)車傳感器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件是整個(gè)傳感器的基礎(chǔ)， 直接關(guān)系著傳感器的功能。 對(duì)于工作在復(fù)雜環(huán)境下的過(guò)車傳 感器，做好硬件設(shè)計(jì)至關(guān)重要。 3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和硬件框架 在實(shí)際中，過(guò)車傳感器往往放置在高速公路的各車道路面上，工作條件惡劣。夏天，在 陽(yáng)光直射下，高速公路的路面溫度可高達(dá)5060 ，而在寒冷的冬天，溫度可低至零下十 幾度。并且現(xiàn)在的車輛裝載了越來(lái)越

20、多的電子設(shè)備，將對(duì)過(guò)車傳感器產(chǎn)生很大的電磁干擾。 另外，為了防止車輛對(duì)傳感器造成破壞和考慮到傳感器安裝方便， 應(yīng)使用電池供電和無(wú)線傳 輸。因此，過(guò)車傳感器應(yīng)滿足以下要求： 體積小，厚度薄，安裝后不能影響車輛正常行駛 整體結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，在大型車輛的碾壓后仍然保持正常的工作狀態(tài) 工作時(shí)間長(zhǎng)，可靠穩(wěn)定 采用電池供電 耗電量低 無(wú)線傳輸且抗干擾能力強(qiáng) 過(guò)車無(wú)線傳感器先由磁阻傳感器采集信號(hào)，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后將傳感器采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn) 換為數(shù)字信號(hào)， 再由微處理器對(duì)這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理， 無(wú)線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī) 進(jìn)一步數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)， 分析使用。 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

21、 對(duì)車輛擾動(dòng)地磁場(chǎng)進(jìn)行檢測(cè)， CC2431整合了單片機(jī)模塊和 zigbee 無(wú)線通訊模塊 ,因此 ,以成都 無(wú)線龍 CC2431模塊作為數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送模塊。其硬件框架如圖3.1 所示。 CC2430 數(shù)據(jù)存儲(chǔ) 數(shù)據(jù)、命令傳送 圖 3.1 過(guò)車傳感器總體框架 Fig3.1 vehicle sensor framework 3.2 硬件設(shè)備的選擇 3.2.1 磁阻傳感器 HMC2003 磁阻傳感器是美國(guó)公司霍尼維爾制造的一款用于精確測(cè)量低磁場(chǎng)強(qiáng)度的使用 三軸磁阻傳感器混合的電路組件 , 由三個(gè)精密坡莫合金磁阻傳感器和統(tǒng)一定制的接口電子設(shè) 備構(gòu)成 ,并且自帶高靈敏度溫度補(bǔ)償電路。混合電路可使用61

22、5V單電源供電，并內(nèi)置 + 2.5V 基準(zhǔn)電壓 , 每個(gè)坐標(biāo)軸都有模擬輸出可供外部接口使用, 可檢測(cè)的磁場(chǎng)強(qiáng)度范圍能達(dá)到 40 2Gs，工作溫度在 - 40 85之間。傳感器的磁敏感方向?yàn)檠刂p列直插混合電 路長(zhǎng)，寬，高三個(gè)方向。 X、Y、Z 磁傳感器橋路與放大器相連，輸出 0 5V的信號(hào)。 0高斯對(duì) 應(yīng)2.5V 輸出（典型值 ） ，該電壓實(shí)際值由參考電壓 Vref 決定。地球磁場(chǎng)通常為 0.5 高斯，放大 的橋路輸出靈敏度典型值為 1.0V/Guass ,輸出模擬量在 0.5 4.5V 范圍內(nèi)變化。 利用這種混 合電路的靈敏度和線性度可以在地磁場(chǎng)中探測(cè)各種變化，以提供羅盤(pán)方向的傳感。因此,

23、對(duì) 于要求 2或3軸磁場(chǎng)感應(yīng)、體積和抗振性有限制并只要求前段傳感部分的應(yīng)用來(lái)說(shuō), 該混合電 路是最理想的選擇。 15 圖3.2 HMC2003結(jié)構(gòu)原理圖 Fig3.2 Structure diagram of HMC2003 3.2.2 A/D 轉(zhuǎn)換器 磁阻傳感器輸出為模擬信號(hào)， 需要經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換讀入計(jì)算機(jī)。 A/D 轉(zhuǎn)換器的選擇需要考 慮以下幾個(gè)指標(biāo)。 1分辨率 分辨率是指模數(shù)轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換中所能分辨的最小量，習(xí)慣上用轉(zhuǎn)換結(jié)果的位數(shù)表示。 分辨率表示了 A/D 轉(zhuǎn)換器對(duì)輸入模擬信號(hào)數(shù)字化后的精細(xì)程度。不作量程切換時(shí)，由輸入 ADC分辨率，也即： Ui FSR 2N 1 Uimin 2N

24、(3.1) log (1 UUii FSR min (3.2) 模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍和要求分辨的最小輸入可計(jì)算所需要 對(duì)于所選用的磁阻傳感器， ADC的位數(shù)為 14 即可。 2. 精度 精度有絕對(duì)精度和相對(duì)精度兩種表示方法。 1) 絕對(duì)誤差 在一個(gè)轉(zhuǎn)換器中，對(duì)應(yīng)于一個(gè)數(shù)字量的實(shí)際模擬輸入電壓和理想的模擬輸入電壓之差 的最大值，定義為“絕對(duì)誤差” 。通常以數(shù)字量的最小有效位 (LSB) 的分?jǐn)?shù)值來(lái)表示絕對(duì)誤 差，如士 1LSB 等。絕對(duì)誤差包括量化誤差和其它所有誤差。 2) 相對(duì)誤差 是指整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任意數(shù)字量所對(duì)應(yīng)的模擬輸入量的實(shí)際值與理論值之差，用模 擬滿量程的百分比表示。例如，滿量程為

25、5V,12 位 A/D 芯片，若其絕對(duì)精度為 11/2LSB ，則 其最小有效位的量化單位為 1.22mV，其絕對(duì)精度為 0.61 mV ，相對(duì)精度為 0.061% 3. 轉(zhuǎn)換時(shí)間 ( 速率) 轉(zhuǎn)換時(shí)間是 ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。 對(duì)于大多數(shù) ADC，轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)即為轉(zhuǎn)換 速率。積分型 A/D 的轉(zhuǎn)換時(shí)間是毫秒級(jí)低速 A/D, 逐次比較型 A/D 是微秒級(jí)中速 A/D，全并 行/ 串并行型 A/D 可達(dá)到納秒級(jí)。 磁阻傳感器信號(hào)的 A/D 轉(zhuǎn)換電路對(duì)本系統(tǒng)非常重要，直接關(guān)系測(cè)量的精度。 CC2430具有 8通道，最高 14位的 A/D 轉(zhuǎn)換器， 14 位時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間為 132s。 HMC

26、2003有 Xout,Yout,Zout 三個(gè)輸出引腳 ,分別對(duì)應(yīng)傳感器所在位置的 X 軸,Y 軸,Z 軸 上的磁場(chǎng)強(qiáng)度。三個(gè)引腳輸出 0-5V 的電壓 (2.5V 代表磁場(chǎng)強(qiáng)度為 0) , 因此可以直接將信號(hào) 輸出接到 CC2430的 A/D 通道。這樣，進(jìn)一步減少了傳感器的體積和功耗。 3.2.3 無(wú)線通信芯片 CC2430 CC2430是TI公司推出針對(duì) ZigBee 的無(wú)線通信芯片 , 延用了以往 CC2420芯片的架構(gòu)以 2.4GHz ISM波段應(yīng)用對(duì)低成本，低功耗的要求。能滿足低功耗ZigBee ( IEEE 802.15.4 )無(wú) 線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要。 10 圖 3.3 CC

27、2430 電路版外觀圖 Fig3.3 The appearance of CC2430 circuit diagram CC2430結(jié)合了一個(gè)高性能 2.4GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻 ) 的射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí) 8051 單片機(jī)控制器。 CC2430 芯片延用了以往 CC2420 芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了 ZigBee 射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。 它使用 1個(gè)8 位MC(U 8051)，具有32/64/128 KB 可 編程閃存和 8KB的RAM，還包含模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器 (ADC)、定時(shí)器( Timer )、看門(mén)狗定時(shí)器 (Watchdog Timer )、 AES12

28、8密保協(xié)同處理器、 32 kHz晶振的休眠狀態(tài)定時(shí)器、掉電檢測(cè)功 能電路 (Brown Out Detection) 、內(nèi)置上電復(fù)位電路 (Power On Reset) 等。 19 CC2430 芯片采用 0.18um CMOS 工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流消耗為 27 mA；在接收和發(fā)射 模式下，電流損耗分別低于 27 mA或25mA。 CC2430的從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式使用超短時(shí) 間的特性，特別適合那些對(duì)電池壽命要求非常嚴(yán)格的應(yīng)用。 CC2430 具有四個(gè)工作模式， 以適應(yīng)對(duì)芯片低功耗有不同要求的應(yīng)用。 這四種工作模式 分別為： PM0、 PM1、PM2、 PM3。他們的區(qū)別如表 3.1

29、所示。 表3.1 CC2430 的工作模式 Table3.1 CC2430 working mode 工作模式 功能 PM0 主時(shí)鐘振蕩器開(kāi)， 電源電壓調(diào)節(jié)器開(kāi)， 為全功能模式。 這個(gè)模式下， CPU 和所有外圍模塊都處于激活狀態(tài)，是通常使用的模式 PM1 32.768KHz 時(shí)鐘振蕩器開(kāi)，電源電壓調(diào)節(jié)器開(kāi)，高速振蕩器關(guān)閉。在CPU 進(jìn)入此模式后，開(kāi)始執(zhí)行低功耗的程序序列，當(dāng)程序從低功耗模式PM1 跳出到正常模式 PM0時(shí)，高速振蕩器被啟動(dòng)， CPU工作在高速 RC振蕩器下， 直到高速 XSOC振蕩器被設(shè)置好并選中。 PM1用在喚醒時(shí)間較短， CPU模式 切換較頻繁的情況。 11 PM2 32

30、.768KHz 時(shí)鐘振蕩器開(kāi)， 電源電壓調(diào)節(jié)器關(guān)， PM2是功耗較低的工作模 式。當(dāng) CPU進(jìn)入 PM2后，只有 32.768KHz振蕩器、外部中斷、和睡眠定時(shí) 器是激活狀態(tài)的， 其他所有電路都處于掉電狀態(tài)， 電壓調(diào)節(jié)器也被關(guān)閉。 PM2較適合喚醒時(shí)間較長(zhǎng)， CPU模式切換不太頻繁的情況， 常使用睡眠定 時(shí)器來(lái)喚醒 CPU的運(yùn)行。 PM3 PM3是CPU功耗最低的一種模式。在這種模式下，電源電壓調(diào)節(jié)器關(guān)閉， 內(nèi)部所有由電壓調(diào)節(jié)器提供電能的電路全部停止工作， 所有振蕩器全部 停止工作。 此時(shí)， CPU只能響應(yīng)上電復(fù)位信號(hào)跟外部中斷信號(hào)RAM的內(nèi)容 不會(huì)丟失及改變，直到被喚醒進(jìn)入 PM0模式。 P

31、M3常用在 CPU需要等待外 部信號(hào)的情況下。 圖 3.4 CC2430 芯片架構(gòu) Fig3.4 CC2430 chip architecture CC2430芯片的主要特點(diǎn)如下： 低功耗的高性能工業(yè)級(jí) 8051單片機(jī)內(nèi)核； 2.4GHzIEEE 802.15.4 的ZigBee 無(wú)線收發(fā)器； 高接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性能； 大容量閃存； 具備在各種供電方式下穩(wěn)定數(shù)據(jù)保持能力的8KB sRAM； 具備強(qiáng)大的 DMA功能； 高集成度，只需極少的外圍元件； 最小基本系統(tǒng)只需一個(gè)晶體，即可滿足 ZigBee 組網(wǎng)需要； 低電流消耗 （ 當(dāng)內(nèi)核運(yùn)行在 32 MHz總線頻率時(shí)，接收為 27mA，發(fā)射為

32、 25mA）； 12 掉電方式的電流消耗只有 O.9 A，通過(guò)外部中斷或者實(shí)時(shí)鐘 (RTc) 能夠喚醒系統(tǒng)； 掛起方式的電流消耗小于 O.6 A，通過(guò)外部中斷能夠喚醒系統(tǒng)； 硬件直接支持避免沖突的載波偵聽(tīng)多路存??； 電源供電電壓范圍寬 (2.O 3.6 V) ； 內(nèi)置數(shù)字化的接收信號(hào)強(qiáng)度指示器 / 鏈路質(zhì)量指示 (RssI/LQI) ； 內(nèi)置電池監(jiān)視器和溫度傳感器； 具有8路814位模數(shù)轉(zhuǎn)換器； 內(nèi)置高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn) (AES) 協(xié)處理器； 具有2個(gè)支持通用串行通信協(xié)議的串口； 內(nèi)置硬件看門(mén)狗； 具有1個(gè)IEEE 802.5.4 媒體存取控制 (MAC)定時(shí)器； 具有1個(gè)通用的 16位和 2個(gè)8位

33、定時(shí)器； 硬件調(diào)試支持； 具有獨(dú)立的定位檢測(cè)硬件核心。 3.2.4 電源模塊 電源對(duì)于傳感器的穩(wěn)定工作和節(jié)能至關(guān)重要。本課題中采用新型的PWM調(diào)制的穩(wěn)壓電源 模塊 TPS63000，與傳統(tǒng)的線性分壓穩(wěn)壓芯片相比，明顯節(jié)能。其特點(diǎn)如下： 具有96%高效率 高輸出電流，在 3.3V( Vin2.4V )時(shí)可達(dá) 800-mA 能夠在步進(jìn)和 Boost 模式之間自動(dòng)過(guò)渡 高截止性，器件靜態(tài)電流小于 50mA 輸入電壓范圍較寬： 1.8V5.5V 可調(diào)輸出電壓 1.2V5.5V 溫度檢測(cè)與過(guò)溫保護(hù) 3.3 過(guò)車傳感器相關(guān)的通信 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備有兩種，協(xié)調(diào)器和終端。 協(xié)調(diào)器：協(xié)調(diào)器的功能主要是建立網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。 ZigBee 協(xié)調(diào)器上電后通過(guò)掃 描尋找一個(gè)空閑信道來(lái)創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)； 接收新節(jié)點(diǎn)加入并分配網(wǎng)絡(luò)地址， 維護(hù)一個(gè)目前連接設(shè) 備的網(wǎng)絡(luò)列表。 在本課題研究中， 協(xié)調(diào)器用