以ZigBee技术为核心的机动车综合检测系统方案
提出了一种以zigbee技术为核心的机动车综合检测系统方案,以cc2430无线通信芯片和lpc2292微控制器为核心设计了数据采集终端节点和网络协调器，并对系统的数据收发过程以及无线网络组网过程进行了详细分析,给出了关键技术实现过程。
随着无线技术应用领域的不断扩展，工业控制领域开始使用无线通信技术进行现场数据传输，与有线设备相比，无线通信技术具有成本低、无需布线等优点。近年来，面向低成本的无线网络通信标准zigbee备受关注，不断开发出基于zigbee标准的无线网络通信设备及基于zigbee标准的无线网络通信技术(以下简称zigbee技术)。zigbee标准是建立在ieee 802.15.4协议的基础之上，具备强大的设备联网功能。它主要支持三种自组织的无线网络类型：星型网络、对等网络、簇树状网络。网络系统节点具有多跳路由功能，特别是能够组成蜂窝网状网络结构，因此，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。
zigbee技术具有低功耗、低成本、短时延、高容量、免布线等特点，以其为核心对现有的机动车检测系统进行技术升级，将极大地简化系统结构，降低生产及维护成本。
1 系统总体设计
完整的机动车检测系统一般由后台管理系统、前台控制系统、现场检测系统三部分组成。后台管理系统由服务器、办公系统、收费机等组成；前台控制系统由主控计算机系统、前置板、光电开关、网络系统、录入程序、通信服务程序等组成；现场检测系统由co/hc分析仪、烟度计、车速检验台、轮重仪、制动检验台、侧滑检验台、前照灯检测仪、声级计及二次仪表等组成。基于zigbee无线网络的检测系统框图如图1所示。
在检测系统中采用星型拓扑结构，只有一个网络协调器控制整个网络的通信，主要完成网络同步和维护设备之间的链接管理。在网络中，终端设备之间不能直接通信，只能通过网络协调器配合完成设备之间的通信。
现场检测系统中每一个检测工位的检测设备均内置zigbee模块成为无线终端节点，网络协调器通过uart接口与前台控制系统中的主控机相连。应用时，将终端设备(终端节点)连接于现场检测设备；基站(协调器)连接于前台主控制机。终端设备部分对实时采集的数据进行滤波处理计算，处理后的数据通过芯片cc2430内部集成的zigbee射频( rf)前端调制成模拟信号发送出去。基站部分的cc2430将收到的远程数据解调后通过uart接口传输给上位机，进一步对数据进行处理、分析、显示、存储和共享。由于设备一次性置于现场数据采集点，无需额外布线，降低了施工难度和成本。同时，即使某一设备出现故障，也不会影响其他设备的正常工作，增强了系统的可靠性和稳定性。由于可以将设备带离现场数据采集点，也使检修工作更加方便快捷。
2 终端节点与协调器设计
终端节点由zigbee芯片cc2430、lpc2292、外存储器flash、adc模块、rs232及rs485接口组成，负责现场检测数据的采集、存储与无线发送。终端节点硬件原理图如图2所示。cc2430是ieee802.15.4标准的低成本、低功耗单片高集成度的解决方案，工作在ism免费频带上，工作频率为2.4 ghz。
终端节点相当于通信协议转换器，根据所连接的检测设备（如co/hc 分析仪、烟度计、车速检验台、轮重仪、制动检验台等）的接口特性设置了相应的通信接口(rs485、rs232以及a/d采样接口)，直接进行数据采集与分析。控制模块主芯片是arm7tdmi-s内核的lpc2292，最高工作频率为60 mhz,内含256 kb的flash空间和16 kb的ram空间，外围控制部分包括定时器模块、捕捉/比较模块、a/d转换模块、spi接口和usart串口等，完成系统的控制和处理功能。
cc2430与主控制器是通过spi连接的，其中主控制器处于主模式，cc2430处于从模式。lpc2292还有4个i/o与cc2430相连，主要作用为必要时查询cc2430的状态。cc2430使用sfd、 fifo、 fifop和cca 4个引脚表示收发数据的状态。sfd脚高电平表示处于接收状态；fifo和fifop引脚表示接收fifo缓存区的状态；cca引脚在信道有信号时输出高电平，它只在接收状态下有效。cc2430是一个半双工的rf芯片，在同一时刻只处于一种工作状态。cc2430有15个命令寄存器，每个寄存器都有一个固定的地址。发送缓冲与接收缓冲是分开的：txfifo、rxfifo各128 bit。
协调器的硬件结构与终端节点类似，在此不再赘述。数据传输的格式规定如表1,帧数据格式为：检测工位编号（1b）+数据内容（4b）。
2.1 硬件数据发送程序
发送程序首先通过查询状态字来确保cc2430允许发送，若允许发送，程序先把残留在txfifo中的信息清空，然后将待发送的数据包通过spi写入txfifo中。然后通过spi接口触发发送命令,即strobe_ stxoncca。通过状态位来判断是否发送成功，若不成功则调用csms/ca的算法多次尝试；若发送成功，则向上层返回发送成功的原语。程序流程如图3所示。
2.2 硬件数据接收程序
当cc2430接收到一个有效的数据包后，会通过拉高fifop引脚电平指示数据包的到来。主控制器检测到fifop的高电平会触发外部中断，利用中断函数来接收数据，此中断优先级设为最高。程序流程如图4所示。
3 网络建立与通信
本文设计的网络系统未使用zigbee联盟定义的标准配置文件，而在应用程序中对网络进行配置。设置节点的最大子节点数为5，网络深度为3，子节点中最大路由器个数为3，由此可计算出网络最大节点数为66。
在zigbee技术定义的lr-wpan中，网络建立的起点是pan网络协调器(pan coordinator)。节点在两种情况下将建立一个新的pan网络： (1)在主动扫描时没有收到任何信标帧； (2)收到的信标帧参数与自身节点能力不相匹配。
建立pan网络步骤如下：
(1)协调器节点加电后，首先由网络层发布nlme-network-formation.request 原语，之后由网络层管理实体(nlme)请求mac层检测网络信道，通过发布mlme-scan.request 原语扫描有效信道能量，扫描完成后的结果由mlme-scan.confirm 原语返回至网络层管理实体。nlme根据能量检测结果将能量水平较低的信道丢弃不用，之后对选出的信道进行主动扫描，最终找出建立网络的最佳信道（默认为18信道）。
(2)选择网络标识。每一个网络都分配有一个独立的网络标识pan id。网络中的设备根据此标识来确认自己所属的网络。在完成第一步的工作之后，协调器节点在此信道上选择一个随机的网络标识，并开始侦听该信道。本系统采用18号信道对应的pan id编号0x1aab。
(3)设定网络地址。一旦网络标识被选定，nlme将选择一个16位网络地址，同时通过发布mlme-set. request原语修改mac子层的pib属性macshortaddress，与其保持一致。此时nlme将向mac层发布mlme start.request 原语开始一个新的pan的操作。然后，网络层管理实体(nlme)通过发送nlme-network-formation.confirm 原语将初始化zigbee协调器的执行结果通知上一层。
在zigbee协调器设备建立网络后，终端设备可作为子节点加入协调器建立的网络，子节点加入网络的方式有两种：通过mac层关联方式加入网络；通过指定的父节点直接方式加入网络。本文取前种方式。
首先子节点调用nlme-network-discovery.request 原语，设定待扫描的信道以及每个信道扫描的时间，一旦mac层完成了扫描，将发送 mlme-scan.confirm 原语,告知网络层，网络层将发送nlme-network-discovery.confirm 原语，告知应用层，应用层从关联表中选择所发现的网络加入。一旦潜在的父节点确定，网络层将调用mlme-associate.request 原语到mac层。当收到节点的入网请求后，协调器的mac层会将分配给子节点的16 bit网络地址与其ieee 64 bit网络地址存入addressmap，并在neighborentry中加以记录。协调器将在关联表中创建一个表项，作为其子节点，并通过mlme-associate.reponse 原语，将16 bit网络地址包含在确认信息中返回终端节点。
图5是协调器组网以及终端节点入网的相关信息显示。在调试模式下硬件通过串口向计算机发送数据，串口传输设置为:速率9 600 b/s, 8位数据位，1位起始位，1位停止位，无奇偶校验。图5左侧显示了协调器组网及添加子节点的过程，右侧则显示了子节点入网过程。
zigbee是一种高性能的短距离、低速率无线网络技术，具有广泛的应用前景。机动车检测系统终端设备较多、现场环境复杂，采用zigbee技术来构建无线传感器网络、实现对各检测工位数据的实时处理，具有组网简单、系统花费少、扩展网络容易、通信稳定、维护简便等优点，这是机动车检测系统集成化、智能化的新趋势。
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zigbee技术具有低功耗、低成本、短时延、高容量、免布线等特点，以其为核心对现有的机动车检测系统进行技术升级，将极大地简化系统结构，降低生产及维护成本。
1 系统总体设计
完整的机动车检测系统一般由后台管理系统、前台控制系统、现场检测系统三部分组成。后台管理系统由服务器、办公系统、收费机等组成；前台控制系统由主控计算机系统、前置板、光电开关、网络系统、录入程序、通信服务程序等组成；现场检测系统由co/hc分析仪、烟度计、车速检验台、轮重仪、制动检验台、侧滑检验台、前照灯检测仪、声级计及二次仪表等组成。基于zigbee无线网络的检测系统框图如图1所示。
在检测系统中采用星型拓扑结构，只有一个网络协调器控制整个网络的通信，主要完成网络同步和维护设备之间的链接管理。在网络中，终端设备之间不能直接通信，只能通过网络协调器配合完成设备之间的通信。
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2 终端节点与协调器设计
终端节点由zigbee芯片cc2430、lpc2292、外存储器flash、adc模块、rs232及rs485接口组成，负责现场检测数据的采集、存储与无线发送。终端节点硬件原理图如图2所示。cc2430是ieee802.15.4标准的低成本、低功耗单片高集成度的解决方案，工作在ism免费频带上，工作频率为2.4 ghz。
终端节点相当于通信协议转换器，根据所连接的检测设备（如co/hc 分析仪、烟度计、车速检验台、轮重仪、制动检验台等）的接口特性设置了相应的通信接口(rs485、rs232以及a/d采样接口)，直接进行数据采集与分析。控制模块主芯片是arm7tdmi-s内核的lpc2292，最高工作频率为60 mhz,内含256 kb的flash空间和16 kb的ram空间，外围控制部分包括定时器模块、捕捉/比较模块、a/d转换模块、spi接口和usart串口等，完成系统的控制和处理功能。
cc2430与主控制器是通过spi连接的，其中主控制器处于主模式，cc2430处于从模式。lpc2292还有4个i/o与cc2430相连，主要作用为必要时查询cc2430的状态。cc2430使用sfd、 fifo、 fifop和cca 4个引脚表示收发数据的状态。sfd脚高电平表示处于接收状态；fifo和fifop引脚表示接收fifo缓存区的状态；cca引脚在信道有信号时输出高电平，它只在接收状态下有效。cc2430是一个半双工的rf芯片，在同一时刻只处于一种工作状态。cc2430有15个命令寄存器，每个寄存器都有一个固定的地址。发送缓冲与接收缓冲是分开的：txfifo、rxfifo各128 bit。
协调器的硬件结构与终端节点类似，在此不再赘述。数据传输的格式规定如表1,帧数据格式为：检测工位编号（1b）+数据内容（4b）。
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2.2 硬件数据接收程序
当cc2430接收到一个有效的数据包后，会通过拉高fifop引脚电平指示数据包的到来。主控制器检测到fifop的高电平会触发外部中断，利用中断函数来接收数据，此中断优先级设为最高。程序流程如图4所示。
3 网络建立与通信
本文设计的网络系统未使用zigbee联盟定义的标准配置文件，而在应用程序中对网络进行配置。设置节点的最大子节点数为5，网络深度为3，子节点中最大路由器个数为3，由此可计算出网络最大节点数为66。
在zigbee技术定义的lr-wpan中，网络建立的起点是pan网络协调器(pan coordinator)。节点在两种情况下将建立一个新的pan网络： (1)在主动扫描时没有收到任何信标帧； (2)收到的信标帧参数与自身节点能力不相匹配。
建立pan网络步骤如下：
(1)协调器节点加电后，首先由网络层发布nlme-network-formation.request 原语，之后由网络层管理实体(nlme)请求mac层检测网络信道，通过发布mlme-scan.request 原语扫描有效信道能量，扫描完成后的结果由mlme-scan.confirm 原语返回至网络层管理实体。nlme根据能量检测结果将能量水平较低的信道丢弃不用，之后对选出的信道进行主动扫描，最终找出建立网络的最佳信道（默认为18信道）。
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图5是协调器组网以及终端节点入网的相关信息显示。在调试模式下硬件通过串口向计算机发送数据，串口传输设置为:速率9 600 b/s, 8位数据位，1位起始位，1位停止位，无奇偶校验。图5左侧显示了协调器组网及添加子节点的过程，右侧则显示了子节点入网过程。
zigbee是一种高性能的短距离、低速率无线网络技术，具有广泛的应用前景。机动车检测系统终端设备较多、现场环境复杂，采用zigbee技术来构建无线传感器网络、实现对各检测工位数据的实时处理，具有组网简单、系统花费少、扩展网络容易、通信稳定、维护简便等优点，这是机动车检测系统集成化、智能化的新趋势。
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