基于Zigbee的智能車(chē)運行狀態(tài)實(shí)時(shí)監控系統設計

0 引言

智能車(chē)又稱(chēng)輪式機器人，是集傳感器、計算機、自動(dòng)控制、通信以及機械等技術(shù)于一身的綜合系統。在智能車(chē)的設計和制作過(guò)程中，控制算法調試是一個(gè)極其重要而又關(guān)鍵的環(huán)節，面臨著(zhù)許多急需解決的問(wèn)題：智能車(chē)能否按照事先設計的思路運行；控制策略是否符合實(shí)際需求；運行中出現問(wèn)題時(shí)，智能車(chē)的各項實(shí)時(shí)參數是什么。針對這些問(wèn)題，許多學(xué)者提出了基于仿真的解決方案。有學(xué)者提出基于參數化的機械系統幾何模型，使用拉格朗日方法建立系統動(dòng)力學(xué)方程，來(lái)對虛擬機械系統進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。但由于車(chē)輛機械結構的復雜性，這種建模和仿真方式過(guò)于繁瑣，影響了仿真和研究的效率。清華大學(xué)針對全國大學(xué)生智能車(chē)競賽開(kāi)發(fā)的PlaSTid仿真平臺，其動(dòng)力學(xué)模型雖然較為簡(jiǎn)單，但該模型是一種理想化的模型，對于影響智能車(chē)運行狀況的一些參數的考慮較少，例如小車(chē)與路面之間的摩擦系數、小車(chē)的機械性能等因素，因而仿真結果與實(shí)際存在一定差距。有學(xué)者提出一種智能車(chē)硬件在環(huán)仿真系統，該仿真系統發(fā)揮了硬件在環(huán)的長(cháng)處。但該軟件仍以虛擬仿真平臺LabVIEW為基礎，控制算法的分析和決策在上位機上運行，脫離了車(chē)模實(shí)體的軟件運行環(huán)境，其仿真結果與實(shí)際也存在一定的差距，因此其應用有相當的局限性。

筆者設計了一種基于無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的智能車(chē)運行狀態(tài)實(shí)時(shí)監控系統。該系統以車(chē)模為實(shí)驗主體，車(chē)載控制器完成智能車(chē)的數據采集、分析、決策等。上位機通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)獲得車(chē)模的各項運行參數，監控車(chē)模的運行狀態(tài)。

1 系統總體設計

1.1 Zigbee技術(shù)分析

Zigbee技術(shù)是一種近距離、低功率、低成本的雙向無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)[5-6],工作頻段為全球通用頻段2.4 GHz,數據傳輸速率為10~250 kbit/s,免執照。Zigbee協(xié)議由應用層、網(wǎng)絡(luò )層、數據鏈路層和物理層組成，其中物理層和鏈路層遵循IEEE802.15.4協(xié)議。一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò )支持255個(gè)設備；采用先進(jìn)的AES128加密算法，提供數據完整性檢查；具有載波偵聽(tīng)多路訪(fǎng)問(wèn)、沖突檢測（CSMA/CA）方式，有很好的兼容性。Zigbee定義了3種類(lèi)型的節點(diǎn)設備，分別是協(xié)調器、路由設備（FFD）和終端設備（RFD）。

Zigbee網(wǎng)絡(luò )由這3種設備組成，但必須包括1個(gè)協(xié)調器，而且只能有1個(gè)協(xié)調器。協(xié)調器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的中心，它負責網(wǎng)絡(luò )的組建、網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)的管理、網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)信息的儲存，尋找節點(diǎn)之間的路由消息，不斷地接收信息。路由設備也擔當著(zhù)協(xié)調器的作用，負責其他的路由器或終端設備入網(wǎng)，拓展網(wǎng)絡(luò )范圍；終端設備是實(shí)現具體功能的單元[7].Zigbee網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)現星型、樹(shù)型和網(wǎng)狀型多種拓撲結構。

赫立訊公司的IP-Link產(chǎn)品是集射頻收發(fā)器、微處理器、多拓撲網(wǎng)絡(luò )功能于一體的無(wú)線(xiàn)通信模塊。

IP-Link1200 模塊內含AVR 微處理器，符合開(kāi)放IEEE802.15.4協(xié)議的2.4 GHz免執照ISM頻段的射頻收發(fā)器，可以組成任意的網(wǎng)絡(luò )拓樸。因此，IP-Link1200是一款完全滿(mǎn)足智能車(chē)測控系統要求的無(wú)線(xiàn)通信模塊。

1.2 監控系統的組成結構

為了能對多個(gè)智能車(chē)的運行狀態(tài)實(shí)行在線(xiàn)監控，系統采用星形拓撲結構。該系統的網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)分為協(xié)調器節點(diǎn)和終端節點(diǎn)，其中協(xié)調器與上位機相連，終端節點(diǎn)嵌入智能車(chē)。

上位機（即PC 機）與下位機（智能車(chē)）采用無(wú)線(xiàn)通信。下位機采集智能車(chē)的行駛速度以及路況信息，判斷智能車(chē)的行駛方向，并計算出下一步的行動(dòng)數據。同時(shí)，下位機將采集的各項數據以及下一步的行動(dòng)數據發(fā)給上位機，使得調試人員可以在上位機上觀(guān)察小車(chē)當前的行駛參數以及對應的小車(chē)行駛狀態(tài)。因此，上位機與下位機之間的通信方式是上位機首先向下位機發(fā)送通信指令，然后接收下位機發(fā)送來(lái)的小車(chē)運行狀態(tài)信息。上位機對信息保存、顯示、修正，并將修正的參數發(fā)送到下位機。

2 系統硬件設計

智能車(chē)以MC9S12XS128單片機為主控芯片，該芯片擁有豐富的內部資源。利用單片機的脈寬調制模塊對智能車(chē)的舵機和電機進(jìn)行驅動(dòng)，2路PWM通道作為舵機角度控制，1路PWM通道用于電機的轉速控制；利用單片機的捕捉定時(shí)功能和A/D轉換模塊采集道路信號。

單片機與IP-Link1200的連接比較簡(jiǎn)單方便。IP-Link1200的RXD可直接與單片機的SCI串行口發(fā)送端TXD相連接，TXD與單片機串行口接收端RXD相連接，RESET端接單片機的PE1口，通過(guò)PE1初始化IP-Link1200,即通過(guò)PE1輸出10 ms的負脈沖。下位機電路圖如圖1所示。

圖1 下位機電路圖

IP-Link1200與PC相連接時(shí)必須經(jīng)過(guò)電平轉換，將TTL電平轉換為RS-232C電平，用1片MAX232 芯片便可以完成該轉換。IP-Link1200的RESET端接在復位電路上，該電路在上電時(shí)使IP-Link1200復位或按RST按鈕使IP-Link1200復位。上位機電路圖如圖2所示。