以ZigBee技術(shù)為核心的機動(dòng)車(chē)綜合檢測系統方案

　 隨著(zhù)無(wú)線(xiàn)技術(shù)應用領(lǐng)域的不斷擴展，工業(yè)控制領(lǐng)域開(kāi)始使用無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)進(jìn)行現場(chǎng)數據傳輸，與有線(xiàn)設備相比，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)具有成本低、無(wú)需布線(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái)，面向低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信標準ZigBee備受關(guān)注，不斷開(kāi)發(fā)出基于ZigBee標準的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信設備及基于ZigBee標準的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )通信技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ZigBee技術(shù))。ZigBee標準是建立在IEEE 802.15.4協(xié)議的基礎之上，具備強大的設備聯(lián)網(wǎng)功能。它主要支持三種自組織的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )類(lèi)型：星型網(wǎng)絡(luò )、對等網(wǎng)絡(luò )、簇樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )系統節點(diǎn)具有多跳路由功能，特別是能夠組成蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )結構，因此，具有很強的網(wǎng)絡(luò )健壯性和系統可靠性。
　 ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、短時(shí)延、高容量、免布線(xiàn)等特點(diǎn)，以其為核心對現有的機動(dòng)車(chē)檢測系統進(jìn)行技術(shù)升級，將極大地簡(jiǎn)化系統結構，降低生產(chǎn)及維護成本。
1 系統總體設計
　 完整的機動(dòng)車(chē)檢測系統一般由后臺管理系統、前臺控制系統、現場(chǎng)檢測系統三部分組成。后臺管理系統由服務(wù)器、辦公系統、收費機等組成；前臺控制系統由主控計算機系統、前置板、光電開(kāi)關(guān)、網(wǎng)絡(luò )系統、錄入程序、通信服務(wù)程序等組成；現場(chǎng)檢測系統由CO/HC分析儀、煙度計、車(chē)速檢驗臺、輪重儀、制動(dòng)檢驗臺、側滑檢驗臺、前照燈檢測儀、聲級計及二次儀表等組成?；赯igBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的檢測系統框圖如圖1所示?！?/P>

在檢測系統中采用星型拓撲結構，只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器控制整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的通信，主要完成網(wǎng)絡(luò )同步和維護設備之間的鏈接管理。在網(wǎng)絡(luò )中，終端設備之間不能直接通信，只能通過(guò)網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器配合完成設備之間的通信。
　 現場(chǎng)檢測系統中每一個(gè)檢測工位的檢測設備均內置ZigBee模塊成為無(wú)線(xiàn)終端節點(diǎn)，網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器通過(guò)UART接口與前臺控制系統中的主控機相連。應用時(shí)，將終端設備(終端節點(diǎn))連接于現場(chǎng)檢測設備；基站(協(xié)調器)連接于前臺主控制機。終端設備部分對實(shí)時(shí)采集的數據進(jìn)行濾波處理計算，處理后的數據通過(guò)芯片CC2430內部集成的ZigBee射頻( RF)前端調制成模擬信號發(fā)送出去?；静糠值腃C2430將收到的遠程數據解調后通過(guò)UART接口傳輸給上位機，進(jìn)一步對數據進(jìn)行處理、分析、顯示、存儲和共享。由于設備一次性置于現場(chǎng)數據采集點(diǎn)，無(wú)需額外布線(xiàn)，降低了施工難度和成本。同時(shí)，即使某一設備出現故障，也不會(huì )影響其他設備的正常工作，增強了系統的可靠性和穩定性。由于可以將設備帶離現場(chǎng)數據采集點(diǎn)，也使檢修工作更加方便快捷。
2 終端節點(diǎn)與協(xié)調器設計
　 終端節點(diǎn)由ZigBee芯片CC2430、LPC2292、外存儲器Flash、ADC模塊、RS232及RS485接口組成，負責現場(chǎng)檢測數據的采集、存儲與無(wú)線(xiàn)發(fā)送。終端節點(diǎn)硬件原理圖如圖2所示。CC2430是IEEE802.15.4標準的低成本、低功耗單片高集成度的解決方案，工作在ISM免費頻帶上，工作頻率為2.4 GHz。

　終端節點(diǎn)相當于通信協(xié)議轉換器，根據所連接的檢測設備（如CO/HC 分析儀、煙度計、車(chē)速檢驗臺、輪重儀、制動(dòng)檢驗臺等）的接口特性設置了相應的通信接口(RS485、RS232以及A/D采樣接口)，直接進(jìn)行數據采集與分析?？刂颇K主芯片是ARM7TDMI-S內核的LPC2292，最高工作頻率為60 MHz,內含256 KB的Flash空間和16 KB的RAM空間，外圍控制部分包括定時(shí)器模塊、捕捉/比較模塊、A/D轉換模塊、SPI接口和USART串口等，完成系統的控制和處理功能。
CC2430與主控制器是通過(guò)SPI連接的，其中主控制器處于主模式，CC2430處于從模式。LPC2292還有4個(gè)I/O與CC2430相連，主要作用為必要時(shí)查詢(xún)CC2430的狀態(tài)。CC2430使用SFD、 FIFO、 FIFOP和CCA 4個(gè)引腳表示收發(fā)數據的狀態(tài)。SFD腳高電平表示處于接收狀態(tài)；FIFO和FIFOP引腳表示接收FIFO緩存區的狀態(tài)；CCA引腳在信道有信號時(shí)輸出高電平，它只在接收狀態(tài)下有效。CC2430是一個(gè)半雙工的RF芯片，在同一時(shí)刻只處于一種工作狀態(tài)。CC2430有15個(gè)命令寄存器，每個(gè)寄存器都有一個(gè)固定的地址。發(fā)送緩沖與接收緩沖是分開(kāi)的：TXFIFO、RXFIFO各128 bit。
　 協(xié)調器的硬件結構與終端節點(diǎn)類(lèi)似，在此不再贅述。數據傳輸的格式規定如表1,幀數據格式為：檢測工位編號（1B）+數據內容（4B）。
2.1 硬件數據發(fā)送程序
　發(fā)送程序首先通過(guò)查詢(xún)狀態(tài)字來(lái)確保CC2430允許發(fā)送，若允許發(fā)送，程序先把殘留在TXFIFO中的信息清空，然后將待發(fā)送的數據包通過(guò)SPI寫(xiě)入TXFIFO中。然后通過(guò)SPI接口觸發(fā)發(fā)送命令,即STROBE_ STXONCCA。通過(guò)狀態(tài)位來(lái)判斷是否發(fā)送成功，若不成功則調用CSMS/CA的算法多次嘗試；若發(fā)送成功，則向上層返回發(fā)送成功的原語(yǔ)。程序流程如圖3所示。

2.2 硬件數據接收程序
　當CC2430接收到一個(gè)有效的數據包后，會(huì )通過(guò)拉高FIFOP引腳電平指示數據包的到來(lái)。主控制器檢測到FIFOP的高電平會(huì )觸發(fā)外部中斷，利用中斷函數來(lái)接收數據，此中斷優(yōu)先級設為最高。程序流程如圖4所示。

3 網(wǎng)絡(luò )建立與通信
　本文設計的網(wǎng)絡(luò )系統未使用ZigBee聯(lián)盟定義的標準配置文件，而在應用程序中對網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行配置。設置節點(diǎn)的最大子節點(diǎn)數為5，網(wǎng)絡(luò )深度為3，子節點(diǎn)中最大路由器個(gè)數為3，由此可計算出網(wǎng)絡(luò )最大節點(diǎn)數為66。
　在ZigBee技術(shù)定義的LR-WPAN中，網(wǎng)絡(luò )建立的起點(diǎn)是PAN網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器(PAN Coordinator)。節點(diǎn)在兩種情況下將建立一個(gè)新的PAN網(wǎng)絡(luò )： (1)在主動(dòng)掃描時(shí)沒(méi)有收到任何信標幀； (2)收到的信標幀參數與自身節點(diǎn)能力不相匹配。
　建立PAN網(wǎng)絡(luò )步驟如下：
　(1)協(xié)調器節點(diǎn)加電后，首先由網(wǎng)絡(luò )層發(fā)布NLME-NETWORK-FORMATION.request 原語(yǔ)，之后由網(wǎng)絡(luò )層管理實(shí)體(NLME)請求MAC層檢測網(wǎng)絡(luò )信道，通過(guò)發(fā)布MLME-SCAN.request 原語(yǔ)掃描有效信道能量，掃描完成后的結果由MLME-SCAN.confirm 原語(yǔ)返回至網(wǎng)絡(luò )層管理實(shí)體。NLME根據能量檢測結果將能量水平較低的信道丟棄不用，之后對選出的信道進(jìn)行主動(dòng)掃描，最終找出建立網(wǎng)絡(luò )的最佳信道（默認為18信道）。
　(2)選擇網(wǎng)絡(luò )標識。每一個(gè)網(wǎng)絡(luò )都分配有一個(gè)獨立的網(wǎng)絡(luò )標識PAN ID。網(wǎng)絡(luò )中的設備根據此標識來(lái)確認自己所屬的網(wǎng)絡(luò )。在完成第一步的工作之后，協(xié)調器節點(diǎn)在此信道上選擇一個(gè)隨機的網(wǎng)絡(luò )標識，并開(kāi)始偵聽(tīng)該信道。本系統采用18號信道對應的PAN ID編號0x1aab。
　(3)設定網(wǎng)絡(luò )地址。一旦網(wǎng)絡(luò )標識被選定，NLME將選擇一個(gè)16位網(wǎng)絡(luò )地址，同時(shí)通過(guò)發(fā)布MLME-SET. request原語(yǔ)修改MAC子層的PIB屬性macShortAddress，與其保持一致。此時(shí)NLME將向MAC層發(fā)布MLME START.request 原語(yǔ)開(kāi)始一個(gè)新的PAN的操作。然后，網(wǎng)絡(luò )層管理實(shí)體(NLME)通過(guò)發(fā)送NLME-NETWORK-FORMATION.confirm 原語(yǔ)將初始化ZigBee協(xié)調器的執行結果通知上一層。
　在ZigBee協(xié)調器設備建立網(wǎng)絡(luò )后，終端設備可作為子節點(diǎn)加入協(xié)調器建立的網(wǎng)絡(luò )，子節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )的方式有兩種：通過(guò)MAC層關(guān)聯(lián)方式加入網(wǎng)絡(luò )；通過(guò)指定的父節點(diǎn)直接方式加入網(wǎng)絡(luò )。本文取前種方式。
　首先子節點(diǎn)調用NLME-NETWORK-DISCOVERY.request 原語(yǔ)，設定待掃描的信道以及每個(gè)信道掃描的時(shí)間，一旦MAC層完成了掃描，將發(fā)送 MLME-SCAN.confirm 原語(yǔ),告知網(wǎng)絡(luò )層，網(wǎng)絡(luò )層將發(fā)送NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm 原語(yǔ)，告知應用層，應用層從關(guān)聯(lián)表中選擇所發(fā)現的網(wǎng)絡(luò )加入。一旦潛在的父節點(diǎn)確定，網(wǎng)絡(luò )層將調用MLME-ASSOCIATE.request 原語(yǔ)到MAC層。當收到節點(diǎn)的入網(wǎng)請求后，協(xié)調器的MAC層會(huì )將分配給子節點(diǎn)的16 bit網(wǎng)絡(luò )地址與其IEEE 64 bit網(wǎng)絡(luò )地址存入AddressMap，并在NeighborEntry中加以記錄。協(xié)調器將在關(guān)聯(lián)表中創(chuàng )建一個(gè)表項，作為其子節點(diǎn)，并通過(guò)MLME-ASSOCIATE.reponse 原語(yǔ)，將16 bit網(wǎng)絡(luò )地址包含在確認信息中返回終端節點(diǎn)。
　圖5是協(xié)調器組網(wǎng)以及終端節點(diǎn)入網(wǎng)的相關(guān)信息顯示。在調試模式下硬件通過(guò)串口向計算機發(fā)送數據，串口傳輸設置為:速率9 600 b/s, 8位數據位，1位起始位，1位停止位，無(wú)奇偶校驗。圖5左側顯示了協(xié)調器組網(wǎng)及添加子節點(diǎn)的過(guò)程，右側則顯示了子節點(diǎn)入網(wǎng)過(guò)程。

　ZigBee是一種高性能的短距離、低速率無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，具有廣泛的應用前景。機動(dòng)車(chē)檢測系統終端設備較多、現場(chǎng)環(huán)境復雜，采用ZigBee技術(shù)來(lái)構建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )、實(shí)現對各檢測工位數據的實(shí)時(shí)處理，具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、系統花費少、擴展網(wǎng)絡(luò )容易、通信穩定、維護簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)，這是機動(dòng)車(chē)檢測系統集成化、智能化的新趨勢。