基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的車(chē)流量檢測系統設計

摘要：由于城市中車(chē)輛增多，車(chē)流量檢測在現代交通中已成為重要的一部分。掌握車(chē)流量信息，可以了解路面狀況從而對做出合理決策有極大的幫助。如何準確實(shí)時(shí)地得到車(chē)流量數據成為道路交通的顯著(zhù)要求，本文中用TI公司的CC2530作為核心處理器單元，通過(guò)在主要路段設置熱釋電紅外傳感器檢測節點(diǎn)，用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳輸技術(shù)構建無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )，來(lái)實(shí)現對車(chē)流量的準確檢測。

引言

　　由于城市對智能交通系統^[1]的需求，車(chē)流量檢測技術(shù)在近些年發(fā)展迅速，現有很多檢測方法如視頻檢測技術(shù)、微波感知技術(shù)、環(huán)形感應線(xiàn)圈檢測技術(shù)、紅外傳感感應技術(shù)等。視頻檢測技術(shù)雖然能夠大范圍地采集道路環(huán)境，但在惡劣天氣的情況下檢測效果要大打折扣;微波感知技術(shù)在車(chē)輛類(lèi)型單一的道路上能夠提供準確數據，但無(wú)法應對路況不均路段的需要;環(huán)形感應線(xiàn)圈需要置于路面之中，需要損壞道路進(jìn)行安置，施工多有不便^[2] ;而紅外傳感器成本低廉，通過(guò)檢測路面車(chē)輛所發(fā)出的紅外線(xiàn)來(lái)得到流量等信息，效果能夠達到要求[3]。所以本文選用熱釋電紅外傳感器作為車(chē)流量檢測設備，構建傳感器檢測模塊。

1 系統方案設計

　　本檢測系統用一個(gè)無(wú)線(xiàn)傳感器模塊節點(diǎn)采集車(chē)流量數據，執行在線(xiàn)車(chē)輛檢測，與匯聚節點(diǎn)進(jìn)行射頻通信等。本文設計的檢測節點(diǎn)硬件框圖如圖1所示，節點(diǎn)組成包括微處理模塊、射頻模塊、傳感器模塊以及存儲模塊，并根據調試需要增加了串行通信接口。檢測節點(diǎn)用熱釋電紅外傳感器來(lái)偵測車(chē)流量數據。微處理器模塊是整個(gè)傳感器節點(diǎn)的核心，負責設定節點(diǎn)工作模式、對傳感器進(jìn)行數據采集和檢測處理、控制射頻模塊收發(fā)等。射頻模塊負責數據通信，結合相應通信協(xié)議完成數據包的收發(fā)。存儲模塊用于保存工作參數配置，并根據需要保存一定時(shí)期內的檢測記錄或原始數據以便調用。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器模塊設計

　　紅外傳感器選用高靈敏度的LHI807，再在外面加一片菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡有兩個(gè)作用:一是聚焦作用;二是將探測區域內分為若干個(gè)明區和暗區，使進(jìn)入探測區域的移動(dòng)物體以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號^[4] 。當有車(chē)經(jīng)過(guò)紅外檢測器時(shí)，熱釋電紅外傳感器會(huì )產(chǎn)生交變的電壓信號，經(jīng)過(guò)濾波，一級放大，再通過(guò)電容耦合到第二級放大，輸出信號進(jìn)入窗口電壓比較器。放大器選用LM324集成運算放大器。電位器R決定了一個(gè)窗口電壓區間，低于該電壓區間，輸出為低電平;高于該電壓區間，輸出為高電平。輸出信號經(jīng)過(guò)射頻模塊發(fā)射出去。原理圖如圖2所示。

2.2 微處理器模塊與射頻模塊

　　ZigBee 是一種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，它形成的網(wǎng)絡(luò )必然涉及到射頻電路，一般情況下是由一塊 MCU、無(wú)線(xiàn)收發(fā)芯片，以及外圍電路組成。CC2530 微處理器的出現，大大簡(jiǎn)化了射頻電路設計，它集成無(wú)線(xiàn)射頻功能，因此并不需要額外的射頻芯片來(lái)做 RF 收發(fā)器。它是基于2.4GHz 真正意義上的片上系統(SoC)，總體成本材料非常低，卻能建立強大的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)。采用標準的增強型 8051 內核，擁有 8KB 的 RAM，可編程閃存，其閃存版本有四種，分別是 CC2530F32/64/128/256。另外，CC2530 有不同的運行模式，分別是主動(dòng)模式 RX(接收數據)，功耗約為 24mA;主動(dòng)模式 TX(發(fā)送數據)，功耗約為29mA;供電模式 1(喚醒)，功耗約為 0.2mA;供電模式 2(睡眠狀態(tài)，只有定時(shí)器運行)，功耗約為 1μA;供電模式 3(只有外部中斷)，功耗約為 0.4μA。其中休眠模式時(shí)具有超低功耗，再加上無(wú)線(xiàn)傳感器通常是周期性采集特點(diǎn)，這種休眠功耗使得一個(gè)節點(diǎn)的持續工作時(shí)間非常久，無(wú)需經(jīng)常更換電池。這種節點(diǎn)最后往往是封裝在一個(gè)密封外殼里，甚至還有防盜螺絲，如果經(jīng)常更換電池就會(huì )帶來(lái)不少工作量。

　　CC2530 通過(guò)簡(jiǎn)單的四線(xiàn)(SI、SO、CS、 CLK)與 SPI 兼容的串行接口配置。CC2530 芯片正常工作時(shí)需要 32MHz 的參考時(shí)鐘用于數據接收與發(fā)送。參考時(shí)鐘可以來(lái)自外部時(shí)鐘源， 也可以由內部晶體振蕩器產(chǎn)生。如果使用外部時(shí)鐘源，可以直接從 XOSC_Q1 腳輸入，并且令 XOSC_Q2腳懸空;如果使用內部晶體振蕩器， 晶振兩端應接在 XOSC_Ql和 XOSC_Q2引腳之間，并且置位 CC2530 里的選通寄存器。協(xié)調器與路由設備、終端設備的功能不同，這主要取決于軟件，電路上區別不大，協(xié)調器與路由設備一般采用外置天線(xiàn)，而終端設備在車(chē)輛探測中采用內置天線(xiàn)。內置天線(xiàn)可以方便節點(diǎn)的外盒封裝，使得節點(diǎn)完全密封;外置天線(xiàn)可以靈活改變收發(fā)增益，為了兼顧二者，以應用不同的場(chǎng)合，采用內置天線(xiàn)與外置天線(xiàn)同時(shí)集成于節點(diǎn)的做法，但在同一時(shí)刻只有一個(gè)天線(xiàn)發(fā)生作用。CC2530 芯片的 RF_P 與 RF_N 管腳接收發(fā)天線(xiàn)。另外，P1_0 與 P1_1 口分別接兩個(gè) LED 小燈，用來(lái)指示節點(diǎn)的運行狀態(tài)。CC2530 芯片的電路原理圖如圖3所示。