文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展帶來(lái)了各地機(jī)動(dòng)車擁有量的迅猛增長(zhǎng),這對(duì)相關(guān)管理部門提出了更高的檢測(cè)技術(shù)要求,對(duì)具備精確、高速性能的機(jī)動(dòng)車性能檢測(cè)控制系統(tǒng)的要求日益迫切。當(dāng)前國(guó)內(nèi)機(jī)動(dòng)車檢測(cè)系統(tǒng)一般都基于專用的工控機(jī)和RS-232總線,存在諸多弊端,如:系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、通信協(xié)議不通用、故障率高、檢測(cè)數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)較為困難、維護(hù)成本高等。雖然有些系統(tǒng)將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)引入其中,實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)的直接連接,但不可避免地具有布線復(fù)雜、成本較高、維護(hù)難度大等缺陷。
隨著無(wú)線技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展,工業(yè)控制領(lǐng)域開(kāi)始使用無(wú)線通信技術(shù)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸,與有線設(shè)備相比,無(wú)線通信技術(shù)具有成本低、無(wú)需布線等優(yōu)點(diǎn)。近年來(lái),面向低成本的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信標(biāo)準(zhǔn)ZigBee備受關(guān)注,不斷開(kāi)發(fā)出基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備及基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)(以下簡(jiǎn)稱ZigBee技術(shù))。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)是建立在IEEE 802.15.4協(xié)議的基礎(chǔ)之上,具備強(qiáng)大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能。它主要支持三種自組織的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)類型:星型網(wǎng)絡(luò)、對(duì)等網(wǎng)絡(luò)、簇樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)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(jié)構(gòu),因此,具有很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。
ZigBee技術(shù)具有低功耗、低成本、短時(shí)延、高容量、免布線等特點(diǎn),以其為核心對(duì)現(xiàn)有的機(jī)動(dòng)車檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)升級(jí),將極大地簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu),降低生產(chǎn)及維護(hù)成本。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)
完整的機(jī)動(dòng)車檢測(cè)系統(tǒng)一般由后臺(tái)管理系統(tǒng)、前臺(tái)控制系統(tǒng)、現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)三部分組成。后臺(tái)管理系統(tǒng)由服務(wù)器、辦公系統(tǒng)、收費(fèi)機(jī)等組成;前臺(tái)控制系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)系統(tǒng)、前置板、光電開(kāi)關(guān)、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、錄入程序、通信服務(wù)程序等組成;現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)由CO/HC分析儀、煙度計(jì)、車速檢驗(yàn)臺(tái)、輪重儀、制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)、側(cè)滑檢驗(yàn)臺(tái)、前照燈檢測(cè)儀、聲級(jí)計(jì)及二次儀表等組成?;赯igBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的檢測(cè)系統(tǒng)框圖如圖1所示?!?/p>
在檢測(cè)系統(tǒng)中采用星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),只有一個(gè)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)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(hù)設(shè)備之間的鏈接管理。在網(wǎng)絡(luò)中,終端設(shè)備之間不能直接通信,只能通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器配合完成設(shè)備之間的通信。
現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)系統(tǒng)中每一個(gè)檢測(cè)工位的檢測(cè)設(shè)備均內(nèi)置ZigBee模塊成為無(wú)線終端節(jié)點(diǎn),網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過(guò)UART接口與前臺(tái)控制系統(tǒng)中的主控機(jī)相連。應(yīng)用時(shí),將終端設(shè)備(終端節(jié)點(diǎn))連接于現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)設(shè)備;基站(協(xié)調(diào)器)連接于前臺(tái)主控制機(jī)。終端設(shè)備部分對(duì)實(shí)時(shí)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波處理計(jì)算,處理后的數(shù)據(jù)通過(guò)芯片CC2430內(nèi)部集成的ZigBee射頻( RF)前端調(diào)制成模擬信號(hào)發(fā)送出去?;静糠值腃C2430將收到的遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)解調(diào)后通過(guò)UART接口傳輸給上位機(jī),進(jìn)一步對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、顯示、存儲(chǔ)和共享。由于設(shè)備一次性置于現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn),無(wú)需額外布線,降低了施工難度和成本。同時(shí),即使某一設(shè)備出現(xiàn)故障,也不會(huì)影響其他設(shè)備的正常工作,增強(qiáng)了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。由于可以將設(shè)備帶離現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集點(diǎn),也使檢修工作更加方便快捷。
2 終端節(jié)點(diǎn)與協(xié)調(diào)器設(shè)計(jì)
終端節(jié)點(diǎn)由ZigBee芯片CC2430、LPC2292、外存儲(chǔ)器Flash、ADC模塊、RS232及RS485接口組成,負(fù)責(zé)現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)與無(wú)線發(fā)送。終端節(jié)點(diǎn)硬件原理圖如圖2所示。CC2430是IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低成本、低功耗單片高集成度的解決方案,工作在ISM免費(fèi)頻帶上,工作頻率為2.4 GHz。
終端節(jié)點(diǎn)相當(dāng)于通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器,根據(jù)所連接的檢測(cè)設(shè)備(如CO/HC 分析儀、煙度計(jì)、車速檢驗(yàn)臺(tái)、輪重儀、制動(dòng)檢驗(yàn)臺(tái)等)的接口特性設(shè)置了相應(yīng)的通信接口(RS485、RS232以及A/D采樣接口),直接進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與分析。控制模塊主芯片是ARM7TDMI-S內(nèi)核的LPC2292,最高工作頻率為60 MHz,內(nèi)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(zhuǎn)換模塊、SPI接口和USART串口等,完成系統(tǒng)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CC2430的狀態(tài)。CC2430使用SFD、 FIFO、 FIFOP和CCA 4個(gè)引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)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(qū)的狀態(tài);CCA引腳在信道有信號(hào)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(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)與終端節(jié)點(diǎn)類似,在此不再贅述。數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷揭?guī)定如表1,幀數(shù)據(jù)格式為:檢測(cè)工位編號(hào)(1B)+數(shù)據(jù)內(nèi)容(4B)。
2.1 硬件數(shù)據(jù)發(fā)送程序
發(fā)送程序首先通過(guò)查詢狀態(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(shù)據(jù)包通過(guò)SPI寫入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(diào)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(shù)據(jù)接收程序
當(dāng)CC2430接收到一個(gè)有效的數(shù)據(jù)包后,會(huì)通過(guò)拉高FIFOP引腳電平指示數(shù)據(jù)包的到來(lái)。主控制器檢測(cè)到FIFOP的高電平會(huì)觸發(fā)外部中斷,利用中斷函數(shù)來(lái)接收數(shù)據(jù),此中斷優(yōu)先級(jí)設(shè)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(shè)計(jì)的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)未使用ZigBee聯(lián)盟定義的標(biāo)準(zhǔn)配置文件,而在應(yīng)用程序中對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置。設(shè)置節(jié)點(diǎn)的最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)為5,網(wǎng)絡(luò)深度為3,子節(jié)點(diǎn)中最大路由器個(gè)數(shù)為3,由此可計(jì)算出網(wǎng)絡(luò)最大節(jié)點(diǎn)數(shù)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(diào)器(PAN Coordinator)。節(jié)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(biāo)幀; (2)收到的信標(biāo)幀參數(shù)與自身節(jié)點(diǎn)能力不相匹配。
建立PAN網(wǎng)絡(luò)步驟如下:
(1)協(xié)調(diào)器節(jié)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(qǐng)求MAC層檢測(cè)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(jié)果由MLME-SCAN.confirm 原語(yǔ)返回至網(wǎng)絡(luò)層管理實(shí)體。NLME根據(jù)能量檢測(cè)結(jié)果將能量水平較低的信道丟棄不用,之后對(duì)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(rèn)為18信道)。
(2)選擇網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)。每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)都分配有一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)PAN ID。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備根據(jù)此標(biāo)識(shí)來(lái)確認(rèn)自己所屬的網(wǎng)絡(luò)。在完成第一步的工作之后,協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)在此信道上選擇一個(gè)隨機(jī)的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí),并開(kāi)始偵聽(tīng)該信道。本系統(tǒng)采用18號(hào)信道對(duì)應(yīng)的PAN ID編號(hào)0x1aab。
(3)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)地址。一旦網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)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(diào)器的執(zhí)行結(jié)果通知上一層。
在ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備建立網(wǎng)絡(luò)后,終端設(shè)備可作為子節(jié)點(diǎn)加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò),子節(jié)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(jié)點(diǎn)直接方式加入網(wǎng)絡(luò)。本文取前種方式。
首先子節(jié)點(diǎn)調(diào)用NLME-NETWORK-DISCOVERY.request 原語(yǔ),設(shè)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(yīng)用層,應(yīng)用層從關(guān)聯(lián)表中選擇所發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)加入。一旦潛在的父節(jié)點(diǎn)確定,網(wǎng)絡(luò)層將調(diào)用MLME-ASSOCIATE.request 原語(yǔ)到MAC層。當(dāng)收到節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)請(qǐng)求后,協(xié)調(diào)器的MAC層會(huì)將分配給子節(jié)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(diào)器將在關(guān)聯(lián)表中創(chuàng)建一個(gè)表項(xiàng),作為其子節(jié)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(rèn)信息中返回終端節(jié)點(diǎn)。
圖5是協(xié)調(diào)器組網(wǎng)以及終端節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)的相關(guān)信息顯示。在調(diào)試模式下硬件通過(guò)串口向計(jì)算機(jī)發(fā)送數(shù)據(jù),串口傳輸設(shè)置為:速率9 600 b/s, 8位數(shù)據(jù)位,1位起始位,1位停止位,無(wú)奇偶校驗(yàn)。圖5左側(cè)顯示了協(xié)調(diào)器組網(wǎng)及添加子節(jié)點(diǎn)的過(guò)程,右側(cè)則顯示了子節(jié)點(diǎn)入網(wǎng)過(guò)程。
ZigBee是一種高性能的短距離、低速率無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),具有廣泛的應(yīng)用前景。機(jī)動(dòng)車檢測(cè)系統(tǒng)終端設(shè)備較多、現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境復(fù)雜,采用ZigBee技術(shù)來(lái)構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)、實(shí)現(xiàn)對(duì)各檢測(cè)工位數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)處理,具有組網(wǎng)簡(jiǎn)單、系統(tǒng)花費(fèi)少、擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)容易、通信穩(wěn)定、維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn),這是機(jī)動(dòng)車檢測(cè)系統(tǒng)集成化、智能化的新趨勢(shì)。
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