陶剛1，胡海兵2，汪國(guó)慶2，崔世林2，楊建德2
?。?.安徽科力信息產(chǎn)業(yè)有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230009；2.合肥工業(yè)大學(xué)，安徽 合肥 230009）
摘要：針對(duì)智能交通流檢測(cè)設(shè)計(jì)了持久耐用的無線低功耗交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。以TI MSP430MCU和CC1101低功耗多通道無線射頻內(nèi)核的CC430F5137芯片為控制核心，所設(shè)計(jì)的傳感器節(jié)點(diǎn)可以采集路口的車流量、車輛速度和溫濕度環(huán)境參數(shù)。實(shí)驗(yàn)研究表明，該系統(tǒng)具有可靠性高、超低功耗、后期管理和維護(hù)成本低等優(yōu)點(diǎn),具有廣闊的應(yīng)用前景。
關(guān)鍵詞：CC430；低功耗；交通數(shù)據(jù)采集；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)
0引言
針對(duì)路口交通數(shù)據(jù)處理，當(dāng)前城市管理和交通運(yùn)輸部門給出的監(jiān)管系統(tǒng)多采用專用有線網(wǎng)絡(luò)視頻監(jiān)控，或者采用投入成本較大的專業(yè)交通流數(shù)據(jù)采集儀。但是采用有線網(wǎng)絡(luò)的線路材料通常放在室外環(huán)境，常年的風(fēng)吹日曬也會(huì)導(dǎo)致其風(fēng)化破損，誘發(fā)系統(tǒng)的可靠性差、諸如漏電、短路帶來的安全隱患。
采用基于德州儀器的CC430F5137系統(tǒng)級(jí)芯片組建交通數(shù)據(jù)采集無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠很好地解決上述問題，路口采集傳感器節(jié)點(diǎn)和中心接收終端節(jié)點(diǎn)所用CC430F5137芯片是TI的MSP430MCU與低功耗RF收發(fā)器的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)以超低功耗的節(jié)能模式運(yùn)行,而且可靠性高，投入成本低，后期維護(hù)管理簡(jiǎn)單。
1系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)
基于CC430F5137的低功耗交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由路口的傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)和中心接收節(jié)點(diǎn)兩個(gè)部分。整體系統(tǒng)架構(gòu)圖如圖1。
路口的傳感器探測(cè)節(jié)點(diǎn)主要由基于弱磁傳感器芯片HMC5883L的車輛檢測(cè)器組成，可以采集不同路口車流量（車型）、車速兩種關(guān)鍵的車流數(shù)據(jù)。路口傳感器節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)可以向中心接收終端多點(diǎn)對(duì)一點(diǎn)進(jìn)行傳輸，不同路口采集的交通數(shù)據(jù)和路口中心接收節(jié)點(diǎn)基于SHT75傳感器采集的溫度、濕度兩種環(huán)境數(shù)據(jù)最終會(huì)經(jīng)過中心接收節(jié)點(diǎn)GPRS模塊匯合至人工監(jiān)測(cè)中心，然后發(fā)送給上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和分析。
2系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)
系統(tǒng)的采集節(jié)點(diǎn)與接收終端的電源用市面上常見的9 V電池，主要向數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中的各個(gè)模塊提供電壓穩(wěn)定、使用可靠的電源。溫濕度傳感器采用微小體積、極低功耗的傳感器SHT75，它的傳感元件和信號(hào)處理電路集成在一塊微型電路板上［1］。路口采集節(jié)點(diǎn)原理圖如圖2所示。
2.1CC430MCU主控模塊與RF無線通信模塊
CC430MCU主控模塊與RF無線通信模塊是采集節(jié)點(diǎn)和接收終端的通用模塊。MCU具有高達(dá)25 MHz的峰值執(zhí)行性能，主動(dòng)模式功耗僅僅為160 μA/MHz;待機(jī)模式（LPM3 RTC模式）為2 μA；關(guān)閉模式（LPM4 RAM保留）為1 μA，處理器8 MHz僅1.3 mA［2］。
CC430芯片外部RF模塊使用26 MHz晶振，芯片內(nèi)部也集成了超低功耗的振蕩電路供使用，程序設(shè)計(jì)通過讀取AD的模塊數(shù)值用一個(gè)定時(shí)器外部中斷控制。調(diào)試接口模塊采用最常用的標(biāo)準(zhǔn)調(diào)試接口JTAG接口，負(fù)責(zé)程序的下載。
每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)單地磁檢測(cè)器的地址設(shè)置只需要8位撥碼開關(guān)撥到相應(yīng)的數(shù)值。撥碼開關(guān)采用二進(jìn)制表示，前4位表示接收單元地址，后四位表示地磁檢測(cè)器地址。接收單元和檢測(cè)器ID范圍均為0x00~0x0F，完全滿足構(gòu)建小型無線交通數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)的需要。傳感器采集數(shù)據(jù)的發(fā)送，通過程序設(shè)計(jì)閃爍時(shí)間和頻率表明不同的狀態(tài)，LED通過300 Ω限流電阻接到單片機(jī)的P2.3和P2.4引腳。
低功耗RF收發(fā)器是CC1101Sub 1 GHz射頻收發(fā)器,包括一個(gè)完整芯片的LC VCO和一個(gè)對(duì)接模式的混頻器進(jìn)行頻率合成。在本設(shè)計(jì)中使用的是433 MHz 的載波頻率，鑒于應(yīng)用場(chǎng)合其要求的傳輸速率較低，因此選用的傳輸速率是3.2 kb/s,配以合適的阻抗電路,不同程度上決定著無線收發(fā)的能力和效率［3］。
2.2基于單地磁檢測(cè)器的車輛檢測(cè)采集模塊
通常檢測(cè)區(qū)域幾米范圍的地磁場(chǎng)分布可近似為均勻不變的,利用單個(gè)地磁檢測(cè)器,依據(jù)不同的鐵磁材質(zhì)的車輛（長(zhǎng)度和形狀不同）經(jīng)過檢測(cè)器會(huì)對(duì)檢測(cè)區(qū)域的磁場(chǎng)分布分別產(chǎn)生相應(yīng)的干擾。干擾引起不同的地磁場(chǎng)變化的畸變波形，通過波形匹配識(shí)別經(jīng)過檢測(cè)器車輛的尺寸長(zhǎng)度（即匹配的車型），結(jié)合車輛通過所用時(shí)間計(jì)算車速，同時(shí)保留車輛類型和累計(jì)車流量。
單地磁檢測(cè)器采用簡(jiǎn)易的I2C總線接HMC5883L傳感器。HMC5883L采用無鉛表面封裝技術(shù)，帶有16個(gè)引腳，具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點(diǎn)。傳感器帶有的對(duì)于正交軸低敏感型的固相結(jié)構(gòu)能用于測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向和大小，在低磁場(chǎng)傳感器行業(yè)中是靈敏度最高和可靠性最好的傳感器，測(cè)量范圍從毫高斯到8高斯，滿足檢測(cè)需要。HMC5883L與CC430采用單電源連接設(shè)計(jì)，如圖3所示。
供電之后，傳感器可以將測(cè)量軸方向上的任何入射磁場(chǎng)轉(zhuǎn)變成一種差分電壓輸出。所有數(shù)據(jù)傳輸均由產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的CC430發(fā)起，數(shù)據(jù)傳輸是按8位進(jìn)行，到第9個(gè)時(shí)鐘周期釋放SDA的線來確定是否響應(yīng)接收。同時(shí)設(shè)計(jì)模式寄存器置為00完成單一測(cè)量模式切換到連續(xù)測(cè)量模式，之后將連續(xù)采集的磁場(chǎng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)輸出寄存器［4］。
單地磁檢測(cè)器達(dá)到測(cè)速是主要目的，但考慮到單地磁檢測(cè)器節(jié)點(diǎn)的持久耐用，需要在主控芯片CC430軟件程序設(shè)計(jì)上盡可能地降低檢測(cè)器功耗。CC430單片機(jī)具有LPM0～LPM4等5種低功耗模式，通過使CC430完成一次采集后隨即進(jìn)入功耗較低LPM3模式的待測(cè)狀態(tài)，一旦來車時(shí)由HMC5883L的中斷引腳周期喚醒CPU，兩次中斷的間隔時(shí)間約為33.3 ms，保證了采集過程的可靠穩(wěn)定與高效節(jié)能［5］。
2.3中心接收終端的網(wǎng)絡(luò)路由電路設(shè)計(jì)
中心接收終端主要功能是將接收的數(shù)據(jù)集中由4G模塊發(fā)送至人工監(jiān)控中心的指定服務(wù)器，同時(shí)該模塊SHT75傳感器采集的溫濕度數(shù)據(jù)會(huì)放入數(shù)據(jù)包。設(shè)計(jì)原理圖如圖4所示。
4G模塊選用華為技術(shù)成熟的ME909S821模塊，芯片與主控制器之間采用AT指令進(jìn)行通信，其供電電壓和I/O口的邏輯電平與CC430不需電平轉(zhuǎn)換，通過串口進(jìn)行通信。
3系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)
采集系統(tǒng)要想最大效率地利用電池的能量，延長(zhǎng)各個(gè)路口電池的使用壽命，除了選擇低電壓低功耗器件為硬件基礎(chǔ)外，還必須編制具有靈活的電源管理軟件程序系統(tǒng)控制CC430單片機(jī)。整體程序設(shè)計(jì)流程圖如圖5。
路口采集節(jié)點(diǎn)能耗的降低可以通過地磁傳感器的采集數(shù)據(jù)I/O口控制來實(shí)現(xiàn)，空閑時(shí)段均處于高阻態(tài)，數(shù)據(jù)采集過程時(shí)，處于輸入或輸出狀態(tài)。中心接收節(jié)點(diǎn)的MCU狀態(tài)可以由程序設(shè)計(jì)進(jìn)行科學(xué)節(jié)能管理。間隔接收探測(cè)節(jié)點(diǎn)發(fā)來的數(shù)據(jù)，每隔3 h發(fā)送一次數(shù)據(jù)，可使CPU同樣常處于低功耗模式。LPM3電壓為3 V，頻率為32 768 Hz，該模式下的工作電流小于2 μA。
路口采集節(jié)點(diǎn)和中心接收節(jié)點(diǎn)上電后應(yīng)該均對(duì)CC430進(jìn)行初始化設(shè)置。然后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)，等待定時(shí)器中斷、通信中斷。定時(shí)器中斷的作用是每隔一段時(shí)間更新采集到的數(shù)據(jù)。路口節(jié)點(diǎn)和中心節(jié)點(diǎn)在接收到采集數(shù)據(jù)后，CC430分別以傳感器網(wǎng)絡(luò)方式和4G網(wǎng)絡(luò)方式把數(shù)據(jù)發(fā)送到上位機(jī)的串口。以上就是一次完整的數(shù)據(jù)采集過程。
4實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證與分析
根據(jù)電路原理圖制成的電路板，燒入程序。為了方便驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)時(shí)采用9 V鋰電池供電，然后把萬(wàn)用表串聯(lián)接入，分別測(cè)量系統(tǒng)不同狀態(tài)下的電流消耗。相比于工作在2.4~2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發(fā)器芯片nRF24L01所做類似數(shù)據(jù)傳送實(shí)驗(yàn)，它具有更低的功耗。表１是測(cè)試結(jié)果對(duì)比。
分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果得出，系統(tǒng)在休眠狀態(tài)下的電流消耗僅為2~3 μA，因發(fā)送的數(shù)據(jù)量的不同，發(fā)送狀態(tài)下的電流消耗也不同。發(fā)送數(shù)據(jù)包越大，其產(chǎn)生電流能耗越大。CC430F5137在最大輸出功率時(shí)，433 MHz下最大的電流消耗是30 mA。系統(tǒng)由休眠轉(zhuǎn)入接收的電流消耗為20 mA左右。分析驗(yàn)證表明，采用CC430的WOR(無線模塊喚醒)功能可以有效地降低系統(tǒng)功耗。
5結(jié)論
本文敘述了基于CC430 的交通數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的前端網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，不僅能實(shí)現(xiàn)4種參數(shù)的數(shù)據(jù)低功耗無線采集，關(guān)鍵還能實(shí)現(xiàn)采集系統(tǒng)與上位機(jī)之間的遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳遞，輕松實(shí)現(xiàn)偏遠(yuǎn)地區(qū)低成本的交通管理需求，對(duì)于生產(chǎn)實(shí)踐、交通監(jiān)控領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用和參考價(jià)值。
參考文獻(xiàn)
?。?］ Sensirion. SHT7X Datasheet ［EB/OL］. （2003-05-xx)［2016-03-22］．http://www.alldatasheet.com/datasheet pdf/pdf/159177/ETC1/SHT7X.
?。?］ Texas Instruments. CC430F5137［EB/OL］. （2012-01-xx）［2016-04-12］. http://www.alldatasheet.com/datasheet pdf/pdf/465991/TI1/CC430F5137.
?。?］ 劉森.基于SOC的低功耗無線溫濕度采集系統(tǒng)［D］.南京：南京理工大學(xué)，2012.
?。?］ Honeywell. HMC5883L Datasheet［EB/OL］.（2010-10-xx)［2016-05-02］.http://html.alldatasheet.com/htmlpdf/428790/HONEYWELL/HMC5883L/487/1/HMC5883L.
?。?］ 趙中琦，陳永銳，易衛(wèi)東.基于磁阻傳感器的無線車輛檢測(cè)器［J］.電子測(cè)量技術(shù),2013,36(1)：1-7.