基于ZigBee技术的机动车综合检测系统的研究

李怀俊,严朝勇

(1.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州510640;2.广东交通职业技术学院，广东 广州 510650)

经济的快速发展带来了各地机动车拥有量的迅猛增长，这对相关管理部门提出了更高的检测技术要求，对具备精确、高速性能的机动车性能检测控制系统的要求日益迫切。当前国内机动车检测系统一般都基于专用的工控机和RS-232总线，存在诸多弊端，如：系统结构复杂、通信协议不通用、故障率高、检测数据的联网较为困难、维护成本高等。虽然有些系统将工业以太网技术引入其中，实现了现场设备与互联网的直接连接，但不可避免地具有布线复杂、成本较高、维护难度大等缺陷。

随着无线技术应用领域的不断扩展，工业控制领域开始使用无线通信技术进行现场数据传输，与有线设备相比，无线通信技术具有成本低、无需布线等优点。近年来，面向低成本的无线网络通信标准ZigBee备受关注，不断开发出基于ZigBee标准的无线网络通信设备及基于ZigBee标准的无线网络通信技术(以下简称ZigBee技术)。ZigBee标准是建立在IEEE 802.15.4协议的基础之上，具备强大的设备联网功能。它主要支持三种自组织的无线网络类型：星型网络、对等网络、簇树状网络。网络系统节点具有多跳路由功能，特别是能够组成蜂窝网状网络结构，因此，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。

ZigBee技术具有低功耗、低成本、短时延、高容量、免布线等特点，以其为核心对现有的机动车检测系统进行技术升级，将极大地简化系统结构，降低生产及维护成本。

1 系统总体设计

完整的机动车检测系统一般由后台管理系统、前台控制系统、现场检测系统三部分组成。后台管理系统由服务器、办公系统、收费机等组成；前台控制系统由主控计算机系统、前置板、光电开关、网络系统、录入程序、通信服务程序等组成；现场检测系统由CO/HC分析仪、烟度计、车速检验台、轮重仪、制动检验台、侧滑检验台、前照灯检测仪、声级计及二次仪表等组成。基于ZigBee无线网络的检测系统框图如图1所示。

在检测系统中采用星型拓扑结构，只有一个网络协调器控制整个网络的通信，主要完成网络同步和维护设备之间的链接管理。在网络中，终端设备之间不能直接通信，只能通过网络协调器配合完成设备之间的通信。

现场检测系统中每一个检测工位的检测设备均内置ZigBee模块成为无线终端节点，网络协调器通过UART接口与前台控制系统中的主控机相连。应用时，将终端设备(终端节点)连接于现场检测设备；基站(协调器)连接于前台主控制机。终端设备部分对实时采集的数据进行滤波处理计算，处理后的数据通过芯片CC2430内部集成的ZigBee射频(RF)前端调制成模拟信号发送出去。基站部分的CC2430将收到的远程数据解调后通过UART接口传输给上位机，进一步对数据进行处理、分析、显示、存储和共享。由于设备一次性置于现场数据采集点，无需额外布线，降低了施工难度和成本。同时，即使某一设备出现故障，也不会影响其他设备的正常工作，增强了系统的可靠性和稳定性。由于可以将设备带离现场数据采集点，也使检修工作更加方便快捷。

2 终端节点与协调器设计

终端节点由 ZigBee芯片 CC2430、LPC2292、外存储器 Flash、ADC模块、RS232及 RS485接口组成，负责现场检测数据的采集、存储与无线发送。终端节点硬件原理图如图2所示。CC2430是IEEE802.15.4标准的低成本、低功耗单片高集成度的解决方案，工作在ISM免费频带上，工作频率为 2.4 GHz。

终端节点相当于通信协议转换器，根据所连接的检测设备（如CO/HC分析仪、烟度计、车速检验台、轮重仪、制动检验台等）的接口特性设置了相应的通信接口(RS485、RS232以及A/D采样接口)，直接进行数据采集与分析。控制模块主芯片是ARM7TDMI-S内核的LPC2292，最高工作频率为 60 MHz,内含 256 KB的 Flash空间和16 KB的RAM空间，外围控制部分包括定时器模块、捕捉/比较模块、A/D转换模块、SPI接口和 USART串口等，完成系统的控制和处理功能。

图2 硬件系统原理图

CC2430与主控制器是通过SPI连接的，其中主控制器处于主模式，CC2430处于从模式。LPC2292还有4个I/O与CC2430相连，主要作用为必要时查询CC2430的状态。CC2430使用SFD、FIFO、FIFOP和CCA 4个引脚表示收发数据的状态。SFD脚高电平表示处于接收状态；FIFO和FIFOP引脚表示接收FIFO缓存区的状态；CCA引脚在信道有信号时输出高电平，它只在接收状态下有效。CC2430是一个半双工的RF芯片，在同一时刻只处于一种工作状态。CC2430有15个命令寄存器，每个寄存器都有一个固定的地址。发送缓冲与接收缓冲是分开的：TXFIFO、RXFIFO 各 128 bit。

协调器的硬件结构与终端节点类似，在此不再赘述。数据传输的格式规定如表1,帧数据格式为：检测工位编号（1B）+数据内容（4B）。

表1 通信数据帧格式

2.1 硬件数据发送程序

发送程序首先通过查询状态字来确保CC2430允许发送，若允许发送，程序先把残留在TXFIFO中的信息清空，然后将待发送的数据包通过SPI写入TXFIFO中。然后通过SPI接口触发发送命令,即STROBE_STXONCCA。通过状态位来判断是否发送成功，若不成功则调用CSMS/CA的算法多次尝试；若发送成功，则向上层返回发送成功的原语。程序流程如图3所示。

2.2 硬件数据接收程序

当CC2430接收到一个有效的数据包后，会通过拉高FIFOP引脚电平指示数据包的到来。主控制器检测到FIFOP的高电平会触发外部中断，利用中断函数来接收数据，此中断优先级设为最高。程序流程如图4所示。

3 网络建立与通信

图3 数据发送流程

本文设计的网络系统未使用ZigBee联盟定义的标准配置文件，而在应用程序中对网络进行配置。设置节点的最大子节点数为5，网络深度为3，子节点中最大路由器个数为3，由此可计算出网络最大节点数为66。

在ZigBee技术定义的LR-WPAN中，网络建立的起点是PAN网络协调器(PAN Coordinator)。节点在两种情况下将建立一个新的PAN网络：(1)在主动扫描时没有收到任何信标帧；(2)收到的信标帧参数与自身节点能力不相匹配。

建立PAN网络步骤如下：

(1)协调器节点加电后，首先由网络层发布NLMENETWORK-FORMATION.request原语，之后由网络层管理实体 (NLME)请求MAC层检测网络信道，通过发布MLME-SCAN.request原语扫描有效信道能量，扫描完成后的结果由MLME-SCAN.confirm原语返回至网络层管理实体。NLME根据能量检测结果将能量水平较低的信道丢弃不用，之后对选出的信道进行主动扫描，最终找出建立网络的最佳信道（默认为18信道）。

(2)选择网络标识。每一个网络都分配有一个独立的网络标识PAN ID。网络中的设备根据此标识来确认自己所属的网络。在完成第一步的工作之后，协调器节点在此信道上选择一个随机的网络标识，并开始侦听该信道。本系统采用18号信道对应的PAN ID编号0x1aab。

图4 数据接收流程

(3)设定网络地址。一旦网络标识被选定，NLME将选择一个16位网络地址，同时通过发布MLME-SET.request原语修改 MAC子层的 PIB属性 macShortAddress，与其保持一致。此时NLME将向MAC层发布MLME START.request原语开始一个新的PAN的操作。然后，网络层管理实体(NLME)通过发送NLME-NETWORK-FORMATION.confirm原语将初始化ZigBee协调器的执行结果通知上一层。

在ZigBee协调器设备建立网络后，终端设备可作为子节点加入协调器建立的网络，子节点加入网络的方式有两种：通过MAC层关联方式加入网络；通过指定的父节点直接方式加入网络。本文取前种方式。

首先子节点调用NLME-NETWORK-DISCOVERY.request原语，设定待扫描的信道以及每个信道扫描的时间，一旦MAC层完成了扫描，将发送MLME-SCAN.confirm原语,告知网络层，网络层将发送NLME-NETWORKDISCOVERY.confirm原语，告知应用层，应用层从关联表中选择所发现的网络加入。一旦潜在的父节点确定，网络层将调用MLME-ASSOCIATE.request原语到MAC层。当收到节点的入网请求后，协调器的MAC层会将分配给子节点的16 bit网络地址与其IEEE 64 bit网络地址存入AddressMap，并在NeighborEntry中加以记录。协调器将在关联表中创建一个表项，作为其子节点，并通过MLME-ASSOCIATE.reponse原语，将16 bit网络地址包含在确认信息中返回终端节点。

图5是协调器组网以及终端节点入网的相关信息显示。在调试模式下硬件通过串口向计算机发送数据，串口传输设置为:速率9 600 b/s,8位数据位，1位起始位，1位停止位，无奇偶校验。图5左侧显示了协调器组网及添加子节点的过程，右侧则显示了子节点入网过程。

ZigBee是一种高性能的短距离、低速率无线网络技术，具有广泛的应用前景。机动车检测系统终端设备较多、现场环境复杂，采用ZigBee技术来构建无线传感器网络、实现对各检测工位数据的实时处理，具有组网简单、系统花费少、扩展网络容易、通信稳定、维护简便等优点，这是机动车检测系统集成化、智能化的新趋势。

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