太阳能公路地面无线诱导系统Zigbee私有协议设计与思考

韩 霄,杨 松,于 迪

(浙江省交通科学研究所,杭州 310006)

0 引 言

基于Zigbee技术的太阳能公路地面无线诱导系统基本原理为利用太阳能光伏发电技术,通过LED主动发光进行道路诱导,依靠Zigbee模块组成无线网络,实现具备无需供电、同步闪烁并可以根据光敏变化智能判断开关等功能的系统。本系统的核心技术是Zigbee技术,该技术是一种低成本、低功耗、低传输速率、抗干扰性好的无线组网技术,具有组网方便、响应速度快、节能、低成本等突出优点,非常适用于小范围、大数量布点的组网形态应用。

1 Zigbee技术应用

Zigbee协议基于IEEE802.15.4标准,一般可分为、物理层、MAC层、网络层和应用层。由于Zigbee协议具有自组网、自由路由、多跳特性、支持星型、链型、网状网等特点,因此协议本身十分复杂,实现起来非常困难。所以,通常的做法都是基于IEEE802.15.4标准,借用MAC层来实现具有私有协议的网络层和应用层程序[1]。对于本项目而言,由于高速公路应用环境的特殊性,完全可以采用私有协议来实现[2]。

2 拓扑结构选择及私有协议设计

为实现同步驱动LED发光闪烁,在Zigbee私有协议中,Zigbee网络拓扑需要重点研究,另外设备每接收到一帧数据后都需要配置时间延迟信息,因为每个设备接收到一帧数据的时间有先有后,因此需要进行补偿。设备的节能要求决定应具有睡眠模式,这给Zigbee无线通信协议带来了很大的难度,也需要重点研究解决。根据设想,图1和图2给出了集中网络拓扑结构的形式,一种是星型结构,一种是链状结构。星型结构的特点是稳定,适用于数量较多的道钉联网工作,但相对成本较高,因为要增加很多中间路由节点,适合双向车道两侧同时安装;链状结构的特点是直接高效、节省成本,就高速公路道钉来说,只需安装单边,适合链状结构网络[3]。

图1 星型网络

图2 链型网络

链型网可由1号道钉兼职协调器,数据通信采用接力传递的方式。由协调器根据情况自动判断或受控于其他系统发出各种命令,命令顺着本地地址由低到高接力传递,直至本系统中本地地址最大的道钉。每个系统设置一个系统号,只有系统号相同的道钉才能相互通信,同一系统内的道钉从小到大依次编号。网络类型和地址等参数设置都可通过道钉配置器进行无线设置。在链型网里,若将协调器设为自动模式,则协调器将自动检测阳光强弱,当阳光很弱时,协调器就发出 “亮灯”命令,命令沿着本地地址 (在本系统地址下)逐个传递下去,直到最后。经过一定时间 (几秒)后所有道钉都收到过这个命令,他们不仅转发了这个命令,还执行了这个开灯命令 。在 “开灯”命令里还包含了时间信息,使得所有道钉协调闪烁,可以是同步闪烁,也可以是其他的一些特效闪烁,如依次闪烁。此后每隔一段时间,协调器会再发一次开灯命令以修正每个道钉的计时误差。当阳光较强时,协调器就发出 “关灯”命令,“关灯”命令以同样方式样传递下去,所有道钉LED熄灭。

平时,道钉的无线通信电路为了省电,大部分时间处于低功耗模式,无法接收数据,每208ms唤醒一次,处于接收状态6ms;发送方要发送数据时,每隔4ms发一次,直到确定对方收到数据。若对方迟迟未应答,则认为对方出现了问题,于是跳过这个道钉直接向下一个道钉传递,如此最多可跳过n个 (软件设定)。一帧数据的发送耗时根据具体数据量有所不同,一般为1.7毫秒左右。如果发送的是开灯/同步信号,则每次发送前都要对数据(时间参数)进行修改,这样对方收到的即时时间才能与自己的相同。通信帧的格式如图3所示。

图3 通信帧格式图

在Zigbee协议中,数据通信的基本帧格式和涉及的命令如下：

为简化协议与程序,所有帧的长度均为12个字节。使能逻辑地址,所以加上逻辑地址的话,MAC层的数据长度为14字节。

前志码用ASCII码表示为CAS,用16进制数表示则为43 41 53

帧命令 说明 帧命令0x01 地址配置 0x01 链型网关灯命令0x02 地址配置应答 0x2* 链型网开灯同步命令 (仅使用左边LED)0x03 地址查询 0x3* 链型网特效闪烁开灯/同步命令 (仅使用左边LED)0x04 地址查询的应答 0x4* 链型网开灯/同步命令 (仅使用右边LED)0x05 高级参数配置 0x5* 链型网特效闪烁开灯/同步命令 (仅使用右边LED)0x06 高级参数1查询 0x6* 链型网开灯/同步命令 (使能所有LED)0x07 高级参数1查询应答 0x7* 链型网特效闪烁开灯/同步命令 (使能所有LED)0x08 高级参数2配置0x09 高级参数2配置应答 0x91 星型网关灯命令0x0A 高级参数3配置 0xA0* 星型网开灯/同步/特效命令0x0B 高级参数3配置应答0x0C 远程控制0x0D 远程控制应答

3 结 语

采用Zigbee技术构建Zigbee私有网络,通过配置器设置每个道钉参数,应用链状网络实现道钉的无线传输和自适应组织。通过在每个设备中增加Zigbee单元使得各个设备之间可以通过Zigbee协议组成无线网络,从而达到邻近设备LED同步驱动同步闪烁的目标。另外,基于Zigbee技术,该设备还可以根据光敏变化智能判断启动的时间或时间段,也可以进行远程遥控启动等。由于Zigbee协议的开放性和扩展性好,该设备也可与其它如室外气象站、能见度仪等设备组成一个完整的、系统性的高速公路行车安全地面诱导系统。

[1]湛伟.对IEEE802.15.4抗干扰性能的改进[J].电子质量,2005,(8)：48-49.

[3]刘瑞强,冯长安,蒋延,等.基于ZigBee的无线传感器网络[J].遥测遥控,2006,27(5)：57-61.