1、摘要隨著我國社會經濟的發展，汽車逐漸走進千家萬戶，成為人類日常生活的重要交通工具。為使道路交通適應國民經濟的發展，實現城市道路交通的智能化、科學化管理，做好道路交通車輛信息的正確采集和及時傳遞至關重要。及時準確了解道路車輛信息，不僅可以實現對路面的實時管理，使道路交通高質量、高效率地運行，還可以為交通預測、道路等決策部門提供參考。規劃、建設。本文首先分析了現有車輛性能檢測儀器的不足，根據其發展的實際需要，提出了一種利用ZigBee技術實現車輛性能檢測傳感器數據采集的新方法。其次，完成了傳感器電路硬件的具體設計，利用磁阻傳感器的工作原理，通過磁阻傳感器檢測通過采集儀的車輛的類型和速度。最后,本文

2、設計了基于CC2430芯片ZigBee無線通信技術的數據采集系統,并完成了基于Zigbee協議棧Z-Stack的系統軟件功能設計,開發了過車傳感器應用軟件。目前ZigBee技術還沒有具體應用到車輛性能檢測領域，這給了這個課題更大的研究和應用空間。關鍵詞：交通量，磁阻傳感器，zigbee無線通信技術，嵌入式系統目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc261681792 目錄 PAGEREF _Toc261681792 h 7 HYPERLINK l _Toc261681793 1簡介 PAGEREF _Toc261681793 h 1 HYPERLINK l _To

3、c261681794 1.1本課題的研究目的和意義 PAGEREF _Toc261681794 h 1 HYPERLINK l _Toc261681795 1.2國外交通數據采集系統發展現狀 PAGEREF _Toc261681795 h 2 HYPERLINK l _Toc261681796 1.2.1國外發展現狀 PAGEREF _Toc261681796 h 2 HYPERLINK l _Toc261681797 1.2.2國家發展現狀 PAGEREF _Toc261681797 h 3 HYPERLINK l _Toc261681798 1.2.3常用車輛檢測傳感器 PAGEREF _

4、Toc261681798 h 3 HYPERLINK l _Toc261681799 1.3本課題研究內容 PAGEREF _Toc261681799 h 5 HYPERLINK l _Toc261681800 2 .傳遞傳感器相關技術 PAGEREF _Toc261681800 h 6 HYPERLINK l _Toc261681801 2.1嵌入式技術 PAGEREF _Toc261681801 h 6 HYPERLINK l _Toc261681802 2.2磁阻傳感器的工作原理 PAGEREF _Toc261681802 h 6 HYPERLINK l _Toc261681803 2.

5、2.1磁阻效應 PAGEREF _Toc261681803 h 7 HYPERLINK l _Toc261681804 2.1.2磁阻傳感器在車輛檢測中的應用 PAGEREF _Toc261681804 h 7 HYPERLINK l _Toc261681805 2.3 Zigbee網絡技術 PAGEREF _Toc261681805 h 9 HYPERLINK l _Toc261681806 Zigbee 網絡各層幀結構 PAGEREF _Toc261681806 h 10 HYPERLINK l _Toc261681807 2.3.3 ZigBee技術原語 PAGEREF _Toc2616

6、81807 h 13 HYPERLINK l _Toc261681808 2.3.4 ZigBee網絡拓撲 PAGEREF _Toc261681808 h 14 HYPERLINK l _Toc261681809 2.3.5 Zigbee網絡形成 PAGEREF _Toc261681809 h 15 HYPERLINK l _Toc261681810 2.5章節總結 PAGEREF _Toc261681810 h 15 HYPERLINK l _Toc261681811 3.過車傳感器硬件系統設計 PAGEREF _Toc261681811 h 17 HYPERLINK l _Toc26168

7、1812 3.1系統設計原理及硬件架構 PAGEREF _Toc261681812 h 17 HYPERLINK l _Toc261681813 3.2硬件設備的選擇 PAGEREF _Toc261681813 h 18 HYPERLINK l _Toc261681814 3.2.1磁阻傳感器 PAGEREF _Toc261681814 h 18 HYPERLINK l _Toc261681815 3.2.2 A/D轉換器 PAGEREF _Toc261681815 h 19 HYPERLINK l _Toc261681816 3.2.3無線通信芯片CC2430 PAGEREF _Toc261

8、681816 h 20 HYPERLINK l _Toc261681817 3.2.4電源模塊 PAGEREF _Toc261681817 h 22 HYPERLINK l _Toc261681818 3.3與通過傳感器相關的通信 PAGEREF _Toc261681818 h 22 HYPERLINK l _Toc261681819 3.4章節總結 PAGEREF _Toc261681819 h 25 HYPERLINK l _Toc261681820 4.通過傳感器硬件電路及驅動開發 PAGEREF _Toc261681820 h 26 HYPERLINK l _Toc261681821

9、4.1傳感器電路 PAGEREF _Toc261681821 h 26 HYPERLINK l _Toc261681822 4.1.1 CPU電路 PAGEREF _Toc261681822 h 26 HYPERLINK l _Toc261681823 4.1.2 A/D轉換電路 PAGEREF _Toc261681823 h 27 HYPERLINK l _Toc261681824 4.1.3數據存儲器電路 PAGEREF _Toc261681824 h 27 HYPERLINK l _Toc261681825 4.1.4電源電路 PAGEREF _Toc261681825 h 27 HYP

10、ERLINK l _Toc261681826 4.2驅動程序的發展 PAGEREF _Toc261681826 h 28 HYPERLINK l _Toc261681827 4.3通過傳感器的驅動程序 PAGEREF _Toc261681827 h 29 HYPERLINK l _Toc261681828 4.3.1數據存儲器的操作功能 PAGEREF _Toc261681828 h 29 HYPERLINK l _Toc261681829 4.3.2 A/D轉換器操作功能 PAGEREF _Toc261681829 h 33 HYPERLINK l _Toc261681830 4.4章節總結

11、 PAGEREF _Toc261681830 h 34 HYPERLINK l _Toc261681831 5.車輛通過傳感器應用軟件開發 PAGEREF _Toc261681831 h 35 HYPERLINK l _Toc261681832 5.1開發環境 PAGEREF _Toc261681832 h 35 HYPERLINK l _Toc261681833 5.2實時多任務軟件開發 PAGEREF _Toc261681833 h 36 HYPERLINK l _Toc261681834 5.2 Zigbee協議棧Z-Stack PAGEREF _Toc261681834 h 37 HY

12、PERLINK l _Toc261681835 5.2.1 Z-Stack結構及相關概念 PAGEREF _Toc261681835 h 37 HYPERLINK l _Toc261681836 Z-Stack 38下的應用軟件開發 PAGEREF _Toc261681836 h HYPERLINK l _Toc261681837 5.3應用軟件的功能設計 PAGEREF _Toc261681837 h 41 HYPERLINK l _Toc261681838 5.4應用軟件開發 PAGEREF _Toc261681838 h 42 HYPERLINK l _Toc261681839 5.4.

13、1車輛數據收集 PAGEREF _Toc261681839 h 42 HYPERLINK l _Toc261681840 5.4.2車輛數據的存儲 PAGEREF _Toc261681840 h 43 HYPERLINK l _Toc261681841 5.4.3數據傳輸 PAGEREF _Toc261681841 h 45 HYPERLINK l _Toc261681842 5.4.4 PC 命令總結 PAGEREF _Toc261681842 h 45 HYPERLINK l _Toc261681843 5.5章節總結 PAGEREF _Toc261681843 h 46 HYPERLIN

14、K l _Toc261681844 6.結論與展望 PAGEREF _Toc261681844 h 47 HYPERLINK l _Toc261681845 參考文獻 PAGEREF _Toc261681845 h 48 HYPERLINK l _Toc261681846 到 PAGEREF _Toc261681846 h 501 簡介道路交通是國民經濟發展的重點，交通調查的任務將更加重要。交通管理、科研、設計工作也必須適應互聯網時代的社會發展。因此，開發一種新型的交通采集系統，對于提高公路部門的技術和管理水平，適應網絡時代的發展具有重要意義。1.1本研究的目的和意義“十一五”期間，道路交通對

15、國民經濟發展具有重要意義，特別是在交通信息資源整合利用、提高交通行業信息化監管水平、加強綜合交通運輸等方面運營分析輔助決策，提升公共交通信息服務質量。等方面實現重點突破。隨著汽車普及率的不斷提高，公路網建設的不斷發展，城市路網密度和道路交通流量也在不斷增加，交通狀況調查的任務將更加艱巨。交通管理、科研、設計等工作也必須適應互聯網時代的社會發展。因此，開發一種新型的交通采集系統，對于提高公路部門的技術和管理水平，適應互聯網時代的發展具有重要意義。 1為適應社會的快速進步，智能交通建設被提上日程，智能交通裝備在各地交通道路管理中得到普及。通過這些交通智能設備收集和處理交通流量、速度、飽和度等交通數

16、據，并以直觀的方式實時反饋給交通管理部門。以實現道路交通的智能化、信息化管理。在交通發展規劃和未來交通需求預測工作中，交通數據的采集是不可缺少的環節和步驟，是規劃內容的重要組成部分，是決策和規劃的依據和依據。在描述交通的三個基本交通參數中，交通量信息是反映交通狀況的最重要的參數。通過對交通量信息的分析整理，可以了解交通量的時空分布、交通量的各種變化規律以及影響交通量數據的各種因素，從而為路網規劃、交通安全、道路交通等提供信息。為設計和施工的各個環節提供堅實可靠的依據。 2通過對交通量的分析，交通工作者可以準確掌握交通現狀及其變化規律，也為實現適合未來交通需求的道路工程設施和交通管控方法提供依據

17、.目前國外廣泛使用的車流量數據采集系統包括線圈檢測設備、視頻檢測設備、道路雷達檢測、 GPS浮動車輛檢測等，但大部分檢測設施需要路面鋪設和現場人員操作，不能滿足目前的路網。管理和智能交通要求。隨著計算機技術、網絡技術、微電子技術和傳感器技術的飛速發展，檢測儀器正朝著小型化、智能化、網絡化的方向發展。公路交通檢測儀器的發展也不例外，也應向小型化、智能化、網絡化方向發展。無線通信技術的使用，不僅提高了檢測儀器的技術水平，而且在高速公路的環境方面也保證了中介人員的人身安全。為適應交通量不斷增長的趨勢，交通量采集系統應具有更高的精度和大容量的數據存儲。還應有網絡接口和移動存儲接口，以適應計算機應用的發

18、展和道路交通管理和科學研究的需要。1.2 國外交通數據采集系統發展現狀交通量檢測系統利用一定的車輛檢測技術，將交通流量信息等物理量形式的信息轉化為電子量，然后通過傳輸線傳輸到信號控制器的信息處理部分進行處理。它是一種城市交通道路控制系統。不可或缺的組件主要是通過數據采集和設備監控來監控交通數據。1.2.1國外發展現狀美國作為世界上公路建設里程最多、公路網最發達、人均汽車占有率最高的發達國家，充分利用其強大的資金支持和車載通信等通信技術優勢和衛星通信成為道路上的領先者 是車輛檢測技術最先進、最成熟的國家之一。美國計劃在 2000 年至 2011 年的 10 年間投資高達 2000 億美元建設國家

19、 ITS，利用現代通信技術、智能控制技術和計算機技術，加強和提高高速公路監控和車輛檢測能力，然后到整個公共交通?？茖W管理和維護網絡，可以減少高速公路造成的交通事故，減少交通事故造成的嚴重損失。為滿足現代智能交通“高速、安全、智能、舒適”的要求，日本的實時路面檢測系統也取得了一定的成果，投入了大量的人力、物力和資金，組織了“動態路徑感應系統”的實驗。并成立了“車路交通智能協會”，建設部、工商部、交通運輸部、公安部門密切配合，參與了智能交通系統的建設，確保道路上的每一輛車都暢通無阻。在監控系統中。檢測領域，在日本目前上路的車輛中，有超過200萬輛汽車配備了車載導航定位設備。該設備可以為駕駛員提供實

20、時道路信息服務。集成了車輛行駛信息、駕駛員個人信息和監控中心之間的通信系統。1980年代，歐洲國家為了提高路測設備的更新換代，投入超過50億美元。歐盟國務部建立了交通運輸專用無線數據通信網絡，使車輛控制、信息服務和電子收費系統有機統一在一個完整的監控指揮系統中，同時利用地球同步衛星準確定位和確認交通事故等交通預警系統，實現高速公路上車輛的安全運行。 3國外生產交通采集器的主要國家有：美國、澳大利亞、英國、瑞典等。進口的儀器大部分是美國和澳大利亞生產的儀器。國外儀器的特點是運行穩定、抗干擾能力強、使用方便。這些儀器在結構上一般采用上位機和下位機的形式。儀表作為下位機，按照給定的要求采集車輛數據，

21、經過簡單的數據處理后，存儲在儀表的數據存儲器中或直接傳輸給上位機。各種復雜的數據處理和統計分析工作由上位機完成。數據傳輸方式有串口、USB接口或紅外接口。供電方式采用電池供電或太陽能供電。在我國使用時的主要問題是：價格昂貴，不適合一般使用；由于使用環境不同，國外儀器在使用過程中會遇到一些困難，比如傳感器容易丟失，交通流量比國外密集，導致統計精度下降；維護困難。1.2.2國家發展現狀與歐美相比，我國智能公交系統的發展起步較晚。 1970年代，從國外引進了一些相關項目，開展了一些智能交通系統或與智能交通系統相關的基礎項目的研究和應用，但僅限于城市交通信號控制實驗。 1990年代中期以來，我國開始研

22、究開發地理信息系統GIS和全球定位系統GPS在交通運輸方面的戰略和應用。 2001年，交通部公路科學研究所國家智能交通工程研究中心制定了中國智能交通系統體系框架，為我國道路檢測的發展指明了方向。在制定國家發展“十一五”規劃和2010年遠景規劃時，ITS已作為重要項目列入戰略研究計劃。目前，我國已成立國家ITS協調組，組織完成了中國ITS標準體系框架研究、ITS系統發展戰略研究等一批重點項目，將道路車輛信息檢測與監測作為智能交通管理的重要組成部分。內容。 4然而，目前各省市車輛信息采集系統所使用的軟硬件五花八門，無法有效協調和集成?？鐓^域建立大規模、大規模的車輛檢測系統是一個巨大的障礙。我國目前

23、生產的儀表有計數器、計軸器、電磁感應線圈交通量采集器、紅外交通量采集器?？偟膩碚f，工作的穩定性較差，部分技術落后。隨著時間的推移，該儀器已經無法滿足當前的流量統計需求。主要問題是：數據存儲容量太小，串口主要用來和電腦通訊，速度慢，沒有網絡接口，不能滿足目前路網管理和智能化的要求運輸。1.2.3常見的車輛檢測傳感器車輛檢測傳感器的種類很多，其工作原理各不相同，但有兩個基本功能：一是檢測車輛的存在和外觀，二是檢測車輛通過時的運動和狀態。總則車輛檢測器至少具備以上兩種功能。基本功能之一。 6目前，車輛檢測傳感器按工作原理主要分為以下幾類：1.壓敏型壓敏探測器一般用于早期交通數據采集。車輛經過時，通過

24、檢測壓力變化來采集數據，然后將壓力數據變化轉化為數字信號分析處理。由于其檢測信息量少，自動化程度不高，逐漸被新型探測器所取代。2.金屬感應式這種檢測器是世界上最常用的檢測設備。它一般采用電磁感應傳感器，通過檢測車輛經過時產生的電磁感應變化，來計算車速、流量、時間占用和交通長度。參數上傳至控制裝置，具有易于掌握、計數準確、成本低的優點。3.超聲波感應式超聲波檢測器一般使用設置在車道上方的超聲波探頭，接收超聲波發生器發射的超聲波束和車輛反射的超聲波回波，從而對車輛進行檢測。優點是設備體積小，檢測精度高。該設備安裝在每條車道上方，無需切割路面。缺點是檢測精度受環境溫度和氣流影響較大。4.視頻圖像類型

25、視頻圖像檢測器也是各國常用的檢測方法。行駛在道路上的車輛通過攝像設備拍攝為圖像，然后通過視頻圖像技術對圖像信息進行處理，檢測交通數據。優點是無需破壞路面，在采集交通狀況數據的同時，還能提供直觀的視覺圖像參考。汽車的動態陰影也會干擾檢測，尤其是在夜間工作時，誤報率比較高。交通數據收集需要使用通信技術。借助計算機、互聯網和通信技術，形成了交通檢測網絡。只有依靠傳感器獲取的實時數據，才能得到及時的處理和反饋，交管中心才能了解道路交通情況，實時監控路網。遠程監控網絡主要分為有線網絡和無線網絡兩大類。(1)有線網絡接入方式有線網絡方式是將現場傳感器采集到的數據轉換成數字信號，通過以太網傳輸到控制終端。然

26、后控制終端對接收到的信號進行分析和處理，得出結論并將其反饋給現場。主要有以下幾種有線網絡傳輸方式。線法這種傳輸方式采用XSDL技術，利用現有線路進行數字信號傳輸，提供直接接入和不間斷服務。這種方法的優點是可以使用普通網絡實現信號傳輸，無需額外組網，可以大大降低系統成本。DDN方式DDN是數字數據網絡的縮寫。它主要由數字傳輸電路和相應的數字交叉復用設備組成。采用這種方式時，可以根據實際需要申請帶寬。點對多點數字專線的優點是傳輸速率和質量高、協議簡單、組網靈活，但DDN網絡建設和維護成本高，長期使用存在局限性。光纖通道光纖通道具有傳輸質量高、通道穩定的優點。但目前我國光纖拉伸預制棒供應嚴重不足，主

27、要依賴進口。因此，光纖組網的設備成本和建設成本居高不下，無法在高速公路網絡監管中廣泛推廣。(2) 無線網絡接入無線組網采用無線信道進行數據傳輸，具有靈活、簡單、速度快等優點，特別適用于一些路況復雜的地區組網。目前，流量監控中的無線接入方式主要有以下幾種：藍牙無線通訊藍牙（Bluetooth）技術是一種低功耗、短距離的無線通信技術。主要優點是可以輕松建立無線連接，便攜性強，應用范圍廣。但其通信距離短，待機功耗高。不適合道路交通數據采集。GPRS網絡技術GPRS是在GSM基礎上發展起來的一種新的分組交換數據承載業務，一般稱為2.5G（2G和3G）通信技術。使用該網絡進行交通數據傳輸的優勢在于可以使

28、用中國移動現有的GSM網絡，方便快捷，接入時間短，傳輸速率高。但是GPRS小區的容量是有限的，GPRS對容量的影響取決于預留的GPRS使用時隙的數量。在網絡使用高峰期，數據傳輸容易被阻塞，實際傳輸速度大大降低。Zigbee 技術ZigBee技術是一種新興的短距離無線通信技術，適用于各種電子設備之間的低功耗、低傳輸速率的數據傳輸。其網絡容量大、組網靈活，非常適合用于流量采集的傳感器網絡。1.3 本課題研究內容傳統的車輛檢測方式大多需要在安裝檢測設備時破壞路面，不僅增加了使用和維護成本，還嚴重影響了路面的使用壽命。針對傳統車輛檢測方法存在的種種不足，本文利用電子技術、通信技術和計算機技術的新成果，

29、基于ZigBee無線網絡技術，將傳感器和無線通信模塊集成在一起，實現了安裝方便，不影響環境。小型、高穩定性、低成本的智能車輛檢測傳感器。本文的主要工作是分析和研究現有交通流量檢測系統的特點和存在的問題，利用磁阻傳感器、Zigbee無線通信技術和嵌入式系統研發一種新型的過車傳感器。傳感器的研究分為硬件設計和軟件開發兩個部分。硬件包括磁阻傳感模塊、信號處理電路、AD轉換模塊和zigbee無線通信模塊。軟件包括驅動程序的開發、數據采集、數據存儲、數據傳輸和命令處理。2.傳遞傳感器相關技術嵌入式技術已廣泛應用于傳感器和檢測儀器。磁阻傳感器由于其高靈敏度可用于車輛檢測。無線通信技術大大提高了傳感器的技術

30、水平和實用性。2.1 嵌入式技術嵌入式系統（embedded system）簡單來說就是將專用計算機作為智能控制部件嵌入到設備本體中。嵌入式系統是以嵌入式計算機系統為核心，面向特定功能和目的的軟硬件的集合。即以應用為中心，基于計算機技術，軟硬件可定制，適用于對應用系統的功能、可靠性、成本、尺寸、功耗等有嚴格要求的特殊計算機系統。它是計算機技術、通信技術、半導體技術、微電子技術、語音和圖像數據傳輸技術，甚至是將傳感器等先進技術與特定應用對象相結合的更新產品。嵌入式系統包括硬件和軟件。硬件部分作為整個系統的物理基礎，為軟件運行平臺與其他設備的通信提供接口；軟件部分包括操作系統組件和應用程序編程?？?/p>

31、以為實際系統的運行和功能實現提供一種控制方法。一般來說，嵌入式計算機系統是整個嵌入式系統的核心，嵌入式系統主要由嵌入式外部硬件、嵌入式操作系統、嵌入式處理器和嵌入式應用軟件組成。圖 2.1 嵌入式系統框架示意圖Fig2.1嵌入式系統框架圖2.2 磁阻傳感器的工作原理地球本身就是一塊巨大的磁鐵，它在太空中產生的磁場稱為地磁場。人們使用地磁學已有大約2000年的歷史。最早的磁傳感器是指南針，用于指示方向。隨著科學技術的進步，各種現代磁傳感器不僅可以測量地球磁場的強度和方向，還可以測量金屬物體運動產生的磁場、電流，甚至腦電波。由于磁傳感器在檢測過程中是非接觸式的，可以檢測到非常微弱的磁場變化，因此被

32、廣泛應用于各種磁場相關的測量中。2.2.1磁阻效應MR（Magnetio Resistor）效應是一種物質的電阻在磁場作用下發生變化的物理現象。由鐵磁性物質構成的雙極磁鐵通過純地磁場時，會引起地磁場畸變，產生不規則磁場，如圖2.2所示。圖 2.2 鐵磁性物質引起的磁場變化Fig2.2鐵磁材料的磁場表征磁阻效應大小的物理量為MR，定義為：式中： 物質在非零磁場中的電阻率 0 磁場為零時物質的電阻率2.1.2磁阻傳感器在車輛檢測中的應用用于車輛檢測的磁阻傳感技術是基于磁偏角檢測技術。磁阻傳感器是由四層鐵鎳合金（坡莫合金）薄膜沉積在硅片上形成電阻條形電阻。這四個電阻連接起來形成一個惠斯通電橋，如圖

33、2.3 所示。沿單軸的磁場強度和方向。橋臂的典型電阻為1000歐姆，典型帶寬為1-5MHz 。磁阻效應高度敏感，不受線圈和振蕩頻率等因素的影響。此外，傳感器可以在硅晶片上批量生產，以商業集成電路的形式封裝。這內容磁傳感器與其他電路和系統組件自動組合。圖2.3惠斯通電橋圖 2.3徽石橋地磁場的強度約為 500-600 毫高斯。汽車在道路上行駛時，由于其材料中含有大量的鐵磁物質，可以認為是鐵磁材料模型。當行駛車輛通過低場磁阻感應時，它相當于一個鐵磁物體切割傳感器附近的地磁場，因此會引起地面附近地磁場的擾動，而磁阻傳感器可以準確地檢測到地磁場的變化。地球磁場在坐標分量的 1/12000 處的強度和方

34、向?？梢詼蚀_地檢測到車輛經過時地球磁場的畸變。 4利用磁學原理測量地磁場沿車身縱坐標系的分量變化，通過數值計算和誤差修正得到所需的車輛信息。至此，車輛檢測完成。圖 2.4 車輛引起的地磁場變化Fig2.4車輛引起的磁場變化三軸智能數字磁場計HMR2300具有X、Y、Z三個輸出引腳，可檢測傳感器所在磁場三個方向的強度變化，并可直接與計算機通訊輸出三軸X 、 Y和Z權重。三軸AMR磁力計安裝在車道上。當車輛通過傳感器時，地磁場的磁偏角發生明顯變化，可用于車輛檢測。圖 2.5 顯示了車輛距離傳感器 1 英尺時的磁干擾信號的平滑曲線。圖 2.5 車輛引起的地磁干擾Fig2.5車輛地磁干擾由于磁阻傳感器

35、具有體積小、功耗低、安裝方便、溫度特性好、抗干擾能力強、誤差不隨時間累積等特點，適合制作小型通過傳感器，安裝在在不影響車輛的車道上。安全運行，同時能夠準確記錄交通數據。本文擬采用霍尼韋爾基于磁偏角設計的HMC2003三軸磁傳感器作為車輛檢測傳感器。2.3 Zigbee網絡技術目前市場上的短距離無線通信技術主要包括無線局域網WiFi、藍牙和一些特殊標準（如Ad hoc網絡等）的產品。一些大公司也在積極研究和制定一些新的無線網絡通信技術標準，如無線USB、超寬帶通信UWB（Ultra-Wideband）和WiMax（Worldwid Interoperability for Microwave A

36、ccess），以開拓市場和應用領域。 . 9ZigBee 是一種新興的無線通信技術，具有短距離傳輸、低功耗、低數據速率和低成本的特點。從它誕生到現在才短短幾年。該技術在無線傳輸領域具有以下優勢：省電：其工作模式有休眠模式，收發信息時的功耗很小。在某些應用中，兩節電池可以使用兩年左右；高可靠性：MAC層采用完全確認的數據傳輸機制，即數據致時，需要等待接收方返回的確認信息；極低的成本：目前芯片的價格低于 3 美元。由于其低傳輸速率和免費協議，大大降低了成本；延時短：設備搜索延時典型值為30ms，休眠激活延時典型值為15ms，活動設備信道訪問延時為15ms；網絡容量大：一個Zigbee網絡可以容納1

37、到255個設備，使用這種技術的無線網絡平臺可以由多達65535個無線微功率收發器組成。綜上所述，一個Zigbee網絡可以擴展數千個微小的傳感器節點，這些傳感器功耗低，傳感器節點之間可以相互通信，zigbee可以協調數千個微小傳感器之間的交互。通信適應城市道路機動性，組網方式靈活，通信效率高。在現有的各種無線通信技術中，ZigBee 是功耗最小、成本最低的技術。由于ZigBee技術的這些特點，也決定了ZigBee技術適合承載小數據流量的道路檢測等大規模無線組網業務。2.3.1Zigbee網絡Zigbee是一種基于IEEE 802.15.4的無線通信協議，該協議定義了網絡對等體之間的幀格式、含義和

38、交換方式。其結構由物理層（PHY） 、媒體接入層（MAC） 、網絡層（NWK）和應用層四層框架組成。各層之間的關系分布如下圖所示。圖 2.6 Zigbee 協議棧結構圖2.6 Zigbee 協議棧結構與服務和服務原語不同，協議定義了網絡對等層之間的幀格式、含義和交換方法。每一層實體都使用協議來實現服務。對于網絡各層之間的幀傳輸，當幀從低層傳輸到高層時。層傳輸時，每一層都會在傳輸的幀中加入反映本層相關信息的數據，分別成為幀的頭和尾。從下到上輸入時，每一層都會刪除附加信息。下面是ZigBee各層的幀結構示意圖：(1) 物理層根據分層網絡架構，每一層都必須將自己的協議信息添加到致的數據中，以形成協議

39、數據單元 11 。物理層協議數據單元（PPDU）也稱為物理層數據包，其格式如表2.2所示。表 2.1 物理層幀結構表2.1物理層幀結構4字節1 個字節1 個字節多變的前言幀分隔符幀長1 個保留位PSDU同步物理層物理層負載由于致方致連續的比特流，有一定的延遲，接收方必須與致方保持相同的時間才能正確接收數據，這稱為同步。同步分為位同步和幀同步；比特同步的作用是實現比特的鎖定，幀同步時實現數據包的定界和識別。致同步的方法用于引導接收端和致端實現同步，同步由4字節的前導碼和1字節的幀分隔。(2) MAC層一個完整的 MAC 層幀由幀頭、幀有效載荷（數據）和幀尾組成。幀頭由幾個字段按一定順序排列，但并

40、非所有幀都包含所有字段。 MAC層幀結構如表2.3所示。從圖中可以看出，幀頭有幀控制字段、序列號、地址字段等，地址字段包含目的PAN標識、目的地址、源PAN標識、源地址。表 2.2 MAC 層幀結構表2.2 MAC層幀結構2 個字節1 個字節0/2 字節0/2/8字節0/2 字節0/2/8字節多變的2 個字節幀控制序列號目標 PAN 標識符目的地址源 PAN 標識符源地址幀有效載荷FCS地址字段MHR（MAC層幀頭）MAC有效載荷MFR（幀結束）ZigBee 的 MAC 層有 4 個不同的幀：信標幀、數據幀、確認幀和命令幀。信標幀：在使用信標的網絡中，網絡協調器周期性地致信標以指示超幀的開始。

41、信標包含了PAN的基本信息，其整體結構與MAC層幀相同。數據幀：數據幀包含目的地址子字段或源地址子字段，根據幀控制字段的配置，幀序號應為當前macDSN的值，數據幀payload子字段的內容為上層需要MAC層傳輸的數據。 .確認幀：確認幀只包含控制字段、序列號和校驗碼。命令幀：設備通過致命令與協調建立連接。(3) 網絡層網絡層幀是網絡層的協議數據單元（NPDU），由以下兩部分組成：網絡幀頭，包括幀控制、地址和序列信息等；可變長度幀有效載荷，即幀傳輸的信息；下圖是網絡框架的大體結構：表 2.3 網絡框架的一般結構表2.3網絡框架的一般結構2 個字節2 個字節2 個字節0/1 字節0/1 字節可變

42、長度幀控制字段目的地址源地址廣播半徑廣播序號幀有效載荷路由域網絡層頭網絡層有效載荷幀控制字段包含幀類型、地址、序號等信息。其結構如圖2.5所示表 2.4 網絡幀控制字段結構網絡框架的控制場結構0-12-56-78910-15框架類型協議版本發現路線預訂安全預訂(4) 應用層APS 幀 (APDU) 由以下兩部分組成：APS頭，包括幀控制和地址信息；APS 幀有效載荷，即幀傳輸的有效數據，具有可變長度。APS幀的結構如表2.6所示表 2.5 APS 幀結構表2.5 APS幀結構1 個字節0/1 字節0/1 字節0/2 字節0/1 字節多變的幀控制字段目標端點集群標識符模板標識符源端點幀有效載荷幀

43、地址字段APS 標頭APS 有效載荷從上圖可以看出，APS頭由幀控制字段和地址字段組成。地址域的子域根據具體情況可能不存在。幀控制字段的長度為 1 個字節，包含有關幀類型、尋址和標志的信息。2.3.2ZigBee 網絡中的設備根據設備功能的不同，IEEE 802.15.4將zigbee網絡中的節點設備分為兩種：全功能設備（FFD）：它可以工作在所有的網絡結構中，可以作為網絡中的協調器和路由器，并且可以與網絡中的任何節點進行通信。縮減功能設備（RFD）：一些功能簡單的設備只能與FFD通信，不能直接相互通信，不能作為網絡的協調器或路由器。FFD可以提供信息的雙向傳輸，可以在FFD和RFD之間建立直

44、接通信，而RFD只能和FFD通信，不能在RFD和RFD之間通信。 RFD的結構比較簡單，所以任務也比較簡單。在傳感器網絡中，它們的任務一般只是將采集到的數據信息致到其協調點，而RFDs不具備數據轉發、路由發現和維護等功能。與FFD相比， RFD占用資源少，存儲容量小，成本低。與RFD不同的是，FFD增加了存儲等電路。在 ZigBee 網絡中， FFD在無線傳感器網絡中起到匯聚節點的作用，通常稱為 PAN 協調點。 ZigBee 網絡中只有一個 PAN 協調點。 PAN 協調點實際上是一種特殊的 FFD。功能強大，是整個網絡的主節點。主要任務有：建立新網絡、設置網絡參數、管理網絡中的每個節點并存

45、儲zigbee網絡節點信息等。FFD和RFD設備都可以作為終端節點加入ZigBee網絡。此外，一個普通的FFD也可以在其個人操作空間（POS）中充當一個協調點，但是這個普通的FFD仍然在PAN協調點的控制之下，這與PAN協調點不同。 ZigBee 中每個協調點直接連接的節點最多可達255 個，每個 ZigBee 網絡最多可容納65535 個節點。 19在本研究課題中，車輛通過傳感器是一種RFD設備，僅負責車輛數據的采集、處理、存儲和傳輸。2.3.3ZigBee 技術的原語在 ZigBee 協議棧中，每一層通過使用下一層提供的服務來完成自己的功能，同時向上層提供服務，網絡通信在對等層進行。這些服

46、務由設備中的實體通過致服務原語來實現。所謂服務原語，就是對代表相應服務的符號和參數進行格式化、標準化的表示，與服務的具體實現無關。不同的服務原語可以有不同的編號和不同的形式參數，它們共同描述服務。 ZigBee 技術中的原語有以下四種請求原語指示原語響應原語確認原語原語的書面形式包括服務的實體、原語的功能和原語的類型。物理層數據訪問類型原語以PD開頭，物理層管理原語以PLME開頭； MAC層數據服務原語以MCPS開頭，MAC層管理服務原語以MLME開頭；網絡層數據服務原語以NLDE開頭，網絡層管理服務原語以NLME開頭；應用層支持以 APSED 開頭的子層數據服務原語，應用支持以 APSME

47、開頭的子層管理服務原語等。表 2.6 原語的書面形式表2.1原語形式服務原語管理原語物理層PDPLMEMAC層MCPSMLME網絡層NLDENLME應用層APSEDAPSME例如，物理層的檢測請求原語是PLME-ED.request，MAC層與協調器的同步請求原語是MLME-SYNS.request，網絡層的網絡發現確認原語是NLME-NETWORK -DISCOVERY.confirm 等。原語被致到服務實體的相鄰層。圖元的基本概念和功能如圖2.1所示圖2.7。服務原語示意圖圖 2.7服務原語示意圖圖 2.7 顯示了兩個用戶在對等層通過服務原語交換信息的示意圖。 N1 用戶向其 M 層致服務

48、請求，這導致 N2 用戶的 M 層向 N2 用戶發出指令原語，以宣布事件的發生。 N2 用戶通過響應原語進行響應。 N1 的 M 層向用戶致確認原語，指示氣球原語的執行結果。至此，N1用戶的一項服務就完成了。右圖為M層應用向P層致服務原語，P層根據原語執行結果向M層返回確認原語。2.3.4ZigBee 網絡拓撲ZigBee網絡主要有星型網絡、網狀網絡和混合網絡三種拓撲結構。星形網絡（圖2.8 - a）由一個 PAN 協調點和一個或多個終端節點組成。 PAN協調點負責發起整個網絡的建立和管理，所以必須是FFD ，而其他終端節點一般都是RFD，在PAN協調點的控制下直接與PAN協調點通信。星型網絡

49、通常適用于節點數較少的場合。網狀網絡（圖2.8 -b）通常是由幾個 FFD 連接在一起形成的。這些 FFD之間的通信完全是點對點的。在其無線通信區域內，每個節點都可以與其他節點進行通信。 .在Mesh網絡中，發起網絡建立的FFD節點通常被設置為PAN協調點。由于節點都是FFD， Mesh網絡具有高可靠性和“自恢復”能力。它可以為傳輸的數據包提供多條路徑。即使一條路徑失敗，仍然會有另一條或更多條路徑。路徑可以選擇。圖 2.8 Zigbee 網絡拓撲Fig2.8 Zigbee網絡拓撲Mesh網絡可以通過FFD擴展網絡，形成由Mesh網絡和星形網絡組成的混合網絡（圖2.8- C）。在混合網絡中，終端

50、節點采集的信息首先傳輸到同一子網的協調點，然后通過網關節點上傳到上層網絡的PAN協調點?；旌暇W絡一般適用于覆蓋范圍較大的網絡。2.3.5Zigbee網絡形成ZigBee網絡，只有 PAN協調器才能組成新的 ZigBee 網絡。 PAN協調器在建立新網絡時，首先掃描所有信道，并選擇其中一個空閑信道建立新網絡。在找到合適的空閑信道后， ZigBee 協調器將選擇一個 PAN 標識符來匹配新網絡。一旦確定了 PAN 標識符，就意味著網絡已經建立。之后，如果遇到另一個PAN coordinator掃描信道，這個網絡的 coordinator將響應并聲明這個新網絡的存在。同時， ZigBee 協調器也會

51、給自己設置一個 16位的網絡地址，通常為 0000。一個 ZigBee 網絡中的所有節點都有兩個地址：一個是64 位的 IEEE 擴展地址，另一個是16 位的網絡地址。 16bit的網絡地址也是802.15.4MAC短地址，全網唯一。中的 PAN協調器選擇網絡地址時，它開始接受來自其他新節點的申請加入其網絡。當一個節點想要加入網絡時，它首先通過信道掃描搜索它周圍存在的網絡。當網絡被找到時，它將通過關聯過程加入網絡。此時， zigbee網絡中具有路由功能的節點可以內容或拒絕其他節點通過它關聯網絡。如果網絡中的一個節點在與網絡失去聯系后想要重新加入網絡，它可以通過孤兒通知過程重新加入網絡。網絡中每

52、個具有路由器功能的節點都有路由表和路由發現表，通過與其他節點的關聯參與數據包轉發、路由發現和路由維護，從而擴展網絡。ZigBee網絡中傳輸的數據大致可以分為三類：周期性數據，這類數據的傳輸速率根據不同的應用而定，比如傳感器網絡中傳輸的數據；間歇性數據，這種數據傳輸速率根據應用或外部刺激來確定傳輸狀態，例如電燈開關傳輸的數據；重復的、低響應時間的數據，這類數據的傳輸狀態是由時隙分配決定的，比如我們電腦上無線鼠標傳輸的數據。為了降低 ZigBee 節點的平均功耗，ZigBee 節點可以設置為活動和睡眠兩種工作狀態，只有在兩個節點都活動時才能完成數據傳輸。在有信標的網絡中，ZigBee 協調點通過定

53、期向網絡節點廣播信標來保持整個網絡的同步；在沒有信標的網絡中，終端節點被設置為工作周期，定時休眠，定時喚醒，并且終端節點以外的每個節點都必須始終處于活躍工作狀態，每次終端節點喚醒時，將主動詢問其協調點是否有數據要致給自己。在 ZigBee 網絡中，當有數據包要致到休眠節點時，協調點負責緩存這些數據包。2.5 章節總結本章系統介紹了嵌入式技術、磁阻傳感器原理和新型無線網絡。主要介紹了Zigbee無線網絡的結構、協議、網絡拓撲和網絡組成。3、過車傳感器硬件系統設計硬件是整個傳感器的基礎，直接關系到傳感器的功能。對于工作在復雜環境中的過車傳感器來說，做好硬件設計非常重要。3.1 系統設計原理及硬件架

54、構在實踐中，超車傳感器往往放置在高速公路的路面上，工作條件惡劣。夏季，在陽光直射的情況下，高速公路路面溫度可高達50 60體積小，厚度薄，安裝后不影響車輛正常行駛整體結構堅固，經大型車輛碾壓后仍能保持正常工作狀態工作時間長，可靠穩定電池供電低功耗無線傳輸，抗干擾能力強經過的無線傳感器首先收集來自磁阻傳感器的信號。傳感器采集到的模擬信號經過A/D轉換后轉換為數字信號，再由微處理器對數字信號進行處理，無線通信模塊將數據傳輸給上位機。進一步的數據統計、分析和使用。本系統采用霍尼韋爾HM2003三軸固態低磁混合電路磁阻傳感器檢測車輛的受干擾地磁場。 CC2431集成了單片機模塊和zigbee無線通信模

55、塊。因此，無線龍CC2431模塊用作數據處理和傳輸。模塊。其硬件架構如圖 3.1 所示。1616位A/D轉換器數據存儲數據、命令傳送三軸磁阻 傳感器信號處理電路CC2430C8051F CPURF射頻電路圖 3.1 過路傳感器總體框架Fig3.1車輛傳感器框架硬件設備的選擇3.2.1磁阻傳感器H MC2003磁阻傳感器是美國霍尼韋爾公司生產的用于精確測量低磁場強度的三軸磁阻傳感器的混合電路元件。該裝置由高靈敏度溫度補償電路組成。該混合電路可由6 15V單電源供電，并接+2.5V參考電壓，每個坐標軸都有一個模擬輸出，供外部接口使用?？蓹z測磁場強度范圍可達40 2Gs ，工作溫度在- 40之間。8

56、5傳感器的磁敏方向為沿雙列直插式混合電路的長、寬、高三個方向。 X 、 Y 、 Z磁傳感器電橋電路與放大器相連，輸出0-5V信號。 0高斯對應2.5V輸出（典型值） ，這個電壓的實際值由參考電壓Vref決定。地球磁場通常為0.5高斯，放大后的電橋輸出靈敏度典型值為1.0V/ Guass，輸出模擬量從0.5到4.5V不等。利用這種混合電路的靈敏度和線性度，可以檢測到地磁場的各種變化，以提供羅盤方向感測。因此，混合電路非常適合需要2軸或3軸磁場感應、有限體積和抗振性以及僅前端感應部分的應用。圖 3.2 H MC2003 結構示意圖3.2 HMC2003結構圖3.2.2 A/D 轉換器磁阻傳感器的輸

57、出是模擬信號，需要通過A/D轉換讀入計算機。 A/D轉換器的選擇需要考慮以下指標。1. 分辨率分辨率是指模數轉換器在轉換過程中所能分辨的最小量，習慣上用轉換結果的位數來表示。分辨率表示A/D轉換器將輸入模擬信號數字化的精細程度。在不進行范圍切換時，可以根據輸入模擬信號的動態范圍和需要解析的最小輸入計算所需的ADC分辨率，即：(3.1)(3.2)ADC中的位數為 14。2.準確度_準確度可以用兩種方式表示：絕對準確度和相對準確度。1)絕對誤差在轉換器中，對應于一個數字量的實際模擬輸入電壓與理想模擬輸入電壓之差的最大值被定義為“絕對誤差”。絕對誤差通常以數字量的最低有效位 (LSB) 的小數值表示

58、，例如 1LSB 。絕對誤差包括量化誤差和所有其他誤差。2)相對誤差指在整個轉換范圍內，任何數字量對應的模擬輸入的實際值與理論值之差，以模擬滿量程的百分比表示。例如滿量程為5V，12位A/D芯片，其絕對精度為11/2LSB ，其最低位量化單位為1.22mV ，絕對精度為0.61mV ，相對準確率為0.061%3.轉換時間（率）轉換時間是ADC完成一次轉換所用的時間。對于大多數ADC ，轉換時間的倒數就是轉換速率。積分A /D轉換時間為毫秒級低速A/D，逐次比較A/ D為微秒級中速A/D ，全并行/串并A/D可達到納秒級。磁阻傳感器信號的A/D轉換電路對本系統非常重要，直接關系到測量精度。CC2

59、430有8通道，最高14位A/D轉換器，14位時轉換時間為132s。HMC2003有Xout、Yout、Zout三個輸出引腳，分別對應傳感器所在的X軸、Y軸、Z軸上的磁場強度。三個引腳輸出0-5V的電壓（2.5V代表磁場強度為0），所以信號輸出可以直接接到CC2430的A/D通道。這樣，進一步減小了傳感器的尺寸和功耗。3.2.3無線通信芯片CC2430CC2430是TI推出的ZigBee無線通信芯片，擴展了之前CC2420芯片的架構，對2.4GHz ISM頻段應用要求低成本、低功耗。它可以滿足低功耗ZigBee （ IEEE 802.15.4 ）無線傳感器網絡的應用需求。圖 3.3 CC243

60、0 電路板外觀Fig3.3 CC2430外觀電路圖C C2430 將高性能2.4GHz DSSS（直接序列擴頻） RF 收發器內核與工業級8051微控制器控制器相結合。 CC2430 芯片延續了之前CC2420芯片的架構，將ZigBee射頻(RF)前端、存儲器和微控制器集成在一個芯片上。它采用1 個 8位MCU ( 8051 )，具有32/64/128 KB可編程閃存和8KB RAM，還包含模數轉換器(ADC) 、定時器 ( Timer )、看門狗定時器 ( Watchdog Timer )、 AES128安全協處理器、 32 kHz晶振睡眠狀態定時器、掉電檢測電路、上電復位電路等19CC24