高速公路车辆交通监测无线传感网络研究

题目：高速公路车辆交通监测无线传感网络研究系 （部）：光信息科学与技术专 业 班：光信息科学与技术1006班姓 名：张杨学 号：U201013343指导教师：刘小英2014年 06 月 摘 要 随着世界经济的发展，汽车使用量越来越多，给交通带来了很大的挑战。即便是高速公路，也时常出现交通事故,如何有效的监测和管理高速公路车辆，成为一个越来越热门的话题。人们希望有一种智能交通监控系统，能够及时的将公路的路况进行随时监控，将每个路段的状况信息进行及时的收集，并进行分析，再及时将结果汇报给司机，使之做出正确的判断，确定自己车辆的行驶路线。 在以上的应用背景下，结合前面已有的基础，本文阐述了一种道路交通状况实时监控系统，该系统利用无线传感器网络的技术平台。本文提出了道路安全状况检测方法，论证了无线传感网络应用在车辆交通监测中的巨大优势。 本文首先讨论了无线传感器网络的整体组成；然后对单个节点的硬件构成及对应功能进行了介绍，简述了传感器硬件磁阻传感芯片HMC1021的工作原理及其对应的电磁传感电路设计；考虑到节点体系中各个节点间的“相互协作”关系，本文简单介绍了Zigbee通信协议；为了有初步的用户体验，本文也简单介绍了系统的显示设计。 本文重点介绍了软件的设计工作，通过实际的设计，本课题结束时，该系统实现了以下功能：传感器节点对道路状况和车辆相关数据采集；节点与显示界面的通信；后台数据优化处理和结果图形化显示。 可以看出，这种交通监控实时系统能够为高速公路车辆监测提供数据源，对有限的道路资源优化使用，对减少道路拥堵和相关交通事故等状况，还有对节省车辆行驶时间和保证司机和乘客人身和财产安全方面有很大的使用价值。关键词：智能交通无线传感器网络 Zigbee技术 道路交通监测系统 AbstractWith the development of worlds economy, more and more cars are used,which made a big challenge to transport , accidents often occur even in the highway,. how to effective monitoring and management of highway vehicles, becoming an increasingly hot topic. people want to have an intelligent traffic monitoring system which can monitor the road traffic timely ,and it can collect and analysis the information of each section timely , then the results will be reported to drivers in time to let them make the right judgments to determine their traveling route.Under the background of the application of the above, combined with the front of the existing foundation, this article expounds a kind of road traffic in real-time monitoring and control system, the system uses the platform of wireless sensor network technology . This paper presents a method to detect problems about road safety , demonstrates the application of wireless sensor network in the great advantage of vehicle traffic monitoring.This paper first discussed the whole wireless sensor network (WSN); And then to a single node hardware structure and corresponding functions are introduced, this paper briefly describes the sensor hardware and working principle of magnetic resistance sensor chip HMC1021 electromagnetic sensor and the corresponding circuit design; Considering the node in the system cooperate relationship between the various nodes, this paper simply introduces the Zigbee communication protocol; In order to have a preliminary user experience, this paper also introduces the system of display design.This paper mainly introduces the design of software, through the actual design, at the end of this topic, the system realizes the following functions: sensor nodes can get the road conditions and vehicle data ; and communicate with display interface ; The background data can get an optimization and the results have a graphical display.As you can see, this kind of real-time traffic monitoring system can provide data source for highway vehicle monitoring.To optimize the limited road resources, to reduce road congestion and related conditions such as traffic accident, and to save the time of vehicle and to ensure that drivers and passengers personal and property safety , it has great value.Keywords: Intelligent Transportation Zigbee technology wireless sensor network road traffic monitoring syste 目录摘 要21 绪论411交通监测系统发展41.2无线传感网络简介51.3无线传感网络的发展与现状71.4 课题意义82 无线传感器网络系统组成921节点的硬件组成102.1.1 GAINSJ开发板102.1.2 电磁传感器模块1122 系统的网络协议132.3 系统的显示界面162.4 本章小结183 系统软件设计183.1 Jennic Code：Blocks软件简介193.2 节点驱动程序设计213.3本章小结274结果分析284.1 数据采集结果284.2 vb图形界面结果304.2 实验结论315 结论与体会325.1 结论325.2 体会33致 谢33参考文献：34 1 绪论11交通监测系统发展 随着城市化的发展，越来越多的人口涌进城市，与此同时，越来越多的汽车进入城市，给城市的交通带来了很大的挑战，如何有效的监测和管理城市车辆道路交通，成为一个越来越热门的话题，智能交通系统的概念由此被提出。智能交通系统 (Intelligent Transportation System，ITS)是在传统的交通体系的基础上发展起来的新型交通系统，智能交通系统涉及多学科，运用多种先进的科学技术，如各种信息、通信通络、电子传感和控制以及计算机处理技术等，它将信息、通信、控制和计算机技术以及其他现代通信技术综合应用于交通领域，并将“人车路环境”有机地结合在一起，致力于将交通系统打造成全方位和立体化的综合运输管理系统1。 上世纪八十年代以来，一些发达国家便开始投入智能交通系统的研究与开发2。尤其是在美国，1991年，美国成立了智能交通系统协会，这是一个非盈利性的社团组织，主要宗旨是帮助并加速智能交通系统在政府和民间企业的发展，协会成员来自民间企业、学术单位、环保团体及各级政府相关单位，参与面十分广泛，从而有力地促进了美国智能交通系统研究的发展3。 1995年，美国交通部首次正式提出有关智能交通系统的项目详细规划4。21世纪伊始，美国麻省理工学院和加州大学伯克利分校，已经开始采用无线传感器网络技术在智能交通领域内进行相关研究5。而在日本，日本政府以及相关产业正着手研发并普及下一代的智能交通系统Smartway6。2005年-2010年期间围绕5个重点展开研究，其中包括车路间协调系统、智能汽车系统等7。2010年后重点加强了利用无线通讯技术的车-车、车-路间协调系统实用化技术的研发，构筑人、车、路一体化的高度紧密的信息网络，研发交通对象协同式安全控制技术8。 尽管国内发展晚于国外，但是国家重视运用高科技来发展交通运输系统。“十一五”期间，我国成立了中国智能交通协会，项目实施更加注重结合实际需求展开研发应用。如配合北京奥运会、上海世博会以及广州亚运会开展的科技支撑计划项目“国家综合智能交通技术集成应用示范”在完成重要活动交通保障的同时，加快了特大城市综合交通信息系统的规模应用；为解决我国道路交通事故率居高不下的问题，科技部、公安部及交通运输部联合实施了“国家道路交通安全科技行动计划”及科技部配合组织了科技支撑计划项目“重特大道路交通事故综合预防!处置集成技术开发与示范应用”。863计划现代交通技术领域中设立了“综合交通运输系统与安全技术”专题9。 事实上，尽管国内外都投入了较大的人力和物力对其进行研究，然而由于成本的原因，很多技术都很难得到实际应用。综合成本和技术的考虑，在现有的交通设施中增加一种无线传感器网络技术，将是一种不错的选择。1.2无线传感网络简介 无线传感器网络（wireless sensor network, WSN)是由大量的、低成本的、微型传感器节点组成的网络10，其中各节点以无线的方式进行通信，以多跳传输的方式自组成网络。每个节点都具有独立的软硬件系统平台，可以独立的完成数据采集、处理和发送接收任务。传感器是节点基本组成之一，按照其用途可以分为温度传感器、湿度传感器、磁阻传感器等，主要用来完成数据的采集11。传感器节点可以连续不断地进行数据采集、数据传递、事件分析和节点控制，传感器节点的这些特性和无线连接方式使得无线传感网络能够对各个道路上的路面情况，如车辆数量和速度、路面温度和湿度进行测量，将大量信息反馈给相关部门，以便对车流进行宏观调控，并对发生的道路问题进行快速有效处理。无线传感器网络中的传感器节点大致可以分为终端采集节点，中间传输节点，汇聚节点，不同的节点实现不同的功能，节点间以无线通信的方式进行“交流”和控制12。实际检测中无线传感网络应用模型如图1-1：图1-1 无线传感器网络整体基本结构 无线传感器网络（WSN）使用的是自供电传感器件，这些器件通过无线ad-hoc技术彼此联系。相比传统的基于基础设施的监控系统，该技术长处在于其方便于沿路部署密集的传感器，使得流量参数的采样更足，从而获得更高的空间分辨率13。在实际的交通应用中，无线传感网络主要分为以下几个部分：（1） 基础节点：负责采集外部环境物理信号，将其转化为相应的电信号，同时进行初步处理；向外部提出加入网络的申请，得到回应后将所测数据并发送出去。基础节点又可以分为中间节点和终端节点，其中，中间节点不仅仅要采集数据，还有负责数据的上下级传递，而终端节点只需要采集数据和向上传递数据，终端节点不能作为父节点，只能将自己的地址信息和预处理过的数据发送给通信半径内的其它节点；（2） 汇集节点:一般布设于交叉路口，用于接收数据采集节点采集到的信息；同时负责整个网络的自组织建立，向整个网络提供时钟信息；另外，也负责将汇聚后的信号发送给控制终端，接收来自控制终端的指令；（3） 控制终端与用户界面： 进行最后的数据分析及处理工作，并将车速、车流量和路面状况等信息通过网络发送给手机或电脑并在用户界面显示。 WSN 作为一种新型技术，广泛的综合了传感器技术、嵌入式技术、计算机技术及无线通信技术等技术6，通过各类集成化的微型传感器节点来协作实时监测、感知和采集各种环境中监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过自组织无线通信网络将所感知的信息传送到用户终端，从而实现对外界物理环境大范围测量和控制的目的14。正是由于无线传感器网络的以上优点，无线传感网络目前的发展前景良好。由于无线传感网络由大量低成本的微型传感器组成，克服了传统传感器探测范围小和成本高的缺点，可以应用在生活中的诸多方面，如：大气监测、目标追踪、基础设施检测、住宅监控和战场监测等等15。无线传感器网络在智能交通中可以用于交通信息发布、电子收费、车速测定、停车管理、综合信息服务平台、智能公交与轨道交通、交通诱导系统和综合信息平台等技术领域。近年来，有关无线传感网络在智能交通中的运用是一个相当时髦的话题，无线传感器网络技术能够极大的缓解困扰现代交通的安全、通畅、节能和环保等问题，提高交通工作效率，同时其成本也较为低廉16。1.3无线传感网络的发展与现状 自20世纪90年代以来，无线网络得到了迅猛的发展17。天线、射频收发器和处理器技术的进步很大程度上改善了电子电路技术与信息技术在尺寸、功耗效率等方面的束缚。这一进展同时标志着先进领域中允许小型、廉价、可靠的、拥有无线网络能力的微型传感器迅速成为现实。同时无线传感器技术和个人无线低速网络技术的进一步发展，促进了“无线传感器网络”这一综合性技术的产生与发展10。1999年9月，商业周刊将WSN列为21世纪最重要的21项技术之一，橡树岭国家实验室（Oak Ridge National Laboratory, ORNL）提出了“网络就是传感器”（Network is Sensor）的论断18。2001年1月，MIT技术评论将WSN列于十种改变未来世界新技术之首19。2003年，商业周刊预测：WSN和其他三项信息技术将会在不远的将来掀起新的产业浪潮20。2004年，一篇具有重要历史意义的文章传感器的国度，发表于“IEEE Spectrum”杂志一期专辑，其中论述了WSN的广泛发展前景和普遍应用的可能性21。 不仅仅是理论上的突破，无线传感网络的研究也已经有很多运用到实际智能交通系统中。如美国的马萨诸塞大学建立的 UMass DieselNet 智能公交系统主要包括公交车节点以及安装在路边的 Throwboxes，可用于提高网络的连通性22。德国慕尼黑的MOBINET项目是一个创新的、基于自适应控制系统的例子，通过不同传感设施（电磁传感器、雷达、摄像头、气象站）获得控制所需数据，利用WSN对于交通状况的精准估计，这种系统的性能能够明显提高23。瑞典有一段公路，利用太阳能供电传感器，可以对行驶车辆做出路面结冰、事故拥堵和其他危险情况的预警24。Safespot目前主导的全欧洲架构之下的汽车通信系统开发，该项目主要研究乘用车和商用车辆在路面上的通信系统，以保证整体的交通安全25。另外，美国加州大学伯克利分校的 ATMIS项目，哈佛大学的 CitySense 项目都开展了无线传感器网络在道路交通监测方面的研究26。 而在国内，尽管起步稍晚，但有关无线传感网络在车辆道路交通监测中的研究也发展迅速。典型的如宁波中科院，已经将能够用于自组织网络和传递数据的无线传感器节点生产出来，并基于其硬件研发了相应的软件开发平台。本课题设计，我们无线传感网络研究的软件开发平台就是宁波中科集成电路设计中心基于Jennic公司产品-JN5139芯片，采用ZigBee协议设计开发的WSN平台。另外，武汉理工大学开展了无线传感器网络在火车车厢环境中的测控应用，对车厢内的空气质量、安全隐患等进行全程检测。中科院沈阳自动化所开展了基于无线传感器网络的高速公路交通监控系统研究，并利用此项技术来弥补传统设备能见度低、路面结冰时无法对高速路段进行有效监控等，从而提出了新的图像监视系统，此外，对一些天气突变性强的地区，该技术也能极大地降低汽车追尾等交通事故的发生27。1.4 课题意义 综合上面的探讨，可以发现，在无线网络技术中，低速率、低成本、低功耗的无线传感器网络技术在道路交通监测应用中有着其得天独厚的优势，是有可能将之实际实现的，伴随着社会的更进一步的繁荣，道路交通的管理亦会越来越受到重视，而无线传感器网络，也将会有其大展拳脚的机会。在本课题的后面的实验分析中，我将通过实际的实验结果来显示无线传感器网络的优点。而对于我来说，本课题的意义不仅止于此。本次毕业设计，既是将以前所学知识做一次有目的的整理，又是对自己学习新知识新技术的考验。通过本课题，我学到的不仅仅有无线传感器网络的知识，还有如何快速学习新知识，如何将这些学习的本领应用到实际设计中的方法。 2 无线传感器网络系统组成 前面已经提到，无线传感器网络的系统是由大量的节点构成。1.2中的图也显示了无线传感器网络的直观结构。事实上，作为一个完整的系统，无线传感器网络系统不仅仅包含节点，而且还需要有各个节点相互通信的协议、负责后期数据显示的显示界面以及让不同节点各司其职的软件设计。另外，对于具体的监测环境与监测需求，我们需要根据具体的需要来选择网络的硬件。需要对节点的硬件要有相应的扩充或是更改，也需要有合适的协议选择，更需要根据实际情况，选择恰当的显示软件。下面将就本课题中无线传感器网络的硬件、协议、显示软件展开讨论。21节点的硬件组成 硬件部分是以宁波中科集成电路设计中心有限公司设计开发的GAINSJ无线传感网络平台为基础，在GAINSJ节点具备温湿度传感器的前提下，通过I/O口扩展连接磁阻传感器。其硬件部分主要有以下几个方面构成：电磁传感器，MPU控制单元，信号收发单元，结冰传感器，电源部分，具体如下图2-1所示： 图2-1 单节点的总体硬件结构图1、MCU控制单元，主要是进行数据相应处理，控制整个节点；2、信号收发单元，接收和收发数据，向MCU输入接收到的数据，并将需要发送的数据发送出去，完成与其他节点的通信；3、电源部分，整个节点的能源供给（电池供电）， 电池供电的好处是每个传感器节点的能量消耗管理与补充，不会因为电池能量过度浪费而导致系统寿命过短，大程度的减少人工充电的次数，也不会因为能量供应范围而限制到传感器节点的布置广度，克服了一般传感器的能量限制条件，延长了整个系统的使用寿命。4、传感器模块， 实际应用中，结冰传感器（温湿度传感器）完成路面温湿度情况采集，电磁传感器为扩充传感器，完成车辆监测。2.1.1 GAINSJ开发板 GAINSJ是宁波中科集成电路设计中心有限公司基于JN5121/JN5139设计开发出的无线传感网络实验平台，工作在2.4GHz频段上。GAINSJ开发板在保证原产性能的基础上，采用串行接口直接下载和调试程序。另外的40个I/O接口，将主芯片上的主要接口全部引出，可以在节点上扩展各种传感器子板，用于感知车辆的磁阻传感器就是加载于此。板载的温湿度传感器，用于监测节点所处环境状况，节点上提供的按键和LED灯可以用于程序调试和节点状态指示12。GAINSJ开发套件由GAINSJ节点、软件开发包、实验教程及软件后台iSnamp-J等内容组成，具有如下特性：(1) 板载温湿度传感器，用于监测节点所处环境状况。(2) 提供RS232接口，用于flash编程、在线调试。(3) 提供网络可视化后台软件ISNAMP-J。(4) 提供开发板及其外围器件的参考设计。(5) 提供完整的SDK和网络协议栈，协议栈使用C言开发，易于开发与移植。(6) 提供不受限制的软件开发环境、编译器、FLASH编程器等工具链。(7) 提供无线网络库、控制器和外围设备库5。 本课题的MCU和信号收发单元采用的是Jennic公司的JN5139模块，它基于第二代无线通信模块，能方便用户在IEEE 802.15.4或者Zigbee的基础上以短时间与低成本进行二次开发。JN5139模块提供了从微控制器中的数据到无线收发的一整套完整方案，用户在编程时只需要将要发送和接受的数据通过相应的模块函数，就可直接实现数据发送和接收，省去了用户将微控制器与无线收发模块的连接。表2-1为JN5139处理器的特性参数。表2-1JN5139 Soc芯片的MCU主要特性7CPU16MHz 32位，精简指令集（RISC）内部存储器RAM 96KB大小，ROM 192KB 大小外部信号处理4路12位ADC、2路11位DAC和2个电压比较器输入输出口21个通用I/O口串口2路URAT端口（其中一个用于系统在线调试）定时计数器2个应用计时器（用户Timer）、3个系统计时器（Timer）SPI端口1个SPI端口，带5个片选线工业温度范围-40至+85封装格式8mm8mm 56-pin 的QFN封装其他1个2线串行接口，兼容SM-BUS和I2C规范2.1.2 电磁传感器模块 车辆数目、速度的测量方法很多，考虑到车辆中有大量的铁材料，铁可以影响磁场的分布，为了实现道路上车辆的探测，电磁传感器是一种不错的选择。在电磁传感器模块，我们首先考虑一种基于HMC1021的电磁传感器，HMC1021是Honeywell公司生产的磁阻传感芯片，其主要原理是利用磁感应电阻受磁场的影响，只需要外界提供工作电压就能够很方便的监测外部电磁场的变化（具体原理和引脚图如下图2-2所示）。 图2-2 HMC1021Z 外部引脚图24 在地球磁场所提供的大的外环境下，当车辆通过时，会对某点的磁场产生扰动，通过监测地球磁场的变化判断车辆通过信息。这种磁场的变化主要表现为磁力线的变化，这种变化通过传感器转化为相应的电压变化输出，图2-3为汽车通过对地磁场的影响示意图： 图2-3 电磁传感器采集汽车信号示意图24 车辆通过会让探测器的输出电压发生改变，而没有车辆通过探测器周边的磁场相对稳定，输出电压也相对稳定。因此，只需要判断输出电压是否有变化就能判断是否有车辆通过。由于探测器的输出最终要和单片机匹配，所以，在设计的时候对输出电压信号最后要进行适当放大，选定好传感器后，我们需要将其与微控制器进行有效地连接。连接示意图如图2-4所示： 图2-4 电磁传感器与微控制器连接示意图24 由于传感器的输出电压与微控制器芯片的有效输入电压不一致，而且信号采集后会有一定的杂波干扰，所以我们需要对传感器采集的数据进行放大和滤波，然后再输入给微控制器，另一方面，微控制器也要发出复位信号来控制传感器的数据初始化复位。下面为传感器芯片与放大电路连接图2-5： 图2-5 地磁场测量与放大电路部分连接图2422 系统的网络协议 在无线传感器网络中，每个节点既完成数据采集任务又负责系统中路由传输的功能，因此，节点间的工作关系需要一种专门的协议来制约。当下热门的无线通信协议大致上有蓝牙（Bluetooth）、超宽带（UWB）、Wi-Fi以及ZigBee通信协议。本课题采用的通信协议是ZigBee通信协议，其具有明显的低功耗和低成本的特性，以下是ZigBee通信协议与其它几种通信协议的比较：表2-2Zigbee与几种短距离无线通信技术的比较31 ZigBee/IEEE 802.15.4是一种新兴的短距离、低速率、低成本、低功耗的无线网络技术。它采用直接序列扩频（DSSS）技术、工作频率为868MHZ、915MHZ、2.4GHZ的ISM频段6。具有应用方面、自动组织网络和自动选择最佳路由传输、能耗低可用电池供电、可靠性高和成本低等优点，能够广泛应用于工业、农业、医疗、军事、环境监测等方面。IEEE802.15.4标准定义了物理层和MAC子层。物理层包括射频收发器和底层控制模块，MAC子层为高层提供了访问物理信道的服务接口6。ZigBee标准在此基础上扩展了网络层和应用层。网络层主要负责网络拓扑的搭建和维护，以及设备寻址和路由等，应用层则负责数据收集、设备发现、服务发现以及安全与鉴权等3。 下图2-6显示了协议层次之间的关系： 应用软件应用层 网络层 数据链路层（DLL）MAC层物理层（PHY）用户代码ZigBee 体系IEEE 802.15.4 图2-6 IEEE802.15.4协议栈架构从上图不难看出，Zigbee标准是建立于IEEE 802.15.4基础之上，同时包括部分IEEE 802.15.4标准的28，简单来说，Zigbee标准是沟通用户与实际物理层的桥梁，是将用户思想与硬件实际结合的有效手段。 ZigBee协议的常用网络结构大致有三种：星状结构、树状结构（簇状结构）、网状结构。星型网拓扑结构是一个单跳（single-hop）系统，网络中所有节点都与基站和网关进行双向通信6。这是一种主从结构，在星型网络拓扑中，网络协调器必须是FFD，负责发起和构建网络，以及数据向上级控制终端的传输，而且协调器直接与所有的从属设备（路由设备或者终端设备）进行通信。这种ZigBee网络结构比较显著的特点是网络结构简单、组网方便、功耗小、同时网络容纳量大，一个ZigBee网络最多可以有一个网络协调者和65535个从属装置；但同时，这种星型也存在致命缺点：如果协调器节点无法正常工作，整个网络将陷于瘫痪的状态，这是由于所有的数据转发是往协调器节点汇聚发送的。同时，协调器节点很容易突破不了由于数据汇聚造成拥堵的瓶颈，尤其是当一个ZigBee网络拓展到65000多节点的情况下，网络数据的传递基本要让汇聚节点崩溃6。 另一种网络是树状形网，可以是扩展的单个星状网或是互联的两个星状网组成；再有一种是网状网，网络中的每个全功能器件同时可作为路由器29。网状或者树状网络拓扑结构是多条系统，所有节点都是相同的处于同一等级，可以直接互相通信，与协调器节点进行数据和命令传输，在树状网中，所有的节点都有多条路径到达网关或其它节点，因此具有很强的网络传输性能，但同时传输花费的功耗也更大，因为节点始终在“监听”和判断传输路径。在ZigBee网络三种结构中，网状结构是最灵活的，这是由于数据从源节点到目的节点的发送可以有很多种传输路径的选择，而且如果在网络中某个传输路径由于某个节点无法正常工作而中断，ZigBee网络的动态路由和自组网性能会重新寻找一条可行的传输路径进行数据转发，因此网状结构具有更小的网络延时和更加可靠的稳定性5。如下为网络结构示意图2-7：图2-7 ZigBee网络拓扑 ZigBee协议具有很强的自组网自配置特性，在通信过程中，具有很强的路由自我调节能力。具体表现为，如果网络中某个节点无法正常工作，ZigBee网络的路由功能会重新发起和寻找一条新的链路，并不会导致整个网络的瘫痪而无法通信，所以具有很强的稳定性22。由于ZigBee网络在理论上能支持扩展连接65000个网络节点，因此，通过布置大量的节点设备，ZigBee网络可应用于在移动、某些恶劣的环境30。 在IEEE 802.15.4发展的基础上，ZigBee标准定义了2种器件：全功能器件（Full-Function Device，FFD）和简化功能器件（Reduced-Function Device，RFD）。对于FFD，要求支持所有的基本参数，而对于RFD，则系需要支持部分参数。以此为基础，ZigBee标准定义3种网络设备：PAN协调器(PAN Coordinator)、路由器(Router)和终端设备(EndDevice)。PAN协调器与在IEEE 802.15.4里定义的协调器相同，是一个全功能设备。作为网络的汇聚节点和发起者，它也同样提供消息路由和其他的服务，而且一个ZigBee网络必须只能有一个协调器，必须一直处于工作状况。不能休眠。因此，协调器在供电和配置上要求较高。ZigBee路由器也是一个全功能设备，在于树状网络和网状网络中，至少要有一个路由器节点，它的主要功能就是在节点之间进行消息路由，Router不能休眠。ZigBee网络中的终端设备(EndDevice) Enddevice的主要任务是发送和接收消息，它不能路由消息，也不具有组织网络的功能3。2.3 系统的显示界面为了测试系统是否工作正常，或者是调试检查程序运行的结果，我们需要将节点的数据信息有一个清晰完整的展示，这就要用到显示界面。在波中科集成电路设计中心有限公司提供的GAINSJ开发套件里面，包括了串口调试工具和软件后台iSnamp-J显示界面，除此之外，我们还有直观波形显示的VB图像显示界面。2.3.1串口调试工具串口调试工具是GAINSJ开发套件附赠的用于检测节点数据的软件。拥有简易的显示功能，能够显示数字和字符，但不能显示图形；端口的配置为自动检测，不需要编写程序，可以在接收端灵活配置波特率和数据位，这极大的方便初期程序结果的显示；另外能够手动或者自动的清空接受区，支持十六进制显示；而且，能够将数据的发送显示出来，这可以检测两个节点是否能够无线传递数据。综上所诉，串口调试工具是毕设实验前期必用的显示界面，其具体图示如下2-8： 图2-8 串口调试工具界面图2.3.1 VB图形界面显示 为了将系统测量的数据分析后用图形直观的显示出来，需要一个直观有效的图形显示界面。本界面能够实时读取通信数据，并实时刷新显示（软件界面如图2-9所示）。图2-9 PC显示软件界面图此软件显示的信息主要包含采集的电压波形和温度湿度信息两部分内容，其中电压波形能够直观的看到是否有车辆经过，而温度与湿度的结果则直接以数值的显示表现出来。此软件能够对多节点同时显示，也能够对单节点进行选择显示。在图像部分，纵轴表示电压的变化，横轴显示时间变化；由于前期电路设计的时候考虑到电压的负向输出，所以存在一个直流的电压偏置，在没有车辆经过时，直流偏置的大小为1.5v，最大的电压幅值为2.4v；一般而言，为了对多节点同时显示的波形或者单节点波形进行直观对比，用户可以调节横轴的时间扫描周期。同时考虑到与JN5139处理器的数据上传速率匹配，为了尽量减小数据的延时，尽量采用高的数据传输率，本实验中设置的传输速率为115200 Baud/S。另外，本界面的车速和车流显示不是通过分析波形得到，而是由节点处理数据后发送，这简化了电脑的数据处理，但也增加了节点驱动程序设计的负担5。2.4 本章小结 本章介绍了无线传感器网络节点的硬件组成，GAINSH开发板的各个部件的功能，详细讲述了电磁传感器的原理以及电磁传感电路的设计，然后阐述了无线传感网络的协议，最后还介绍了显示软件，细述了无线传感器网络的结构与层次。 3 系统软件设计 本课题采用的GAINSJ是宁波中科集成电路设计中心有限公司基于JN5121/JN5139设计开发出的无线传感网络实验平台，处理器芯片是Jennic公司的JN5139模块芯片，是专门针对WSN应用开发的芯片，公司为了保障其协议产权信息，并没有提供详细的MCU内核和其具体的寄存器、存储器等信息，这和传统的51和ARM等类型的微控制器是不一样的。因此，在开发过程中，需要用到Jennic公司为用户提供的专门针对硬件操作的API（Integrated Peripherals API）函数和对应的编译软件Jennic Code：Blocks（兼容C+语言）。3.1 Jennic Code：Blocks软件简介GAINSJ集成开发环境包括编辑编译环境，集成编译环境采用的是开源软件Jennic Code：Blocks。安装完成后，打开Code：Blocks软件，其界面如图3-1：图3-1 Code：Blocks主界面在次软件下新建工程，会有一系列的选择，下图3-2为Jennic开发应用类型选择，对应2.2中所述的3种设备：图3-2 开发应用类型选择无论选择什么开发类型，Code：Blocks都会生成相应的main文件，用户可以在此文件里面用c+语言和API函数进行编程，也可以将用户编写的c+文件直接添加到工程中，如图3-3为生成工程文件后的编辑界面: 图3-3 程序编辑界面 C+语言很多人都学习过，其特点是简单易懂。而对于API函数，其好处在于：只要用户拿着API（Application Queue API）函数手册，按照自己需求在main文件的程序结构里放置相应的API函数就可以实现对外部硬件的控制，并能够在此基础上用API函数和c+语言进行应用层的开发，可以说，API函数手册中的针对不同的应用定义了大量应用函数，为用户的开发节省了很多工作量。但另外一个方面，也即是其不好的地方在于：初学者需要花很长的时间去学习其相应的API（Application Queue API）函数，而很多API函数又无法用相应的c+语言替代。 在IEEE 802.15.4的推动下，ZigBee技术不仅在工业、农业、军事、环境、医疗等传统领域取得了成功的应用，在未来其应用可能涉及人类生活和社会生产活动的所有领域，真正实现不所不在的网络。ZigBee技术建立在IEEE802.15.4标准之上，ZigBee联盟对ZigBee标准的网络层协议和API进行了标准化。下面为几类常用的API函数。(1) Analogue Peripherals类：vAHI_ApConfigure，bAHI_APRegulatorEnabled，vAHI_APRegisterCallback。这类函数主要应用于ADC，DAC和比较器中。(2) ADC类：vAHI_AdcEnable，vAHI_AdcStartSample，bAHI_AdcPoll，u16AHI_AdcRead，vAHI_AdcDisable。JN5139芯片提供4路12位AD转换，可提供连续转换和单次转换两种模型。(3) DIO类：JN5139和常规MCS51单片机不同，有21个通用数字I/O口，可用作高8位和低8位数据总线，睡眠唤醒中断等作用。(4) UARTs类：此类API函数主要负责数据的传输通道设置和收发。包含UART 0和UART 1两路，分别通过DIO口的4、5、6、7和17、18、19、20几个端口跟串口和无线收发器相联5。在初步学习了API函数后，我们运用CodeBlocks软件进行节点程序的设计。3.2 节点驱动程序设计 传感器网络系统中节点按照功能可分为子节点(路由节点和终端节点）和汇聚节点（Sink节点）。其中子节点主要负责数据采集，有效数据的简单处理和路由传输功能，而Sink节点主要完成本区域内的节点管理，包括发起网络、输出时钟、数据接收、数据计算、数据融合，同时，汇聚节点还需要完成对上层显示控制设备的数据通信。由于两者功能存在很大差异，所以在系统设计的时候，应该将它们的技术研究的重点区分开来。3.2.1子节点程序设计 子节点上电启动后，将会首先向本区域内的Sink节点申请入网，由本地的sink节点判断是否同意，如果不同意则将继续发送申请信号，直到入网完成后才进行后续的工作。完成入网工作后，节点内部工作示意图如下图所示 图3-5 子节点工作示意图5 节点启动之后，若入网完成，则进行初始化操作，此时的初始化主要指串口初始化、本地节点的MAC地址分配、数据存储空间的分配、接收缓存的清零与定时计数器的初始化，初始化完成后，进行中断的设置与对工作状态进行直观判断的LED灯显示设置。当上述步骤完成后，节点将会等待sink节点发送过来的控制信号，接收到控制信号相关的数据后，为了进行对数据的下一步操作，需要接收的数据进行判断。根据事先设置判断接收到的数据为时间信息还是控制信息。其中时间信息为本地Sink节点发送的时间同步的标准时间，而控制信息则是Sink节点发送的管理信息。若判断接收的数据为时间信息，则本节点进行时间校准，完成后将会给Sink节点一个时间校准完成后的信息；若判断为控制信息，则进行数据提取，则根据此数据进行判断是否需要对本地节点进行模式转换。 系统设计时为子节点设置了三种不同的工作模式：监听、睡眠和工作31。此处子节点设计只考虑睡眠和工作，在睡眠模式下，节点不需要任何操作，数据采集功能将会全部关闭，只需要定期对外在信息进行接收和检查是否有来自Sink节点的管理信息来判断是否需要唤醒，此时节点的功耗将会最小。一般而言睡眠模式下，子节点的对外在信息的接收周期越长，功耗将会越低，但是为了防止长时间的错过Sink节点发出的唤醒指令。而在工作模式下，子节点的路由和数据采集功能将会全部开启，此时节点的功耗最大。如果进入工作模式，则进行数据采集。 图3-6 子节点工作流程图 数据采集程序是无线传感器网络中子节点软件部分的基础，对于一个网络而言，首先要保证的是数据能够成功采集，可以说数据采集程序是无线传感器网络的最前端部分。完成数据采集的关键是要理解GAINSJ开发套件温湿度传感器的使用和串口的应用。下图3-5为数据采集模块工作流程图。 图3-7 数据采集工作流程图节点启动上电后，先进行初始化，然后是传感器开启配置，以一定的频率开始采集数据，数据采集完成后，进行判断，有效则进行计数处理，然后将数据整理发送，并返回重新启动。采集频率由定时器中断控制，定时器的中断为每隔10ms中断一次，即每隔10ms采集一次电磁传感器的电压数据。下面为计数部分的程序：PRIVATE void count(void)uint16 v1; v1 = sBattSensor.u16Reading;/采集数据接收if (cdata.a = 1) &(v1 1800)cdata.a=1;/判断数据是否高于临界elsecdata.a=0;完成数据的采集以后，我们需要对其进行检验，实验的结果将会在下一章节进行说明。3.2.2 汇聚节点程序设计子节点完成数据的采集，是无线传感器网络系统的基础，而Sink节点则需要汇聚处理子节点信息，同时将其传递给上面的控制中心，是连接子节点和控制中心的“纽带”。在整个道路交通检测系统中，为了实现大范围的测量，需要在道路上铺设大量子节点，这将会产生巨大的信息量，对这些信息，需要对数据进行缓冲和筛选，所以需要一个媒介通道，将监测区域和控制中心连接起来，而Sink节点正是负责此功能。为了便于管理无线传感器网络系统，需要Sink节点对各自区域的子节点进行管理和数据融合如，下图3-8所示，为Sink节点的工作示意图：图3-8 协调器设备工作示意图3在sink网络节点上电后，首先进行能量扫描，然后是事件处理，重点是建立网络，协调器利用MAC层提供的扫描功能，在设定合适的信道、PAN ID以及网络地址后，便开始发送信标帧，等待其他的设备请求加入，其内部事件处理具体过程如下图3-9： 图3-9 Sink节点工作流程图当系统启动的时候，Sink节点将会从开始就绪状态完成基本外设的初始化，主要是与控制终端通信初始化、外部设备和内部时钟的初始化。完成后Sink节点进入等待状态