基于无线传感器网络的高速公路团雾实时监测系统研究与设计报告.doc

H HEFEI UNIVERSITY 第六届“挑战杯” 全国大学生课外学术科技作品竞赛研究与设计报告 作品名称：作品名称： 基于无线传感器网络的高速公路 团雾实时监测系统研究与设计 学校全称：学校全称： 合 肥 学 院 申报者姓名申报者姓名: : 申报团队申报团队: : I 目 录 摘 要.III 1 引言.1 1.1 系统设计目的 .1 1.2 系统设计背景 .1 1.2.1 国外现状.1 1.2.2 国内现状.2 1.2.3 总结.2 2 系统总体方案设计.3 2.1 系统实现功能 .3 2.2 系统体系结构.3 3 系统硬件设计.5 3.1 硬件总体结构设计 .5 3.2 检测节点处理器芯片选择.5 3.3 路由节点处理器芯片选择 .6 3.4 协调器节点处理器芯片选型 .6 3.5 系统硬件总体结构 .7 3.6 CC2530 最小系统设计 .7 3.6 红外发射/接收电路设计.8 3.7 ZIGBEE无线通信模块.11 3.8 液晶显示模块.12 4 系统软件设计.12 4.1 软件开发平台.12 4.2 ZIGBEE2007 协议栈介绍 .12 4.3 协调器节点程序设计 .12 4.4 路由节点程序设计.13 4.5 检测节点程序设计.14 4.6 红外发射/接收模块驱动程序.15 5 系统的特色和创新.16 6 作品的实际意义.16 7 结束语.16 II 参考文献.18 附件.20 III 基于无线传感器网络的高速公路团雾实时基于无线传感器网络的高速公路团雾实时 监测系统研究与设计监测系统研究与设计 摘摘 要要 近年来,我国的高速公路建设不断发展,交通事故率也随之不断上升,对高速 公路行车安全提出了严峻的考验。团雾是受局部地区微气候环境的影响，在几 十到上百米的范围内出现的雾气更浓，能见度更低的雾。由于团雾与局部小气 候环境关系密切，而高速公路路面白天温度较高，昼夜温差大，更促使团雾形 成，所以高速公路是团雾的高发地段。团雾预测预报难、区域性很强，车辆难 以提前得到通知或预警，常常酿成重大交通事故。基于以上原因，我们设计了 一套“基于无线传感器网络的高速公路团雾实时监测系统”,实时监测高速公路 沿线的能见度,并及时作出警示,以减少或避免高速公路交通事故的发生。文中 首先对红外测雾进行了可行性分析,并对数据传输所要用到的 ZigBee 无线通信 技术作了简要介绍。然后根据系统的需求,提出了总体设计方案,并在此基础上 完成了具体的硬件和软件设计。整个过程都遵循模块化的设计思想,以利于系统 的前期设计和后期维护。 本系统主要由协调器设备、路由设备和检测设备三种类型的节点组成,通过 ZigBee 进行信息传输。设计中采用了 ATmega128 和 CC2530 两种类型的处理器, 主要涉及到的模块有:核心控制模块、电源模块、数据釆集模块、通信模块以及 液晶显示模块。硬件设计方面,主要完成了芯片选型和电路设计等工作;软件设 计方面,主要完成了模块的驱动程序和相关应用程序的开发以及系统监控终端的 开发等工作。另外,本设计针对系统的低功耗做了一定的工作,以应对实际应用 场合电能供应不足的问题。最终的联机调试结果表明系统已初步实现了所要求 的各项功能。 关键词关键词： 高速公路；团雾检测；红外测雾；ZigBee IV Abstract: In recent years, the construction of Expressway in our country development, traffic accident rate has been rising, has put forward the severe test of the highway traffic safety. The mist is affected by local area micro climatic effects, in the tens to hundreds of metres appeared range within the fog denser, lower fog visibility. Due to the relationship between the mist and the local microclimate environment closely, and highway pavement daytime temperature is higher, the temperature difference between day and night, also prompted the mist form, so the freeway is mist in high incidence area. Fog forecast hard, very strong regional, the vehicle difficult to receive advance notice or warning, often lead to serious traffic accident. Based on the above reasons, we design a set of real time monitoring system of wireless sensor network expressway fog based on real-time monitoring of expressway, visibility, and timely warning, to reduce or avoid the occurrence of traffic accidents on expressway. Firstly, analyses the feasibility of infrared measurement of fog, and the data transmission to the ZigBee wireless communication technology used are briefly introduced. Then according to the demand of the system, and puts forward the overall design scheme, and on this basis, completed the design of specific hardware and software. The design thought of the whole process follows a modular design and later, for the maintenance of the system. The system mainly consists of a node coordinator device, routing equipment and testing equipment three types of composition, the transmission of information through ZigBee. Design of the use of ATmega128 and CC2530 two types of processors, mainly related to the modules are: the core control module, power module, data acquisition module, communication module and liquid crystal display module. The hardware design, mainly completes the chip selection and circuit design; software design, mainly completes the development module of the driver and the related application and system development work. In addition, low power the design for the system to do some work, in order to deal with the practical applications of electric energy supply shortage. The final debugging results show that the system has realized the functions required. Key words: : Expressway; Fog detection; Infrared measurement of fog; ZigBee 1 1 1 引言引言 1.11.1 系统设计目的系统设计目的 伴随着高速公路的快速发展,交通事故的发生率和死亡率也在不断上升,给人 民的生命和财产安全造成了巨大的损失。根据有关资料,自 1994 年以来,我国有 30%以上的交通事故发生在高速公路上,并且呈明显的上升趋势。其中,居于首位 的就是大雾造成的重特大交通事故,占高速公路事故总数的 15%25%,在一些大 雾多发地段,事故比例达到了惊人的 40%。 高速公路由于环境特殊,较易产生团雾,而团雾的产生和消失过程很快,在预 测方面难以掌握,单靠人工观测很难及时发现雾况。因此,建立一套完整的雾况 监测报警系统,全天候实时监测道路的能见度状况,有着极其重要的经济和社会 效益,当大雾天气尤其是团雾出现时,能够及时作出预警,最大限度减少低能见度 天气引发的交通事故,保障高速公路行车安全。 基于以上原因，我们设计了这套“基于无线传感器网络的高速公路团雾实时 监测系统”,实时监测高速公路沿线的能见度,并及时作出警示,以减少或避免高 速公路交通事故的发生，本设计将会具有非常重要的价值。 1.21.2 系统设计背景系统设计背景 1.2.1 国外现状 国外发达国家针对高速公路安全进行了大量研究,他们将能见度检测器、高 架摄像机和可变情报板布置在高速公路上,全天候监控交通状况。一旦检测到异 常,立即通过监控系统和广播电台将信息告知交通管理部门和驾驶员,提醒其注 意并采取相应的控制措施,主要的能见度检测设备有芬兰 Vaisala 公司的 FD12 型、德国 Impulsphysik 公司的 FSM 型和美国 Belfort 公司的 CATN06113 型等。 美国联邦道路管理局针对各种气象条件下的行车情况,提出了相应的管理计划, 并制定了一系列的控制措施来保障雾区高速公路的安全,有力地推动了各个州的 雾天行车措施的发展和应用。例如,田纳西州使用能见度检测设备和车辆限速策 略建立了低能见度预警系统;华盛顿州通过车辆行驶环境传感器采集环境信息, 从而制定相应的控制管理策略等。这个计划由强大的天气信息系统做保障,确保 用户能够获得可靠、安全的道路条件和优良的行驶策略。意大利交管部门与相 关研究中心合作,推出了一项用于降低雾天危害的“智能公路”计划。当高速公 路上出现雾况时,系统的高压钠灯以一定的频率闪烁,提高能见度,减小驾驶员的 心理压力。另外,系统配备的激光、雷达和自动驾驶仪等设备为雾区中的驾驶员 提供了一种安全的驾驶环境。在日本,除了使用能见度监测设备及交通管理措施 2 来保障高速公路安全以外,还采用了 “慢车警告”的手段。该方法通过在路旁 设置可变情报板来提醒驾驶员前方路况,避免因反应不及时而发生交通事故。根 据使用前后的效果,发现该措施能够有效地降低交通事故率。 1.2.2 国内现状 与发达国家相比,我国在雾天交通安全方面的研究起步较晚,但目前己有多 项先进技术使用于高速公路上,然而这些检测设备大多从国外进口,性价比不高, 维护困难。另外,由于设备的使用和管理不当,其并未发挥预期的效果。所以,目 前我国在雾天通行方面主要采用的还是人工雾情检测和人工疏导等需要人工干 预的管理手段,但是也出现了许多有价值的研究成果。国内已经有科研单位开始 利用卫星遥感提取雾区信息以及判别雾的生消趋势的研究,也取得了一定的研究 成果,但是该方法无法做到小范围精确监测,距离高速公路相关应用还存在一定 差距。交通部公路科研所和国家气象局等单位合作,进行了雾的多项相关研究, 并在京珠高速红云雾区路段设置了多项设备,建立了较为完整的高速公路雾区监 控系统。江苏省气象局与宁沪高速公路管理处合作开展了 “大雾灾害”及“大 雾实时检测预报”等多个课题的研究,为大雾天气的的预报和相关交通管理措施 的制定作出了一定的贡献。目前国内已研发出多项能见度检测设备,主要有洛阳 卓航的 CJY-1 型能见度测试仪,恒宇能见度监控系统,杰思高速公路预警系统等, 但其系统复杂且成本较高,并且所取样的气体空间较小,代表性较差,无法对高速 公路进行全程实时监控。应该说,我国对大雾天气下的交通管理控制措施及相关 技术的研究正在不断发展,高速公路管理者和科研人员正在努力开发适合我国高 速公路发展的雾天交通安全系统,相信我国与发达国家之间的差距将会逐步缩小。 1.2.3 总结 目前我国在高速公路雾天通行方面主要采用的还是人工雾情检测和人工疏 导等需要人工干预的管理手段，不能很好地利用现有科技手段，达到精确检测、 省时省力的效果，我们希望通过研究这套团雾自动检测系统，减少或避免发生 交通事故。根据实验室模型演示前后的效果,发现该措施能够有效地降低交通事 故率。 根据目前国内的动态，我们可以这样认为：谁最先把有特色的高速公路团 雾检测系统推向市场，谁就能最先占领市场，其社会价值和经济效益必然十分 巨大。 3 2 2 系统总体方案设计系统总体方案设计 雾区交通安全对高速公路有着重要的影响,而一般的人工检测方式很难及时、 准确地了解到高速公路各路段的能见度情况,尤其是对于突发性、瞬时团雾的检 测更是如此。因此,建立一个完善的高速公路团雾监测系统,及时有效地对团雾 进行预报,对于提升高速公路的交通安全水平有着重要的作用。为了确保能够较 好地完成系统的功能,必须对系统所要实现的功能以及相关需求有清楚的认识, 进而有计对性地设计出系统的总体解决方案。 2.12.1 系统实现功能系统实现功能 1.雾况采集:作为系统较为核心的功能,主要采用红外光实现雾的检测。在 具体设计的时候,要考虑使红外通信距离尽可能远,并且具有较强的抗干扰能力。 2.数据传输:信息的传输主要分为有线和无线两种方式。传统的有线方式虽 然传输可靠,但是由于高速公路条件特殊,为其铺设专用的有线传输线路成本大, 施工复杂,因此数据传输主要应采用无线方式。 3.电源要求:系统输入电压可以有较宽的范围,但由于设备要在高速公路这 种较为特殊的条件下工作,直接用电网供电较难实现,需要采用太阳能光伏组件 供电以克服这种不利条件。同时考虑到电池板在阴雨天供电不足的问题,需要设 计相关的电能存储装置。 4.低功耗:设备布置在高速公路上,电能较为宝贵,因此低功耗也是需要考虑 的关键因素,主要可以通过采用低功耗技术以及从软件处理角度减小能耗。 5.信息显示和记录查询:雾况监测报警系统是一个重要的功能设施,必须能 够实时地监测和显示信息,还要及时保存重要的记录,便于随时查询。 6.故障恢复:系统在工作过程中,万一遇到故障,要具备从故障中恢复的能力。 基于此要求,应当为系统设计相应的监控电路,增强整个系统的抗干扰能力。 2.22.2 系统系统体系结构体系结构 根据对整个系统的需求分析,可以规划和设计出系统的总体结构。整个系统 应由团雾检测、交通预警、数据传输和中央监控四个主要部分及相应的外围辅 助设备组成,系统结构如图 1 所示。 4 图 1 系统结构图 根据系统结构,可以将总体设计分为检测节点、路由节点、协调器节点及中 央监控等多个模块的设计。雾况检测子系统由一系列的检测节点及路由节点组 成,主要负责采集当地的气象信息并进行处理及传输,收集的气象信息包括雾况、 气温、相对湿度等数据。由于高速公路跨度很长,全线部署雾况检测设备难以实 现,所以需要根据地理条件和雾况多发地段的分布情况,合理设置检测点。对于 雾况多发路段,一定要确保布置了相应的检测设备。另外,从高速公路的实际情 况出发,应将雾况检测子系统中的检测节点及路由节点沿中间隔离带每隔一定间 距布置,图 2 给出了节点的布置示意图。 图 2 节点的布置示意图 5 根据系统的需求与设计分析可知,检测节点主要完成雾况与温湿度的检测、 采集信息的传输,以及雾况出现时的及时预警。检测节点按照功能可以分为电源 模块、核心控制模块、雾况检测模块、温湿度检测模块、报警模块以及无线通 信模块等。图 3 给出了检测节点的基本功能框图。 图 3 检测节点的基本功能框图 3 3 系统硬件设计系统硬件设计 3.13.1 硬件总体结构设计硬件总体结构设计 根据对系统中各模块以及通信接口的分析,可以具体设计出各个模块的硬件 电路。由于检测节点与协调器节点的处理任务不同,所采用的处理器也不同,因 此必须有针对性地选择适合这两种节点的处理器。 3.23.2 检测节点处理器芯片选择检测节点处理器芯片选择 检测节点主要完成信息的采集以及无线传输任务,由微控制器(MCU)在 RF 收 发器的协作下实施。据此要求,主要有以下几种方案可供选择: （1）MCU 和 RF 收发器分离的双芯片方案。该方案中,ZigBee 协议栈在 MCU 上运行,RF 收发器负责无线数据传输。 (2)MCU 和 RF 收发器集成的单芯片方案。该方案中,ZigBee 协议找仍在 MCU 上运行,但好处是节约成本,简化电路设计 (3)MCU 和 ZigBee 协处理器的双芯片方案。该方案中,ZigBee 协议找在 ZigBee 协处理器上运行。这几种方案具有各自的特点,第一种方案灵活性高,可 以选用不同的 MCU 与 RF 收发器组合,应用的复杂程度将决定所选用的 MCU;第二 种方案占用空间小并且易于开发,成本也较低;第三种方案灵活性高并且 发时间 较短,能缩短产品上市时间,但是成本相对较高。在这几种类型的方案中,单芯片 6 解决方案是当前市场上重要厂商主推的方案,也是今后的发展趋势。根据对成本、 操作可行性以及发展趋势等因素的综合考虑,检测节点将选用集 MCU 和 RF 收发 器于一体的单芯片解决方案。其中,TI 的 CC2430/CC2530 芯片、Freescal 的 MC13192 芯片、Jennie 公司的 JN-5148 芯片以及 Ember 公司的 EM260 芯片都是 较为出色的单芯片解决方案。由于 TI 公司技术实力雄厚,提供的 发工具、技术 文档、参考设计和应用知识等资料更为完整,有利于平台的搭建,因此将选用 TI 公司的 ZigBee 单芯片解决方案。这其中又以最新的 CC2530 芯片表现最为出众, 所以将选择其作为检测节点的处理器。CC2530 作为真正的片上系统(SoC)解决 方案,集成了 MCU、内存以及 ZigBee 射频收发器,性能优良,功耗低,工作在 2.4GHz 频段,完全符合 IEEE 802.15.4 标准规范。CC2530 的 MCU 具有代码预取 功能,包含多种容量可选的系统内可编程闪存,自带的 8KB RAM 具备在各种供电 方式下的数据保持能力;射频收发器符合世界范围内的无线电频率法规,具有极 高的接收灵敏度及抗干扰性能,并且输出功率可编程调节;外设资源丰富,具有强 大的 5 通道 DMA,IEEE 802.15.4 MAC 定时器及通用定时器,ADC,US ART 等。 3.33.3 路由节点处理器芯片选择路由节点处理器芯片选择 路由节点主要是作为数据传输的中转站,根据对检测节点所选用处理器的分 析可以发现,CC2530 也适用于路由节点。另外,选择同一款处理器能减少软硬件 设计中的工作量,因此,路由节点也将采用 CC2530 作为它的核心处理器。 3.43.4 协调器节点处理器芯片选型协调器节点处理器芯片选型 协调器节点作为数据的集散中心,实现的是与检测节点以及中央监控子系 统的交互,主要可分为与 ZigBee 无线网络的通信以及与中央监控子系统的通信。 此处将采用双处理器的结构,其中主处理器负责通过多种可选接口与中央监控子 系统通信,而辅助处理器则完成与 ZigBee 无线网络的通信。两处理器之间通过 相应的通信接口互相协作完成任务。得益于 CC2530 的良好设计,其自身的性能 已够处理 ZigBee 无线网络发送过来的信息,因此仍将使用 CC2530 作为辅助处理 器。主处理器作为一种嵌入式处理器,有很多种类可供选择,主要有微处理器 (MPU)、微控制器(MCU)、数字信号处理器(DSP)及片上系统(SoC)等。本系统中, 主处理器无须进行大量的数字信号处理,也没有复杂的任务调度和管理,只需釆 用微控制器就能满足需求。 7 3.53.5 系统硬件总体结构系统硬件总体结构 根据对系统各项功能的分析以及各节点统一化设计的理念,可将系统硬件分 为如下几个模块:电源模块、核心控制模块、数据采集模块、通信模块及液晶显 示模块等。图 4 给出了系统的硬件结构框图。 图 4 系统的硬件结构框图 3.63.6 CC2530CC2530 最小系统设计最小系统设计 CC2530 最小系统由 CC2530 芯片及一些外围模块组成,主要包括:3.3V 供电 电源、时钟电路、复位电路及调试接口等。作为一款片上系统(SoC)解决方案, CC2530 只需极少的外接元件便能满足要求。另外,TI 提供了一个紧凑的参考设 计,所以只要很好地遵循即可。图 5 给出了 CC2530 最小系统的电路图。 8 图 5 CC2530 最小系统的电路图 CC2530 的数字内核和外设由芯片自带的 1.8V 低压差稳压器供电,它的电源 管理功能可以实现多种模式的低功耗运行,为了稳压器的稳定工作,需要使用去稱 电容 C55。CC2530 内部具有 16MHz 和 32kHz 的 RC 振荡器,但为了提供精确的 时钟信号,设计有两个外部的晶体振荡器。其中 32MHz 振荡电路使用了一个外 部的 32MHz 晶振 Y4 和两个负载电容 C56 和 C57; Y3 是一个可选的 32.768kHz 晶振,有两个负载电容 C58 和 C59,32.768kHz 振荡电路主要用于要求非常低的睡 眠电流消耗和精确唤醒时间的低功耗应用场合。在 PCB 设计时,晶振应尽可能 靠近相应的管脚,避免长的走线。R71 是 56M2 的精密电阻,用于内部偏置。 C40?C47 是滤波电容,用于平滑电源,它们的位置和尺寸对实际的性能有较大的影 响,所以应严格按照 TI 的参考设计使用。 调试接口采用 CC2530 的 I/O 管脚 P21 和 P2_2 作为数据线 DD 和时钟线 DC,当不作为调试接口时,这两个管脚还能用作通用 I/O 口,使用较为灵活。 3.63.6 红外发射红外发射/ /接收电路设计接收电路设计 团雾检测装置主要由红外发射设备和红外接收设备两大部分组成。发射部分 主要包括原始信号输出、编码调制及红外发射等;接收部分主要包括红外接收放 大解调及解码等,其中编码和解码操作一般都由专用配对的编/解码集成电路芯片 进行控制。 (1)发射电路 9 由于环境中的杂散光和背景光等干扰会对红外信号产生较大的影响,所以需 要将红外光源编码调制为一系列的脉冲串信号。通常,编码得到的数字信号不会 直接用于驱动红外管发射红外数据信号,而是会采用二次调制技术,用某一频率的 载波对编码后的信号进行调制,然后用调制后的信号驱动红外管发射红外信号。 通过采用二次调制的方式,使得红外发射管的峰值电流很大而平均电流很小,管芯 不易发热,对器件不造成损坏;抑制了环境中相近光谱的干扰,在降低传输中噪声 的同时提高了信噪比,使得有效信号容易被检出;提高了峰值电流,增加了通信距 离33。选择红外发射管时,应选择大功率、高可靠性、波长在 780nm?950 nm 之间的红外 LED 管。万州光电生产的 L5IR5-45 系列发射管是中心波长为 940nm 的高功率红外发射二极管,性能较好,将作为本系统中的红外发射管34。 目前市场上有很多的红外编码芯片可以选择,台湾 PRINCETON 公司生产的红外 编码芯片 PT2262-IR 因低功耗和极高的性价比而被广泛使用。PT2262-IR 采用 PWM 调制方式,内部集成了载波振荡器、编码器和发射单元,使外围电路变得非 常简洁。PT2262-IR 编码形成的码字由地址码、数据码和同步码组成,该码字从 管脚串行输出35。图 6 给出了红外发射的硬件电路图。 图 6 红外发射的硬件电路图 10 (2)接收电路 为了能够可靠地在接收端收到红外编码信号,需要采用与红外发射管中心波 长相匹配的红外接收器进行光电转换,然后解调为数字信号并解码输出,其中解码 部分应采用与发送端的编码芯片相配对的硬件解码芯片。由于集成化的不断发 展,目前主要采用一体化红外接收头接收红外信号,它内部集成了低噪声放大器、 限幅器、带通滤波器、解调器以及整形驱动电路等,能够对二次调制后的红外信 号进行放大、限幅、检波、整形,得到 TTL 电平的编码信号。本红外接收电路采 用了万州光电的 W0038HL 红外接收头,内含高速 PIN 光电二极管和全制程前置 放大 IC,只需少量外接元件就可完成从红外接收到输出与 TTL 或 CMOS 兼容的 电平的所有工作。另外,它釆用内屏蔽封装,体积小巧,灵敏度高,抗光、电磁干扰 能力强,是一种高性能的红外线接收模块36。为了能够对红外接收头解调后的 信号进行解码,采用了与 PT2262-;R 相配对的 PT2272-L4 解码芯片。它的数据 输出是 4 位,还能锁存输出信号,当发射信号消失时,数据输出端仍保持对应的电 平状态,直到下次接收到新的信号或切断电源时才改变。图 7 给出了红外接收的 硬件电路图。 图 7 红外接收的硬件电路图 11 3.73.7 ZigBeeZigBee 无线通信模块无线通信模块 ZigBee 无线通信接口主要是指射频天线和芯片的射频管脚之间的连接方式。 由于 CC2530 内部已集成了高频信号收发电路,所以只需使用少量的分立元件即 可完成 ZigBee 射频电路的设计。需要注意的是,ZigBee 使用的是 2.4G 频段,属 于高频部分,设计射频 PCB 时,需要考虑阻抗匹配、传输线效应、PCB 板层数、 电源旁路及去親、地平面以及元器件布局等因素。为了能够快速有效地设计出 高频电路,且获得较佳的性能,可以参考 TI 给出的设计方法。在 TI 给出的参考设 计中,阻抗匹配、巴伦设计、电源去稱及元器件布局等射频设计中的关键因素都 已经被考虑了进去,只需完整地拷贝其射频设计即可。另外,TI 给出的参考设计 用的是 2 层 PCB 板,能够节约系统 发的成本。在具体拷贝 TI 参考设计的过程中,需 要注意以下几点: (1)由于 0603 和 0805 封装的器件尺寸大,杂散严重,能量分布不集中,所以应 选用 0402 封装的器件。 (2)保证旁路电容尽可能靠近电源管脚,具有旁路的效果。 (3)保证去親电容的数值和类型与参考设计一致。 (4)检查地平面与参考设计是否一致。器件和射频路径下需要有实心的地平 面,而天线下面不能有地平面,除非所使用天线的制造商推荐要使用地平面。 (5)确保元器件的摆放以及射频信号走线与参考设计一致。 (6)晶振应放置在离芯片的晶振管脚尽可能近的地方,避免晶振走线过长。 (7)在射频信号路径附近,PCB 板顶层和底层的覆铜之间要打很多过孔。 (8)如果使用了TI 参考设计中给出的天线,那么要确保己精确拷贝天线,并且 自己设计的 PCB 板的层数与参考设计的 PCB 板层数一致。 由于 TI 的参考设计中已经详细给出了射频部分的原理图设计,所以只需依照 它提供的方法设计即可。图 8 给出了 CC2530 射频部分的原理图设计。 图 8 CC2530 射频部分的原理图设计 12 3.83.8 液晶显示模块液晶显示模块 采用 LCD12864 显示，带中文字库的*是一种具有 4 位/8 位并行、2 线或 3 线串行多种接口方式，工作温度为 0 - +55，内部含有国标一级、二级简体 中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为 128*64, 内置 8192 个 16*16 点汉字，和 128 个 16*8 点 ASCII 字符集.利用该模块灵活的接口方式和 简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示 8*4 行 16*16 点阵的汉字. 也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。 4 4 系统软件设计系统软件设计 4.14.1 软件开发平台软件开发平台 IAR7.51A 是由瑞典 IAR 公司开发的一款嵌入式系统开发工具,具有开放的 架构,能够最大程度帮助用户提高设计流程的效率。该开发工具内部集成了 C/C+编译器、C-SPY 调试器等,除了提供编译下载功能外,还可以进行在线调试,包 括单步跟踪调试和监测片上寄存器、Flash 等。在该系统中,检测节点、路由节 点以及协调器节点都要用到 CC2530 芯片,因而需要 IAR7.51A 开发平台的支持。 为了方便工程的管理以及软件的后期维护,将这三种节点中关于 CC2530 的开发 部分全部集成在一个工程目录下,通过条件编译的方法选择相应的节点进行 发 设计。 4.24.2 ZigBee2007ZigBee2007 协议栈介绍协议栈介绍 CC2530 的核心是 ZigBee 无线通信,必须要有相应的 ZigBee 协议栈的支持。 TI 针对 ZigBee 系列芯片推出了多种软件解决方案,以适应不同场合的需求。出 于节点设计的通用性和便于 发的考虑,选择了 TI 的 Z-Stack 协议栈,使用的 ZigBee 具体版本是 ZigBee 2007 Pro 规范。它具有如下特性:完全支持 IEEE 802.15.4/ZigBee 规范;简单的应用开发环境;简单的面向开发者的 API;支持空 中下载等。在 Z-Stack 上 发应用,可以不用专注于网络实现的细节,而将精力集 中在实际应用的开发上,提高开发效率。 4.34.3 协调器节点程序设计协调器节点程序设计 协调器节点是检测节点和中央监控子系统之间的桥梁,它一方面接收检测节 点采集的信息,另一方面又要将这些信息传送给中央监控子系统。正是由于协调 器节点具有如此重要的作用,它的程序设计也得保证充分的可靠性。图 9 给出了 协调器的工作流程。 13 图 9 协调器的工作流程 4.44.4 路由节点程序设计路由节点程序设计 路由节点的职责主要包括:路径的发现和选择、路径保持和维护、路径期满 处理,路由节点的加入可以拓展网络拓扑结构的形式。Z-Stack 米用简化版的 AODV(Ad hoc on-demand distance vector routing)路由协议 AODVjr(AODV Junior)实现路由功能,通过它提供的路由算法,可以建立一个 Hoc 网络,支持移 动节点,链接失败和数据丢失,能够自组织和自修复49。当一个路由节点接收 到信息包之后,NWK 将会按以下的流程进行工作:首先确认目的地,如果目的地就 是这个路由节点的邻居,则直接将信息包传输给目标设备;如果不是,路由节点将 会检索和目的地址相符合的路由表条目,如果存在与目的地址相符合的有效条目,信 息包将会被发往该条目中所存储的下一级地址;如果不存在有效的条目,则会启 动路由发现功能,信息包将被临时存储起来,直至找到新的路由信息后才将其发 送出去。图 10 给出了基本的路由流程图。 14 图 10 基本的路由流程图 Z-Stack 协议栈提供的路由算法完善并且高效,该路由对应用程序来说完全 透明,不知道数据是如何传送到目的地址的,应用层所要做的就是简单地将数据 发送到栈中,栈会自动负责寻找路径。路由节点的程序设计主要就是根据 Z- Stack 提供的现有路由算法,配置路由表相关参数,帮助其维护路由表。路由表 的配置在文件 fSwConfig.cfg 中,其中 MAX_RTG_ENTRIES 的值表示路由表的大小,对 其进行修改时必须保证这个值大于 4;ROUTE_EXPIRY_TIME 的值表示路径期满时 间,若设为零则表示关闭路径期满;MAX_RREQ_ENTRIES 的值表示路径发现表的大 小,它决定了网络中同一时间可执行路径发现操作的个数。 4.54.5 检测节点程序设计检测节点程序设计 检测节点是系统的核心部分,整个系统的功能都是围绕着检测展开。检测节 点的程序是基于 Z-Stack 开发的,需要将开发的应用程序加载于协议栈之上,通 过任务的事件触发来调用相应的驱动程序,完成检测节点的功能。检测节点的主 要任务是采集雾况和温湿度信息并将其发送出去,以及接收协调器的控制命令, 它要在上电以后进行一系列的入网操作。图 11 给出了检测节点的工作流程。 15 图 11 检测节点的工作流程 4.64.6 红外发射红外发射/ /接收模块驱动程序接收模块驱动程序 为了能够检测到雾况信息,需要将红外发射和接收很好地配合起来使用。由 于在某一时刻 CC2530 只能编码某一红外发射管,使其发射信号,所以两个红外发 射管必须分时工作;同样地,由于 CC2530 在某一时刻只能处理一个红外接收头的 信号,所以两个红外接收头也必须分时工作。因此,必须合理地设计红外发射和 接收的时间关系,并加以三极管的通断实现对红外发射和接收的控制。图 5.20 给出了红外发射管和接收头的时间关系,两个红外发射管简称为 T1 和 T2,两个 红外接收头简称为 R1 和 R2。 图 12 红外发射管和接收头的时间关系 16 由于 CC2530 只对 PT2262-IR 的最低两位数据进行编码,同时考虑到 PT2272 未收到红外信号时,输出的最低两位编码信号是“00”,无法分辨来源,所以选择 了将左右两侧的红外信号分别编码为“01”和“10”。CC2530 通过控制数据选 择器,便可读出期望的红外接收头的编码信号。 5 5 系统的特色和创新系统的特色和创新 （1） 采用了复杂度低、功耗低和成本低的无线通信技术，使得各个监测点模 块可使用移动电源供电，解决了高速公路上无法有效给系统装置供电的问题； （2） 利用 ZigBee 无线传感器网络的多跳实现网络连接，提高了信号的传输效 率，保证了系统方便可靠的运行。 （3） 对团雾的监测准确度，系统误报率低。 （4） 本系统通过对高速公路团雾的实时采集与监控，能够确保城市道路及高 速道路等多种复杂条件的行车安全； （5） 采用低功耗的近距离无线传感器 ZigBee，使用多跳组网技术，具有布局 灵活、扩展简便、移动性强等优点； 6 6 作品的实际意义作品的实际意义 高速公路由于环境特殊,较易产生团雾,而团雾的产生和消失过程很快,在预 测方面难以掌握,单靠人工观测很难及时发现雾况。因此,建立一套完整的雾况监 测报警系统,全天候实时监测道路的能见度状况,有着极其重要的经济和社会效益,当 大雾天气尤其是团雾出现时,能够及时作出预警,最大限度减少低能见度天气引发 的交通事故,保障高速公路行车安全。系统采用了复杂度低、功耗低和成本低的 无线通信技术，使得各个监测点模块可使用移动电源供电，解决了高速公路上 无法有效给系统装置供电的问题；利用 ZigBee 无线传感器网络的多跳实现网络 连接，提高了信号的传输效率，保证了系统方便可靠的运行。创新度高、成本 低廉、性能稳定、环境适应能力强、效果好、易于推广。该作品作为主动安全 防护系统，有较大的市场、较好推广前景及很高的经济效益。 7 7 结束语结束语 本系统主要针对高速公路上易发的大雾天气,尤其是突发性、随机、瞬时的 团雾设计了一种雾况监测系统,能够保障过往车辆的行车安全。相比于目前的预 警系统和气象台,该系统能够全天候实时监测高速公路上的低能见度天气,并及时