（信号与信息处理专业论文）基于zigbee技术的智能交通pda设计.pdf

内蒙古大学硕士学位论文 基于z i 妒e e 技术的智能交通p d a 设计 摘要 智能交通系统( i t s ) 是我国未来交通运输系统发展的主要趋势。近年来， 越来越多的高科技设备在i t s 中得到了应用，在对安装在路口，甚至高速公路上 的设备进行众多参数的设置时，p d a 的使用显得尤为重要。z i g b e e 无线通信技术 以低功耗、低成本、可靠性高为特点，可应用于较恶劣的环境中。本文设计了 一种运用z i g b e e 无线技术进行通信的p d a ，用于与交通信号机建立无线通信网 络，完成参数配置，并且针对通信的可靠性，提出了一种无阻塞通信和校验方 法，解决了恶劣工况下智能交通参数设置难的问题。 本文选用低功耗、高性价比的a v r 系列单片机a t m e g a l 2 8 1 6 i 作为p d a 的 核心处理器，与各硬件芯片间通过1 2 c 总线进行通信，并且对电源管理、人机界 面进行了合理的设计，提高了系统的可用性。在设计p d a 的通讯模块时，利用 核心处理器的双串口建立了两种数据传输方式：一、所设计的p d a 与交通信号 机可通过r s 2 3 2 串口进行连接；二、采用s z 0 5 一s t d 无线通信模块作为z i 邸e e 无线收发装置，通过z i g b e e 网络进行连接，重点介绍了z i g b e e 无线通信网络 的建立和使用，这一创新使得该p d a 在i t s 领域的应用更加广泛。另外，为了 保证通信中数据的准确性和完整性，本文还提出了一种使用c r c 循环冗余校验 法的无阻塞通信方法。最后将程序烧录到p d a 硬件平台后对其进行系统调试， 可实现预定功能。 关键字：智能交通系统；p d a ；z i g b e e ；无阻塞通信 内蒙古大学硕士学位论文 a d e s i g no fi n t e l l i 髀n tt r a n s p o r t a t i o np d a b a s e do nz i g b e e 乳c h n o l o g y a b s t r a c t i m e l l 远e n tn a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ( i t s ) i st h em a i nd e v e l o p m e n tt r e n do fo u r 向t u r et 啪s p o r ts y s t e m i nr e c e n ty e a r s ，m o r ea n dm o r eh i 曲- t e c he q u i p m e n t sa r e e m p l o y e di i li t s ，a n dt h eu s eo fp d ai sp a n i c u l a r l yi m p o r t a n ti nt h es e t t i n go f v a r i o u sp a r a m e t e r so ft h et r a 伍cs i g l l a lc o n t r o l l e r s p l a c e da tj u n c t i o n so ro nt h e h i g h w 乏l y z i 庐e ec o 胁u n i c a t i o nt e c h n 0 1 0 鼢 w h i c hi sc h a r a c t e r i z e db yl o w 巾o 、v e r ， l o w c o s t ，h i g h - r e l i a b i l i 劬c o u l db ea p p l i e di ns e v e r ee n v i r o n m e n t i nt h i sp a p e r “h a s b e e nd e s i g i l e da ni n d u s t r i a lg r a d ep d at h a tu s e sz i g b e ew i r e l e s s t e c h n o l o g yt o c o 舢n u n i c a t e i tc a nb e u s e dt o c o m p l e t ec o n f i g u r a t i o no ft 1 1 et r a m cs i g n a l c o n t r o l l e r sp a r a m e t e r sw i t hw i r e l e s sn e t w o r k i n a d d i t i o n ，i tp r 叩o s e dan o n - b l o c k i n g c o m m u n i c a t i o na l l dv e r i f i c a t i o nm e t h o d sf o rt h er e l i a b i l i 够o ft h ec o m m u n i c a t i o n i n t h a tw a y ，i “sn ol o n g e r 砌；i c u l tt os e tt h ei n t e i l i g e n tt 啪s p o n a t i o n sp a r a m e t e r si n h a r s h 叩e r a t i n gc o n d i t i o n s t h i sp a p e rs e l e c t sa v rs e r i e sm i c r o c o n t r o l l e r s a t m e g a l 2 8 16 i ，a st h ec o r e p r o c e s s o ro ft h ep d a ，w h i c hh a sal o wp o w e rc o n s u m p t i o na n dh i 曲c o s t p e r f o n l l a n c ea n dc o m m u n i c a t e sw i t hh a r d 、a r ec h i p st h r o u 曲t h e1 2 cb u sd i r e c t l y t h i s p a p e r a l s oh a sar e a s o n a b l e d e s i g n o ft h e p o w e rm a n a g 锄e n t a n d h u m a n m a c h i n ei n t e r f a c e t h ei n n o v a t i v e p o i n t i nt h e d e s i g n o fp d a s 内蒙古大学硕士学位论文 c o m m u n i c a t i o nm o d u l ei si tu s e st h ec o r ep r o c e s s o r sd u a ls e r i a lp o r tt oe s t a b l i s ht 、v o l ( i n d so fd a t at r a n s m i s s i o n i tc a nb ec o n n e c t e dw i t ht h et r a m cs i g n a lc o n t r o l l e rv i a r s 2 3 3 2s e r i a l ，o rz i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nn e t 、v o r k u t i l i z i n gt h es z 0 5 一s t d w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nm o d u l et os e r v ea st h ez i g b e ew i r e l e s st r a n s c e i v e rd e v i c e c o n n e c t e dv i az i g b e en e t 、v o r k ，t h i s p 叩e r f o c u s e so nt h ee s t a b l i s h m e n ta n d a p p l i c a t i o no fz i g b e ew i r e l e s sc o m 瑚u n i c a t i o nn e r kb e t w e e nt h ep d aa n dt h e t r 碰cs i g n a lc o n t r o l l e r ，w h i c hb r o a d e n st 1 1 eu s eo fp d ai nt h ei t s i na d d i t i o n ，s oa s t oe n s u r em ea c c u r a c ya n dc o m p l e t e n e s so ft h ed a t ac o m u n i c a t i o n ，t h i sp a p e ra l s o r a i s e sa c y c l i cr e d u n d a n c yc h e c k ( c r c ) m e t h o do fn o n - b l o c k i n gc o m m u n i c a t i o n f i n a l l y ，i tb u m st 1 1 ep r o g r a mt ot h ep d ah a r d w a r ep l a 怕r m ，a n dt h e nd e b u g st h e s y s t e m t h er e s u l t ss h o wt h a tt h es y s t e mc o u l da c h i e v et h ep r e d e t e r m i n e df u n c t i o n k e y w o r d s ：i n t e l l i g e m1 r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ；p d a ； z i g b e e ；n o n b l o c k i n g c o n l m u n i c a t i o n 内蒙古大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 随着我国经济发展步伐和城市化进程的加快，人民生活水平不断提高，大量人口涌入城 市，国内城市机动车的数量迅猛增加，路网通行能力己无法满足日益增长的交通需求。城市 交通与社会经济生活的联系更加紧密，纵观我国乃至全世界，近年来，无论是发达国家还是 发展中国家都面临着城市交通拥堵、交通事故频发，交通环境恶化以及能源短缺等问题带来 的困扰，这些不断恶化的困扰成了当前世界各大城市经济发展和社会进步的瓶颈。传统上是 通过增加城市交通基础设施建设来解决日益增长的交通需求，如修建更多的道路、立交桥、 轻轨、地铁等，这种方法需要不断投入巨额资金，造成资源浪费，而且往往会受到城市布局 和规划等问题的限制；经过长期和广泛的研究，很多国家逐渐转移到用高新技术来改造现有 的道路交通系统及其管理体系，如建立先进的交通信号控制系统和公交系统等，这种方法能 够提高路网的通行能力和服务质量，而且耗时短、见效快。近年来，随着计算机、通信和自 动化技术发展，人们不断把各领域的理论和技术运用到智能交通系统( h l t e l l i g e n tt r a l l s p o r t s y s t e m ，i t s ) 中来，这些研究对于解决城市交通问题具有非常重要的意义。 在i t s 工程应用中，随着越来越多高新科技设备的使用，p d a ( p e r s o n a ld i g i t a la s s i s t a n t ) 的发展也是异常迅速。每个生产智能交通设备的企业都会有自己的p d a 手持产品，与智能交 通设备配套推广使用，用于方便现场作业。由于p d a 本身就是一个典型的嵌入式系统，具有 重量轻、体积小、性能稳定、成本低廉等特点，故受到很多生产商家的青睐。目前生产研发 的手持p d a 与智能交通设备( 如道路交通信号控制机) 的连接都是采用串口通信的有线通信 方式，使用过程中暴露出现场作业不便、稳定性不够、电力难以维持、受环境影响等缺点。 随着电子技术、计算机技术和无线通信技术的发展，具有无线通信功能的p d a 将受到人们的 重视。 目前，国内外在无线传感网络方面的研究和应用十分广泛，本文在对比几种常见的无线 通信技术后发现，z i g b e e 技术具有网络通讯支持极低成本、容易实现、短距离收发、数据传 输可靠性高、功耗低和安全性能好等优点。将无线z i g b e e 通信技术应用于智能交通领域工业 p d a 的研究和开发将具有广阔的前景和良好的效益。 内蒙古大学硕士学位论文 1 2 国内外研究现状 智能交通系统l 卜3 5 ( i t s ) 是将先进的信息技术、通讯技术、传感技术、控制技术、运筹 学、人工智能以及计算机技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系，在系统工程的综 合集成思想指导下，建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综 合的运输和管理系统。实质上，i t s 就是利用高新科技对传统的运输系统进行改造而形成的一 种信息化、智能化、社会化的新型运输系统。它能使交通基础设施发挥出最大的效能，提高 服务质量；同时使社会能够高效的使用交通设施和能源，从而获得巨大的社会经济效益。它 不但可以缓解交通的拥堵，而且对交通事故的处理与救援、客货运输管理、道路收费系统等 方面都会产生巨大的影响。i t s 加速了交通运输系统进入信息化时代的步伐，成为了当前交通 管理领域的热门研究课题，也是现代化交通运输体系的发展方向。近几年，随着越来越多的 高新科技设备在r r s 中的应用，与之配套的p d a 也应运而生。 1 2 1 国外r r s 研究现状 i t s 的研究在国外发展相对较早，起步于上个世纪6 0 7 0 年代，主要以欧洲、美国和日本 为代表，当时相关研究项目有欧洲的c o s t 3 0 ( 科学技术领域研究协作) 、美国的e r g s ( 电 子路线引导系统) 、日本的c a c s ( 汽车综合控制系统) 等f 4 】o 8 0 年代以来，日本、美国和西欧等发达国家为了解决共同面临的交通问题，竞相投入大 量财力和人力，开始大规模的进行道路交通运输智能化的研究，当时称之为智能车辆道路系 统( h l t e l l i g e n tv e h i c l eh i g h w a ys y s t e m ， 简称i v h s ) 。随着对道路功能和车辆智能化的深入 研究，将其系统功能扩展到道路交通的全过程及其相关的服务部门，也就发展成为了当前带 动整个道路交通现代化的智能交通系统( 1 t s ) 。8 0 年代后期，欧洲开始重点实施以各国政府 为主导的d r e ( 欧洲汽车安全专用道路设施) 和以民间为主导的p r o m e t h e u s ( 欧洲高 效安全道路交通计划) 智能交通系统研究项目。日本在c a c s 后相继推出了路车间通信系统 r a c s 和新车辆交通通信系统。 9 0 年代以后，美国 5 “q 开始大规模的进行i t s 的研究。1 9 9 1 年，美国国会通过了旨在利用 高新技术和合理的交通分配提高路网效率的“综合地面运输效率方案( i s t e a ) ”。1 9 9 7 年， 美国在加州进行了“自动驾驶公路系统( a h s ) ”项目的现场试验和演示，旨在现有道路的 基础上，利用高新技术提高道路的安全性和畅通性。日本 7 l 积极参与了以美国为主导的的i t s 国际合作。1 9 9 5 年，日本制定了道路、交通和车辆的信息化实施方针，拉开了i t s 系统研究开 发和实施的序幕。1 9 9 6 年7 月，日本又制定了更加详细的i t s 构思，构思目标是实现道路智能 内蒙古大学硕士学位论文 化，以及人、车、道路和环境四者能够和谐互动。构思的具体内容包括：车辆信息通信系统 ( v i c s ) 、高性能车载导航仪、电子收费系统( e t c ) 、安全行车支持系统( a s v ) 以及其 他各子系统。 进入2 l 世纪，世界上以欧洲、美国和日本为代表的各发达国家i 阳i 己将重点转移到用高新 技术来改造现有道路运输体系及其管理方式上来，从而在一定程度上达到了提高路网通行能 力和运输能力的目标。美国的i t s 相关技术已经产生了显著的效益，如电子收费系统( e t c ) ； 日本在i t s 项目上已经形成了官方、民间以及学术机构的协调机制，同时推动了日本i t s 的发 展。r r s 是构建城市智能发展的根基，越来越多的发达城市，由地方政府主导推动城市信息化 建设，如瑞典的斯德哥尔摩，韩国的首尔，德国的不来梅等，这些城市在国际市场的竞争中 一直表现亮眼，这与构建智能城市交通先行密不可分。国外比较有代表性的城市信息化，智 能化发展理念主要有u c i t y ( 信息和服务无所不在的城市) 、t c i t y ( 智能城市) 、智慧城市 等i “”。由于国外对r r s 的研究起步较早，目前技术相对已经成熟，在生活中已经得到了广泛的 应用。其主要分布在以下四个方面：交通监测与协调、电子收费与停车管理、辅助驾驶、货 运追踪。 1 2 2 国内i t s 研究现状 我国对亘墅i 的研究【。4 l 相对较晚，开始于7 0 年代末，当时将电子信息技术应用到交通运输 和管理中，称之为交通工程，交通工程的研究与应用是i t s 初级阶段的工作，当时交通部公路 科学研究所与北京市公安局合作，首次在我国进行计算机控制交通信号的试验。 8 0 年代初，国家科技攻关项目“津塘疏港公路交通工程研究”首次将计算机技术、通信 技术和电子技术运用到高等公路的监视和管理系统中；8 0 年代后期，我国开始了i t s 的基础性 研究开发工作，主要集中在优化道路交通管理、交通信号采集、驾驶员考试系统、车辆动态 识别等。9 0 年代，国家开展了交通管理系统方面的研究和工程实施，在城市交通管理、高速 公路监控系统、收费系统和安全保障系统方面取得了一些成果，并且开发生产了车辆检测器、 可变限速标志、监控地图板等专用设备，制定了标准和规范。9 0 年代末，我国开始了对i t s 的研究和推广应用。近十几年来，我国的智能交通建设和发展总体上取得了积极的成果，基 本奠定了我国智能交通系统的基础，建设了一系列具有广泛影响的智能交通系统示范工程， 在重大国际活动交通保障与服务中发挥了强有力的支撑作用。 在系统的实际开发和应用方面l 狐以。l ，我国已有了不少科技成果，在局部地区形成了i t s 的雏形，实现了i t s 系统的部分功能。其中，最主要的是电子收费系统( e t c ) ，全国已有 不少省份及城市开始采用或者试行这种先进的管理方式。在一些高等级的公路上也出现了这 内蒙古大学硕士学位论文 样的收费系统，结合交通工程在新建的高速公路下埋设的光纤等信号传输线路，以及安装车 辆探测装置和可变式信息显示装置，大大方便了其后的交通控制、管理和服务；深圳市的闭 路电视系统负责监控全市的交通，各主要路口都装有监控设备，并配有智能化的车辆违章抓 拍设备和交通诱导指示装置，其中车辆车牌辨识系统，在发现有违章车辆时，会自动通知有 关执法人员进行处理，全过程仅需几秒钟，交通诱导指示系统则可为驾驶员指明道路阻塞情 况；在杭州、南京等城市，智能化的公交电子车牌可让候车人员知道公交车驶来的时间；北 京、上海、广州、沈阳等城市都开始相继引进自适应交通信号控制系统。 目前，我国的i t s 【 7 题习尚处于发展阶段，整体技术水平和应用规模与发达国家相比还有 较大的差距，在前沿技术领域还比较落后，在r r s 核心技术领域许多关键技术问题还有待突 破。近年来，各地都在不遗余力地推进i t s 的建设，并将它作为发展智慧城市的重要目标。 我国政府高度重视智能交通的研究与应用，并作为未来交通建设与发展的优先领域给予重点 支持，因此，i t s 的研究和开发具有很好的基础和广阔的前景。 1 2 3p d a 在i t s 领域的研究现状 p d a 在狭义上是指电子记事本，它的功能较少，主要是对个人信息进行管理，并且其功 能都是固化的，不会因为用户需求而改变功能，也不能安装常见的嵌入式操作系统和一些常 用的应用软件。在广义上，p d a 是指掌上电脑，具备了通信、网络、计算等新功能。广义p d a 是基于开放式的系统，它可以使用功能强大的操作系统，如w i n d o w sc e ， p a l mo s 等。随着 p d a 技术的不断发展，它已经在各个行业都开始广泛应用，同时在功能上不断进行升级扩展， 已经与多媒体、h l t e m e t 等新功能集合起来【2 i 】。 近几年，p d a 的设计和使用在消费品领域以及其他一些应用型领域( 如酒店管理中运用 的点菜p d a 等) 可谓日新月异。行业p d a 与消费电子类p d a 不同，它可以实现用户所要求的 各项功能，如数据采集、设置、传送、保存等，它是众多嵌入式系统中方便携带的可移动信 息终端，需要能够适应不同的工作场合和工作内容。因此行业p d a 应具备以下特征： 1 功能强大，价格便宜； 2 稳定性好，能够在复杂的环境中工作： 3 可扩充性好，使用范围大； 4 配置灵活，强调产品个性。 在p d a 平台上，可以针对不同领域和行业的需求进行专门的开发和应用。 在智能交通工程中，i t s 通常包括交通视频监控、交通信号控制、交通流量采集和评估、 交通信息诱导和发布、车辆智能监测记录( 卡口) 、交通违法监测等六个分系统。随着越来越 4 内蒙吉大学硕士学位论文 多高新科技设备在i t s 领域的应用，科研院所和企业相继研究开发了与之配套的p d a 产品。例 如，大连理工大学的刘庚 翌l 对基于p d a 的个人导航系统进行了研究和应用；长安大学的刘晓 燕瞄l 研究开发了基于p d a 的实时交通信息发布系统，重点研究了电子地图的数据组织和实时 显示交通信息。这些设计通过g p r s 数据传输、g p s 定位等方法，实现了图形显示、资料查询、 路径选择等功能，大大方便了出行者和交通管理者。生产智能交通设备的企业都会有自己的 p d a 手持产品，与智能交通设备配套推广使用，用于方便现场作业，但是由于各个i t s 设备生 产企业的技术水平和生产标准不一，目前很多i t s 领域的p d a 能够完成一些简单的功能，但是 稳定性不够，在一些特殊条件下无法使用，例如对于架设在高处的交通视频设备，以及城市 外高速公路上交通设备的参数设置，手持p d a 往往无法正常完成，大部分配置功能的完成仍 需要借助手提笔记本电脑，无法从根本上解决现场作业难的问题。 在智能交通系统中，交通信号控制分系统主要由数据库服务器、交通信号管理服务器、 网络通讯设备、道路交通信号控制机组成。它是集现代计算机、通信和控制技术于一体的区 域交通信号实时联网控制系统，可实现对路口交通信号的实时控制、进行区域协调控制、中 心和本地的优化控制、路口状态的实时查询与监控，路口信号灯的故障定位，配时方案的实 时上传与下载，操作日志的记录和管理、多用户的远程登录控制和权限管理等功能。其中， 道路交通信号机( r o a dt r a 硒cs i g n a lc o n t r o l l e r ，以下简称为交通信号机) 是交通信号控制分系 统中最重要的设各，它是放置在道路交叉口，依靠改变道路交通信号灯顺序、调节配时，来 引导车辆、行人快速顺利地通过道路口的装置。交通信号机具有大量需要设置的参数，并需 要经常根据交警指挥现场等实际需求进行配置，很多交通信号机生产商家都会配备手持式操 作终端p d a ，用作现场修改和显示信号机的工作参数、控制方案等功能的实现。它们使用的 多是嵌入式系统，具有重量轻、体积小、性能稳定、功耗低、成本低廉等特点。本人在安徽 四创电子股份有限公司交通电子部实习期间，有机会参与了智能交通信号机的研发与安装调 试工作，在调试和使用过程中发现一些有待改进的地方，例如，p d a 与交通信号机的连接都 是采用串口连接的有线方式进行通讯，与使用手提笔记本电脑无异，在雨天等恶劣环境下并 不能很好的解决现场作业的难题；而且手持p d a 有时会出现电力难以维持的情况，使得外出 作业不得不同时携带手提笔记本电脑以备所需。随着无线通信技术的不断发展和社会需求的 不断增长，具有无线通信技术的p d a 已成为当今研究的热点1 2 4 ，通过无线通讯方式对交通信 号机进行操作，可以真正的方便现场作业。本文所研究的内容，正是设计一种具有无线通信 功能的手持终端工业级p d a ，可用于现场修改户外交通设备参数，具有功能强大、性能稳定、 功耗低、体积小、成本低廉等特点，能够实现数据的采集、设置、传送、保存等功能。 内蒙古大学硕士学位论文 1 3z i g b e e 技术概述 随着无线传感网络的快速发展，大量的无线终端设备开始出现。很多无线设备的应用场 合在低功耗和低成本方面要求极高，传统的g p r s 、w i f i 、b l u e t o o t h 等无线网络通信显得爱 莫能及。z i 幽e e 的出现正好解决了这一难题。z i 庐e e i 弱= 。】是一种新型的近距离、低功耗、低 复杂度、低数据速率、低成本的双向无线通信技术，可容纳节点数量大，是一种介于无线标 记技术和蓝牙之间的技术提案。z i g b e e 名字起源于蜂群赖以通讯的z i g z a g 形状舞蹈，蜜蜂能 通过这种舞蹈分享新发现的食物位置、方向和距离等信息，人们从中得到启发，用z i g b e e 技 术来代表具有成本低、体积小、能量消耗低、传输速率低的无线通信技术。z i g b e e 主要应用 于短距离范围、数据传输速率要求低的各种电子设备之间。表1 1 为常用无线网络标准的比较 f 2 7 l 。 袁1 1 常用无线网络标准的比较 t a b i e1 1c o n l p 撕s o no fc o m m o n l yu s e dw n l e s sn e t w o 出s 啪d a r d 名称g p r s g s m 。w i - f i mb l u e t o o n l t m z 远b e e 刑 标准l x r t r c d m a8 0 2 1 l b8 0 2 1 5 18 0 2 1 5 4 广阔范围w e b ，e m a i l ， 应用重点电缆替代品监测& 控制 声音& 数据图像 系统资源1 6 m b +1 m b +2 5 0 k b +4 k b 一3 2 k b 电池寿命( 天) 1 7 o 5 5 1 7 1 0 0 - 1 0 0 0 + 网络大小 l 3 2 7 2 5 5 6 5 0 0 0 带宽( k b s ) 6 4 1 2 8 + 1 l ，o o o + 7 2 02 0 2 5 0 传输距离( 米)1 ，o o o + l 1 0 0i 一1 0 +1 一1 0 0 + 覆盖面大， 速度快，价格便宜，价格便宜， 优点 通信质量高灵活性高使用方便可靠，功耗低 通过比较几种常用的无线网络通信技术，我们可以发现z i g b e e 技术主要具备以下优点： 1 功耗低。在工作模式下，由于z i g b e e 设备收发的数据量小，传输速率低，因此信号收 发耗时短：在非工作模式下，z i g b e e 设备处于休眠状态，因此两节普通5 号电池就可以供电长 达6 2 4 个月。 2 可靠性高。z i g b e e 的媒体接入控制层( m a c 层) 使用了免碰撞机制和重发机制，每个 内蒙古大学硕士学位论文 发送的数据包都必须等待接收方的确认信息，从而避免了数据传输时的冲突和竞争。 3 网络容量大。z i g b e e 可采用星状、串状和网状等网络结构。一个z i 妒e e 网络最多可包 括2 5 5 个网路节点，若通过网络协调器组网，整个网络则最多可支持超过6 4 0 0 0 个z i 妒e e 网络 节点，每个z i g b e e 无线数据传输模块间都可以进行通信。 4 时延短。通信时延、从休眠状态进入工作状态的时延都做了相应的优化，因此时延较 短。 5 安全性。z i g b e e 加密算法使用a e s 1 2 8 ，具有数据完整性检查和鉴权功能，在数据传 输中可提供三级安全性。 6 成本低。z i g b e e 协议免专利费，而且硬件价格也很低。 作为一项新兴的无线通信标准，z i g b e e 从出现开始就成为业界讨论和研究的重点。z i g b e e 技术现已广泛应用在智能家居领域、工业领域、精确农业领域、医学领域、智能交通领域等。 国内的一些科研单位和大学，如中南大学、合肥工业大学、吉林大学、内蒙古大学等已经初 步开展了研究工作。 1 智能家居领域 智能家居系统就是在家庭范围内，通过先进的无线网络技术将电脑、家电、安全、照明、 娱乐、医疗监护系统互连，实现数据共享和管理，并以广域互联网为接口与外界交互信息的 一种新兴的无线网络系统；通过z i g b e e 网络实现信息设备、通讯设备、娱乐设各、家用电器、 自动化设备、保安( 监控) 装置等设备互联，使智能化、人性化的家居生活变成了现实。国 内武汉理工大学的冯承金将z i g b e e 技术和a r m 技术相结合，并有效融合了t c p i p 、c g i 和 s q l i t c 3 等技术设计完成了一套简单的智能家居系统；中南大学的陈龙涛【2 哪等人基于z i g b e e 技 术设计了一套智能家居系统，该系统具有良好的通用性和可扩展性：河北工业大学的佟强【3 。1 等人将z i g b e e 技术与g s m 网络结合，设计了一套通过无线网络实现控制的家庭智能系统，该 无线控制网络具有可扩展性好、低成本、低功耗等特点。 2 工、农业领域 z i g b e e 技术已经应用到精确农业领域，如无线农田灌溉系统；工业领域的应用主要集中 在工业环境温湿度的监测和流量计量的监控。比如，江苏大学的侯佳佳1 3 ll 针对当前温室监测 系统数据传输技术中存在的问题，结合温室环境和结构特征，提出了一种基于z i g b e e 技术的 温室w s n 实时监测系统模型；合肥工业大学的万力3 2 1 等人设计了基于z i g b e e 技术的温湿度 监测网络系统，可广泛应用于工业环境温湿度监测；北京航空航天大学的孙铁源1 3 ：；_ | 等人将 z i g b e e 无线通信网络应用到流量监控系统，实现了数据的采集、显示、存储和分析等功能， 内蒙古大学硕士学位论文 而且在实践中显现出其抗干扰性强、安全可靠、运行稳定等优势。 3 医学领域 z i g b e e 技术在医学领域的应用主要集中在医院医疗监护和医疗仪器数据采集方面。在医 院的医疗监护系统中，利用z i g b e e 技术组成一个网状路由网络，在楼道设置合适的路由节点， 进行数据的中转；房间内的呼叫节点采用星型网络连接，由其中一个节点作为z i g b e e 路由器， 负责与中心网络的连接和数据中继转发；所有的z i g b e e 路由器组成一个蜂窝网状网络，再与 z i g b e e 中心节点连接，中心节点设置在管理中心，这样就构建成一个完整的非常可靠的z i g b e e 无线网络。这方面的研究成果主要有，大连理工大学的陈志奎f j 等人利用z i g b e e 技术开发的 一种智能家庭医保系统，实现了对被监护者重要生理信息的采集、展示和存储：吉林大学的 郑凯阁将z i g b e e 无线网络应用在心电监护中，建立了一种新型的心电监护传感器网络；华南 理工大学的杨易华l 蚓等人利用z i g b e e 技术研制了脉搏检测仪，具有微型化、功耗低等特点， 适用于家庭的便携式移动监护。 4 智能交通领域 在智能交通领域的智能交通控制系统中，采用z i g b e e 和太阳能结合的无线控制系统，无 须挖路布设控制线路，各设备之间实现无线自动组网连接，既降低了系统安装成本，更重要 的是避免了传统安装方式对交通干扰所带来的经济损失，而且也避免了由于城市快速发展， 道路拓展等变化对原有预埋管线的干扰。例如，广州市弘宇科技有限公司的蔡泽育f 3 7 1 等人设 计了基于z i g b e e 的无线路灯智能控制管理系统，大大方便了城市路灯控制管理；在汽车上， 基于z i g b e e 技术构建汽车传感器无线网络1 3 8 】，能实现汽车性能数据的无线传输，同时能够克 服噪杂环境的干扰和金属结构对电磁波的屏蔽效果；另外，通过z i g b e e 技术与h i t e m e t 相结合， 可以获得实时的交通信息和导航信息。例如，东北大学的孟林 3 9 j 设计了基于z i g b e e 技术的实 时智能交通系统，采用i n t e m e t 和z i g b e e 相结合的方案，通过i n t e m e t 将实时交通信息快速发布 到交通信息服务终端，然后再通过z i g b e c 无线通信技术将实时交通信息和导航信息传输给车 载导航仪、智能手机或p d a 等智能终端，最终完成了动态实时交通信息的发布。 限于研究条件，本文主要以智能交通领域广泛应用的道路交通信号机为研究平台，对所 设计的基于z i g b e e 技术的工业级p d a 进行了功能实现，通过软件修改可完成对智能交通行业 众多户外设备的参数配置工作，例如电子警察、道路信息采集、不停车收费系统等设备。可 见，该p d a 在智能交通领域具有广阔的前景和良好的效益。 内蒙古大学硕士学位论文 1 4 论文组织结构 1 4 1 论文的主要研究内容 本文对智能交通的发展，以及交通信号机所使用的手持p d a 的应用现状进行了调查研 究，设计了一种对i t s 领域交通信号机进行参数配置、控制方案修改的嵌入式手持p d a ，具 有功耗低、可靠性高、易操作、成本低廉的特点；考虑到智能交通未来的发展必将与物联网 息息相关，因此提出了p d a 与交通信号机之间的通信使用z i g b e e 无线传输方式，代替现有 的串口通讯方式，使其可以与不同交通信号机通过z i g b e e 无线传输技术进行连接，提高了手 持p d a 的实用性；同时针对p d a 串口通信和z i g b e e 无线通信的可靠性要求，运用循环冗余 校验c r c 设计了一种无阻塞通信方式，避免了对误码数据包的接收和解析，提高了通信的可 靠性。 1 4 2 论文的结构安排 全文共分六章，从智能交通系统以及p d a 在i t s 领域的发展和现状出发，提出了一种可 以运用z i g b e e 无线通信技术与1 t s 领域交通信号机进行连接，并对其进行参数配置和控制方 案修改的手持p d a 的设计方案。在对整个p d a 系统进行总体设计、处理器选型等工作后， 对其硬件平台进行了模块化设计，主要包含主控模块、通信模块、电源模块以及人机界面模 块的设计，并对其各部分软件功能的实现进行了设计，提出了一种适用于串口和z i g b e e 无线 传输的无阻塞通信校验方式。最后对所设计的p d a 系统进行了调试。具体结构如下： 第一章对智能交通系统和p d a 在i t s 领域的发展和现状进行了综合评述，并对z i g b e e 无线通信技术进行了阐述。 第二章介绍了该p d a 系统处理器的选型过程；介绍了p d a 工作中，硬件间通讯所使用 的低功耗总线方式1 2 c 。 第三章介绍了该p d a 硬件平台的具体设计与实现。 第四章介绍了该p d a 软件平台的设计与开发。 第五章对该嵌入式系统进行了调试。 第六章对本论文所讨论的问题做出了总结和展望。 内蒙古大学硕士学位论文 第二章p d a 总体结构设计 2 1p d a 总体设计 考虑到p d a 需要在工程现场使用，为提高系统的可利用性，在硬件结构上进行低功耗、 模块化、微型化设计，同时考虑硬件设计的稳定性、可靠性和整个设计的成本，合理选用c p u 处理器及其它器件，使p d a 达到高性能低功耗的要求。在明确了手持p d a 的基本功能和技术 指标后，对该p d a 进行了总体结构设计，其中软件和硬件都采用模块化设计。 首先，p d a 系统最核心的部分就是嵌入式处理器。目前，世界上嵌入式处理器的种类已 经达上千种，数十个系列。不同的嵌入式处理器有其不同的功能和特点，低成本、低功耗、 高性能是嵌入式p d a 应用的特殊要求。 其次，存储器的选择也是构建嵌入式系统的重要部分。本系统需要f l a s h 和r a m ，虽 然存储器的选择依赖于处理器的选择，但是就功能需求而言，需要考虑容量合适，性能稳定 的存储器。对于f l a s h 的选择来说，还需要考虑f l a s h 的擦除等软件操作是否便捷等因素。 再次，在嵌入式最小系统基础上，需要结合实际情况和处理器所要实现的功能，确定系 统的其它外围设备。 另外，考虑在户外工作的要求，对该p d a 的工业防护等级要求较高，至少要完全防水， 可在雨雪天气下工作，所以按照i p 6 6 标准设计。 交通信号机 图2 1p d a 总体设计图 f 远2 1p d ao v e r a l ld e s 自弘 1 0 内蒙古大学硕士学位论文 2 2p d a 的嵌入式处理器选型 2 2 1 嵌入式处理器简介 嵌入式系统是以应用为中心，以计算机技术为基础，且软硬件可裁减，适用于对功能、 可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机应用系统。嵌入式系统由硬件和软件两 大部分组成。硬件方面，嵌入式系统的核心部件是各种嵌入式微处理器，而软件部分则是由 嵌入式操作系统和应用软件组成。嵌入式系统的功能是通过硬件系统来完成的，因此系统的 应用软件和硬件是一体化的。嵌入式系统中，处理器的选择是最重要的，它直接关系到整个 嵌入式系统的性能，并将决定是否可以对操作系统进行选择，而操作系统的选择又会限制开 发工具和开发环境的选择。 目前世界上具有嵌入式功能特点的处理器已经超过1 0 0 0 种，流行体系结构包括m c u 、 a i m i 、d s p 等多个系列，从单片机、d s p 到f p g a 有着各式各样的品种，速度越来越快，性 能越来越强，价格也越来越低。下面简单介绍几种常用的主流嵌入式处理器： 1 嵌入式微处理器 嵌入式微处理器( m i c r op r o c c s s o ru n i t ，m p u ) 的基础是通用计算机的c p u ，在应用微 处理器时，将其装配在专门设计的电路板上，只保留和嵌入式应用有关的母版功能，裁剪不 需要的功能，这样可以大幅度的减少系统体积和功耗。嵌入式微处理器目前主要有p o w e r p c 、 6 8 0 0 0 、m p s 、a i 之m 系列等，其中，a r m 处理器凭着其低功耗，高性能的特点在嵌入式行 业中取得了广泛的应用。 删削公司是一家专门从事基于砒s c ( r c d u c e dm s t m c t i o ns e tc p u ) 技术晶片设计开 发的公司，作为知识产权供应商，其本身不直接从事晶片生产，靠转让设计许可由合作公司 ( 如p h i l m s 、t i 、i n t e l 、b r o a d c o m 、a t m e l 、国内的中兴通讯和华为通讯等) 生产各具特 色的晶片，其设计的芯核具有体积小、功耗低、成本低且性能高等特点。a i 蝴架构是面向低 预算市场设计的第一款r j s c 微处理器，基本是3 2 位单片机的行业标准，它提供一系列内核、 体系扩展、微处理器和系统芯片方案，四个功能模块可供生产厂商根据不同用户的要求来配 置生产。目前，采用a i 洲微处理器的嵌入式系统设计已遍及工业控制、消费类电子产品、 通信系统、网络系统、无线系统等各类产品市场，基于a i 洲的家族约占据了3 2 位融s c 微 处理器7 5 以上的市场份额，a i u 技术正在逐步渗入到我们生活的各个方面。目前非常流行 的a r m 芯核有a r m 7 t d m i 、s t r o n g a r m 、a r m 7 2 0 t 、a r m 9 t d m i 、a r m 9 2 2 t 、a r m 9 4 0 t 、 a r m 9 4 6 t 、a r m 9 6 6 t 和a r m l o t d m i 等，a r m 公司还提供p i c c o l o d s p 的芯核给 1 1 内蒙古大学硕士学位论文 芯片设计者，用于设计a r m + d s p 的s o c ( s y s t e mo nc h i p ) 结构的芯片。 2 嵌入式d s p 处理器 d s p ( d 珥t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 处理器是专门用于信号处理方面的处理器引；，在系统结 构和指令算法当面具有其特殊设计，编译效率和指令执行速度都很高，在数字滤波、f f t 、 谱分析等各种仪器上有大量应用。d s p 采用的是哈佛设计，即数据总线和地址总线分开，使 程序和数据分别存储在两个分开的空间，允许取指令和执行指令完全重叠。也就是说在执行 上一条指令的同时就可取出下一条指令，并进行译码，这大大的提高了微处理器的速度。另 外d s p 还允许在程序空间和数据空间之间进行传输，因此增加了器件的灵活性。d s p 强大的 数据处理能力和高运行速度，是最值得称道的两大特色。 d s p 理论算法在上世纪7 0 年代已经出现，随着大规模集成电路技术的发展，1 9 8 2 年世 界上诞生了首枚d s p 芯片，其运算速度比u 快几十倍，在语音合成和编解码器中得到了 广泛应用；到上世纪8 0 年代中期，随着c m o s 技术的进步和发展，第二代基于c m o s 工艺 的d s p 芯片产生，其存储容量和运算速度都得到了成倍提高，成为语音处理、图像硬件处理 技术的基础；八十年代后期，d s p 的运算速度进一步提高，应用领域也从上述范围扩大到了 通信和计算机方面：9 0 年代后，d s p