（计算机应用技术专业论文）机动车性能检测zigbee数据采集系统的研究与实现.pdf

山东理工人学硕士学位论文摘要 摘要 本文针对现有机动车性能检测仪器的不足并结合其发展的实际需要，提出j 术 用z i g b e e 技术实现机动车性能检测传感器数据采集的新方法，建立了基于z i g b e e 无线通信技术的数据采集系统。该系统采用星形网络拓扑结构，其中无线传感器节 点采集速度、油耗和制动信号数据并进行前端处理，协调器节点接收数据并将数据 通过串行接口发送给便携式设备，实现了机动车性能检测无线数据采集与处理系统。 z i g b e e 技术是一种新兴的无线通信技术，采用抗干扰性能优越的直接序列扩频 技术和偏移一正交相移键控调制技术，特别适合应用于较强干扰的工业环境中。目前 z i g b e e 技术还未应用于机动车性能检测领域，这给了本课题更大的研究应用空间。 本文从整体的角度分析了基于z i g b e e 技术的无线采集方案，给出了具体的软硬 件设计和实现，以及抗干扰、可靠性的分析和设计。z i g b e e 无线通信技术是硬件和 软件相结合的技术，采用类似0 s i 网络结构的分层体系结构。本文针对其硬件和软 件实现进行了深入研究，并在不同章节对其各层进行详细论述。首先在设计方案论 证中详细分析了z i g b e e 技术底层硬件的主要特性；随后详细论述了油耗、速度传感 器采用的相关技术，并结合本设计使用的m i c r o c h i pz i g b e e 协议栈对整个z i g b e e v 1 0 协议栈的实现进行了系统论述；z i g b e e 应用层与应用程序紧密相连，在软件设 计中结合协调器节点主程序框架，对z i g b e e 协议栈应用层的原语操作、相关函数和 协议栈状态标志进行阐述，重点对传感器节点中断采集程序以及z i g b e e 协议栈发送 接收程序设计进行介绍。最后给出系统测试结果。 关键词：z i g b e e ，性能检测，数据采集，非接触测速，g r a y 编码，p i c l 8 f 4 6 2 0 a b s t r a c t a i m i n ga tt h en e e d so fm o d e mt e s t i n gi n s t r u m e n t so fv e h i c l ep e r f o r m a n c e ，t h i s p 印e rp r o p o s e san e wm e t h o do fu s i n gz i g b e et e c | 1 1 1 0 l o g yt oa c h i e v ea c q u i r i n gs e n s o r d a t a ，b u i l d i n gu pad a t aa c q u i s i t i o ns y s t e mb a s e do nz i g b e ec o m m u n i c a t i o nt e c l u l o l o g y t h i ss y s t e mr e a l i z e st h es y s t e mo fw i r e l e s sd a t aa c q u i s i t i o na n dp r o c e s s i n gf o rv e h i c l e p e r f o r n l a n c et e s t i ta d o p t st h es t a rt o p o l o g y ，i nw h i c hs e v e r a lw i r e l e s ss e n s o rn o d e s a c q u i r et h es e n s o r so r i g i n a ld a t at h a tw i l lb ep r o c e s s e da tm e f r o me n d ，a j l da l s ou s e st h e c o o r d i n a t o rn o d et or e c e i v ed a t aa l l dt r a n s m i ti t t o p o r t a b l e d e v i c et l l r o u g hs e r i a l i n t e r f a c e z i g b e ei sak i n do fn e ww i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y w h i c hu s e sf - r e ei s m b a n d ，a d o p t sa n t i - j a m m i n gd s s sa n do q p s kt e c l u l o l o g y ，n t t i n gi nt h es t r o n gj 舢i n g 、r k i n ge n v i r o n m e n t n o w ，z i g b e ei sm a i n l ya p p l i e dt ot h es t a t i cn e t w o r ke n v i r o n m e n t ， l a c k i n gt h ea p p l i c a t i o nt oi nt h et e s t i n ga r e ao fv e h i c l ep e r f o m a n c e ，w h i c hg i v e sm y r e s e a r c hs u b j e c tm u c hb r o a d e rs p a c e f r o ma l lo v e m l lp e r s p e c t i v e ，t h i sp a p e ra n a l y s e st h i sw i r e l e s sa c q u i s i t i o ns o l u t i o n b a s e do nz i g b e et e c l l o l o g y ，a n dp u t su pt h ec o n c r e t er e a l i z a t i o no ff i r m w a r e t h i sp a p e r a l s oa n a l y s e sa n t i - j 卸m l i n ga n dd e p e n d a b i l i t ) ， o ft h i s s y s t e m z i g b e e w i r e l e s s c o m m u n i c a t i o nt e c l u l o l o g yi sac o m b i n a t i o no fh a r d w a r ea n df i m l 、v a r e ，h o l d i n gs u c h l a y e r e da r c h i t e c t u r el i k eo s i t h i sp a p e rd e e p l ys t u d i e st h er e a l i z a t i o no ff i n n w a r e ，g i v e s d e t a i l e dd i s c u s s i o no fe a c hl a y e ri nd i 仃e r e n tc h a p t e r f i r s t ，t h em a i nc h a r a c t e r i s t i c so f z i g b e eh a r d w a r ea r ea n a l y s e dp a n i c u l a r l y n e x t ，t h et e c h n o l o g i e sa s s o c i a t e dw i t ho i l c o m s u m p t i o na n ds p e e ds e n s o ra r ei n t r o d u c e d ，a n dm i c r o c h i pz i g b e ep r o t o c o ls t a c ki s c o m b i n e dt os y s t e m a t i c a l l yd i s c u s st h er e a l i z a t i o no fw h o l ez i g b e es p e c i f i c a t i o nv 1 o t h ea p p l i c a t i o nl a y e ra n d 印p l i c a t i o np r o g r a ma r ec o r m e c t e dc l o s e l y t h e r e f o r e ，i nt h e s o r w a r ed e s i g n ， c o m b i n i n gw i t ht h em a i np r o g r 锄f r a m eo fc o o r d i n a t o rn o d e ，t h e p r i m i t i v eo p e r a t i o n ，r e l a t i v ef h n c t i o na n dt h es t a t es i g no fp r o t o c 0 1s t a c ka r en a r r a t e d t h i sp a p e rm a i n l yi n t r o d u c e st h ei n t e r l l j p tp r o g r 锄o fs e n s o rn o d ea n dt t l es e n d i n ga n d r e c e i v i n gp r o c e d u r eo fz i g b e ep r o t o c o ls t a c ka f t e rd e s c r i b i n gt h er e l a t i v er e a l i z a t i o no f z i g b e ep r o t o c o ls t a c k a “a s t ，t h es y s t e mt e s t i n gr c s u l ti sg i v e n k e y w o r d s ：z i g b e e ， p e r f o 姗a n c et e s t ， d a t aa c q u i s i t i o n ，n o n - c o 吡ts p e e dt e s t ， g r a y c o d i n gt e c h n i q u e ，p i c 18 f 4 6 2 0 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得山东理工大学或其它教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示了谢意。 研究生签名：互j 南 时间：弦口年莎月2 日 关于论文使用授权的说明 本入完全了解山东理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留 送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方式在不同媒体 上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保 存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此协议) 研究生签名： 导师签名： 王南 般 时间：a 磐年莎月2 日 时间：加3 年易月 ， 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 第一章绪论 随着经济和社会的迅速发展，我国汽车产业和交通事业对机动车性能检测仪器 的需求量也越来越大。便携式检测仪器的使用为机动车性能检测带来极大的便利， 但与此同时，随着检测仪器体积的减小、机动车密闭性能的增加，通过直接线缆连 接传感器与测试仪器的方式逐渐失去市场。采用无线通信技术实现传感器数据采集， 可以克服空间布线上的瓶颈，使传感器安放位置更加自由、合适。因此，采用无线 通信实现传感器数据采集具有极大的实用价值。 1 1 课题研究的背景和意义 目前，国内对机动车性能指标的检测主要通过两类仪器，一类是机动车检测线， 主要用于常规性能及安全性能检测，需要有固定的厂房安装检测设备，典型应用为 交警车辆管理所、机动车生产厂商等。另一类是便携式测试仪，可用于机动车的道 路试验，直接反映机动车的实际状况，使用方便，价格便宜，应用面广。 便携式测试仪器一般采用微控制器( m c u ) 配合多路传感器组成嵌入式检测系 统进行检测。便携式测试仪器的便携性不仅应该体现在仪器的体积上，还应该体现 在所使用的传感器与仪器的连接上。在机动车性能测试中，各传感器安装于机动车 不同部位，如油耗传感器连接于发动机输油线路上，位于车体内部；光电式速度传 感器光电部件与地面间需没有遮挡，位于车体外部，与检测仪器间的直接线缆连接 及供电都十分不方便。针对这一问题，国内外已经有了无线传感器的研究与应用， 但目前采用无线技术连接传感器与便携式机动车检测仪器的应用还很少，且这些无 线传感器应用有的使用4 3 3 m h z 收费频段；有的使用的是高功耗射频模块；有的使 用自行开发的协议标准，无形间将无线传感器的使用成本和维护成本提高了许多。 针对现有便携式检测仪器的不足，本课题研究采用一种免费且具有国际标准的 近距离无线通信技术实现检测仪器与传感器的无线互连，结合相关传感器技术实现 特定的无线传感器应用，降低其使用成本和维护成本。目前主要有两种无线通信技 术标准使用2 4 g h z 免费i s m ( i n d u s t r i a ls c i e n t m cm e d i c a l ) 频段：b l u e t o o t h ( 蓝牙) 技术与z i g b e e ( 紫蜂) 技术。在充分考察这两种无线通信技术各自技术特点的基础 上，本课题提出采用新兴的z i g b e e 无线通信技术实现检测仪器与传感器的无线互 联。本课题将在深入研究z i g b e e 无线通信技术中硬件及软件抗干扰性能的基础上， 通过合适的硬件设计和数据采集算法对传感器采集数据进行采集，增强数据在无线 传输过程中的可靠性，同时减少无谓的数据传输量，实现在机动车检测复杂电磁环 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 境下实时、可靠的无线数据传输。 z i g b e e 技术成功的关键在于大量丰富而便捷的应用，而不是技术本身【2 】。z i g b e e 无线技术现在仍处于推广阶段，其推广领域主要是在远程抄表、智能家电、楼宇控 制等多节点静态传感器网络领域，在便携式机动车性能检测仪器方面的应用还是空 白，这给了本课题更大的研究应用空间；由于z i g b e e 无线通信技术具有低功耗、低 成本、高抗干扰性、免专利使用费等特点的，使得z i g b e e 无线传感器解决方案在机 动车性能检测应用中更具竞争优势；该课题的研究和开发也将具有广阔的市场前景 和良好的社会效益和经济效益。 1 2z i g b e e 与b l u e t o o t h 无线通信技术的比较 z i g b e e 和b l u e t o o t h 无线通信技术均为使用2 4 g h z 的i s m 免费频段的短距离、 低成本无线接入技术。b l u e t o o t h 技术底层基于i e e e 8 0 2 1 5 1 协议规范，采用1 6 0 0 跳秒的跳频扩频( f h s s ) 技术，二进制频移键控( f s k ) 调制方式，在间隔为1 m 壬 z 的7 9 个信道间跳变，主要应用于近距离的语言、数据传输业务以及工业线缆替代应 用；z i g b e e 技术是一种新兴的技术，底层基于i e e e 8 0 2 1 5 4 协议规范，采用直接序 列扩频( d s s s ) 技术，偏移一正交相移键控( 0 一q p s k ) 调制方式，工作于2 4 g 频 段时可以选择间隔为5 m h z 的1 6 个信道，目前正处于技术开发和应用推广阶段， 已成功应用于智能家电、工业数据采集、远程抄表等方面i j 一。 o o 。” k _ 、 、 、 、 、 l |； l 1 l 一z i h 2 1 5 i ) l 、 、 | 图1 1z i g b e e 和b l u e t o o t h 无线通信性能比较【5 】 图1 一l 对这两种无线通信技术在相同信噪比条件下的误码率进行了详细比较， 我们可以看到，在相同信噪比条件下，采用扩频通信的z i g b e e 技术在牺牲带宽的前 提下拥有比b l u e 咖m 技术更好的通信性能。 2 一 一 一 山东理工大学硕士学位论史 第一章绪论 表1 1z i g b e e 无线通信技术与b l u e t o o t h 无线通信技术对比 规范传输速率最大功耗 唤醒时间协议栈代码 f f d 节点小于3 2 k ，可裁减，r f d z i g b e e l o2 5 0 k b p s l 3 m v 小于1 5 m s 节点小于4 k ，免专利使用费 b l u e t o o t h l 1 7 2 1 k b p s 1 1 0 0 m v 2 3 s 大于2 5 0 k ，专利使用费昂贵 表1 1 对z i g b e e 和b l u e t o o t h 两种无线通信技术不同的几个显著特点进行了比 较。尽管z i g b e e 无线通信技术传输速率不如b l u e t o o t h 无线通信技术，但其在功耗、 误码率、休眠唤醒时延、协议栈大小及专利使用上的优势，是本课题选择z i g b e e 无线通信技术实现无线数据采集系统的主要原因f 6 ，7 1 。 1 3z i g b e e 无线通信技术发展与应用 1 3 1z i g b e e 无线通信技术发展概述 工业自动化对无线数据通信的需求越来越强烈，要求这种无线数据传输必须具 备高可靠性，并能抵抗工业现场的各种电磁干扰。对工业、家庭自动化控制和工业 遥测遥控领域而言，引u e t o o t h 技术协议标准显得太复杂。2 0 0 0 年的1 2 月，美国电 子和电气工程师协会( i e e e ) 成立了i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组，致力于开发一种可应用 在固定或便携设备上的，低成本、低功耗、高抗干扰能力的低速率无线连接技术佯驯。 2 0 0 1 年8 月，美国h o n e y w e l l 等公司率先发起成立z i g b e e 联盟( z i g b e e a l l i a l l c e ) ，推出了z i g b e e 无线通信技术标准，其物理层( p h y ) 和介质访问控制层 ( m a c ) 协议规范采用i e e e 8 0 2 1 5 4 协潋规范，故他们提出的z i g b e e 规范标准被 确认为i e e e 8 0 2 1 5 4 规范标准，由此z i g b e e 无线通信技术应运而生。2 0 0 2 年下半 年，英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、美国m o t o r o l a 公司以及荷兰p h i l i p s 半导体公司四大巨头共同宣布加盟z i g b e e 联盟，研发名为“z i g b e e ”的下一代无 线通信标准，这一事件成为该项技术发展过程中的里程碑。2 0 0 5 年4 月，第一家中 国企业华为技术有限公司加入这一联盟。到2 0 0 7 年9 月，z i g b e e 联盟已拥有2 2 5 个联盟会员，涵盖范围遍及六大洲的二十八个国家并在迅速发展壮大，o e m ( 原始 设备制造商) 与终端产品制造商占全球会员的百分之三十i l “，所有这些公司都参加 了负责开发z i g b e e 物理层和介质访问控制层技术标准的i e e e 8 0 2 1 5 4 工作组。 i e e e 8 0 2 1 5 4 协议标准只处理低层的p h y 层和m a c 层协议，z i g b e e 联盟对其 数据链路逻辑( d l l ) 、网络层( n w k ) 、安全服务以及应用编程接口( a p i ) 进行 了标准化，以保证各家公司推出的芯片和软件协议栈具有良好的兼容性。z i g b e e 联 盟于2 0 0 4 年1 2 月中旬推出基于i e e e 8 0 2 1 5 4 的z i g b e e 协议规范。2 0 0 5 年初z i g b e e 联盟公布了正式的z i g b e e l o 协议规范，也称z i g b e e 2 0 0 4 。经过两年的不断完善， 山东理工人学硕上学位论文第一章绪论 z i g b e e 联盟于2 0 0 6 年底推出了新一代的协议规范：z 追b e e 2 0 0 6 。z i g b e e 2 0 0 6 协议 规范对z i g b e e 技术标准进行了全方位的改进和提高，在低功耗，高可靠性等方面都 有了全面进步。 1 3 2z i g b e e 无线通信技术研究水平 在微控制器、射频收发器元件部分，f r e e s c a l e 、t i 、a t m e l 、m i c r o c h i p 、c h i p c o n 、 j e i l i l i c 等厂商皆已推出相关解决方案；在z i g b e e 协议栈部分，f i g u r e8w i r e l e s s 、 a i r b e e 、e m b e r 、h e l i c o m m 等厂商已完成开发；在z i g b e e 模组部分，华宝通讯、 m a x s t r e a m 、s h i n k o 、松下等厂商皆有相关产品；在z i g b e e 网关部分，诺基亚、爱 立信等厂商投入g s m 舢m t s 结合z i g b e e 技术的网关开发，而台湾网络通信厂商华 硕及正文科技则是投入研发w i f i 结合z i g b e e 技术的网关。 c h i p c o n 、f r e e s c a l e 、c o m p x s 、e m b e r 四家公司早在2 0 0 5 年4 月就通过了z i g b e e 联盟对其射频收发芯片产品所做的测试和兼容性验证。在这一市场上，以c h i p c o n 公司的市场占有率最高，c h i p c o n 于2 0 0 3 年推出第一代射频收发器c c 2 4 2 0 ，这一 芯片是各种z i g b e e 应用广为采用的芯片，至今累计出货量已超过1 0 0 万颗。c l l i p c o n 在买下f i g u r e8w i r e l e s s 后，于2 0 0 5 年9 月推出c c 2 4 3 0 ，该产品为整合射频收发 器、微控制器及z s t a c k 协议栈软件的s o c 芯片。j e i l l l i c 的z i g b e es o c 解决方案已 于2 0 0 5 年1 0 月投入量产，可算是第一个量产z i g b e es o c 解决方案的芯片商。该公 司自主研发m c u 、射频收发器及协议栈软件，5 1 2 l 是第一颗符合i e e e 8 0 2 1 5 4 及z i g b e e 协议规范的s o c 。2 0 0 6 年t i 公司在并购c h i p c o n 公司后提供了完整的 z i g b e e 解决方案，同时推出了多款c c 2 4 3 1 系列z i g b e es o c 芯片，并提供业内领先 的z s t a c k 软件栈免费下载。目前国内唯一推出z i g b e e 解决方案的只有达盛电子， 该公司拥有u z 2 4 0 0 系列射频收发器，可通过外挂m c u ( 可选择t i 、m i c r o c h i p 或 s i l i c o nl a b s ) 实现z i g b e e 通信j 。 在应用案例方面，结合长距离通信，h e l i c o m m 在美国交通运输、电力抄表、军 事以及安全监控方面等应用都有成功的应用案例，还协同海尔科技开发整套智能家 庭网络系统。政府的计划也给了z i g b e e 更多的应用和发展空间。据报道，美国能源 部已经决定雇佣h o n e y w e l l 公司，希望通过使用z i g b e e 传感器，能够在钢铁、铝等 六个行业中将能源成本降低1 5 。2 0 0 7 年9 月在北京召开的z i g b e e 联盟无线解决 方案论坛大会中，各大厂商都展示了自己的产品。其中特别引人注目的有a l e k t r o 衄a 公司开发的基于c c 2 4 2 0 的z i g b e e 网桥，可以和e x e g i n 公司的z i g b e e 网关对接； 台湾u b e c 演示的基于u - n e t 的组网情况，这是所有参展厂商中带节点最多的， u - n e t 支持树状网络，不支持m e s h 网络；中国自动仪表读取( a m r ) 系统方案 供应商华立仪表与e m b e r 合作推出了一系列基于e m b e r 平台的电表和z i g b e e 模块， 已经在江西鹰潭等地部署了超过l 万个节点。到2 0 0 7 年9 月，这些z i g b e e 数字表 4 山东理工人学坝 j 学位论文第- - 章绪论 节点已连续稳定运行6 个月，这可以霜作z i g b e e 在【f 1 国推广和应用的里程碑事件。 1 3 3z i g b e e 无线通信技术的发展前景 无线传感器技术应用f l 益广泛，越来越多的测控设备与上位机通过无线方式进 行通信。目前国内已有自动读表系统、门禁系统、灯光控制系统厂商丌始引入成熟 的z i g b e e 解决方案，更多的应用正在丌发中。z i g b e e 联盟的目标是在z i g b e e 产品 发展的初期，以工业或企、i k 市场的感应式网络为主，再逐渐将目前i ，场扩展至家庭 l f l 的应用。图1 2 为z i g b e e 联盟宣传幻灯片中已开发实现的应用描述。 耄全芸薹卡适当盛控 i i 匿 吕口目 车= 田 z i g b e e 无线控制所进行的 工作简介 t 、， v c r d 、d - c 口 蠢旦飘 出入控刮 草坪花园灌溉 图1 2z i g b e e 应用领域概述 根据z i g b e e 联盟目前的设想，z i g b e e 的目标市场有p c 外没( 鼠标、键盈等) 、 消费类电子设备( t v 、v c r 等设备的遥控装置) 、家庭内智能控制( 照明、煤气计 量控制等) 、玩具( 电子宠物) 、医护( 监视器和传感器) 、工控( 传感器、e i 动控制 设备) 等非常广阔的领域【l 。 m c u 是z i g b e e 应用的核心。随着z i g b e e 各式应用的发展，具体应用对于m c u 的需求也火相径庭，不可能有一颗m c u 可以满足所有应用要求，在不同市场上将 有各自适合的m c u ，所以未来的z i g b e e 市场主导权应该是掌握在m c u 厂商手中。 2 0 0 7 年有多家z i g b e e 芯片厂商推出新一代的z i g b e e 射频：t ! ! ：= 片，将单片机和射频芯 片整合在一起的s o c 也已经蓄势待发。 2 0 0 5 年全球z i g b e e 器件的出货量达到l o o 万片，2 0 0 7 年z i g b e e 设备市场与配 件收益计算的增长达8 0 亿美元。市场研究调查机构i n s t a tm d r 的报告显示，全球 z i g b e e 市场在2 0 0 4 2 0 0 9 年，将以2 0 0 的年复合增长率快速攀升，预计2 0 0 9 年 时出货量将达1 5 亿套。 1 4 本课题的主要研究内容及创新点 本课题来源于王振友教授的校级科研基金项目“基于a r m 的便携式机动车性 能检测仪器的研究”。该研究是在现有检测仪器的基础上，研制以a r m 为核心，配 盐田 理锗理管控管产程境湃资过环鬣 山东理工大学硕：上学位论文第一章绪论 以各种传感器并采用l c d 即时显示测试曲线的便携式、多功能、智能型新一代机动 车性能检测系统。本研究属于其中的子课题，实现一个无线数据采集子系统，将 z i g b e e 无线通信技术应用在便携式机动车性能检测仪器传感器与测试仪器的无线 连接中，取代设备与传感器之间的直接线缆连接，改变设备的集中式数据采集方式， 增加设备的便携性、提高系统的实时性。 1 4 1 本课题的主要研究内容 1 z i g b e e 技术目前主要应用于工业控制、医护、家庭智能控制等静态低速网 络领域。本课题将对z i g b e e 无线通信技术所采用的直接序列扩频( d s s s ) 技术及 其偏移正交相移键控( o q p s k ) 调制方法【l2 j 进行研究，采取合理的软、硬设计方 式，实现在相对强干扰慢速运动的机动车检测环境下实时、可靠地传输数据。 2 z i g b e e 技术是一种无线通信标准，其核心是z i g b e e 协议栈软件以及建立 在上面的应用。本课题的研究与实现基于m i c r o c h i p 公司的p i c d e mz d e m ok i t l i 引。 该演示工具包提供免费的z i g b e e l o 协议栈源代码、两个z i g b e e 无线节点。本课题 将在深入研究z i g b e e 抗干扰及抗多径性能的基础上，学习使用m i c r o c h i p 公司的免 费z i g b e e 协议栈1 1 4 j 及开发工具，重新设计电路板，将传感器和z i g b e e 模块进行整 合，实现z i g b e e 无线传感器节点。 3 、本课题将对采用的非接触速度传感器以及柱塞式油耗传感器进行研究，在充 分学习理解m i c r o c h i p 实现的z i g b e e 协议栈软件的基础上，针对各传感器信号不同 的特点，编写传感器信号处理及z i g b e e 协议栈应用层代码，对传感器采集信号进行 处理以减少数据传输量和提高无线信道占空比，实现便携式机动车性能检测仪器与 传感器数据的可靠无线传输。 1 4 2 本课题的创新点 1 将z i g b e e 无线通信技术应用于机动车性能检测仪器，形成特定的z i g b e e 无线传感器应用。 z i g b e e 无线通信技术仍处于推广阶段，其具体应用必须与特定的传感器技术相 结合。目前在国内便携式机动车性能检测领域还没有z i g b e e 无线传感器技术的应 用，但是这一技术拥有足够的优势进入这一领域。对于z i g b e e 无线通信技术的研究 与应用将使我们的便携式机动车性能检测仪器处于国内领先水平。 2 对z i g b e e 协议栈进行研究，结合传感器技术优化协议栈软件及相关处理过 程，提高所开发的z i g b e e 无线数据采集系统传感器信号采集的实时性。 在机动车性能检测仪器中，传感器与仪器之间只需要通过星形网络拓扑结构进 行连接，不需要使用路由等功能。所以可以通过对f f d 设备z i g b e e 协议栈的网络 层进行配置和优化以提高其处理速度，同时研究传感器信号采集处理技术，平衡两 6 山东理工大学硕士学位论文第一章绪论 者对系统资源的占用，提高数据采集的实时性，使z i g b e e 无线通信技术更加适合机 动车检测仪器使用。 3 对z i g b e e 模块在机动车运动中的抗干扰及抗多径效应进行研究。 z i g b e e 技术目前的应用领域大部分属于静态网络环境。本课题所研究的机动车 性能检测应用领域，由于发动机、点火线圈等干扰源干扰频带宽且随机性强，故需 对所采用的z i g b e e 无线通信技术抗干扰能力进行深入研究，采取软件、硬件方式抑 制干扰，满足信号采集的实时性及可靠性要求。本课题中便携式仪器位于车内，射 频收发器件间基本没有相对位移，不需要考虑多普勒频移的影响，但本课题采用的 天线为全方向天线，亦存在一定的多径效应。 1 5 本文结构 本课题采用z i g b e e 无线通信技术及相关传感器技术实现了一个无线数据采集 系统。z i g b e e 协议栈包括软件、硬件两部分，且对其的研究贯穿整个课题，故对其 协议栈各层的研究将分散在本文不同章节中，与相关传感器技术紧密结合。本文共 有六章： 第一章介绍便携式机动车检测仪器及其在无线传感器领域的发展趋势，由此引 出课题的研究目的和意义。对比b l u e t o o t h 和z i g b e e 无线通信技术的优劣，阐述选 择z i g b e e 的理由；随后对z i g b e e 无线通信技术的发展、应用和前景进行了介绍， 并由此引出了本课题的主要研究内容、创新点；最后介绍了本文的结构。 第二章介绍了本课题设计实现的无线数据采集系统的整体结构和设计思想。介 绍了直接扩频系统，对其主要干扰进行理论分析，并从z i g b e e 协议栈的物理层和介 质访问控制层采用的关键技术：d s s s 扩展调制、o q p s k 调制方法、c r c 1 6 校验 码和c s m c a 机制四个方面对z i g b e e 无线通信技术的干扰抑制措施进行了详尽论 述。 第三章对z i g b e e 无线传感器节点数据采集的关键技术进行了详细论述。首先 论述了油耗传感器和速度传感器节点采用的相关信号处理技术，随后结合m i c r o c h i p z i g b e e 协议栈对z i g b e e 协议各层实现进行了论述。 第四章详细介绍了系统硬件的选型，并给出相关的电路设计；分析了数据采集 过程中存在的干扰，并论述了提高系统抗干扰性能、增强系统可靠性所采取的措施。 第五章确立系统软件设计的总体思想。设计中首先结合协调器节点主程序结构 分析介绍应用层相关操作原语和相关函数，随后构建应用层相应命令帧和串行通信 数据帧，对z i g b e e 传感器节点数据采集功能和协调器节点的软件实现进行详细论 述。最后对实现的无线采集系统进行实验验证。 第六章对本课题进行总结和展望。 7 山东理r t 人学硕士学位论文第二章系统设计实施方案 第二章系统设计实施方案 本章将给出本课题设计实现的无线数据采集系统的整体结构和设计思想，从理 论上对其干扰的主要来源进行分析，并对z i g b e e 协议栈p h y 层和m a c 层干扰抑 制的关键技术进行论述。 2 1 系统总体设计方案 本课题以m i c r o c h i p 公司p i c d e mz 演示开发包的z i g b e e 节点参考设计为原型， 设计实现了一个多节点的无线数据采集系统，采用星形网络拓扑结构进行数据的无 线传输。在各个传感器节点分别通过使用m i c r o c h i p 公司的高性能微处理器 p i c l 8 f 4 6 2 0 实现速度传感器、油耗传感器以及制动开关信号的采集，并进行前端处 理以减小无线信道的数据传输量，配合c h i p c o n 公司的2 4 gi e e e 8 0 2 1 5 4 射频收发 器c c 2 4 2 0 实现多节点z i g b e e 无线通信。在测试仪器端，采用一个z i g b e e 协调器 节点对各节点数据进行收集，同时利用串行接口将数据传送给手持式测试仪器。 2 1 1z i g b e e 无线数据采集系统基本原理及结构框图 本课题所研究的无线数据采集系统的原理是：通过各种传感器从机动车有关部 位采集到速度、油耗及制动信号，经调理电路调理后，由各传感器节点进行预先处 理以减小数据通信量，然后通过z i g b e e 无线通信技术将采集的数据送往协调器节 点。协调器节点将各传感器数据重新组织后通过串行接口将数据传输给便携式检测 仪器。采用无线传感器技术，必须考虑到相应无线节点的功耗和实时性。该无线数 据采集系统具备了下列功能： 1 自动采集数据：各终端节点开机启动c c 2 4 2 0r f 收发器，同手持仪器端协 调器节点组网绑定后即进入休眠状态；定期唤醒并接收协调器节点的命令，启动或 停止数据的采集、处理和发送，兼顾了系统采集的实时性和无线节点的功耗。 2 自动进行数据分析处理：在传感器节点处通过信号调理电路及高性能的微处 理器对信号进行采集，保持较高的前端数据采样速度；并根据相关参数对原始数据 进行处理，发送经过编码的中间测试结果，以减轻无线通信的数据量，提高无线信 道的占空比。 3 通过z i g b e e 无线技术输出传感器采集结果：协调器节点对收到的各传感器 数据进行解码，重新组织数据，通过串行接口传输到便携式手持设备。 4 系统监控、电源监控：在各节点程序设计中，采用w d t 技术，在系统遇到 8 山东理一 大学硕上学位论文第一二章系统设计实施方案 不可抗干扰发生程序跑飞的情况下，可以迅速自动复位，保证数据采集的完成：传 感器节点使用电池供电，合理利用了c c 2 4 2 0 芯片的电压监控功能，对系统电源进 行监控，当电压过低时，提醒用户更换电池。 总体结构框图如图2 1 所示。 图2 1系统总体结构图 由图中可看出，本课题实现的无线数据采集系统采用星形网络拓扑结构，主要 有两大组成部分：z i g b e e 协调器节点和z i g b e e 无线传感器节点。星型网络由一个 z i g b e e 协议协调器和一个或多个终端设备组成，在星型网络中，所有终端设备都只 与协调器通信。如果终端设备需要向其他终端设备传输数据，它会向协调器发送其 数据。然后，协调器再将数据转发给接收方。本课题终端设备为各传感器节点，它 们之间不需要进行通信。机动车行驶时干扰较为严重，故各传感器节点电路均采用 金属屏蔽以减少干扰，其中油耗传感器采用带有屏蔽线缆的吸盘天线，使天线远离 机动车发动机。 2 1 2z i g b e e 协调器节点 在该系统中，z i g b e e 协调器节点为一个z i g b e e 全功能设备( f f d ：f u l l f u n c t i o n d e v i c e ) ，其作用是实现对多个z i g b e e 传感器节点实时数据的收集，同时将数据通 过串行接口传送给手持设备或便携式计算机进行处理和显示；转发上位机命令，对 传感器节点相关采集参数进行调整。其结构图如图2 2 所示。 便携式机动 车检测设备 图2 2 协调器节点结构图 z i g b e e 协调器节点主要包括串行通信接口模块、微处理器模块及射频模块。为 9 山东理工大学硕士学位论文第二章系统设计实施方案 节省节点电量，串行接口模块采用串口取电方式实现通过r s 2 3 2 标准与手持设备 或便携式计算机进行串口通信；同时提供t t l 电平标准接口，可实现与手持设备单 片机t t l 串口接口引脚的直接连接。微处理器和射频收发模块实现z i g b e e 协调器 设备，负责协调处理各传感器节点的数据。微处理器模块同时负责向各传感器节点 发送指令以及将获取的数据传送给手持设备。 2 1 3z i g b e e 无线传感器节点 在该系统中，z i g b e e 无线传感器节点为z i g b e e 精简功能设备( r f d ：r e d u c e d - f u n c t i o nd e v i c e ) ，其作用是实现各传感器数据的采集和预先处理，以及与z i g b e e 协调器节点的实时数据传递。传感器节点相应的无线通信处理任务较为简单，采样 间隔时间内发送采集的数据，故采样时间内处理器可专注于完成传感器信号采集及 处理的任务。各无线传感器结原理图如图2 3 、图2 4 、图2 5 所示。 图2 3 油耗传感器节点结构图图2 4 制动开关节点结构图 图2 5 速度传感器节点结构图 z i g b e e 传感器节点包括传感器模块、信号调理模块、微处理器及射频模块，负 责数据的采集、前端处理以及无线传输。传感器模块用来将被测物理量转化成可量 化的电压或电流信号，本课题研究的z i g b e e 无线传感器节点中采用了三类传感器来 获取所需信号。信号调理模块是被测对象信号到测试系统的信号通路，其作用在于 实现信号的分配、转接和调理，如将不适合微处理器直接采集的周期信号转换为具 有较陡边缘的脉冲信号、将电流信号转换为可以使用a d 转换器采集的电压信号等。 微处理器和射频收发模块实现z i g b e e 终端设备( e n dd e v i c e ) ，负责传输数据给协 调器设备。微处理器模块同时还负责传感器数据的采集和处理。 2 2zig b e e 无线采集系统设计方案论证 机动车上电磁干扰的主要来源是电机干扰源、点火线圈干扰源、高压导线干扰 源、继电器和其他开关设备干扰源等。其中干扰无线设备最严重的部分是发动机点 1 0 山东理工人学硕士学位论文第二章系统设计实施方案 火线圈，其次是机动车电源系统和机动车仪表系统干扰源引。本章分析无线通信中 的干扰并对抑制措施进行理论论述，具体的数据采集系统干扰抑制详细论述见第四 章4 3 节。 b l u e t o o t h 、c d m a 等无线通信技术已经广泛应用于车载系统，本课题将研究使 用z i g b e e 无线通信技术实现机动车检测数据的无线传输。下面对z i g b e e 无线通信 技术中相关干扰进行理论分析，并就z i g b e e 协议栈的物理层和介质访问控制层采用 的抗干扰技术进行论述【l 引。 2 2 1z i g b e e 直序扩频技术概述及主要干扰分析 香农的信道容量理论指出，在高斯通道中，系统的传输带宽w 、信道容量c 和 信号噪声功率比s n 三者满足关系： c = 形l o g2 ( 1 + s ) 。 显然对固定的噪声比，增大系统传输带宽可以降低信息差错率；信噪比减小时， 增大系统传输带宽可以维持信道容量不变。而香农的最佳信号理论指出