基于zigbee的车辆数据采集传感器的研究论文

1、摘要随着我国社会经济的发展，汽车逐渐走进千家万户，成为人类日常生活的重要交通工具。为使道路交通适应国民经济的发展，实现城市道路交通的智能化、科学化管理，做好道路交通车辆信息的正确采集和及时传递至关重要。及时准确了解道路车辆信息，不仅可以实现对路面的实时管理，使道路交通高质量、高效率地运行，还可以为交通预测、道路等决策部门提供参考。规划、建设。本文首先分析了现有车辆性能检测仪器的不足，根据其发展的实际需要，提出了一种利用ZigBee技术实现车辆性能检测传感器数据采集的新方法。其次，完成了传感器电路硬件的具体设计，利用磁阻传感器的工作原理，通过磁阻传感器检测通过采集仪的车辆的类型和速度。最后,本文

2、设计了基于CC2430芯片ZigBee无线通信技术的数据采集系统,并完成了基于Zigbee协议栈Z-Stack的系统软件功能设计,开发了过车传感器应用软件。目前ZigBee技术还没有具体应用到车辆性能检测领域，这给了这个课题更大的研究和应用空间。关键词：交通量，磁阻传感器，zigbee无线通信技术，嵌入式系统目录 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc261681792 目录 PAGEREF _Toc261681792 h 7 HYPERLINK l _Toc261681793 1简介 PAGEREF _Toc261681793 h 1 HYPERLINK l _To

3、c261681794 1.1本课题的研究目的和意义 PAGEREF _Toc261681794 h 1 HYPERLINK l _Toc261681795 1.2国外交通数据采集系统发展现状 PAGEREF _Toc261681795 h 2 HYPERLINK l _Toc261681796 1.2.1国外发展现状 PAGEREF _Toc261681796 h 2 HYPERLINK l _Toc261681797 1.2.2国家发展现状 PAGEREF _Toc261681797 h 3 HYPERLINK l _Toc261681798 1.2.3常用车辆检测传感器 PAGEREF _

4、Toc261681798 h 3 HYPERLINK l _Toc261681799 1.3本课题研究内容 PAGEREF _Toc261681799 h 5 HYPERLINK l _Toc261681800 2 .传递传感器相关技术 PAGEREF _Toc261681800 h 6 HYPERLINK l _Toc261681801 2.1嵌入式技术 PAGEREF _Toc261681801 h 6 HYPERLINK l _Toc261681802 2.2磁阻传感器的工作原理 PAGEREF _Toc261681802 h 6 HYPERLINK l _Toc261681803 2.

5、2.1磁阻效应 PAGEREF _Toc261681803 h 7 HYPERLINK l _Toc261681804 2.1.2磁阻传感器在车辆检测中的应用 PAGEREF _Toc261681804 h 7 HYPERLINK l _Toc261681805 2.3 Zigbee网络技术 PAGEREF _Toc261681805 h 9 HYPERLINK l _Toc261681806 Zigbee 网络各层帧结构 PAGEREF _Toc261681806 h 10 HYPERLINK l _Toc261681807 2.3.3 ZigBee技术原语 PAGEREF _Toc2616

6、81807 h 13 HYPERLINK l _Toc261681808 2.3.4 ZigBee网络拓扑 PAGEREF _Toc261681808 h 14 HYPERLINK l _Toc261681809 2.3.5 Zigbee网络形成 PAGEREF _Toc261681809 h 15 HYPERLINK l _Toc261681810 2.5章节总结 PAGEREF _Toc261681810 h 15 HYPERLINK l _Toc261681811 3.过车传感器硬件系统设计 PAGEREF _Toc261681811 h 17 HYPERLINK l _Toc26168

7、1812 3.1系统设计原理及硬件架构 PAGEREF _Toc261681812 h 17 HYPERLINK l _Toc261681813 3.2硬件设备的选择 PAGEREF _Toc261681813 h 18 HYPERLINK l _Toc261681814 3.2.1磁阻传感器 PAGEREF _Toc261681814 h 18 HYPERLINK l _Toc261681815 3.2.2 A/D转换器 PAGEREF _Toc261681815 h 19 HYPERLINK l _Toc261681816 3.2.3无线通信芯片CC2430 PAGEREF _Toc261

8、681816 h 20 HYPERLINK l _Toc261681817 3.2.4电源模块 PAGEREF _Toc261681817 h 22 HYPERLINK l _Toc261681818 3.3与通过传感器相关的通信 PAGEREF _Toc261681818 h 22 HYPERLINK l _Toc261681819 3.4章节总结 PAGEREF _Toc261681819 h 25 HYPERLINK l _Toc261681820 4.通过传感器硬件电路及驱动开发 PAGEREF _Toc261681820 h 26 HYPERLINK l _Toc261681821

9、4.1传感器电路 PAGEREF _Toc261681821 h 26 HYPERLINK l _Toc261681822 4.1.1 CPU电路 PAGEREF _Toc261681822 h 26 HYPERLINK l _Toc261681823 4.1.2 A/D转换电路 PAGEREF _Toc261681823 h 27 HYPERLINK l _Toc261681824 4.1.3数据存储器电路 PAGEREF _Toc261681824 h 27 HYPERLINK l _Toc261681825 4.1.4电源电路 PAGEREF _Toc261681825 h 27 HYP

10、ERLINK l _Toc261681826 4.2驱动程序的发展 PAGEREF _Toc261681826 h 28 HYPERLINK l _Toc261681827 4.3通过传感器的驱动程序 PAGEREF _Toc261681827 h 29 HYPERLINK l _Toc261681828 4.3.1数据存储器的操作功能 PAGEREF _Toc261681828 h 29 HYPERLINK l _Toc261681829 4.3.2 A/D转换器操作功能 PAGEREF _Toc261681829 h 33 HYPERLINK l _Toc261681830 4.4章节总结

11、 PAGEREF _Toc261681830 h 34 HYPERLINK l _Toc261681831 5.车辆通过传感器应用软件开发 PAGEREF _Toc261681831 h 35 HYPERLINK l _Toc261681832 5.1开发环境 PAGEREF _Toc261681832 h 35 HYPERLINK l _Toc261681833 5.2实时多任务软件开发 PAGEREF _Toc261681833 h 36 HYPERLINK l _Toc261681834 5.2 Zigbee协议栈Z-Stack PAGEREF _Toc261681834 h 37 HY

12、PERLINK l _Toc261681835 5.2.1 Z-Stack结构及相关概念 PAGEREF _Toc261681835 h 37 HYPERLINK l _Toc261681836 Z-Stack 38下的应用软件开发 PAGEREF _Toc261681836 h HYPERLINK l _Toc261681837 5.3应用软件的功能设计 PAGEREF _Toc261681837 h 41 HYPERLINK l _Toc261681838 5.4应用软件开发 PAGEREF _Toc261681838 h 42 HYPERLINK l _Toc261681839 5.4.

13、1车辆数据收集 PAGEREF _Toc261681839 h 42 HYPERLINK l _Toc261681840 5.4.2车辆数据的存储 PAGEREF _Toc261681840 h 43 HYPERLINK l _Toc261681841 5.4.3数据传输 PAGEREF _Toc261681841 h 45 HYPERLINK l _Toc261681842 5.4.4 PC 命令总结 PAGEREF _Toc261681842 h 45 HYPERLINK l _Toc261681843 5.5章节总结 PAGEREF _Toc261681843 h 46 HYPERLIN

14、K l _Toc261681844 6.结论与展望 PAGEREF _Toc261681844 h 47 HYPERLINK l _Toc261681845 参考文献 PAGEREF _Toc261681845 h 48 HYPERLINK l _Toc261681846 到 PAGEREF _Toc261681846 h 501 简介道路交通是国民经济发展的重点，交通调查的任务将更加重要。交通管理、科研、设计工作也必须适应互联网时代的社会发展。因此，开发一种新型的交通采集系统，对于提高公路部门的技术和管理水平，适应网络时代的发展具有重要意义。1.1本研究的目的和意义“十一五”期间，道路交通对

15、国民经济发展具有重要意义，特别是在交通信息资源整合利用、提高交通行业信息化监管水平、加强综合交通运输等方面运营分析辅助决策，提升公共交通信息服务质量。等方面实现重点突破。随着汽车普及率的不断提高，公路网建设的不断发展，城市路网密度和道路交通流量也在不断增加，交通状况调查的任务将更加艰巨。交通管理、科研、设计等工作也必须适应互联网时代的社会发展。因此，开发一种新型的交通采集系统，对于提高公路部门的技术和管理水平，适应互联网时代的发展具有重要意义。 1为适应社会的快速进步，智能交通建设被提上日程，智能交通装备在各地交通道路管理中得到普及。通过这些交通智能设备收集和处理交通流量、速度、饱和度等交通数

16、据，并以直观的方式实时反馈给交通管理部门。以实现道路交通的智能化、信息化管理。在交通发展规划和未来交通需求预测工作中，交通数据的采集是不可缺少的环节和步骤，是规划内容的重要组成部分，是决策和规划的依据和依据。在描述交通的三个基本交通参数中，交通量信息是反映交通状况的最重要的参数。通过对交通量信息的分析整理，可以了解交通量的时空分布、交通量的各种变化规律以及影响交通量数据的各种因素，从而为路网规划、交通安全、道路交通等提供信息。为设计和施工的各个环节提供坚实可靠的依据。 2通过对交通量的分析，交通工作者可以准确掌握交通现状及其变化规律，也为实现适合未来交通需求的道路工程设施和交通管控方法提供依据

17、.目前国外广泛使用的车流量数据采集系统包括线圈检测设备、视频检测设备、道路雷达检测、 GPS浮动车辆检测等，但大部分检测设施需要路面铺设和现场人员操作，不能满足目前的路网。管理和智能交通要求。随着计算机技术、网络技术、微电子技术和传感器技术的飞速发展，检测仪器正朝着小型化、智能化、网络化的方向发展。公路交通检测仪器的发展也不例外，也应向小型化、智能化、网络化方向发展。无线通信技术的使用，不仅提高了检测仪器的技术水平，而且在高速公路的环境方面也保证了中介人员的人身安全。为适应交通量不断增长的趋势，交通量采集系统应具有更高的精度和大容量的数据存储。还应有网络接口和移动存储接口，以适应计算机应用的发

18、展和道路交通管理和科学研究的需要。1.2 国外交通数据采集系统发展现状交通量检测系统利用一定的车辆检测技术，将交通流量信息等物理量形式的信息转化为电子量，然后通过传输线传输到信号控制器的信息处理部分进行处理。它是一种城市交通道路控制系统。不可或缺的组件主要是通过数据采集和设备监控来监控交通数据。1.2.1国外发展现状美国作为世界上公路建设里程最多、公路网最发达、人均汽车占有率最高的发达国家，充分利用其强大的资金支持和车载通信等通信技术优势和卫星通信成为道路上的领先者 是车辆检测技术最先进、最成熟的国家之一。美国计划在 2000 年至 2011 年的 10 年间投资高达 2000 亿美元建设国家

19、 ITS，利用现代通信技术、智能控制技术和计算机技术，加强和提高高速公路监控和车辆检测能力，然后到整个公共交通。科学管理和维护网络，可以减少高速公路造成的交通事故，减少交通事故造成的严重损失。为满足现代智能交通“高速、安全、智能、舒适”的要求，日本的实时路面检测系统也取得了一定的成果，投入了大量的人力、物力和资金，组织了“动态路径感应系统”的实验。并成立了“车路交通智能协会”，建设部、工商部、交通运输部、公安部门密切配合，参与了智能交通系统的建设，确保道路上的每一辆车都畅通无阻。在监控系统中。检测领域，在日本目前上路的车辆中，有超过200万辆汽车配备了车载导航定位设备。该设备可以为驾驶员提供实

20、时道路信息服务。集成了车辆行驶信息、驾驶员个人信息和监控中心之间的通信系统。1980年代，欧洲国家为了提高路测设备的更新换代，投入超过50亿美元。欧盟国务部建立了交通运输专用无线数据通信网络，使车辆控制、信息服务和电子收费系统有机统一在一个完整的监控指挥系统中，同时利用地球同步卫星准确定位和确认交通事故等交通预警系统，实现高速公路上车辆的安全运行。 3国外生产交通采集器的主要国家有：美国、澳大利亚、英国、瑞典等。进口的仪器大部分是美国和澳大利亚生产的仪器。国外仪器的特点是运行稳定、抗干扰能力强、使用方便。这些仪器在结构上一般采用上位机和下位机的形式。仪表作为下位机，按照给定的要求采集车辆数据，

21、经过简单的数据处理后，存储在仪表的数据存储器中或直接传输给上位机。各种复杂的数据处理和统计分析工作由上位机完成。数据传输方式有串口、USB接口或红外接口。供电方式采用电池供电或太阳能供电。在我国使用时的主要问题是：价格昂贵，不适合一般使用；由于使用环境不同，国外仪器在使用过程中会遇到一些困难，比如传感器容易丢失，交通流量比国外密集，导致统计精度下降；维护困难。1.2.2国家发展现状与欧美相比，我国智能公交系统的发展起步较晚。 1970年代，从国外引进了一些相关项目，开展了一些智能交通系统或与智能交通系统相关的基础项目的研究和应用，但仅限于城市交通信号控制实验。 1990年代中期以来，我国开始研

22、究开发地理信息系统GIS和全球定位系统GPS在交通运输方面的战略和应用。 2001年，交通部公路科学研究所国家智能交通工程研究中心制定了中国智能交通系统体系框架，为我国道路检测的发展指明了方向。在制定国家发展“十一五”规划和2010年远景规划时，ITS已作为重要项目列入战略研究计划。目前，我国已成立国家ITS协调组，组织完成了中国ITS标准体系框架研究、ITS系统发展战略研究等一批重点项目，将道路车辆信息检测与监测作为智能交通管理的重要组成部分。内容。 4然而，目前各省市车辆信息采集系统所使用的软硬件五花八门，无法有效协调和集成。跨区域建立大规模、大规模的车辆检测系统是一个巨大的障碍。我国目前

23、生产的仪表有计数器、计轴器、电磁感应线圈交通量采集器、红外交通量采集器。总的来说，工作的稳定性较差，部分技术落后。随着时间的推移，该仪器已经无法满足当前的流量统计需求。主要问题是：数据存储容量太小，串口主要用来和电脑通讯，速度慢，没有网络接口，不能满足目前路网管理和智能化的要求运输。1.2.3常见的车辆检测传感器车辆检测传感器的种类很多，其工作原理各不相同，但有两个基本功能：一是检测车辆的存在和外观，二是检测车辆通过时的运动和状态。总则车辆检测器至少具备以上两种功能。基本功能之一。 6目前，车辆检测传感器按工作原理主要分为以下几类：1.压敏型压敏探测器一般用于早期交通数据采集。车辆经过时，通过

24、检测压力变化来采集数据，然后将压力数据变化转化为数字信号分析处理。由于其检测信息量少，自动化程度不高，逐渐被新型探测器所取代。2.金属感应式这种检测器是世界上最常用的检测设备。它一般采用电磁感应传感器，通过检测车辆经过时产生的电磁感应变化，来计算车速、流量、时间占用和交通长度。参数上传至控制装置，具有易于掌握、计数准确、成本低的优点。3.超声波感应式超声波检测器一般使用设置在车道上方的超声波探头，接收超声波发生器发射的超声波束和车辆反射的超声波回波，从而对车辆进行检测。优点是设备体积小，检测精度高。该设备安装在每条车道上方，无需切割路面。缺点是检测精度受环境温度和气流影响较大。4.视频图像类型

25、视频图像检测器也是各国常用的检测方法。行驶在道路上的车辆通过摄像设备拍摄为图像，然后通过视频图像技术对图像信息进行处理，检测交通数据。优点是无需破坏路面，在采集交通状况数据的同时，还能提供直观的视觉图像参考。汽车的动态阴影也会干扰检测，尤其是在夜间工作时，误报率比较高。交通数据收集需要使用通信技术。借助计算机、互联网和通信技术，形成了交通检测网络。只有依靠传感器获取的实时数据，才能得到及时的处理和反馈，交管中心才能了解道路交通情况，实时监控路网。远程监控网络主要分为有线网络和无线网络两大类。(1)有线网络接入方式有线网络方式是将现场传感器采集到的数据转换成数字信号，通过以太网传输到控制终端。然

26、后控制终端对接收到的信号进行分析和处理，得出结论并将其反馈给现场。主要有以下几种有线网络传输方式。线法这种传输方式采用XSDL技术，利用现有线路进行数字信号传输，提供直接接入和不间断服务。这种方法的优点是可以使用普通网络实现信号传输，无需额外组网，可以大大降低系统成本。DDN方式DDN是数字数据网络的缩写。它主要由数字传输电路和相应的数字交叉复用设备组成。采用这种方式时，可以根据实际需要申请带宽。点对多点数字专线的优点是传输速率和质量高、协议简单、组网灵活，但DDN网络建设和维护成本高，长期使用存在局限性。光纤通道光纤通道具有传输质量高、通道稳定的优点。但目前我国光纤拉伸预制棒供应严重不足，主

27、要依赖进口。因此，光纤组网的设备成本和建设成本居高不下，无法在高速公路网络监管中广泛推广。(2) 无线网络接入无线组网采用无线信道进行数据传输，具有灵活、简单、速度快等优点，特别适用于一些路况复杂的地区组网。目前，流量监控中的无线接入方式主要有以下几种：蓝牙无线通讯蓝牙（Bluetooth）技术是一种低功耗、短距离的无线通信技术。主要优点是可以轻松建立无线连接，便携性强，应用范围广。但其通信距离短，待机功耗高。不适合道路交通数据采集。GPRS网络技术GPRS是在GSM基础上发展起来的一种新的分组交换数据承载业务，一般称为2.5G（2G和3G）通信技术。使用该网络进行交通数据传输的优势在于可以使

28、用中国移动现有的GSM网络，方便快捷，接入时间短，传输速率高。但是GPRS小区的容量是有限的，GPRS对容量的影响取决于预留的GPRS使用时隙的数量。在网络使用高峰期，数据传输容易被阻塞，实际传输速度大大降低。Zigbee 技术ZigBee技术是一种新兴的短距离无线通信技术，适用于各种电子设备之间的低功耗、低传输速率的数据传输。其网络容量大、组网灵活，非常适合用于流量采集的传感器网络。1.3 本课题研究内容传统的车辆检测方式大多需要在安装检测设备时破坏路面，不仅增加了使用和维护成本，还严重影响了路面的使用寿命。针对传统车辆检测方法存在的种种不足，本文利用电子技术、通信技术和计算机技术的新成果，

29、基于ZigBee无线网络技术，将传感器和无线通信模块集成在一起，实现了安装方便，不影响环境。小型、高稳定性、低成本的智能车辆检测传感器。本文的主要工作是分析和研究现有交通流量检测系统的特点和存在的问题，利用磁阻传感器、Zigbee无线通信技术和嵌入式系统研发一种新型的过车传感器。传感器的研究分为硬件设计和软件开发两个部分。硬件包括磁阻传感模块、信号处理电路、AD转换模块和zigbee无线通信模块。软件包括驱动程序的开发、数据采集、数据存储、数据传输和命令处理。2.传递传感器相关技术嵌入式技术已广泛应用于传感器和检测仪器。磁阻传感器由于其高灵敏度可用于车辆检测。无线通信技术大大提高了传感器的技术

30、水平和实用性。2.1 嵌入式技术嵌入式系统（embedded system）简单来说就是将专用计算机作为智能控制部件嵌入到设备本体中。嵌入式系统是以嵌入式计算机系统为核心，面向特定功能和目的的软硬件的集合。即以应用为中心，基于计算机技术，软硬件可定制，适用于对应用系统的功能、可靠性、成本、尺寸、功耗等有严格要求的特殊计算机系统。它是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音和图像数据传输技术，甚至是将传感器等先进技术与特定应用对象相结合的更新产品。嵌入式系统包括硬件和软件。硬件部分作为整个系统的物理基础，为软件运行平台与其他设备的通信提供接口；软件部分包括操作系统组件和应用程序编程。可

31、以为实际系统的运行和功能实现提供一种控制方法。一般来说，嵌入式计算机系统是整个嵌入式系统的核心，嵌入式系统主要由嵌入式外部硬件、嵌入式操作系统、嵌入式处理器和嵌入式应用软件组成。图 2.1 嵌入式系统框架示意图Fig2.1嵌入式系统框架图2.2 磁阻传感器的工作原理地球本身就是一块巨大的磁铁，它在太空中产生的磁场称为地磁场。人们使用地磁学已有大约2000年的历史。最早的磁传感器是指南针，用于指示方向。随着科学技术的进步，各种现代磁传感器不仅可以测量地球磁场的强度和方向，还可以测量金属物体运动产生的磁场、电流，甚至脑电波。由于磁传感器在检测过程中是非接触式的，可以检测到非常微弱的磁场变化，因此被

32、广泛应用于各种磁场相关的测量中。2.2.1磁阻效应MR（Magnetio Resistor）效应是一种物质的电阻在磁场作用下发生变化的物理现象。由铁磁性物质构成的双极磁铁通过纯地磁场时，会引起地磁场畸变，产生不规则磁场，如图2.2所示。图 2.2 铁磁性物质引起的磁场变化Fig2.2铁磁材料的磁场表征磁阻效应大小的物理量为MR，定义为：式中： 物质在非零磁场中的电阻率 0 磁场为零时物质的电阻率2.1.2磁阻传感器在车辆检测中的应用用于车辆检测的磁阻传感技术是基于磁偏角检测技术。磁阻传感器是由四层铁镍合金（坡莫合金）薄膜沉积在硅片上形成电阻条形电阻。这四个电阻连接起来形成一个惠斯通电桥，如图

33、2.3 所示。沿单轴的磁场强度和方向。桥臂的典型电阻为1000欧姆，典型带宽为1-5MHz 。磁阻效应高度敏感，不受线圈和振荡频率等因素的影响。此外，传感器可以在硅晶片上批量生产，以商业集成电路的形式封装。这内容磁传感器与其他电路和系统组件自动组合。图2.3惠斯通电桥图 2.3徽石桥地磁场的强度约为 500-600 毫高斯。汽车在道路上行驶时，由于其材料中含有大量的铁磁物质，可以认为是铁磁材料模型。当行驶车辆通过低场磁阻感应时，它相当于一个铁磁物体切割传感器附近的地磁场，因此会引起地面附近地磁场的扰动，而磁阻传感器可以准确地检测到地磁场的变化。地球磁场在坐标分量的 1/12000 处的强度和方

34、向。可以准确地检测到车辆经过时地球磁场的畸变。 4利用磁学原理测量地磁场沿车身纵坐标系的分量变化，通过数值计算和误差修正得到所需的车辆信息。至此，车辆检测完成。图 2.4 车辆引起的地磁场变化Fig2.4车辆引起的磁场变化三轴智能数字磁场计HMR2300具有X、Y、Z三个输出引脚，可检测传感器所在磁场三个方向的强度变化，并可直接与计算机通讯输出三轴X 、 Y和Z权重。三轴AMR磁力计安装在车道上。当车辆通过传感器时，地磁场的磁偏角发生明显变化，可用于车辆检测。图 2.5 显示了车辆距离传感器 1 英尺时的磁干扰信号的平滑曲线。图 2.5 车辆引起的地磁干扰Fig2.5车辆地磁干扰由于磁阻传感器

35、具有体积小、功耗低、安装方便、温度特性好、抗干扰能力强、误差不随时间累积等特点，适合制作小型通过传感器，安装在在不影响车辆的车道上。安全运行，同时能够准确记录交通数据。本文拟采用霍尼韦尔基于磁偏角设计的HMC2003三轴磁传感器作为车辆检测传感器。2.3 Zigbee网络技术目前市场上的短距离无线通信技术主要包括无线局域网WiFi、蓝牙和一些特殊标准（如Ad hoc网络等）的产品。一些大公司也在积极研究和制定一些新的无线网络通信技术标准，如无线USB、超宽带通信UWB（Ultra-Wideband）和WiMax（Worldwid Interoperability for Microwave A

36、ccess），以开拓市场和应用领域。 . 9ZigBee 是一种新兴的无线通信技术，具有短距离传输、低功耗、低数据速率和低成本的特点。从它诞生到现在才短短几年。该技术在无线传输领域具有以下优势：省电：其工作模式有休眠模式，收发信息时的功耗很小。在某些应用中，两节电池可以使用两年左右；高可靠性：MAC层采用完全确认的数据传输机制，即数据致时，需要等待接收方返回的确认信息；极低的成本：目前芯片的价格低于 3 美元。由于其低传输速率和免费协议，大大降低了成本；延时短：设备搜索延时典型值为30ms，休眠激活延时典型值为15ms，活动设备信道访问延时为15ms；网络容量大：一个Zigbee网络可以容纳1

37、到255个设备，使用这种技术的无线网络平台可以由多达65535个无线微功率收发器组成。综上所述，一个Zigbee网络可以扩展数千个微小的传感器节点，这些传感器功耗低，传感器节点之间可以相互通信，zigbee可以协调数千个微小传感器之间的交互。通信适应城市道路机动性，组网方式灵活，通信效率高。在现有的各种无线通信技术中，ZigBee 是功耗最小、成本最低的技术。由于ZigBee技术的这些特点，也决定了ZigBee技术适合承载小数据流量的道路检测等大规模无线组网业务。2.3.1Zigbee网络Zigbee是一种基于IEEE 802.15.4的无线通信协议，该协议定义了网络对等体之间的帧格式、含义和

38、交换方式。其结构由物理层（PHY） 、媒体接入层（MAC） 、网络层（NWK）和应用层四层框架组成。各层之间的关系分布如下图所示。图 2.6 Zigbee 协议栈结构图2.6 Zigbee 协议栈结构与服务和服务原语不同，协议定义了网络对等层之间的帧格式、含义和交换方法。每一层实体都使用协议来实现服务。对于网络各层之间的帧传输，当帧从低层传输到高层时。层传输时，每一层都会在传输的帧中加入反映本层相关信息的数据，分别成为帧的头和尾。从下到上输入时，每一层都会删除附加信息。下面是ZigBee各层的帧结构示意图：(1) 物理层根据分层网络架构，每一层都必须将自己的协议信息添加到致的数据中，以形成协议

39、数据单元 11 。物理层协议数据单元（PPDU）也称为物理层数据包，其格式如表2.2所示。表 2.1 物理层帧结构表2.1物理层帧结构4字节1 个字节1 个字节多变的前言帧分隔符帧长1 个保留位PSDU同步物理层物理层负载由于致方致连续的比特流，有一定的延迟，接收方必须与致方保持相同的时间才能正确接收数据，这称为同步。同步分为位同步和帧同步；比特同步的作用是实现比特的锁定，帧同步时实现数据包的定界和识别。致同步的方法用于引导接收端和致端实现同步，同步由4字节的前导码和1字节的帧分隔。(2) MAC层一个完整的 MAC 层帧由帧头、帧有效载荷（数据）和帧尾组成。帧头由几个字段按一定顺序排列，但并

40、非所有帧都包含所有字段。 MAC层帧结构如表2.3所示。从图中可以看出，帧头有帧控制字段、序列号、地址字段等，地址字段包含目的PAN标识、目的地址、源PAN标识、源地址。表 2.2 MAC 层帧结构表2.2 MAC层帧结构2 个字节1 个字节0/2 字节0/2/8字节0/2 字节0/2/8字节多变的2 个字节帧控制序列号目标 PAN 标识符目的地址源 PAN 标识符源地址帧有效载荷FCS地址字段MHR（MAC层帧头）MAC有效载荷MFR（帧结束）ZigBee 的 MAC 层有 4 个不同的帧：信标帧、数据帧、确认帧和命令帧。信标帧：在使用信标的网络中，网络协调器周期性地致信标以指示超帧的开始。

41、信标包含了PAN的基本信息，其整体结构与MAC层帧相同。数据帧：数据帧包含目的地址子字段或源地址子字段，根据帧控制字段的配置，帧序号应为当前macDSN的值，数据帧payload子字段的内容为上层需要MAC层传输的数据。 .确认帧：确认帧只包含控制字段、序列号和校验码。命令帧：设备通过致命令与协调建立连接。(3) 网络层网络层帧是网络层的协议数据单元（NPDU），由以下两部分组成：网络帧头，包括帧控制、地址和序列信息等；可变长度帧有效载荷，即帧传输的信息；下图是网络框架的大体结构：表 2.3 网络框架的一般结构表2.3网络框架的一般结构2 个字节2 个字节2 个字节0/1 字节0/1 字节可变

42、长度帧控制字段目的地址源地址广播半径广播序号帧有效载荷路由域网络层头网络层有效载荷帧控制字段包含帧类型、地址、序号等信息。其结构如图2.5所示表 2.4 网络帧控制字段结构网络框架的控制场结构0-12-56-78910-15框架类型协议版本发现路线预订安全预订(4) 应用层APS 帧 (APDU) 由以下两部分组成：APS头，包括帧控制和地址信息；APS 帧有效载荷，即帧传输的有效数据，具有可变长度。APS帧的结构如表2.6所示表 2.5 APS 帧结构表2.5 APS帧结构1 个字节0/1 字节0/1 字节0/2 字节0/1 字节多变的帧控制字段目标端点集群标识符模板标识符源端点帧有效载荷帧

43、地址字段APS 标头APS 有效载荷从上图可以看出，APS头由帧控制字段和地址字段组成。地址域的子域根据具体情况可能不存在。帧控制字段的长度为 1 个字节，包含有关帧类型、寻址和标志的信息。2.3.2ZigBee 网络中的设备根据设备功能的不同，IEEE 802.15.4将zigbee网络中的节点设备分为两种：全功能设备（FFD）：它可以工作在所有的网络结构中，可以作为网络中的协调器和路由器，并且可以与网络中的任何节点进行通信。缩减功能设备（RFD）：一些功能简单的设备只能与FFD通信，不能直接相互通信，不能作为网络的协调器或路由器。FFD可以提供信息的双向传输，可以在FFD和RFD之间建立直

44、接通信，而RFD只能和FFD通信，不能在RFD和RFD之间通信。 RFD的结构比较简单，所以任务也比较简单。在传感器网络中，它们的任务一般只是将采集到的数据信息致到其协调点，而RFDs不具备数据转发、路由发现和维护等功能。与FFD相比， RFD占用资源少，存储容量小，成本低。与RFD不同的是，FFD增加了存储等电路。在 ZigBee 网络中， FFD在无线传感器网络中起到汇聚节点的作用，通常称为 PAN 协调点。 ZigBee 网络中只有一个 PAN 协调点。 PAN 协调点实际上是一种特殊的 FFD。功能强大，是整个网络的主节点。主要任务有：建立新网络、设置网络参数、管理网络中的每个节点并存

45、储zigbee网络节点信息等。FFD和RFD设备都可以作为终端节点加入ZigBee网络。此外，一个普通的FFD也可以在其个人操作空间（POS）中充当一个协调点，但是这个普通的FFD仍然在PAN协调点的控制之下，这与PAN协调点不同。 ZigBee 中每个协调点直接连接的节点最多可达255 个，每个 ZigBee 网络最多可容纳65535 个节点。 19在本研究课题中，车辆通过传感器是一种RFD设备，仅负责车辆数据的采集、处理、存储和传输。2.3.3ZigBee 技术的原语在 ZigBee 协议栈中，每一层通过使用下一层提供的服务来完成自己的功能，同时向上层提供服务，网络通信在对等层进行。这些服

46、务由设备中的实体通过致服务原语来实现。所谓服务原语，就是对代表相应服务的符号和参数进行格式化、标准化的表示，与服务的具体实现无关。不同的服务原语可以有不同的编号和不同的形式参数，它们共同描述服务。 ZigBee 技术中的原语有以下四种请求原语指示原语响应原语确认原语原语的书面形式包括服务的实体、原语的功能和原语的类型。物理层数据访问类型原语以PD开头，物理层管理原语以PLME开头； MAC层数据服务原语以MCPS开头，MAC层管理服务原语以MLME开头；网络层数据服务原语以NLDE开头，网络层管理服务原语以NLME开头；应用层支持以 APSED 开头的子层数据服务原语，应用支持以 APSME

47、开头的子层管理服务原语等。表 2.6 原语的书面形式表2.1原语形式服务原语管理原语物理层PDPLMEMAC层MCPSMLME网络层NLDENLME应用层APSEDAPSME例如，物理层的检测请求原语是PLME-ED.request，MAC层与协调器的同步请求原语是MLME-SYNS.request，网络层的网络发现确认原语是NLME-NETWORK -DISCOVERY.confirm 等。原语被致到服务实体的相邻层。图元的基本概念和功能如图2.1所示图2.7。服务原语示意图图 2.7服务原语示意图图 2.7 显示了两个用户在对等层通过服务原语交换信息的示意图。 N1 用户向其 M 层致服务

48、请求，这导致 N2 用户的 M 层向 N2 用户发出指令原语，以宣布事件的发生。 N2 用户通过响应原语进行响应。 N1 的 M 层向用户致确认原语，指示气球原语的执行结果。至此，N1用户的一项服务就完成了。右图为M层应用向P层致服务原语，P层根据原语执行结果向M层返回确认原语。2.3.4ZigBee 网络拓扑ZigBee网络主要有星型网络、网状网络和混合网络三种拓扑结构。星形网络（图2.8 - a）由一个 PAN 协调点和一个或多个终端节点组成。 PAN协调点负责发起整个网络的建立和管理，所以必须是FFD ，而其他终端节点一般都是RFD，在PAN协调点的控制下直接与PAN协调点通信。星型网络

49、通常适用于节点数较少的场合。网状网络（图2.8 -b）通常是由几个 FFD 连接在一起形成的。这些 FFD之间的通信完全是点对点的。在其无线通信区域内，每个节点都可以与其他节点进行通信。 .在Mesh网络中，发起网络建立的FFD节点通常被设置为PAN协调点。由于节点都是FFD， Mesh网络具有高可靠性和“自恢复”能力。它可以为传输的数据包提供多条路径。即使一条路径失败，仍然会有另一条或更多条路径。路径可以选择。图 2.8 Zigbee 网络拓扑Fig2.8 Zigbee网络拓扑Mesh网络可以通过FFD扩展网络，形成由Mesh网络和星形网络组成的混合网络（图2.8- C）。在混合网络中，终端

50、节点采集的信息首先传输到同一子网的协调点，然后通过网关节点上传到上层网络的PAN协调点。混合网络一般适用于覆盖范围较大的网络。2.3.5Zigbee网络形成ZigBee网络，只有 PAN协调器才能组成新的 ZigBee 网络。 PAN协调器在建立新网络时，首先扫描所有信道，并选择其中一个空闲信道建立新网络。在找到合适的空闲信道后， ZigBee 协调器将选择一个 PAN 标识符来匹配新网络。一旦确定了 PAN 标识符，就意味着网络已经建立。之后，如果遇到另一个PAN coordinator扫描信道，这个网络的 coordinator将响应并声明这个新网络的存在。同时， ZigBee 协调器也会

51、给自己设置一个 16位的网络地址，通常为 0000。一个 ZigBee 网络中的所有节点都有两个地址：一个是64 位的 IEEE 扩展地址，另一个是16 位的网络地址。 16bit的网络地址也是802.15.4MAC短地址，全网唯一。中的 PAN协调器选择网络地址时，它开始接受来自其他新节点的申请加入其网络。当一个节点想要加入网络时，它首先通过信道扫描搜索它周围存在的网络。当网络被找到时，它将通过关联过程加入网络。此时， zigbee网络中具有路由功能的节点可以内容或拒绝其他节点通过它关联网络。如果网络中的一个节点在与网络失去联系后想要重新加入网络，它可以通过孤儿通知过程重新加入网络。网络中每

52、个具有路由器功能的节点都有路由表和路由发现表，通过与其他节点的关联参与数据包转发、路由发现和路由维护，从而扩展网络。ZigBee网络中传输的数据大致可以分为三类：周期性数据，这类数据的传输速率根据不同的应用而定，比如传感器网络中传输的数据；间歇性数据，这种数据传输速率根据应用或外部刺激来确定传输状态，例如电灯开关传输的数据；重复的、低响应时间的数据，这类数据的传输状态是由时隙分配决定的，比如我们电脑上无线鼠标传输的数据。为了降低 ZigBee 节点的平均功耗，ZigBee 节点可以设置为活动和睡眠两种工作状态，只有在两个节点都活动时才能完成数据传输。在有信标的网络中，ZigBee 协调点通过定

53、期向网络节点广播信标来保持整个网络的同步；在没有信标的网络中，终端节点被设置为工作周期，定时休眠，定时唤醒，并且终端节点以外的每个节点都必须始终处于活跃工作状态，每次终端节点唤醒时，将主动询问其协调点是否有数据要致给自己。在 ZigBee 网络中，当有数据包要致到休眠节点时，协调点负责缓存这些数据包。2.5 章节总结本章系统介绍了嵌入式技术、磁阻传感器原理和新型无线网络。主要介绍了Zigbee无线网络的结构、协议、网络拓扑和网络组成。3、过车传感器硬件系统设计硬件是整个传感器的基础，直接关系到传感器的功能。对于工作在复杂环境中的过车传感器来说，做好硬件设计非常重要。3.1 系统设计原理及硬件架

54、构在实践中，超车传感器往往放置在高速公路的路面上，工作条件恶劣。夏季，在阳光直射的情况下，高速公路路面温度可高达50 60体积小，厚度薄，安装后不影响车辆正常行驶整体结构坚固，经大型车辆碾压后仍能保持正常工作状态工作时间长，可靠稳定电池供电低功耗无线传输，抗干扰能力强经过的无线传感器首先收集来自磁阻传感器的信号。传感器采集到的模拟信号经过A/D转换后转换为数字信号，再由微处理器对数字信号进行处理，无线通信模块将数据传输给上位机。进一步的数据统计、分析和使用。本系统采用霍尼韦尔HM2003三轴固态低磁混合电路磁阻传感器检测车辆的受干扰地磁场。 CC2431集成了单片机模块和zigbee无线通信模

55、块。因此，无线龙CC2431模块用作数据处理和传输。模块。其硬件架构如图 3.1 所示。1616位A/D转换器数据存储数据、命令传送三轴磁阻 传感器信号处理电路CC2430C8051F CPURF射频电路图 3.1 过路传感器总体框架Fig3.1车辆传感器框架硬件设备的选择3.2.1磁阻传感器H MC2003磁阻传感器是美国霍尼韦尔公司生产的用于精确测量低磁场强度的三轴磁阻传感器的混合电路元件。该装置由高灵敏度温度补偿电路组成。该混合电路可由6 15V单电源供电，并接+2.5V参考电压，每个坐标轴都有一个模拟输出，供外部接口使用。可检测磁场强度范围可达40 2Gs ，工作温度在- 40之间。8

56、5传感器的磁敏方向为沿双列直插式混合电路的长、宽、高三个方向。 X 、 Y 、 Z磁传感器电桥电路与放大器相连，输出0-5V信号。 0高斯对应2.5V输出（典型值） ，这个电压的实际值由参考电压Vref决定。地球磁场通常为0.5高斯，放大后的电桥输出灵敏度典型值为1.0V/ Guass，输出模拟量从0.5到4.5V不等。利用这种混合电路的灵敏度和线性度，可以检测到地磁场的各种变化，以提供罗盘方向感测。因此，混合电路非常适合需要2轴或3轴磁场感应、有限体积和抗振性以及仅前端感应部分的应用。图 3.2 H MC2003 结构示意图3.2 HMC2003结构图3.2.2 A/D 转换器磁阻传感器的输

57、出是模拟信号，需要通过A/D转换读入计算机。 A/D转换器的选择需要考虑以下指标。1. 分辨率分辨率是指模数转换器在转换过程中所能分辨的最小量，习惯上用转换结果的位数来表示。分辨率表示A/D转换器将输入模拟信号数字化的精细程度。在不进行范围切换时，可以根据输入模拟信号的动态范围和需要解析的最小输入计算所需的ADC分辨率，即：(3.1)(3.2)ADC中的位数为 14。2.准确度_准确度可以用两种方式表示：绝对准确度和相对准确度。1)绝对误差在转换器中，对应于一个数字量的实际模拟输入电压与理想模拟输入电压之差的最大值被定义为“绝对误差”。绝对误差通常以数字量的最低有效位 (LSB) 的小数值表示

58、，例如 1LSB 。绝对误差包括量化误差和所有其他误差。2)相对误差指在整个转换范围内，任何数字量对应的模拟输入的实际值与理论值之差，以模拟满量程的百分比表示。例如满量程为5V，12位A/D芯片，其绝对精度为11/2LSB ，其最低位量化单位为1.22mV ，绝对精度为0.61mV ，相对准确率为0.061%3.转换时间（率）转换时间是ADC完成一次转换所用的时间。对于大多数ADC ，转换时间的倒数就是转换速率。积分A /D转换时间为毫秒级低速A/D，逐次比较A/ D为微秒级中速A/D ，全并行/串并A/D可达到纳秒级。磁阻传感器信号的A/D转换电路对本系统非常重要，直接关系到测量精度。CC2

59、430有8通道，最高14位A/D转换器，14位时转换时间为132s。HMC2003有Xout、Yout、Zout三个输出引脚，分别对应传感器所在的X轴、Y轴、Z轴上的磁场强度。三个引脚输出0-5V的电压（2.5V代表磁场强度为0），所以信号输出可以直接接到CC2430的A/D通道。这样，进一步减小了传感器的尺寸和功耗。3.2.3无线通信芯片CC2430CC2430是TI推出的ZigBee无线通信芯片，扩展了之前CC2420芯片的架构，对2.4GHz ISM频段应用要求低成本、低功耗。它可以满足低功耗ZigBee （ IEEE 802.15.4 ）无线传感器网络的应用需求。图 3.3 CC243

60、0 电路板外观Fig3.3 CC2430外观电路图C C2430 将高性能2.4GHz DSSS（直接序列扩频） RF 收发器内核与工业级8051微控制器控制器相结合。 CC2430 芯片延续了之前CC2420芯片的架构，将ZigBee射频(RF)前端、存储器和微控制器集成在一个芯片上。它采用1 个 8位MCU ( 8051 )，具有32/64/128 KB可编程闪存和8KB RAM，还包含模数转换器(ADC) 、定时器 ( Timer )、看门狗定时器 ( Watchdog Timer )、 AES128安全协处理器、 32 kHz晶振睡眠状态定时器、掉电检测电路、上电复位电路等19CC24