车载无线传感器网络监测系统设计方案

引言
    为了满足人们对车载安全性、操控性以及舒适性的要求，车载上集成了越来越多的电子系统。目前，汽车电子设备广泛采用16位或32位微处理器进行控制。本文基于IEEE 802．15．4和ZigBee标准的无线传感器网络构建车载监测系统，设计实现更加优化的无线传感器网络，逐步实现车载系统的网络化、智能化和可控性，以提，高车载系统的安全性。
1 系统设计方案
    本文在现有的车载系统上，将数据传输的方式扩展为无线传输方式，实现一个星型网络的数据采集系统。并能分别将各个数据采集节点的所获得的数据传输到网关，网关通过串口将数据上传到主机上，在主机中实现数据的实时波形显示，并以数据库的方式加以保存，供后续数据处理。该采集系统的应用对象由温度传感器、油压传感器、转速传感器、速度传感器、电流传感器、压力传感器等传感器子系统所组成。这样设计的目的是用一个监控主机端来检测多个待测目标环境，考虑到接入的数据吞吐量和软件系统的复杂程度，采用时分复用的方式，逐个对网内的终端采集点进行控制采集。
    如图1所示，该车载系统分3个部分：车载监控中心、车载网关和车载传感器节点。车载网关是整个车载系统的核心，可以和所有的车载传感器节点通信。车载监控中心可以向车载网关发出控制命令，由车载网关将控制命令转换为射频信号后发送给车载传感器节点。当车载传感器节点发送数据时，车载网关进入数据接收状态，并将数据上传到车载监控中心作进一步处理。此外，车载传感器节点之间不能互相通信。监控中心的监控软件与车载网关之间以RS232的接口标准进行通信。

    车载传感器节点的生命周期由活跃期和休眠期构成。节点在活跃期完成数据采集，向网关发送数据，接收并执行网关命令；在休眠期关闭无线射频模块以节省能量，直到下一个活跃期来临。系统通过这种休眠机制来减少系统的能量消耗，延长系统整体寿命。
    本系统用PC机作为监控中心，PC机上的监控软件在VB环境下开发，是一个基于对话框的应用软件。为了提高通信传输模块的智能化水平，在设计中，它的功能不限于数据的实时显示，所有的数据采集由监控软件通过发送请求信号的方式触发。考虑到原始数据需要进行后续的处理与深入的分析，才能对车载系统的状况进行准确的判定，软件中还添加了数据文件形式的保存与数据文件回显功能。
    总体上来讲，整个网络的所有节点都受控于主机监控软件，工作过程中网络的每一个节点都不需要人为的参与。
2 系统硬件设计
2．1 应用芯片介绍
    Freescale公司的MC13192符合IEEE 802．15．4标准，工作频率是2．405～2．480 GHz，数据传输速率为250kbps，采用0-QPSK调试方式。这种功能丰富的双向2．4 GHz收发器带有一个数据调制解调器，可以在ZigBee技术应用中使用。它还具有一个优化的数字核心，有助于降低MCU处理功率，缩短执行周期。
    主控MCU选用Freescale公司HCS08系列的低功耗、高性能微处理器MC9S08GB60。该处理器具有60 KB的应用可编程Flash、4 KB的RAM、8通道的10位ADC、2个异步串行通信接口(SCI)、1个同步串行外部接口(SPI)以及I2C总线模块，完全能够满足车载网关和节点对处理器的要求。
2．2 MCl3192与MC9S08GB60的硬件连接
    MC13192与MC9S08GB60的硬件连接图如图2所示。MC13192的控制和数据传送依靠4线串行外设接口(SPI)完成，其4个接口信号分别是MOS-I、MISO、、SPICLK。主控MCU通过控制信号退出睡眠模式或休眠模式，通过来复位收发器，通过RXTXEN来控制数据的发送和接收，或者强制收发器进入空闲模式。由传感器输出的模拟信号经过MCU的8通道10位ADC转换后输入到MCU。MCU通过SPI口进行MC13192的读写操作，并把传感器采集的信号经过处理后通过MC13192发射出去。MC13192的中断通过IRQ引脚和中断寄存器来判断中断类型。MC908GB60通过引脚来控制MC13192进入不同的工作模式。对传感器的控制信号可以从MC13192的天线接收进来，通过SPI传送到MCU上，经过MCU的判断处理后通过GPIO口传送到传感器上，完成对传感器的控制。同时，MCU完成MC13192收发控制和所需要的MAC层操作。

 3 系统软件设计
3．1 软件整体设计
    软件设计是本设计的核心，关键在于软件的总体架构和数据结构的设计。着重要考虑的因素一个是效率，另一个是设计的清晰性。
    车载系统软件由网关节点与传感器节点两大部分组成，这两部分都需要完成SMAC协议的移植，并根据不同需要为上层通信应用提供API接口函数。因为SMAC协议栈编程模型采用层次设计，只有底层的PHY和MAC程序层与硬件相关，而网络层和应用层程序则不受硬件影响。SMAC在不同硬件平台的移植只需修改PHY和MAC层，其上各层可以屏蔽硬件差异直接运行。
    如图3所示，本设计把软件分为系统平台层、协议层和应用层3层。同时，定义了3个API接口：系统层接口、协议层接口和应用层接口。系统层接口定义了硬件的寄存器映射，这样C语言就能直接访问硬件寄存器来控制硬件。系统平台层建立在μC／OS-II实时操作系统上，为协议层提供系统服务。硬件驱动模块提供硬件驱动程序，所有对硬件的控制都通过该模块提供的服务。系统平台层通过协议层接口为协议层提供服务。协议层则实现了基于IEEE 802．15．4的物理层和链路层以及基于ZigBee的网络层协议。应用层通过应用层接口来调用协议层提供的服务，实现网络的管理和数据传输等任务。应用配置模块既会调用协议层提供的网络服务，也会直接对系统进行配置和查询，这主要是通过AT指令来实现的，因此该模块会调用应用层接口和协议层接口提供的服务。