基于ZigBee技术的机动车综合检测系统的研究

经济的快速发展带来了各地机动车拥有量的迅猛增长，这对相关管理部门提出了更高的检测技术要求，对具备精确、高速性能的机动车性能检测控制系统的要求日益迫切。当前国内机动车检测系统一般都基于专用的工控机和RS-232总线，存在诸多弊端，如：系统结构复杂、通信协议不通用、故障率高、检测数据的联网较为困难、维护成本高等。虽然有些系统将工业以太网技术引入其中，实现了现场设备与互联网的直接连接，但不可避免地具有布线复杂、成本较高、维护难度大等缺陷。

　 随着无线技术应用领域的不断扩展，工业控制领域开始使用无线通信技术进行现场数据传输，与有线设备相比，无线通信技术具有成本低、无需布线等优点。近年来，面向低成本的无线网络通信标准ZigBee备受关注，不断开发出基于ZigBee标准的无线网络通信设备及基于ZigBee标准的无线网络通信技术(以下简称ZigBee技术)。ZigBee标准是建立在IEEE 802.15.4协议的基础之上，具备强大的设备联网功能。它主要支持三种自组织的无线网络类型：星型网络、对等网络、簇树状网络。网络系统节点具有多跳路由功能，特别是能够组成蜂窝网状网络结构，因此，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。

　 ZigBee技术具有低功耗、低成本、短时延、高容量、免布线等特点，以其为核心对现有的机动车检测系统进行技术升级，将极大地简化系统结构，降低生产及维护成本。


1 系统总体设计

　 完整的机动车检测系统一般由后台管理系统、前台控制系统、现场检测系统三部分组成。后台管理系统由服务器、办公系统、收费机等组成；前台控制系统由主控计算机系统、前置板、光电开关、网络系统、录入程序、通信服务程序等组成；现场检测系统由CO/HC分析仪、烟度计、车速检验台、轮重仪、制动检验台、侧滑检验台、前照灯检测仪、声级计及二次仪表等组成。基于ZigBee无线网络的检测系统框图如图1所示。　

在检测系统中采用星型拓扑结构，只有一个网络协调器控制整个网络的通信，主要完成网络同步和维护设备之间的链接管理。在网络中，终端设备之间不能直接通信，只能通过网络协调器配合完成设备之间的通信。

　 现场检测系统中每一个检测工位的检测设备均内置ZigBee模块成为无线终端节点，网络协调器通过UART接口与前台控制系统中的主控机相连。应用时，将终端设备(终端节点)连接于现场检测设备；基站(协调器)连接于前台主控制机。终端设备部分对实时采集的数据进行滤波处理计算，处理后的数据通过芯片CC2430内部集成的ZigBee射频( RF)前端调制成模拟信号发送出去。基站部分的CC2430将收到的远程数据解调后通过UART接口传输给上位机，进一步对数据进行处理、分析、显示、存储和共享。由于设备一次性置于现场数据采集点，无需额外布线，降低了施工难度和成本。同时，即使某一设备出现故障，也不会影响其他设备的正常工作，增强了系统的可靠性和稳定性。由于可以将设备带离现场数据采集点，也使检修工作更加方便快捷。


2 终端节点与协调器设计

　 终端节点由ZigBee芯片CC2430、LPC2292、外存储器Flash、ADC模块、RS232及RS485接口组成，负责现场检测数据的采集、存储与无线发送。终端节点硬件原理图如图2所示。CC2430是IEEE802.15.4标准的低成本、低功耗单片高集成度的解决方案，工作在ISM免费频带上，工作频率为2.4 GHz。

　终端节点相当于通信协议转换器，根据所连接的检测设备（如CO/HC 分析仪、烟度计、车速检验台、轮重仪、制动检验台等）的接口特性设置了相应的通信接口(RS485、RS232以及A/D采样接口)，直接进行数据采集与分析。控制模块主芯片是ARM7TDMI-S内核的LPC2292，最高工作频率为60 MHz,内含256 KB的Flash空间和16 KB的RAM空间，外围控制部分包括定时器模块、捕捉/比较模块、A/D转换模块、SPI接口和USART串口等，完成系统的控制和处理功能。

CC2430与主控制器是通过SPI连接的，其中主控制器处于主模式，CC2430处于从模式。LPC2292还有4个I/O与CC2430相连，主要作用为必要时查询CC2430的状态。CC2430使用SFD、 FIFO、 FIFOP和CCA 4个引脚表示收发数据的状态。SFD脚高电平表示处于接收状态；FIFO和FIFOP引脚表示接收FIFO缓存区的状态；CCA引脚在信道有信号时输出高电平，它只在接收状态下有效。CC2430是一个半双工的RF芯片，在同一时刻只处于一种工作状态。CC2430有15个命令寄存器，每个寄存器都有一个固定的地址。发送缓冲与接收缓冲是分开的：TXFIFO、RXFIFO各128 bit。

　 协调器的硬件结构与终端节点类似，在此不再赘述。数据传输的格式规定如表1,帧数据格式为：检测工位编号（1B）+数据内容（4B）。

2.1 硬件数据发送程序

　发送程序首先通过查询状态字来确保CC2430允许发送，若允许发送，程序先把残留在TXFIFO中的信息清空，然后将待发送的数据包通过SPI写入TXFIFO中。然后通过SPI接口触发发送命令,即STROBE_ STXONCCA。通过状态位来判断是否发送成功，若不成功则调用CSMS/CA的算法多次尝试；若发送成功，则向上层返回发送成功的原语。程序流程如图3所示。