一种机动车综合检测系统的实现

 

　　随着城市车辆的增加，车辆检测的负担越来越大。如何在不解体车辆的前提下高效、快捷的对车辆的各部分进行检测是对车检工作提出的新要求。车辆性能检测包括：废气、烟度；车速、制动；侧滑、定位、声级、大灯；摩重、摩制、摩速、轴重；外观等项目。 能够检测包括汽车、摩托车、农用运输车等在内的机动车辆。能够对连接在下位机上的每一台设备进行数据采集、处理分析及控制

　　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技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的用。ZigBee是一种无线连接，可工作在2.4GHz（流行）、868MHz（欧洲流行）和915 MHz（美国流行）3个频段上，分别具有250kbit/s、20kbit/s和40kbit/s的传输速率，它的传输距离在10-75m的范围内，但可以继续增加。作为一种无线通信技术，ZigBee具有如下特点： （1） 低功耗（2） 成本低（3） 时延短（4） 网络容量大（5） 可靠（6） 安全。

　　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,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。

 

 

　　2.2 硬件数据接收程序

　　当CC2430接收到一个有效的数据包后，会通过拉高FIFOP引脚电平指示数据包的到来。主控制器检测到FIFOP的高电平会触发外部中断，利用中断函数来接收数据，此中断优先级设为。程序流程如图4所示。

 

 

　　3 网络建立与通信

　　本文设计的网络系统未使用ZigBee联盟定义的标准配置文件，而在应用程序中对网络进行配置。设置节点的子节点数为5,网络深度为3,子节点中路由器个数为3,由此可计算出网络节点数为66.

　　在ZigBee技术定义的LR-WPAN中，网络建立的起点是PAN网络协调器（PAN Coordinator）。节点在两种情况下将建立一个新的PAN网络： （1）在主动扫描时没有收到任何信标帧； （2）收到的信标帧参数与自身节点能力不相匹配。

　　建立PAN网络步骤如下：

　　（1）协调器节点加电后，首先由网络层发布NLME-NETWORK-FORMATION.request 原语，之后由网络层管理实体（NLME）请求MAC层检测网络信道，通过发布MLME-SCAN.request 原语扫描有效信道能量，扫描完成后的结果由MLME-SCAN.confirm 原语返回至网络层管理实体。NLME根据能量检测结果将能量水平较低的信道丢弃不用，之后对选出的信道进行主动扫描，终找出建立网络的信道（默认为18信道）。

　　（2）选择网络标识。每一个网络都分配有一个独立的网络标识PAN ID.网络中的设备根据此标识来确认自己所属的网络。在完成步的工作之后，协调器节点在此信道上选择一个随机的网络标识，并开始侦听该信道。本系统采用18号信道对应的PAN ID编号0x1aab.

　　（3）设定网络地址。一旦网络标识被选定，NLME将选择一个16位网络地址，同时通过发布MLME-SET. request原语修改MAC子层的PIB属性macShortAddress,与其保持一致。此时NLME将向MAC层发布MLME START.request 原语开始一个新的PAN的操作。然后，网络层管理实体（NLME）通过发送NLME-NETWORK-FORMATION.confirm 原语将初始化ZigBee协调器的执行结果通知上一层。

　　在ZigBee协调器设备建立网络后，终端设备可作为子节点加入协调器建立的网络，子节点加入网络的方式有两种：通过MAC层关联方式加入网络；通过指定的父节点直接方式加入网络。本文取前种方式。

　　首先子节点调用NLME-NETWORK-DISCOVERY.request 原语，设定待扫描的信道以及每个信道扫描的时间，一旦MAC层完成了扫描，将发送 MLME-SCAN.confirm 原语，告知网络层，网络层将发送NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm 原语，告知应用层，应用层从关联表中选择所发现的网络加入。一旦潜在的父节点确定，网络层将调用MLME-ASSOCIATE.request 原语到MAC层。当收到节点的入网请求后，协调器的MAC层会将分配给子节点的16 bit网络地址与其IEEE 64 bit网络地址存入AddressMap,并在NeighborEntry中加以记录。协调器将在关联表中创建一个表项，作为其子节点，并通过MLME-ASSOCIATE.reponse 原语，将16 bit网络地址包含在确认信息中返回终端节点。

　　图5是协调器组网以及终端节点入网的相关信息显示。在调试模式下硬件通过串口向计算机发送数据，串口传输设置为：速率9 600 b/s, 8位数据位，1位起始位，1位停止位，无奇偶校验。图5左侧显示了协调器组网及添加子节点的过程，右侧则显示了子节点入网过程。

 

 

　　ZigBee是一种高性能的短距离、低速率无线网络技术，具有广泛的应用前景。机动车检测系统终端设备较多、现场环境复杂，采用ZigBee技术来构建无线传感器网络、实现对各检测工位数据的实时处理，具有组网简单、系统花费少、扩展网络容易、通信稳定、维护简便等优点，这是机动车检测系统集成化、智能化的新趋势。