經濟的快速發(fā)展帶來了各地機動車擁有量的迅猛增長，這對相關管理部門提出了更高的檢測技術要求，對具備精確、高速性能的機動車性能檢測控制系統(tǒng)的要求日益迫切。當前國內機動車檢測系統(tǒng)一般都基于專用的工控機和RS-232總線，存在諸多弊端，如：系統(tǒng)結構復雜、通信協(xié)議不通用、故障率高、檢測數(shù)據(jù)的聯(lián)網較為困難、維護成本高等。雖然有些系統(tǒng)將工業(yè)以太網技術引入其中，實現(xiàn)了現(xiàn)場設備與互聯(lián)網的直接連接，但不可避免地具有布線復雜、成本較高、維護難度大等缺陷。
　 隨著無線技術應用領域的不斷擴展，工業(yè)控制領域開始使用無線通信技術進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸，與有線設備相比，無線通信技術具有成本低、無需布線等優(yōu)點。近年來，面向低成本的無線網絡通信標準ZigBee備受關注，不斷開發(fā)出基于ZigBee標準的無線網絡通信設備及基于ZigBee標準的無線網絡通信技術(以下簡稱ZigBee技術)。ZigBee標準是建立在IEEE 802.15.4協(xié)議的基礎之上，具備強大的設備聯(lián)網功能。它主要支持三種自組織的無線網絡類型：星型網絡、對等網絡、簇樹狀網絡。網絡系統(tǒng)節(jié)點具有多跳路由功能，特別是能夠組成蜂窩網狀網絡結構，因此，具有很強的網絡健壯性和系統(tǒng)可靠性。
　 ZigBee技術具有低功耗、低成本、短時延、高容量、免布線等特點，以其為核心對現(xiàn)有的機動車檢測系統(tǒng)進行技術升級，將極大地簡化系統(tǒng)結構，降低生產及維護成本。
1 系統(tǒng)總體設計
　 完整的機動車檢測系統(tǒng)一般由后臺管理系統(tǒng)、前臺控制系統(tǒng)、現(xiàn)場檢測系統(tǒng)三部分組成。后臺管理系統(tǒng)由服務器、辦公系統(tǒng)、收費機等組成；前臺控制系統(tǒng)由主控計算機系統(tǒng)、前置板、光電開關、網絡系統(tǒng)、錄入程序、通信服務程序等組成；現(xiàn)場檢測系統(tǒng)由CO/HC分析儀、煙度計、車速檢驗臺、輪重儀、制動檢驗臺、側滑檢驗臺、前照燈檢測儀、聲級計及二次儀表等組成。基于ZigBee無線網絡的檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示。　

    在檢測系統(tǒng)中采用星型拓撲結構，只有一個網絡協(xié)調器控制整個網絡的通信，主要完成網絡同步和維護設備之間的鏈接管理。在網絡中，終端設備之間不能直接通信，只能通過網絡協(xié)調器配合完成設備之間的通信。
　 現(xiàn)場檢測系統(tǒng)中每一個檢測工位的檢測設備均內置ZigBee模塊成為無線終端節(jié)點，網絡協(xié)調器通過UART接口與前臺控制系統(tǒng)中的主控機相連。應用時，將終端設備(終端節(jié)點)連接于現(xiàn)場檢測設備；基站(協(xié)調器)連接于前臺主控制機。終端設備部分對實時采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理計算，處理后的數(shù)據(jù)通過芯片CC2430內部集成的ZigBee射頻( RF)前端調制成模擬信號發(fā)送出去。基站部分的CC2430將收到的遠程數(shù)據(jù)解調后通過UART接口傳輸給上位機，進一步對數(shù)據(jù)進行處理、分析、顯示、存儲和共享。由于設備一次性置于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集點，無需額外布線，降低了施工難度和成本。同時，即使某一設備出現(xiàn)故障，也不會影響其他設備的正常工作，增強了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。由于可以將設備帶離現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集點，也使檢修工作更加方便快捷。
2 終端節(jié)點與協(xié)調器設計
　 終端節(jié)點由ZigBee芯片CC2430、LPC2292、外存儲器Flash、ADC模塊、RS232及RS485接口組成，負責現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的采集、存儲與無線發(fā)送。終端節(jié)點硬件原理圖如圖2所示。CC2430是IEEE802.15.4標準的低成本、低功耗單片高集成度的解決方案，工作在ISM免費頻帶上，工作頻率為2.4 GHz。

　終端節(jié)點相當于通信協(xié)議轉換器，根據(jù)所連接的檢測設備（如CO/HC 分析儀、煙度計、車速檢驗臺、輪重儀、制動檢驗臺等）的接口特性設置了相應的通信接口(RS485、RS232以及A/D采樣接口)，直接進行數(shù)據(jù)采集與分析。控制模塊主芯片是ARM7TDMI-S內核的LPC2292，最高工作頻率為60 MHz,內含256 KB的Flash空間和16 KB的RAM空間，外圍控制部分包括定時器模塊、捕捉/比較模塊、A/D轉換模塊、SPI接口和USART串口等，完成系統(tǒng)的控制和處理功能。
   CC2430與主控制器是通過SPI連接的，其中主控制器處于主模式，CC2430處于從模式。LPC2292還有4個I/O與CC2430相連，主要作用為必要時查詢CC2430的狀態(tài)。CC2430使用SFD、 FIFO、 FIFOP和CCA 4個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。SFD腳高電平表示處于接收狀態(tài)；FIFO和FIFOP引腳表示接收FIFO緩存區(qū)的狀態(tài)；CCA引腳在信道有信號時輸出高電平，它只在接收狀態(tài)下有效。CC2430是一個半雙工的RF芯片，在同一時刻只處于一種工作狀態(tài)。CC2430有15個命令寄存器，每個寄存器都有一個固定的地址。發(fā)送緩沖與接收緩沖是分開的：TXFIFO、RXFIFO各128 bit。
　 協(xié)調器的硬件結構與終端節(jié)點類似，在此不再贅述。數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷揭?guī)定如表1,幀數(shù)據(jù)格式為：檢測工位編號（1B）+數(shù)據(jù)內容（4B）。
2.1 硬件數(shù)據(jù)發(fā)送程序
　發(fā)送程序首先通過查詢狀態(tài)字來確保CC2430允許發(fā)送，若允許發(fā)送，程序先把殘留在TXFIFO中的信息清空，然后將待發(fā)送的數(shù)據(jù)包通過SPI寫入TXFIFO中。然后通過SPI接口觸發(fā)發(fā)送命令,即STROBE_ STXONCCA。通過狀態(tài)位來判斷是否發(fā)送成功，若不成功則調用CSMS/CA的算法多次嘗試；若發(fā)送成功，則向上層返回發(fā)送成功的原語。程序流程如圖3所示。

2.2 硬件數(shù)據(jù)接收程序
　當CC2430接收到一個有效的數(shù)據(jù)包后，會通過拉高FIFOP引腳電平指示數(shù)據(jù)包的到來。主控制器檢測到FIFOP的高電平會觸發(fā)外部中斷，利用中斷函數(shù)來接收數(shù)據(jù)，此中斷優(yōu)先級設為最高。程序流程如圖4所示。

3 網絡建立與通信
　本文設計的網絡系統(tǒng)未使用ZigBee聯(lián)盟定義的標準配置文件，而在應用程序中對網絡進行配置。設置節(jié)點的最大子節(jié)點數(shù)為5，網絡深度為3，子節(jié)點中最大路由器個數(shù)為3，由此可計算出網絡最大節(jié)點數(shù)為66。
　在ZigBee技術定義的LR-WPAN中，網絡建立的起點是PAN網絡協(xié)調器(PAN Coordinator)。節(jié)點在兩種情況下將建立一個新的PAN網絡： (1)在主動掃描時沒有收到任何信標幀； (2)收到的信標幀參數(shù)與自身節(jié)點能力不相匹配。
　建立PAN網絡步驟如下：
　(1)協(xié)調器節(jié)點加電后，首先由網絡層發(fā)布NLME-NETWORK-FORMATION.request 原語，之后由網絡層管理實體(NLME)請求MAC層檢測網絡信道，通過發(fā)布MLME-SCAN.request 原語掃描有效信道能量，掃描完成后的結果由MLME-SCAN.confirm 原語返回至網絡層管理實體。NLME根據(jù)能量檢測結果將能量水平較低的信道丟棄不用，之后對選出的信道進行主動掃描，最終找出建立網絡的最佳信道（默認為18信道）。
　(2)選擇網絡標識。每一個網絡都分配有一個獨立的網絡標識PAN ID。網絡中的設備根據(jù)此標識來確認自己所屬的網絡。在完成第一步的工作之后，協(xié)調器節(jié)點在此信道上選擇一個隨機的網絡標識，并開始偵聽該信道。本系統(tǒng)采用18號信道對應的PAN ID編號0x1aab。
　(3)設定網絡地址。一旦網絡標識被選定，NLME將選擇一個16位網絡地址，同時通過發(fā)布MLME-SET. request原語修改MAC子層的PIB屬性macShortAddress，與其保持一致。此時NLME將向MAC層發(fā)布MLME START.request 原語開始一個新的PAN的操作。然后，網絡層管理實體(NLME)通過發(fā)送NLME-NETWORK-FORMATION.confirm 原語將初始化ZigBee協(xié)調器的執(zhí)行結果通知上一層。
　在ZigBee協(xié)調器設備建立網絡后，終端設備可作為子節(jié)點加入協(xié)調器建立的網絡，子節(jié)點加入網絡的方式有兩種：通過MAC層關聯(lián)方式加入網絡；通過指定的父節(jié)點直接方式加入網絡。本文取前種方式。            
　首先子節(jié)點調用NLME-NETWORK-DISCOVERY.request 原語，設定待掃描的信道以及每個信道掃描的時間，一旦MAC層完成了掃描，將發(fā)送 MLME-SCAN.confirm 原語,告知網絡層，網絡層將發(fā)送NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm 原語，告知應用層，應用層從關聯(lián)表中選擇所發(fā)現(xiàn)的網絡加入。一旦潛在的父節(jié)點確定，網絡層將調用MLME-ASSOCIATE.request 原語到MAC層。當收到節(jié)點的入網請求后，協(xié)調器的MAC層會將分配給子節(jié)點的16 bit網絡地址與其IEEE 64 bit網絡地址存入AddressMap，并在NeighborEntry中加以記錄。協(xié)調器將在關聯(lián)表中創(chuàng)建一個表項，作為其子節(jié)點，并通過MLME-ASSOCIATE.reponse 原語，將16 bit網絡地址包含在確認信息中返回終端節(jié)點。
　圖5是協(xié)調器組網以及終端節(jié)點入網的相關信息顯示。在調試模式下硬件通過串口向計算機發(fā)送數(shù)據(jù)，串口傳輸設置為:速率9 600 b/s, 8位數(shù)據(jù)位，1位起始位，1位停止位，無奇偶校驗。圖5左側顯示了協(xié)調器組網及添加子節(jié)點的過程，右側則顯示了子節(jié)點入網過程。

　ZigBee是一種高性能的短距離、低速率無線網絡技術，具有廣泛的應用前景。機動車檢測系統(tǒng)終端設備較多、現(xiàn)場環(huán)境復雜，采用ZigBee技術來構建無線傳感器網絡、實現(xiàn)對各檢測工位數(shù)據(jù)的實時處理，具有組網簡單、系統(tǒng)花費少、擴展網絡容易、通信穩(wěn)定、維護簡便等優(yōu)點，這是機動車檢測系統(tǒng)集成化、智能化的新趨勢。
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