基于zigbee的车辆数据采集传感器的研究硕士学位论文

1、中国矿业大学（北京）硕士学位论文中国矿业大学（北京）硕士学位论文摘摘 要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，切实做好公路交通的车辆信息正确采集和及时传输是必不可少的。及时准确的了解到路面车辆信息，不仅可以实现对路面的实时管理，使路面交通高质量高效率的运行，同时也为决策部门进行交通预测，道路规划，和建设提供可参考依据。本文首先分析了现有机动车性能检测仪器的不足,并结合其发展的实际需要提出了采用zigbee 技术实现机动车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

2、设计，利用磁阻传感器的工作原理，通过磁阻传感器对经过采集仪的车辆类型，车辆速度进行检测。最后，本文设计了一种基于 cc2430 芯片的 zigbee 无线通信技术的数据采集系统，并在 zigbee 协议栈 z-stack 基础上,完成了该系统的软件功能的设计，开发了过车传感器的应用软件。目前 zigbee 技术还未具体应用于机动车性能检测领域，这给了本课题更大的研究应用空间。关键词：交通量，磁阻传感器，zigbee 无线通信技术，嵌入式系统abstract with the social and economic development in our country， cars have go

3、t into numberable families and become the important daily traffic tools in human lifes。for making sure traffic in our city adapt to the development of national economy,and realizing the traffic intelligent, scientific management of urban road，it is necessary to do traffic vehicle information collect

4、ion and transmission well。getting vehicles informations timely and accurately not only can realize real-timemanagement and make road traffic run in high quality ，but also can offer references for decision-making departments in traffic prediction，road classification，road design and building。 in this

5、paper we analysed the shortage of existing motor vehicle detector and in combination with the actual needs of development, we propose a new methods which based on zigbee technology to detect road vehicles。secondly，we finished the hardware design of magnetic resistance sensor circuit, and use this se

6、nsor for collecting imofrmations such as type and speed of passing vehicles vehicle；at the end， we also design a data collection system based on the zigbee cc2430 chip wireless communication ，and complish the software design of 中国矿业大学（北京）硕士学位论文this systerm ，finish application software dsign.now zigb

7、ee technology have not been applicated in the field of vehicle detection, so it gives more space for researching and applicationkeywords: trafficvolume，magnetoresistivesensor，zigbeewireless communication technology， embedded system.中国矿业大学（北京）硕士学位论文目目 录录目目 录录.7 71 1 绪论绪论.1 11.1 本课题的研究目的和意义 .11.2 交通量数

8、据采集系统国内外发展现状 .21.2.1 国外发展现状 .21.2.2 国内发展现状 .31.2.3 常用车辆检测传感器 .31.3 本课题的研究内容.52 2过车传感器相关技术过车传感器相关技术.6 62.1 嵌入式技术.62.2 磁阻传感器工作原理.62.2.1 磁阻效应.72.1.2 磁阻传感器在车辆检测中应用.72.3 zigbee网络技术 .92.3.1 zigbee 网络各层帧结构 .102.3.3 zigbee 技术的原语 .132.3.4 zigbee 网络拓扑结构 .142.3.5 zigbee 网络组建 .152.5 本章小结.153.3. 过车传感器硬件系统设计过车传感器

9、硬件系统设计.17173.1 系统设计原则和硬件框架.173.2 硬件设备的选择.183.2.1 磁阻传感器 .183.2.2 a/d 转换器 .193.2.3 无线通信芯片 cc2430 .203.2.4 电源模块.223.3 过车传感器相关的通信.223.4 本章小结.254.4. 过车传感器的硬件电路和驱动开发过车传感器的硬件电路和驱动开发.26264.1 传感器电路.264.1.1 cpu 电路 .264.1.2 a/d 转换电路 .274.1.3 数据存储器电路.274.1.4 电源电路.274.2 驱动程序的开发.284.3 过车传感器的驱动程序.294.3.1 数据存储器的操作函

10、数.29中国矿业大学（北京）硕士学位论文4.3.2 a/d 转换器操作函数 .334.4 本章小结.345.5. 过车传感器应用软件开发过车传感器应用软件开发.35355.1 开发环境.355.2 实时多任务软件开发.365.2 zigbee协议栈 z-stack.375.2.1 z-stack 结构及相关概念 .375.2.2 z-stack 下应用软件的开发 .385.3 应用软件功能设计.415.4 应用软件开发.425.4.1 车辆数据采集.425.4.2 车辆数据的存储.435.4.3 数据传送 .455.4.4 上位机命令汇总.455.5 本章小结.466.6. 结论与展望结论与展

11、望.4747参考文献参考文献.4848致致 谢谢.5050中国矿业大学（北京）硕士学位论文 1 1 绪论公路交通运输是国民经济发展的重点，交通情况调查工作的任务将更为重要。交通管理、科研、设计工作也要适应互联网时代的社会发展。因此，研制新的交通量采集系统对于提高公路部门的技术、管理水平和适应网络时代的发展具有重要的意义。1.1本课题的研究目的和意义在“十一五”期间，公路交通运输对于是国民经济发展意义重大，尤其在整合和利用交通信息资源、提高交通行业信息化监管水平、加强交通综合运行分析辅助决策、改善公众交通信息服务质量等方面要实现重点突破。随着汽车普及率也在不断提高，高速公路网建设的不断发展，城市

12、路网密度和路面车流量也越来越大，交通情况调查工作的任务将更为艰巨。而交通管理、科研、设计等工作也要同互联网时代的社会发展相适应，因此，研制新的交通量采集系统对于提高公路部门的技术、管理水平和适应网络时代的发展具有重要的意义。1为了使交通运输适应社会的飞速进步,交通智能化建设被搬上日程，各地在交通道路管理中都普及了交通智能化设备。通过这些交通智能设备采集，处理车流量、车速、饱和度等交通数据并通过直观的方式实时反馈给交通管理部门。以实现对道路交通的智能化，信息化管理。在对交通发展规划和预测未来的交通运输需求这一工作中，交通数据量的采集是不可少的环节和步骤，是规划内容的一个重要组成部分，也是制定决策

13、与规划的依据和基础。在描述交通的三大基本交通参数之中，交通量信息是反映交通状况的最重要的参数。通过对交通量信息资料的分析和整理，我们可以了解交通量的空间分布和时间分布、交通量的各种变化规律和影响交通量数据的各种因素，从而为道路网规划、交通安全、道路设计和建设等各个方面提供切实可靠的依据。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，同时也为实现与未来的交通需求相适应的道路工程设施及交通管理控制手段提供依据。 目前国内外广泛使用的交通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浮动车检测等，但大部分检测设施都需要路面铺设和现场人员的进行操作, 不能满足当前

14、公路网络化管理和智能交通的要求。随着计算机技术，网络技术，微电子技术和传感器技术的迅速发展，检测仪器仪表正朝着微型化、智能化和网络化的方向发展。公路交通检测仪器仪表的发展也不例外，也应朝着微型化、智能化和网络化的方向发展。采用无线通信技术不仅是提高检测仪器的技术水平，就高速公路的环境来说，更是保障了交调人员的人身安全。为适应交通量不断增大的趋势，交通量采集系统应当有更高的精度和高容量数据存储器。还应当有网络接口和移动存储接口以跟上计算机应用的发展和公路交通管理和科研的要求。中国矿业大学（北京）硕士学位论文 2 1.2 交通量数据采集系统国内外发展现状交通量检测系统是采用一定的车辆检测技术将有关

15、交通流信息等物理量形式的信息转为电子量，然后通过传输线路传送到信号控制器的信息处理部分进行处理，它是城市交通道路控制系统中不可缺少的组成部分，主要是通过数据采集和设备监视等方式来进行交通数据的监测。1.2.1 国外发展现状美国作为当今世界上高速公路建设里程最多、高速公路路网最发达、人均车辆占有率最高的发达国家，充分利用其雄厚的资金支持和车载通信、卫星通信等通信技术上的优势，成为在道路车辆检测技术上最为先进最为成熟的国家之一。美国准备在 2000 年到 2011 年十年间投资高达到 2000 亿美元构造全国 its，采用现代化的通信技术、智能控制技术以及计算机技术等技术手段加强与提高公路监控、车

16、辆检测能力，进而对整个公交网络进行科学管理和维护，降低公路引发的交通事故，减少因交通事故所引起的严重损失。从而满足现代化、智能化交通的“高速、安全、智能、舒适”的要求，日本的路面实时检测系统也取得了一定成果，曾经投入大量人力、物力和资金组织了“动态路径诱导系统”的实验。并且建立了“车辆、道路与交通智能协会” ，建设省、通产省、运输省和警察厅各部门之间紧密配合与共同参与到 its 建设，保证了上路的每辆汽车均处于监测系统的检测范围内，目前在日本上路行驶的车辆中，有超过了两百万辆的汽车装备了车辆导航定位设备，大规模的检测覆盖率不仅可以使监控中心实时了解每一辆车辆行驶情况而且通过该设备能够向驾驶员提

17、供实时的道路信息服务。使得车辆行驶信息、驾驶员个人信息和监控中心之间的通讯系统实现了一体化。 欧洲道路检测上进行理论和实际应用的研究也具有一定的代表性，在上个世纪 80 年代，为改善公路检测设备的升级，欧洲各国家投入资金多达 50 多亿美元以上，现正计划在欧盟国家内部建立起专用的交通无线数据通信网，使车辆控制、信息服务以及电子收费等系统等能够有机的在统一在一个完整的监控、指挥以体系中，同时利用地球同步卫星准确定位确认交通事故的交通警示系统等实现车辆在高速公路的安全运行。3 国外生产交通量采集仪的国家主要有：美国，澳大利亚，英国，瑞典等。国内引进较多的是美国和澳大利亚生产的仪器。国外仪器的特点是

18、工作稳定，抗干扰能力强，使用方便。这些仪器结构上一般采用上、下位机的形式。仪器作为下位机，按照给定的要求采集车辆数据，并做简单的数据处理后存入仪器的数据存储器或是直接传送给上位机。由上位机完成各种复杂的数据处理和统计分析工作。传送数据的途径有串行接口，usb 接口或是红外接口。供电方式采用电瓶供电或是太阳能供电。在我国使用时出现的问题主要有：价格昂贵，不适合普遍使用；由于使用环境的不同，国外仪器在使用的过程中遇到一些困难，如传感器容易丢失，车流比国外密集，造成统计精度下降；维修困难。1.2.2 国内发展现状 与欧美相比我国的智能公交系统的发展起步相对较晚。在 20 世纪 70 年代从国外引进了

19、一些相关项目，进行了一些 its 或与 its 相关的基础项目的研究和应用，但也只是局限于研究城市交通信号的控制试验。90 年代中期以来，我国开始研究并发展战略和地理信息中国矿业大学（北京）硕士学位论文 3 系统 gis、全球定位系统 gps 在交通中的应用等。2001 年由交通部公路科学研究所国家智能运输工程研究中心组织制定了中国智能运输系统体系框架，为中国的道路检测发展指明了方向。在制定国家发展的“十一五”计划和 2010 年长期规划时， its 已作为一个重要项目列入战略研究计划。我国目前已经成立全国范围内 its 协调小组，组织完成了 “中国its 标准体系框架研究” 、 “its 系

20、统发展战略研究”等一批重点项目，将路面车辆信息的检测、监控作为智能交通管理的一个重要内容。4 但目前各个省、市的车辆信息采集系统所使用的软硬件五花八门，各不相同不能有效地协同与整合，集成度很低，完全处于独立状态，这非常不利于对汽车这种经常跨地域行驶的交通工具进行全程检测，对组建跨地域大，规模的车辆检测系统造成了巨大的障碍。 国内目前生产的仪器，有计数器，车轴计数器，电磁感应线圈式交通量采集仪，红外交通量采集仪等。总体来说，工作的稳定性较差，其中有的技术落后。随着时间的推移，该仪器已不能满足当前对交通量统计的需求。主要问题是：数据存储容量偏小，主要采用串行口与计算机通信，速度慢，没有网络接口，不

21、能满足当前公路网络化管理和智能交通的要求。1.2.3 常用车辆检测传感器车辆检测传感器种类繁多，工作原理各不相同，但主要有两种基本功能：一是检测车辆是否存在和出现，二是检测车辆的运动和通过时状态，一般的车辆检测器至少具有上诉述两个基本功能之一。6目前，车辆检测传感器按工作原理不同主要分为以下几类：1.压力感应型压力感应型检测器一般用于早期的交通数据采集中，车辆经过时通过检测压力变化采集数据，再将压力数据的变化转换为数字信号分析处理。由于其检测信息度不高和自动化程度上存在的缺陷已经逐渐被新型检测器代替。2.金属感应型该种检测器，是目前世界上使用最普遍的一种检测设备，一般利用电磁感应传感器，通过检

22、测车辆经过时引起电磁感应的变化来计算出车辆的速度，流量，时间占有率和长度等交通参数，并上传给控制装置，具有易于掌握、计数精确、成本较低等优点。3.超声感应型超声波检测器一般是利用设置在车道上方的超声波探头，接收由超声波发生器发射的超声波束并经车辆反射的超声回波来检测车辆。其优点为设备体积小，检测精度高，安装时设备设置于各车道上方无需切割路面，缺点是其检测精度受环境温度和气流影响较大。4.视频图像型视频图像型检测器也是各国目前普遍采用的一种检测方法，通过摄像装置将道路上运行的车辆拍摄成图像，再利用视频图像技术处理图像信息，检测出交通数据。其优点是无需破坏路面，在为交通状况采集数据同时还可以提供直

23、观可视图像参考，缺点是设备维护成本较高，检测精度依赖于客观环境，容易受恶劣天气、灯光、路面扬尘等因素的影响，汽车的动态阴影也会为检测带来干扰，特别是在夜间工作时误报率比较高。交通量数据采集需要用到通信技术。借助于计算机,互联网和通信技术形成交通检测网,依靠传感器实时获得的数据才能得到及时的处理与反馈，交通控制中心才能了解掌握道路中国矿业大学（北京）硕士学位论文 4 交通情况,对路网进行实时监控。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传感器在现场采集到的数据变为数字信号，通过以太网传送给控制终端，控制终端再对收到的信号进行分析处理，得出结论并反馈给现

24、场。主要有以下几种有线网络传输方式。电话线方式这种传输方式采用 xsdl 技术,利用现有的电话线路进行数字信号传输，它提供一种直接接入的不中断服务。这种方式优点是采用普通电话网络就可以实现信号的传输，无需另外组网，可大大降低系统费用，一般用于城市交管部门监控视频的传输方案。ddn方式ddn 是数字数据网的简称，主要是是由数字传输电路和相应的数字交叉复用设备组成，采用该方式时，可根据实际需求申请带宽，它主要提供中、高速率，高质量点到及点到多点的数字专用链路，其优点是传输速率和质量很高，并且协议简单，组网灵活，但是ddn网组建和维护成本较高，长期使用存在局限性.光纤信道光纤信道有传输质量高、信道稳

25、定的优点。但目前用于拉伸光纤的预制棒国内供给量严重不足，主要依赖进口，因此光纤组网的设备成本、施工成本居高不下，在公路网络监管中，无法大规模推广。（2）无线网络接入无线组网是采用无线信道进行数据传输，具有灵活机动、简便快捷等优点，特别适合一些路况复杂的地段组网，目前交通监测中无线接入方式主要有以下几种：蓝牙无线通信蓝牙（bluetooth）技术是一种低功耗，短距离无线通信技术，主要优点是可以方便的建立无线连接，移植性较强，适用面广，但是其通信距离短，待机耗电量较高，不适合用于公路方面的交通量数据采集。gprs网络技术gprs是在gsm基础之上发展而来的一种新的分组交换数据承载业务，一般被称为2

26、.5g（意为在2g和3g之间）通信技术。采用该网络进行交通量数据传输的优点是可以利用中国移动现有的gsm网络，方便快捷，接入时间短，传输速率高。但是gprs小区容量有限，gprs对容量影响程度取决于预留gprs使用时隙个数，在网络使用的高峰期，数据传送容易堵塞，实际传送速度要大大降低。zigbee技术zigbee技术是一种新兴的短距离无线通信技术，适合于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。其网络容量大，组网灵活，非常适合交通量采集的传感器网络。1.3 本课题的研究内容传统车辆检测方法在安置检测设备时大都需要破坏路面，不仅提高使用成本和维护成中国矿业大学（北京）硕士学位论文 5

27、本，而且也严重影响公路使用寿命。针对传统车辆检测方法存在的各种缺点，本文利用电子技术、通信技术和计算机技术的新成果，基于zigbee无线网络技术，将传感器和无线通信模块进行整合，实现一种无安装方便，受环境影响小，稳定性高，成本低廉的智能车辆检测传感器。本论文的主要工作是分析研究现有交通量检测系统的特点和存在的问题，采用磁阻传感器、zigbee无线通信技术和嵌入式系统，研究开发新的过车传感器。该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无线通讯模块。软件包括驱动程序，数据采集，数据存储，数据传输和命令处理程序的开发。中国矿业大学（北

28、京）硕士学位论文 6 2过车传感器相关技术 嵌入式技术已广泛应用于传感器和检测仪器中。磁阻传感器由于其高灵敏度，可以用于进行车辆检测。而无线通信技术大大提高了传感器的技术水平和实用性。2.1 嵌入式技术 嵌入式系统（嵌入的系统）简单的说，就是作为智能控制部件嵌入到设备体中的专用计算机。一个嵌入式系统就是一个以嵌入计算机系统为核心面向特定功能和用途的软硬件集合体。即以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，并且适用于应用系统对功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统.是计算机技术、通信技术、半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术，甚至是传感器等先进技术和具体应用对象相

29、结合后的更新换代产品。嵌入式系统包括硬件和软件两大部分。硬件部分作为整个系统的物理基础，要为软件运行平台和其他设备进行通信提供接口；软件部分则包括操作系统件和应用程序编程。可以为实际系统的运行和功能实现提供控制方法。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设、嵌入式操作系统、嵌入式处理器和嵌入式应用软件四大部分组成。图2.1 嵌入式系统框架示意图fig2.1 the embedded system frame diagram2.2 磁阻传感器工作原理地球本身就所是一个巨大的磁体，它在空间产生的磁场称为地磁场。人们利用地磁大约已有 2000 年的历史。最早

30、的磁传感器就是指南针, 用于指示方向。随着科学技术的进步, 现代各种各样的磁传感器已不仅仅限于测量地球磁场的强弱和方向, 还可以测量由于金属物体移动、电流，甚至脑电波的活动所产生的磁场。由于磁传感器在检测时为非接触式，中国矿业大学（北京）硕士学位论文 7 可以检测很微弱的磁场变化，因此，被广泛应用于各种与磁场相关的测量中。2.2.1 磁阻效应 磁阻mr(magnetio resistor)效应是指物质在磁场的作用下电阻发生变化的物理现象。当有铁磁性物质形成的双极性磁铁经过纯净的地磁场时会引起地磁场的畸变，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 the m

31、agnetic field of ferromagnetic materials表征磁电阻效应大小的物理量为mr，其定义为:%10000mr式中：物质在磁场不为零中的电阻率 0物质在磁场为零时的电阻率2.1.2 磁阻传感器在车辆检测中应用车辆检测使用的磁阻传感技术是基于磁偏角检测技术。磁阻传感器由四个铁镍合金（permalloy）薄膜沉积在硅片上形成的电阻条电阻组成，这四个电阻挑连接成一个惠斯通电桥，如图2.3，该电桥可以测出沿着单一轴线的磁场的强度和方向。桥臂的典型阻值为1000 欧姆，典型带宽为1-5mhz。磁阻效应的灵敏度很高，不会受到诸如线圈和振荡频率的影响。此外，传感器可以在硅片上大

32、量生产，封装成商用集成电路的形式。这样使得磁传感器可以和其它电路和系统元件自动组合在一起。r-rr+rr+rr-rvb+_vout 图2.3 惠斯通电桥 fig 2.3 hui stone bridge地磁场强度大约是 500-600 毫高斯，当一辆汽车在路面上行驶时，由于其材料含有大量的铁磁物质，可以看作一个铁磁性物质模型，当行进的车辆经过低场磁阻感应器时，相当中国矿业大学（北京）硕士学位论文 8 于一个铁磁性物体切割位于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检测出坐标分量上地球磁场 1/12000 的强度和方向的变化，可以精确地检测到车辆通过时地磁场的畸变

33、。 4利用磁原理测量地磁场沿车体纵向坐标系分量变化，通过数值计算、误差校正，从而得出需要的车辆信息。从而完成对车辆的检测。 图2.4 车辆引起的地磁场改变fig2.4 the magnetic field changes caused by vehicles 三轴智能数字磁场计hmr2300有x，y，z三个输出引脚，可检测传感器所在位置磁场的三个方向强度变化, 并可与计算机直接通讯以输出x、y、z三个轴向的分量。将一个三轴的amr磁场计安装在车道上，车辆通过传感器时，地磁场磁偏角发生明显的变化,可以用于进行车辆检测。图2.5所示为在车辆距传感器1英尺的情形下,对磁扰动信号进行平滑处理后的曲线。

34、 图2.5 车辆引起的地磁扰动 fig2.5 the geomagnetic disturbance by vehicle由于磁阻传感器具有体积小，功耗低，易于安装，温度特性好，抗干扰能力强，误差中国矿业大学（北京）硕士学位论文 9 不随时间累积等特点，适合做成体积微小的过车传感器，安装在车道上，既不影响车辆的安全行使，同时能够准确地记录交通量数据。本文拟采用基于磁偏角设计的霍尼韦尔hmc2003三轴磁性传感器作为车辆检测传感器。2.3 zigbee 网络技术 目前，市场上的近距离无线通信技术主要有无线局域网wifi、蓝牙和一些专用标准(如ad hoc网等)的产品。一些大公司为开拓市场和应用领

35、域，也在积极研究和制定一些新的无线组网通信技术标准，如无线usb、超宽带通信uwb(ultra-wideband)和wimax(worldwid interoperability for microwave access)。9zigbee 是一种短距离传输、低功耗、低数据速率、低成本的新兴无线通讯技术,从诞生到现在只有短短几年的时间。该技术在无线传输领域具有以下优势：省电：其工作方式中有休眠模式，收发信息时所耗的电量是非常少的，在某些应用中两节电池可以用到两年左右；可靠性高：mac 层采用完全确认的数据传输机制，也就是当数据发送后，需等待接收方返回的确认信息；成本极低：芯片的现价是在在 3 美

36、元以下。因为其传输速率低，协议免费，所以使成本大大降低了；短时延：设备搜索时延典型值为 30ms，休眠激活时延典型值是 15ms，活动设备信道接入时延为 15ms；网络容量大：一个 zigbee 网络可以容纳 1 到 255 台设备，利用该技术可由多到 65535个无线微功率收发机组成无线网络平台。综上所述，一个zigbee网络可以扩展数千个微小传感节点，而且这些传感器功耗很低，传感节点之间可以互相通信，zigbee可以通过协调数千个微小的传感器之间的相互通信来适应城市道路机动、灵活的组网方式，通信效率高。在现有的各种无线通信技术中，zigbee是相对功耗最少和成本最低的技术。由于zigbee

37、技术具有的这些特点，也决定了zigbee技术适合于承载道路检测这种数据流量较小的大规模无线组网业务。2.3.1 zigbee 网络各层帧结构zigbee 是基于ieee 802.15.4的无线通信协议, 协议定义了网络对等层之间的帧格式、意义和交换方式。其结构由物理层(phy)、介质访问层(mac) 、网络层(nwk) 、应用层四层框架组成，各层之间的关系分布如下图所示。中国矿业大学（北京）硕士学位论文 10 图2.6 zigbee协议栈结构fig2.6 zigbee protocol stack structure与服务与服务原语不同，协议定义了网络对等层之间的帧格式、意义和交换方式，各层实

38、体利用协议来实现服务，对于帧在网络各层之间的传输，当从下层向上层传输时，每层都会在传输的帧中附加上反映本层相关信息的数据，分别成为帧的首部和尾部。而从下层向上层传输时，各层将附加信息去掉。以下是zigbee各层帧结构示意图： （1）物理层按分层的网络体系结构，每一层都要在发送的数据上附加上自己的协议信息，以形成协议数据单元11。物理层协议数据单元（ppdu）又称物理层数据包，其格式如表 2.2 所示。表 2.1 物理层帧结构table2.1 physical layer frame structure4 字节1 字节1 字节可变前同步码帧定界符帧长度保留位 1 位psdu同步包头物理层包头物理

39、层载荷由于发送端按一定的是延发送连续的位流，而接收端必须在时间上保持与发送端相同才能正确的接收数据，这称为同步。同步又分为位同步和帧同步；位同步的功能是实现位的锁定，而帧同步时实现数据包的定界和识别。采用发送同步包头的方法引导接收端与发送端实现同步，同步包头由 4 字节的前同步码和 1 字节的帧定界。 （2）mac 层一个完整的 mac 层帧由帧首部，帧载荷（数据）和帧尾 3 部分组成。其中帧首部又由若干个域按一定的顺序排列，但并不是所有的帧中都包含有全部的域。mac 层帧结构如表 2.3 所示。由图可见，帧首部有帧控制域，序列号，地址域等，其中地址域又包含目的pan 标识符，目的地址，源 p

40、an 标识符和源地址等。中国矿业大学（北京）硕士学位论文 11 表 2.2mac 层帧结构table2.2 mac layer frame structure2 字节1 字节0/2 字节0/2/8 字节0/2 字节0/2/8 字节可变2 字节目的pan 标识符目的地址源 pan标识符源地址帧控制序列号地址域帧载荷fcsmhr(mac 层帧首部)mac payload(mac载荷)mfr(帧尾)zigbee 的 mac 层有 4 种不同的帧：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，网络协调器周期性的发送信标，表示一个超帧的开始，信标中包含了 pan 的基本信息，其总体结构与

41、mac 层帧相同。数据帧：数据帧中包含目的地址子域或源地址子域，取决于帧控制域的配置，帧序列号应为当前 macdsn 的值，数据帧载荷子域的内容是上层要求 mac 层传输的数据。确认帧：确认帧仅包含控制域，序列号和校验码。命令帧：设备通过发送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），它由下列两部分组成：网络帧首部，包含帧控制，地址和序列信息等；长度可变的帧载荷，即帧所传送的信息；下图是网络帧通用结构：表 2.3 网络帧通用结构table2.3 general structure of the network frame2 字节2 字节2 字节0/1 字节0/

42、1 字节可变长目的地址源地址广播半径域广播序列号帧控制域路由域帧载荷网络层首部网络层的有效载荷帧控制域包含了帧的类型，地址，序列号以及其他一些信息。其结构如图 2.5 所示表 2.4 网络帧控制域结构table2.4 control field structure of network frame中国矿业大学（北京）硕士学位论文 12 0-12-56-78910-15帧类型协议版本发现路由保留安全性保留 （4）应用层aps 帧（apdu）由以下两部分组成：aps 首部，包含帧控制及地址信息；aps 帧载荷，即帧传输的有效数据，其长度可变。aps 帧的结构如表 2.6 所示表 2.5aps 帧结

43、构table2.5 structure of aps frame1 字节0/1 字节0/1 字节0/2 字节0/1 字节可变目的端点簇标识符模板标识符源端点帧控制域帧地址域帧载荷aps 首部aps 载荷 由上图可以看出，aps 首部由帧控制域和地址域组成。其中地址域的各子域根据具体情况不同可以不存在。帧控制域的长度为 1 字节，包含了有关帧类型，寻址，标志等信息。2.3.2 zigbee 网络中的设备根据设备功能的不同，ieee 802.15.4把zigbee网络中的节点设备分为两种：全功能设备（full function device,ffd）：可工作于所有网络结构，可作为网络中的协调器、路

44、由器，能够和网络中的任何节点通信。简化功能设备（reduced function device，rfd）：一些功能简单的设备，仅能与ffd通信彼此之间不能直接通信,，无法作为网络的协调器或路由器。ffd可以提供信息双向传输与ffd、rfd之间都可以建立直接通信，而rfd却只能与ffd通信，rfd和rfd之间无法通信。rfd的构造相对简单，因此任务比较单一，在传感器网络中，它们的任务一般只是将采集的数据信息发送给它的协调点，像数据转发、路由发现和维护等功能rfd并不具备。相对于ffd，rfd占用资源少，需要的存储容量也小，成本比较低。和rfd不同，ffd增加了内存和其他电路，在zigbee网络中

45、，ffd扮演着在无线传感器网络中汇聚节点的角色，通常称作pan协调点。一个zigbee网络中只有一个pan协调点， pan协调点其实就是一个特殊的ffd，它具有较强大的功能，是整个网络的主控节点，主要工作有：建立起新网络、设定网络参数、管理网络中的各个节点和存储zigbee网络节点信息等。ffd和rfd两种设备都可以作为终端节点加入zigbee网络。此外，普通ffd在它的个人操作空间（pos）中也可以充当协调点，但是这种普通ffd与pan协调点不同,它仍然受pan协调点的控制。zigbee中每个协调点直接连接的节点数最多可以达到255个，而每一个zigbee网络最多可容纳65535个节点。19

46、在本研究课题中，过车传感器是rfd设备，只负责车辆数据的采集、处理、存储和发送。2.3.3 zigbee 技术的原语中国矿业大学（北京）硕士学位论文 13 在 zigbee 协议栈中，每一层通过使用下一层提供的服务完成自己的功能，同时对上层提供服务，网络的通信在对等的层次上进行。这些服务是设备中的实体通过发送服务原语来实现的。所谓的服务原语是代表相应服务的符号和参数的一种格式化，规范化的表示，它与服务的具体实现方式没有关系。不同的服务原语可带有不同的个数，不同的形式参数，它们共同描述了该服务。在 zigbee 技术中存在着以下四种类型的原语请求原语指示原语响应原语确认原语原语的书写形式包含了服

47、务的实体，原语的功能及原语的类型，物理层数据访问类型原语用 pd 开头，物理层管理类原语用 plme 开头；mac 层数据服务原语用 mcps 开头，mac 层管理服务原语用 mlme 开头；网络层数据服务原语用 nlde 开头，网络层管理服务原语用 nlme 开头；应用层支持子层数据服务原语用 apsed 开头，应用支持子层管理服务原语用 apsme 开头等。表 2.6 原语的书写形式table2.1 forms of primitive服务类原语管理类原语物理层pdplmemac 层mcpsmlme网络层nldenlme应用层apsedapsme例如，物理层的检测请求原语为 plme-ed

48、.request,mac 层的与协调器同步请求原语为mlme-syns.request,络层的网络发现确认原语为 nlme-network-discovery.confirm等。原语都是发送给服务实体相邻层的。原语的基本概念与作用如果图 2.1 所示p层服务提供者（m层）用户1请求（n层）用户2指示（n层）用户2响应（n层）请求（m层）确认（m层）用户1确认（n层）图 2.7.服务原语示意图fig 2.7 service primitive sketch 图 2.7 中表示的是两用户在对等层上通过服务原语实现信息交换的示意图。n1 用户向它的 m 层发出服务请求，它引起 n2 用户的 m 层向

49、 n2 用户发出指示原语，通告某事件的发生。n2 用户通过响应原语作出回应。n1 的 m 层向用户发送确认原语，指示气球原语执行的结果。至此，n1 用户的一次服务完成。右侧图是 m 层应用向 p 层发送服务原语，p中国矿业大学（北京）硕士学位论文 14 层根据原语执行的结果向 m 层返回确认原语。2.3.4 zigbee 网络拓扑结构zigbee网络主要有三种拓扑结构，星型网、网状网和混合网。星型网（图2.8-a）是由一个pan协调点和一个或多个终端节点组成的。pan协调点负责发起建立和管理整个网络，因此它必须是ffd，而其它的终端节点一般为rfd，在pan协调点的控制之下，直接与pan协调点

50、进行通信。星型网通常适用于用于节点数量较少的场合。mesh网（图2.8-b）一般是由若干个ffd连接在一起形成，这几个ffd之间通信是完全的对等的，在其无线通讯范围内，每个节点都可以与其它节点通信。mesh网中，通常将发起建立网络的那个ffd节点设置为pan协调点。由于节点均为ffd，mesh网具有很高可靠性，而且具有“自恢复”能力，它可以为传输的数据包提供多条路径，即使一条路径出现故障，则依然存在另外一条或多条路径可以选择。图2.8 zigbee网络拓扑结构 fig2.8 zigbee network topologymesh网可以通过ffd扩展网络，组成mesh网与星型网构成的混合网（图2

51、.8-c） 。混合网中，终端节点采集的信息首先传到同一子网内的协调点，再通过网关节点上传到上一层网络的pan协调点。混合网一般适用于覆盖范围较大的网络。2.3.5 zigbee 网络组建zigbee 网络中，只有 pan 协调器能够组建一个新的 zigbee 网络。在 pan 协调器建立一个新网络时，首先要对所有的信道进行扫描，选择其中一个空闲信道来建立新的网络。在找到合适的空闲信道后，zigbee 协调器就会选择一个 pan 标识符和新网络匹配。pan 标识符一旦确定，就说明已经建立了网络，此后，如果遇到另一个 pan 协调器扫描该信道，这个网络的协调器就会响应并声明这个新网络的存在。同时，

52、这个 zigbee 协调器还会为自己设置一个 16bit 的网络地址，一般是 0000。zigbee 网络中的所有节点都有两个地址：一个是 64bitieee 扩展地址，另一个是 16bit 网络地址。16bit 网络地址也就是 802.15.4mac 短地址，它在整个网络中是唯一的。中国矿业大学（北京）硕士学位论文 15 当zigbee网络中的pan协调器选定网络地址后，便开始接受其他新节点加入其网络的申请。当一个节点希望加入该网络时，它首先通过信道扫描来搜索它周围存在的网络，当搜寻到了这个网络后，它就会通过关联过程来加入网络，这时zigbee网络中具备路由功能的节点可以允许或拒绝别的节点通

53、过它关联网络。如果网络中的某个节点与网络失去联系后想要再次加入网络，它可以通过孤立通知过程来重新加入网络。网络中每个具备路由器功能的节点都具有一个路由表和一个路由发现表，并参与数据包的转发、路由发现和路由维护，以及关联其它节点来扩展网络。zigbee网络中传输的数据大体上可分为三类：周期性数据，这一类数据的传输速率根据不同的应用而确定，例如传感器网络中传输的数据；间歇性数据，这一类数据的传输状态根据应用或者外部激励而确定，例如电灯开关传输的数据；反复性的、反应时间低的数据，这一类数据的传输状态是由时隙分配而确定的，例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，zigbe

54、e节点可以设定为激活和睡眠两种工作状态，当两个节点都处于激活状态才能完成数据的传输。在有信标的网络中，zigbee协调点通过定期地向网络节点广播信标使整个网络保持同步；在无信标的网络中，终端节点会被设定工作周期，定期睡眠，定期醒来，而终端节点以外的各个节点要始终保证处于激活的工作状态，终端节点每次醒来后会主动向它的协调点发出询问是否有数据要发送给自己。在zigbee网络中，当有数据包要发送给正在睡眠的节点时，协调点负责为这些数据包提供缓存。2.5 本章小结 本章中对嵌入式技术，磁阻传感器原理和新型无线网络进行了系统的介绍。其中重点介绍了 zigbee 无线网络的结构，协议，网络的拓扑结构和网络

55、的组建。中国矿业大学（北京）硕士学位论文 16 3. 过车传感器硬件系统设计 硬件是整个传感器的基础，直接关系着传感器的功能。对于工作在复杂环境下的过车传感器，做好硬件设计至关重要。3.1 系统设计原则和硬件框架在实际中，过车传感器往往放置在高速公路的各车道路面上，工作条件恶劣。夏天，在阳光直射下，高速公路的路面温度可高达 5060，而在寒冷的冬天，温度可低至零下十几度。并且现在的车辆装载了越来越多的电子设备，将对过车传感器产生很大的电磁干扰。另外，为了防止车辆对传感器造成破坏和考虑到传感器安装方便，应使用电池供电和无线传输。因此，过车传感器应满足以下要求：体积小，厚度薄，安装后不能影响车辆正

56、常行驶整体结构坚固，在大型车辆的碾压后仍然保持正常的工作状态工作时间长，可靠稳定采用电池供电耗电量低无线传输且抗干扰能力强 过车无线传感器先由磁阻传感器采集信号，经过a/d转换后将传感器采集的模拟信号转换为数字信号，再由微处理器对这些数字信号进行处理，无线通信模块将数据传输至上位机进一步数据统计，分析使用。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对车辆扰动地磁场进行检测，cc2431整合了单片机模块和zigbee无线通讯模块,因此,以成都无线龙cc2431模块作为数据的处理和发送模块。其硬件框架如图3.1所示。图3.1 过车传感器总体框架fig3.1 vehicle sen

57、sor framework16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 射频电路中国矿业大学（北京）硕士学位论文 17 3.2 硬件设备的选择3.2.1 磁阻传感器 hmc2003磁阻传感器是美国公司霍尼维尔制造的一款用于精确测量低磁场强度的使用三轴磁阻传感器混合的电路组件,由三个精密坡莫合金磁阻传感器和统一定制的接口电子设备构成,并且自带高灵敏度温度补偿电路。混合电路可使用615v单电源供电，并内置+ 2.5v 基准电压,每个坐标轴都有模拟输出可供外部接口使用, 可检测的磁场强度范围能达到402gs，工作温度在- 4085之间。传感

58、器的磁敏感方向为沿着双列直插混合电路长，宽，高三个方向。x、y、z 磁传感器桥路与放大器相连，输出05v的信号。0高斯对应2.5v 输出(典型值)，该电压实际值由参考电压vref决定。地球磁场通常为0.5高斯，放大的桥路输出灵敏度典型值为1.0v/guass ,输出模拟量在0.54.5v 范围内变化。利用这种混合电路的灵敏度和线性度可以在地磁场中探测各种变化，以提供罗盘方向的传感。因此,对于要求2或3轴磁场感应、体积和抗振性有限制并只要求前段传感部分的应用来说,该混合电路是最理想的选择。15图3.2 hmc2003结构原理图 fig3.2 structure diagram of hmc200

59、33.2.2 a/d 转换器磁阻传感器输出为模拟信号，需要经过 a/d 转换读入计算机。a/d 转换器的选择需要考虑以下几个指标。1分辨率分辨率是指模数转换器在转换中所能分辨的最小量，习惯上用转换结果的位数表示。分辨率表示了 a/d 转换器对输入模拟信号数字化后的精细程度。不作量程切换时，由输入中国矿业大学（北京）硕士学位论文 18 模拟信号的动态范围和要求分辨的最小输入可计算所需要 adc 分辨率，也即： (3.1)min21211nnfsruiui (3.2)min(1)2logfsruiuin对于所选用的磁阻传感器，adc 的位数为 14 即可。2.精度精度有绝对精度和相对精度两种表示方

60、法。1) 绝对误差在一个转换器中，对应于一个数字量的实际模拟输入电压和理想的模拟输入电压之差的最大值，定义为“绝对误差” 。通常以数字量的最小有效位(lsb)的分数值来表示绝对误差，如士 1lsb 等。绝对误差包括量化误差和其它所有误差。2) 相对误差是指整个转换范围内，任意数字量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之差，用模拟满量程的百分比表示。例如，满量程为 5v,12 位 a/d 芯片，若其绝对精度为 11/2lsb，则其最小有效位的量化单位为 1.22mv，其绝对精度为 0.61 mv，相对精度为 0.061%3.转换时间(速率)转换时间是 adc 完成一次转换所需的时间。对于大多数 a