基于zigbee的车辆数据采集传感器的研究-3

1、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

2、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

3、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PAN标识符和源地址等。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字节帧控制序列号目的PAN标识符目的地址源PAN标识符源地址帧载荷FCS地址域MHR(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

4、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 fra

5、me2字节2字节2字节0/1字节0/1字节可变长帧控制域目的地址源地址广播半径域广播序列号帧载荷路由域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 frame0-12-56-78910-15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帧结构Table2.5 Stru

6、cture of APS frame1字节0/1字节0/1字节0/2字节0/1字节可变帧控制域目的端点簇标识符模板标识符源端点帧载荷帧地址域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、路由器，能够和网络中的任何节点通信。简化功能设备（R

7、educed 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，FFD扮演着在无线传感器网络中汇聚节点的角色，通

8、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在本研究课题中，过车传感器是RFD设备，只负责车辆

9、数据的采集、处理、存储和发送。2.3.3 ZigBee技术的原语在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l 请求原语l 指示原语l 响应原语l 确认原语原语的书写形式包含了服务的实体，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

10、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.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-NETW

11、ORK-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Zi

12、gBee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

13、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2.8-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

14、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，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。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

15、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

16、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，ZigBee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

17、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的组建。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

18、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：l 体积小，厚度薄，安装后不能影响车辆正常行驶l 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l 工作时间长，可靠稳定l 采用电池供电l 耗电量低l 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

19、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。16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射频电路图3.1 过车传感器总体框架Fig3.1 vehicle sensor framework3.2 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

20、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40±2Gs，工作温度在- 4085之间。传感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

21、。15图3.2 HMC2003结构原理图 Fig3.2 Structure diagram of HMC20033.2.2 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) (3.2)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法。1) 绝对误差在一

22、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ADC，转换时间的倒数即为转换速率。积分型A/D的转

23、换时间是毫秒级低速A/D,逐次比较型A/D是微秒级中速A/D，全并行/串并行型A/D可达到纳秒级。磁阻传感器信号的A/D转换电路对本系统非常重要，直接关系测量的精度。CC2430具有8通道，最高14位的A/D转换器，14位时转换时间为132s。HMC2003有Xout,Yout,Zout三个输出引脚,分别对应传感器所在位置的X轴,Y轴,Z轴上的磁场强度。三个引脚输出0-5V的电压(2.5V代表磁场强度为0) ,因此可以直接将信号输出接到CC2430的A/D通道。这样，进一步减少了传感器的体积和功耗。3.2.3 无线通信芯片CC2430CC2430是TI公司推出针对ZigBee的无线通信芯片,

24、延用了以往CC2420芯片的架构以2.4GHz ISM波段应用对低成本，低功耗的要求。能满足低功耗ZigBee（IEEE 802.15.4）无线传感器网络的应用需要。图3.3 CC2430电路版外观图Fig3.3 The appearance of CC2430 circuit diagramCC2430结合了一个高性能2.4GHz DSSS(直接序列扩频)的射频收发器核心和一颗工业级8051 单片机控制器。CC2430 芯片延用了以往CC2420 芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频(RF)前端、内存和微控制器。它使用1个8 位MCU（8051），具有32/64/128 KB 可

25、编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟数字转换器(ADC)、定时器（Timer）、看门狗定时器（Watchdog Timer）、AES128密保协同处理器、32 kHz晶振的休眠状态定时器、掉电检测功能电路(Brown Out Detection)、内置上电复位电路(Power On Reset)等。19 CC2430 芯片采用0.18um CMOS 工艺生产，工作时的电流消耗为27 mA；在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27 mA或25mA。CC2430的从休眠模式转换到主动模式使用超短时间的特性，特别适合那些对电池寿命要求非常严格的应用。 CC2430具有四个工作模式，以适应对芯片低功耗

26、有不同要求的应用。这四种工作模式分别为：PM0、PM1、PM2、PM3。他们的区别如表3.1所示。表3.1 CC2430的工作模式Table3.1 CC2430 working mode工作模式功能PM0主时钟振荡器开，电源电压调节器开，为全功能模式。这个模式下，CPU和所有外围模块都处于激活状态，是通常使用的模式 PM132.768KHz时钟振荡器开，电源电压调节器开，高速振荡器关闭。在CPU进入此模式后，开始执行低功耗的程序序列，当程序从低功耗模式PM1跳出到正常模式PM0时，高速振荡器被启动，CPU工作在高速RC振荡器下，直到高速XSOC振荡器被设置好并选中。PM1用在唤醒时间较短，CP

27、U模式切换较频繁的情况。 PM232.768KHz时钟振荡器开，电源电压调节器关，PM2是功耗较低的工作模式。当CPU进入PM2后，只有32.768KHz振荡器、外部中断、和睡眠定时器是激活状态的，其他所有电路都处于掉电状态，电压调节器也被关闭。PM2较适合唤醒时间较长，CPU模式切换不太频繁的情况，常使用睡眠定时器来唤醒CPU的运行。 PM3PM3是CPU功耗最低的一种模式。在这种模式下，电源电压调节器关闭，内部所有由电压调节器提供电能的电路全部停止工作，所有振荡器全部停止工作。此时，CPU只能响应上电复位信号跟外部中断信号RAM的内容不会丢失及改变，直到被唤醒进入PM0模式。PM3常用在C

28、PU需要等待外部信号的情况下。图3.4 CC2430芯片架构 Fig3.4 CC2430 chip architectureCC2430芯片的主要特点如下：l 低功耗的高性能工业级8051单片机内核；l 2.4GHzIEEE 802.15.4的ZigBee无线收发器；l 高接收灵敏度和强大的抗干扰性能；l 大容量闪存；l 具备在各种供电方式下稳定数据保持能力的8KB sRAM；l 具备强大的DMA功能；l 高集成度，只需极少的外围元件；l 最小基本系统只需一个晶体，即可满足ZigBee组网需要；l 低电流消耗 (当内核运行在32 MHz总线频率时，接收为27mA，发射为25mA)；l 掉电方式

29、的电流消耗只有O.9A，通过外部中断或者实时钟(RTc)能够唤醒系统；l 挂起方式的电流消耗小于 O.6A，通过外部中断能够唤醒系统；l 硬件直接支持避免冲突的载波侦听多路存取；l 电源供电电压范围宽(2.O3.6 V)；l 内置数字化的接收信号强度指示器/链路质量指示(RssI/LQI)；l 内置电池监视器和温度传感器；l 具有8路814位模数转换器；l 内置高级加密标准(AES)协处理器；l 具有2个支持通用串行通信协议的串口；l 内置硬件看门狗；l 具有1个IEEE 802.5.4 媒体存取控制(MAC)定时器；l 具有1个通用的16位和2个8位定时器；l 硬件调试支持；l 具有独立的定

30、位检测硬件核心。3.2.4 电源模块电源对于传感器的稳定工作和节能至关重要。本课题中采用新型的PWM调制的稳压电源模块TPS63000，与传统的线性分压稳压芯片相比，明显节能。其特点如下：l 具有96%高效率l 高输出电流，在3.3V（Vin>2.4V）时可达800-mAl 能够在步进和Boost模式之间自动过渡l 高截止性，器件静态电流小于50mAl 输入电压范围较宽：1.8V5.5Vl 可调输出电压1.2V5.5V l 温度检测与过温保护3.3 过车传感器相关的通信 Zigbee网络的设备有两种，协调器和终端。协调器：协调器的功能主要是建立网络和进行网络管理。ZigBee协调器上电后通过扫描寻找一个空闲信道来创建新网络；接收新节点加入并分配网络地址，维护一个目前连接设备的网络列表。在本课题研究中，协调器用于