【正文】 實現(xiàn)城市道路交通的智能化，科學(xué)化管理，切實做好公路交通的車輛信息正確采集和及時傳輸是必不可少的。及時準(zhǔn)確的了解到路面車輛信息，不僅可以實現(xiàn)對路面的實時管理，使路面交通高質(zhì)量高效率的運行，同時也為決策部門進(jìn)行交通預(yù)測，道路規(guī)劃，和建設(shè)提供可參考依據(jù)。目前 ZigBee 技術(shù)還未具體應(yīng)用于機(jī)動車性能檢測領(lǐng)域，這給了本課題更大的研究應(yīng)用空間。 In this paper we analysed the shortage of existing motor vehicle detector and in bination with the actual needs of development, we propose a new methods which based on Zigbee technology to detect road vehicles。 本課題的研究目的和意義在“十一五”期間，公路交通運輸對于是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展意義重大，尤其在整合和利用交通信息資源、提高交通行業(yè)信息化監(jiān)管水平、加強(qiáng)交通綜合運行分析輔助決策、改善公眾交通信息服務(wù)質(zhì)量等方面要實現(xiàn)重點突破。通過這些交通智能設(shè)備采集，處理車流量、車速、飽和度等交通數(shù)據(jù)并通過直觀的方式實時反饋給交通管理部門。通過對交通量信息資料的分析和整理，我們可以了解交通量的空間分布和時間分布、交通量的各種變化規(guī)律和影響交通量數(shù)據(jù)的各種因素，從而為道路網(wǎng)規(guī)劃、交通安全、道路設(shè)計和建設(shè)等各個方面提供切實可靠的依據(jù)。公路交通檢測儀器儀表的發(fā)展也不例外，也應(yīng)朝著微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 2 交通量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀交通量檢測系統(tǒng)是采用一定的車輛檢測技術(shù)將有關(guān)交通流信息等物理量形式的信息轉(zhuǎn)為電子量，然后通過傳輸線路傳送到信號控制器的信息處理部分進(jìn)行處理，它是城市交通道路控制系統(tǒng)中不可缺少的組成部分，主要是通過數(shù)據(jù)采集和設(shè)備監(jiān)視等方式來進(jìn)行交通數(shù)據(jù)的監(jiān)測。并且建立了“車輛、道路與交通智能協(xié)會” ，建設(shè)省、通產(chǎn)省、運輸省和警察廳各部門之間緊密配合與共同參與到 ITS 建設(shè)，保證了上路的每輛汽車均處于監(jiān)測系統(tǒng)的檢測范圍內(nèi)，目前在日本上路行駛的車輛中，有超過了兩百萬輛的汽車裝備了車輛導(dǎo)航定位設(shè)備，大規(guī)模的檢測覆蓋率不僅可以使監(jiān)控中心實時了解每一輛車輛行駛情況而且通過該設(shè)備能夠向駕駛員提供實時的道路信息服務(wù)。國內(nèi)引進(jìn)較多的是美國和澳大利亞生產(chǎn)的儀器。由上位機(jī)完成各種復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理和統(tǒng)計分析工作。 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 與歐美相比我國的智能公交系統(tǒng)的發(fā)展起步相對較晚。在制定國家發(fā)展的“十一五”計劃和 2022 年長期規(guī)劃時， ITS 已作為一個重要項目列入戰(zhàn)略研究計劃?？傮w來說，工作的穩(wěn)定性較差，其中有的技術(shù)落后。 [6]目前，車輛檢測傳感器按工作原理不同主要分為以下幾類：壓力感應(yīng)型檢測器一般用于早期的交通數(shù)據(jù)采集中，車輛經(jīng)過時通過檢測壓力變化采集數(shù)據(jù)，再將壓力數(shù)據(jù)的變化轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號分析處理。其優(yōu)點為設(shè)備體積小，檢測精度高，安裝時設(shè)備設(shè)置于各車道上方無需切割路面，缺點是其檢測精度受環(huán)境溫度和氣流影響較大。借助于計算機(jī),互聯(lián)網(wǎng)和通信技術(shù)形成交通檢測網(wǎng),依靠傳感器實時獲得的數(shù)據(jù)才能得到及時的處理與反饋，交通控制中心才能了解掌握道路中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 4 交通情況,對路網(wǎng)進(jìn)行實時監(jiān)控。電話線方式這種傳輸方式采用 XSDL 技術(shù),利用現(xiàn)有的電話線路進(jìn)行數(shù)字信號傳輸，它提供一種直接接入的不中斷服務(wù)。（2）無線網(wǎng)絡(luò)接入無線組網(wǎng)是采用無線信道進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，具有靈活機(jī)動、簡便快捷等優(yōu)點，特別適合一些路況復(fù)雜的地段組網(wǎng)，目前交通監(jiān)測中無線接入方式主要有以下幾種：藍(lán)牙無線通信藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)是一種低功耗，短距離無線通信技術(shù)，主要優(yōu)點是可以方便的建立無線連接，移植性較強(qiáng)，適用面廣，但是其通信距離短，待機(jī)耗電量較高，不適合用于公路方面的交通量數(shù)據(jù)采集。Zigbee技術(shù)ZigBee技術(shù)是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，適合于功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。本論文的主要工作是分析研究現(xiàn)有交通量檢測系統(tǒng)的特點和存在的問題，采用磁阻傳感器、Zigbee無線通信技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)，研究開發(fā)新的過車傳感器。磁阻傳感器由于其高靈敏度，可以用于進(jìn)行車輛檢測。即以應(yīng)用為中心，以計算機(jī)技術(shù)為基礎(chǔ)，軟硬件可裁剪，并且適用于應(yīng)用系統(tǒng)對功能、可靠性、成本、體積、通信技術(shù)、半導(dǎo)體技術(shù)、微電子技術(shù)、語音圖像數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，甚至是傳感器等先進(jìn)技術(shù)和具體應(yīng)用對象相結(jié)合后的更新?lián)Q代產(chǎn)品。一般來說，嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)是整個嵌入式系統(tǒng)的核心，嵌入式系統(tǒng)主要由嵌入式外部硬件設(shè)、嵌入式操作系統(tǒng)、嵌入式處理器和嵌入式應(yīng)用軟件四大部分組成。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步, 現(xiàn)代各種各樣的磁傳感器已不僅僅限于測量地球磁場的強(qiáng)弱和方向, 還可以測量由于金屬物體移動、電流，甚至腦電波的活動所產(chǎn)生的磁場。 鐵磁性物質(zhì)引起的磁場變化 The magic field of ferromagic materials表征磁電阻效應(yīng)大小的物理量為MR，其定義為: %10?????MR式中：ρ—物質(zhì)在磁場不為零中的電阻率 ρ 0—物質(zhì)在磁場為零時的電阻率 磁阻傳感器在車輛檢測中應(yīng)用車輛檢測使用的磁阻傳感技術(shù)是基于磁偏角檢測技術(shù)。此外，傳感器可以在硅片上大量生產(chǎn)，封裝成商用集成電路的形式。從而完成對車輛的檢測。 車輛引起的地磁擾動 the geomagic disturbance by vehicle由于磁阻傳感器具有體積小，功耗低，易于安裝，溫度特性好，抗干擾能力強(qiáng)，誤差中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 9 不隨時間累積等特點，適合做成體積微小的過車傳感器，安裝在車道上，既不影響車輛的安全行使，同時能夠準(zhǔn)確地記錄交通量數(shù)據(jù)。 [9]ZigBee 是一種短距離傳輸、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的新興無線通訊技術(shù),從誕生到現(xiàn)在只有短短幾年的時間。在現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)中，ZigBee是相對功耗最少和成本最低的技術(shù)。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 10 Zigbee協(xié)議棧結(jié)構(gòu) Zigbee protocol stack structure與服務(wù)與服務(wù)原語不同，協(xié)議定義了網(wǎng)絡(luò)對等層之間的幀格式、意義和交換方式，各層實體利用協(xié)議來實現(xiàn)服務(wù)，對于幀在網(wǎng)絡(luò)各層之間的傳輸，當(dāng)從下層向上層傳輸時，每層都會在傳輸?shù)膸懈郊由戏从潮緦酉嚓P(guān)信息的數(shù)據(jù)，分別成為幀的首部和尾部。表 物理層幀結(jié)構(gòu) Physical layer frame structure4 字節(jié) 1 字節(jié) 1 字節(jié) 可變前同步碼 幀定界符 幀長度 保留位 1 位 PSDU同步包頭 物理層包頭 物理層載荷由于發(fā)送端按一定的是延發(fā)送連續(xù)的位流，而接收端必須在時間上保持與發(fā)送端相同才能正確的接收數(shù)據(jù)，這稱為同步。其中幀首部又由若干個域按一定的順序排列，但并不是所有的幀中都包含有全部的域。信標(biāo)幀：在使用信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器周期性的發(fā)送信標(biāo)，表示一個超幀的開始，信標(biāo)中包含了 PAN 的基本信息，其總體結(jié)構(gòu)與 MAC 層幀相同。 （3）網(wǎng)絡(luò)層網(wǎng)絡(luò)層幀是網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議數(shù)據(jù)單元（NPDU），它由下列兩部分組成：網(wǎng)絡(luò)幀首部，包含幀控制，地址和序列信息等；長度可變的幀載荷，即幀所傳送的信息；下圖是網(wǎng)絡(luò)幀通用結(jié)構(gòu)：表 網(wǎng)絡(luò)幀通用結(jié)構(gòu) General structure of the work frame2 字節(jié) 2 字節(jié) 2 字節(jié) 0/1 字節(jié) 0/1 字節(jié) 可變長目的地址 源地址 廣播半徑域 廣播序列號幀控制域路由域幀載荷網(wǎng)絡(luò)層首部 網(wǎng)絡(luò)層的有效載荷幀控制域包含了幀的類型，地址，序列號以及其他一些信息。幀控制域的長度為 1 字節(jié)，包含了有關(guān)幀類型，尋址，標(biāo)志等信息。RFD的構(gòu)造相對簡單，因此任務(wù)比較單一，在傳感器網(wǎng)絡(luò)中，它們的任務(wù)一般只是將采集的數(shù)據(jù)信息發(fā)送給它的協(xié)調(diào)點，像數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和維護(hù)等功能RFD并不具備。FFD和RFD兩種設(shè)備都可以作為終端節(jié)點加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 技術(shù)的原語中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 13 在 ZigBee 協(xié)議棧中，每一層通過使用下一層提供的服務(wù)完成自己的功能，同時對上層提供服務(wù)，網(wǎng)絡(luò)的通信在對等的層次上進(jìn)行。在 ZigBee 技術(shù)中存在著以下四種類型的原語? 請求原語? 指示原語? 響應(yīng)原語? 確認(rèn)原語原語的書寫形式包含了服務(wù)的實體，原語的功能及原語的類型，物理層數(shù)據(jù)訪問類型原語用 PD 開頭，物理層管理類原語用 PLME 開頭；MAC 層數(shù)據(jù)服務(wù)原語用 MCPS 開頭，MAC 層管理服務(wù)原語用 MLME 開頭；網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)原語用 NLDE 開頭，網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)原語用 NLME 開頭；應(yīng)用層支持子層數(shù)據(jù)服務(wù)原語用 APSED 開頭，應(yīng)用支持子層管理服務(wù)原語用 APSME 開頭等。N1 用戶向它的 M 層發(fā)出服務(wù)請求，它引起 N2 用戶的 M 層向 N2 用戶發(fā)出指示原語，通告某事件的發(fā)生。右側(cè)圖是 M 層應(yīng)用向 P 層發(fā)送服務(wù)原語，P中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 14 層根據(jù)原語執(zhí)行的結(jié)果向 M 層返回確認(rèn)原語。星型網(wǎng)通常適用于用于節(jié)點數(shù)量較少的場合。 Zigbee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) Zigbee work topologyMesh網(wǎng)可以通過FFD擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)，組成Mesh網(wǎng)與星型網(wǎng)構(gòu)成的混合網(wǎng)（） 。在 PAN 協(xié)調(diào)器建立一個新網(wǎng)絡(luò)時，首先要對所有的信道進(jìn)行掃描，選擇其中一個空閑信道來建立新的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的所有節(jié)點都有兩個地址：一個是 64bitIEEE 擴(kuò)展地址，另一個是 16bit 網(wǎng)絡(luò)地址。如果網(wǎng)絡(luò)中的某個節(jié)點與網(wǎng)絡(luò)失去聯(lián)系后想要再次加入網(wǎng)絡(luò)，它可以通過孤立通知過程來重新加入網(wǎng)絡(luò)。在有信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，ZigBee協(xié)調(diào)點通過定期地向網(wǎng)絡(luò)節(jié)點廣播信標(biāo)使整個網(wǎng)絡(luò)保持同步；在無信標(biāo)的網(wǎng)絡(luò)中，終端節(jié)點會被設(shè)定工作周期，定期睡眠，定期醒來，而終端節(jié)點以外的各個節(jié)點要始終保證處于激活的工作狀態(tài)，終端節(jié)點每次醒來后會主動向它的協(xié)調(diào)點發(fā)出詢問是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送給自己。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 16 3. 過車傳感器硬件系統(tǒng)設(shè)計 硬件是整個傳感器的基礎(chǔ)，直接關(guān)系著傳感器的功能。并且現(xiàn)在的車輛裝載了越來越多的電子設(shè)備，將對過車傳感器產(chǎn)生很大的電磁干擾。 過車傳感器總體框架 vehicle sensor framework16位A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)存儲 數(shù)據(jù)、命令傳送三軸磁阻 傳感器信號處理電路CC2430C8051F CPURF 射頻電路中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 17 硬件設(shè)備的選擇 磁阻傳感器 HMC2022磁阻傳感器是美國公司霍尼維爾制造的一款用于精確測量低磁場強(qiáng)度的使用三軸磁阻傳感器混合的電路組件,由三個精密坡莫合金磁阻傳感器和統(tǒng)一定制的接口電子設(shè)備構(gòu)成,并且自帶高靈敏度溫度補償電路。X、Y、Z 磁傳感器橋路與放大器相連，輸出0～5V的信號。因此,對于要求2或3軸磁場感應(yīng)、體積和抗振性有限制并只要求前段傳感部分的應(yīng)用來說,該混合電路是最理想的選擇。分辨率表示了 A/D 轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號數(shù)字化后的精細(xì)程度。通常以數(shù)字量的最小有效位(LSB)的分?jǐn)?shù)值來表示絕對誤差，如士 1LSB 等。對于大多數(shù) ADC，轉(zhuǎn)換時間的倒數(shù)即為轉(zhuǎn)換速率。HMC2022 有 Xout,Yout,Zout 三個輸出引腳,分別對應(yīng)傳感器所在位置的 X 軸,Y 軸,Z 軸上的磁場強(qiáng)度。能滿足低功耗ZigBee（IEEE ）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要。 [19] CC2430 CMOS 工藝生產(chǎn)，工作時的電流消耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25mA。 CC2430的工作模式 CC2430 working mode工作模式 功能PM0主時鐘振蕩器開，電源電壓調(diào)節(jié)器開，為全功能模式。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 20 PM2，電源電壓調(diào)節(jié)器關(guān)，PM2是功耗較低的工作模式。在這種模式下，電源電壓調(diào)節(jié)器關(guān)閉，內(nèi)部所有由電壓調(diào)節(jié)器提供電能的電路全部停止工作，所有振蕩器全部停止工作。 電源模塊電源對于傳感器的穩(wěn)定工作和節(jié)能至關(guān)重要。ZigBee 協(xié)調(diào)器上電后通過掃描尋找一個空閑信道來創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)；接收新節(jié)點加入并分配網(wǎng)絡(luò)地址，維護(hù)一個目前連接設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)列表。過車傳感器為終端設(shè)備。對于六車道的高速公路，需要 12 個傳感器。在 ZigBee2022 版本中規(guī)定，在全部節(jié)點中實現(xiàn)綁定機(jī)制，并將其稱為源綁定。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 24 圖 傳感器網(wǎng)絡(luò)與通信 圖 傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信 Sensor work munication 本章小結(jié) 本章中首先確定了系統(tǒng)設(shè)計的原則，建立了傳感器硬件框架，確定了傳感器系統(tǒng)的組成，對硬件進(jìn)行了選型，Zigbee 無線通信選用了 TI 公司的 CC2430，該芯片除了無線通信功能外，還有一個功能強(qiáng)大的 C8051F CPU 和最高達(dá) 14 位的 A/D 轉(zhuǎn)換器，不需要單獨的A/D 轉(zhuǎn)換電路進(jìn)行磁阻傳感器的采樣，選用該款 CPU 使得傳感器的