【正文】 ...........................................................50中國礦業(yè)大學（北京）碩士學位論文 1 1 緒論公路交通運輸是國民經(jīng)濟發(fā)展的重點，交通情況調(diào)查工作的任務將更為重要。隨著汽車普及率也在不斷提高，高速公路網(wǎng)建設的不斷發(fā)展，城市路網(wǎng)密度和路面車流量也越來越大，交通情況調(diào)查工作的任務將更為艱巨。以實現(xiàn)對道路交通的智能化，信息化管理。 [2]通過對交通量的分析交通工作者可以準確掌握交通現(xiàn)狀及其變化規(guī)律，同時也為實現(xiàn)與未來的交通需求相適應的道路工程設施及交通管理控制手段提供依據(jù)。采用無線通信技術不僅是提高檢測儀器的技術水平，就高速公路的環(huán)境來說，更是保障了交調(diào)人員的人身安全。 國外發(fā)展現(xiàn)狀美國作為當今世界上高速公路建設里程最多、高速公路路網(wǎng)最發(fā)達、人均車輛占有率最高的發(fā)達國家，充分利用其雄厚的資金支持和車載通信、衛(wèi)星通信等通信技術上的優(yōu)勢，成為在道路車輛檢測技術上最為先進最為成熟的國家之一。使得車輛行駛信息、駕駛員個人信息和監(jiān)控中心之間的通訊系統(tǒng)實現(xiàn)了一體化。國外儀器的特點是工作穩(wěn)定，抗干擾能力強，使用方便。傳送數(shù)據(jù)的途徑有串行接口，USB 接口或是紅外接口。在 20 世紀 70 年代從國外引進了一些相關項目，進行了一些 ITS 或與 ITS 相關的基礎項目的研究和應用，但也只是局限于研究城市交通信號的控制試驗。我國目前已經(jīng)成立全國范圍內(nèi) ITS 協(xié)調(diào)小組，組織完成了 “中國ITS 標準體系框架研究” 、 “ITS 系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究”等一批重點項目，將路面車輛信息的檢測、監(jiān)控作為智能交通管理的一個重要內(nèi)容。隨著時間的推移，該儀器已不能滿足當前對交通量統(tǒng)計的需求。由于其檢測信息度不高和自動化程度上存在的缺陷已經(jīng)逐漸被新型檢測器代替。視頻圖像型檢測器也是各國目前普遍采用的一種檢測方法，通過攝像裝置將道路上運行的車輛拍攝成圖像，再利用視頻圖像技術處理圖像信息，檢測出交通數(shù)據(jù)。遠程監(jiān)控網(wǎng)絡主要分為有線網(wǎng)絡和無線網(wǎng)絡兩大類。這種方式優(yōu)點是采用普通電話網(wǎng)絡就可以實現(xiàn)信號的傳輸，無需另外組網(wǎng)，可大大降低系統(tǒng)費用，一般用于城市交管部門監(jiān)控視頻的傳輸方案。GPRS網(wǎng)絡技術GPRS是在GSM基礎之上發(fā)展而來的一種新的分組交換數(shù)據(jù)承載業(yè)務，一般被稱為（意為在2G和3G之間）通信技術。其網(wǎng)絡容量大，組網(wǎng)靈活，非常適合交通量采集的傳感器網(wǎng)絡。該傳感器的研究分為硬件設計和軟件開發(fā)兩個部分，硬件包括磁阻傳感模塊，信號處理電路，AD轉換模塊和zigbee無線通訊模塊。而無線通信技術大大提高了傳感器的技術水平和實用性。嵌入式系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分。 嵌入式系統(tǒng)框架示意圖 The embedded system frame diagram 磁阻傳感器工作原理地球本身就所是一個巨大的磁體，它在空間產(chǎn)生的磁場稱為地磁場。由于磁傳感器在檢測時為非接觸式，中國礦業(yè)大學（北京）碩士學位論文 7 可以檢測很微弱的磁場變化，因此，被廣泛應用于各種與磁場相關的測量中。磁阻傳感器由四個鐵－鎳合金（Permalloy）薄膜沉積在硅片上形成的電阻條電阻組成，這四個電阻挑連接成一個惠斯通電橋，該電橋可以測出沿著單一軸線的磁場的強度和方向。這樣使得磁傳感器可以和其它電路和系統(tǒng)元件自動組合在一起。 車輛引起的地磁場改變 The magic field changes caused by vehicles 三軸智能數(shù)字磁場計HMR2300有X，Y，Z三個輸出引腳，可檢測傳感器所在位置磁場的三個方向強度變化, 并可與計算機直接通訊以輸出X、Y、Z三個軸向的分量。本文擬采用基于磁偏角設計的霍尼韋爾HMC2022三軸磁性傳感器作為車輛檢測傳感器。該技術在無線傳輸領域具有以下優(yōu)勢：省電：其工作方式中有休眠模式，收發(fā)信息時所耗的電量是非常少的，在某些應用中兩節(jié)電池可以用到兩年左右；可靠性高：MAC 層采用完全確認的數(shù)據(jù)傳輸機制，也就是當數(shù)據(jù)發(fā)送后，需等待接收方返回的確認信息；成本極低：芯片的現(xiàn)價是在在 3 美元以下。由于ZigBee技術具有的這些特點，也決定了ZigBee技術適合于承載道路檢測這種數(shù)據(jù)流量較小的大規(guī)模無線組網(wǎng)業(yè)務。而從下層向上層傳輸時，各層將附加信息去掉。同步又分為位同步和幀同步；位同步的功能是實現(xiàn)位的鎖定，而幀同步時實現(xiàn)數(shù)據(jù)包的定界和識別。MAC 層幀結構如表 所示。數(shù)據(jù)幀：數(shù)據(jù)幀中包含目的地址子域或源地址子域，取決于幀控制域的配置，幀序列號應為當前 macDSN 的值，數(shù)據(jù)幀載荷子域的內(nèi)容是上層要求 MAC 層傳輸?shù)臄?shù)據(jù)。其結構如圖 所示表 網(wǎng)絡幀控制域結構 Control field structure of work frame中國礦業(yè)大學（北京）碩士學位論文 12 01 25 67 8 9 1015幀類型 協(xié)議版本 發(fā)現(xiàn)路由 保留 安全性 保留 （4）應用層APS 幀（APDU）由以下兩部分組成：APS 首部，包含幀控制及地址信息；APS 幀載荷，即幀傳輸?shù)挠行?shù)據(jù)，其長度可變。 ZigBee 網(wǎng)絡中的設備根據(jù)設備功能的不同，IEEE ：全功能設備（Full Function Device,FFD）：可工作于所有網(wǎng)絡結構，可作為網(wǎng)絡中的協(xié)調(diào)器、路由器，能夠和網(wǎng)絡中的任何節(jié)點通信。相對于FFD，RFD占用資源少，需要的存儲容量也小，成本比較低。此外，普通FFD在它的個人操作空間（POS）中也可以充當協(xié)調(diào)點，但是這種普通FFD與PAN協(xié)調(diào)點不同,它仍然受PAN協(xié)調(diào)點的控制。這些服務是設備中的實體通過發(fā)送服務原語來實現(xiàn)的。表 原語的書寫形式 Forms of primitive服務類原語 管理類原語物理層 PD PLMEMAC 層 MCPS MLME網(wǎng)絡層 NLDE NLME應用層 APSED APSME例如，物理層的檢測請求原語為 ,MAC 層的與協(xié)調(diào)器同步請求原語為,絡層的網(wǎng)絡發(fā)現(xiàn)確認原語為 等。N2 用戶通過響應原語作出回應。 ZigBee 網(wǎng)絡拓撲結構ZigBee網(wǎng)絡主要有三種拓撲結構，星型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和混合網(wǎng)?！　esh網(wǎng)（）一般是由若干個FFD連接在一起形成，這幾個FFD之間通信是完全的對等的，在其無線通訊范圍內(nèi)，每個節(jié)點都可以與其它節(jié)點通信。混合網(wǎng)中，終端節(jié)點采集的信息首先傳到同一子網(wǎng)內(nèi)的協(xié)調(diào)點，再通過網(wǎng)關節(jié)點上傳到上一層網(wǎng)絡的PAN協(xié)調(diào)點。在找到合適的空閑信道后，ZigBee 協(xié)調(diào)器就會選擇一個 PAN 標識符和新網(wǎng)絡匹配。16bit 網(wǎng)絡地址也就是 MAC 短地址，它在整個網(wǎng)絡中是唯一的。網(wǎng)絡中每個具備路由器功能的節(jié)點都具有一個路由表和一個路由發(fā)現(xiàn)表，并參與數(shù)據(jù)包的轉發(fā)、路由發(fā)現(xiàn)和路由維護，以及關聯(lián)其它節(jié)點來擴展網(wǎng)絡。在ZigBee網(wǎng)絡中，當有數(shù)據(jù)包要發(fā)送給正在睡眠的節(jié)點時，協(xié)調(diào)點負責為這些數(shù)據(jù)包提供緩存。對于工作在復雜環(huán)境下的過車傳感器，做好硬件設計至關重要。另外，為了防止車輛對傳感器造成破壞和考慮到傳感器安裝方便，應使用電池供電和無線傳輸?；旌想娐房墒褂?~15V單電源供電，并內(nèi)置+ 基準電壓,每個坐標軸都有模擬輸出可供外部接口使用, 可檢測的磁場強度范圍能達到40μ～177。0 輸出(典型值)，該電壓實際值由參考電壓Vref決定。 [15] HMC2022結構原理圖 Structure diagram of HMC2022 A/D 轉換器磁阻傳感器輸出為模擬信號，需要經(jīng)過 A/D 轉換讀入計算機。不作量程切換時，由輸入中國礦業(yè)大學（北京）碩士學位論文 18 模擬信號的動態(tài)范圍和要求分辨的最小輸入可計算所需要 ADC 分辨率，也即： ()min21NFSRU?? ()min(1)2logFSRU??對于所選用的磁阻傳感器，ADC 的位數(shù)為 14 即可。絕對誤差包括量化誤差和其它所有誤差。積分型 A/D 的轉換時間是毫秒級低速 A/D,逐次比較型 A/D 是微秒級中速 A/D，全并行/串并行型 A/D 可達到納秒級。三個引腳輸出 05V 的電壓( 代表磁場強度為 0) ,因此可以直接將信號輸出接到 CC2430 的 A/D 通道。中國礦業(yè)大學（北京）碩士學位論文 19 CC2430電路版外觀圖 The appearance of CC2430 circuit diagram DSSS(直接序列擴頻)的射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級8051 單片機控制器。CC2430的從休眠模式轉換到主動模式使用超短時間的特性，特別適合那些對電池壽命要求非常嚴格的應用。這個模式下，CPU和所有外圍模塊都處于激活狀態(tài)，是通常使用的模式 PM1，電源電壓調(diào)節(jié)器開，高速振蕩器關閉。當CPU進入PM2后，、外部中斷、和睡眠定時器是激活狀態(tài)的，其他所有電路都處于掉電狀態(tài)，電壓調(diào)節(jié)器也被關閉。此時，CPU只能響應上電復位信號跟外部中斷信號RAM的內(nèi)容不會丟失及改變，直到被喚醒進入PM0模式。本課題中采用新型的PWM調(diào)制的穩(wěn)壓電源模塊TPS63000，與傳統(tǒng)的線性分壓穩(wěn)壓芯片相比，明顯節(jié)能。在本課題研究中，協(xié)調(diào)器用于將主機端監(jiān)控程序發(fā)送的命令傳遞給具體的傳感器，或是接收過車傳感器采集的數(shù)據(jù)并上傳給上位機。終端設備的程序流程如圖 所示。在進行交通量數(shù)據(jù)采集時，采集系統(tǒng)中存在兩種通信，一種是傳感器之間的通信，另一種是傳感器與計算機之間的通信。綁定機制允許一個應用服務在不知道目標地址的情況下向?qū)Ψ剑ǖ膽梅眨┌l(fā)送數(shù)據(jù)包。最后對傳感器之間及傳感器和計算機之間的組網(wǎng)通信進行了研究。 CPU 電路系統(tǒng) CPU 采用 CC2430 系列的 Zigbee 芯片，該芯片內(nèi)部整合有一個功能強大的8051CPU，本課題中采用具有 128k 閃存的 CC2430F128。圖 傳感器所用 CC2430 電路圖 The CC2430 diagram of sensors A/D 轉換電路進行交通量數(shù)據(jù)采集時，要求精度為毫秒級，CC2430 的 A/D 轉換時間在 14 位時為中國礦業(yè)大學（北京）碩士學位論文 26 132μs，基本能夠滿足要求。技術指標如下：單一 — 電源供電SPI 兼容最大 20MHz 時鐘頻率頁編程操作支持頁和塊擦除操作低功耗：讀電流 4mA，待機電流 2uA硬件數(shù)據(jù)保護容量 4096 頁 X528 字節(jié) 電源電路 過車傳感器一般被安置于路面，工作環(huán)境惡劣，因此要保證傳感器穩(wěn)定工作首先需要可靠的供電設計，雖然數(shù)據(jù)采集的實時性要求很高，但一般情況下數(shù)據(jù)的發(fā)送在可以滯后一段時間或是集中發(fā)送，因此完全可以采用電池作為系統(tǒng)唯一的能量來源。 [24]圖 傳感器的電源電路 The power circuit of the sensor中國礦業(yè)大學（北京）碩士學位論文 27 驅(qū)動程序的開發(fā)驅(qū)動程序?qū)嶋H上就是控制系統(tǒng)硬件設備的函數(shù)，它為硬件和計算機之間的連接提供軟件接口，使應用程序以規(guī)范的方式訪問硬件，而不必考慮面對不同硬件時如何具體實現(xiàn)對其控制。驅(qū)動程序是操作系統(tǒng)中連接和控制硬件的關鍵模塊，主要工作包括對硬件初始化、中斷響應、讀寫等，保證設備的基本功能能夠正常實現(xiàn)。而每個對象內(nèi)部都有自己的數(shù)據(jù)和方法，當一個設備的方法被調(diào)用的時候都是以設備對象本身作為第一個參數(shù)。應用對這個設備的所有操作（讀取或改寫設備的參數(shù)，調(diào)用設備的功能等）都通過這個數(shù)據(jù)結構來實現(xiàn)。進行數(shù)據(jù)交流就不可避免的要對該硬件設備進行讀寫操作。因此中斷服務對于設備的正常運行非常重要。時鐘：時鐘就相當于系統(tǒng)的計時裝置，是一種非常重要的系統(tǒng)資源，幾乎每個設備都會用到的，如網(wǎng)絡協(xié)議里的超時處理，系統(tǒng)硬件的輪詢等。我們只需要開發(fā)數(shù)據(jù)存儲器和 A/D 轉換的基本操作函數(shù)。// 數(shù)據(jù)存儲器操作命令define DM_STATE_READ 0x54 // 讀狀態(tài)寄存器define DM_WRITE_BUFFER1 0x84 // 寫 Buffer1define DM_WRITE_BUFFER2 0x87 // 寫 Buffer2define DM_READ_BUFFER1 0x54 // 讀 Buffer1define DM_READ_BUFFER2 0x56 // 讀 Buffer2define DM_BUF1_WRITE_ERASE 0x83 // 帶擦除 Buffer1 到主存define DM_BUF2_WRITE_ERASE 0x86 // 帶擦除 Buffer2 到主存//數(shù)據(jù)存儲器引腳定義define DM_CS BIT2 // CS 腳接 define DM_SCLK BIT3 // SCLK define DM_SI BIT1 // SI define DM_SO BIT2 // SO define DM_RDY BIT0 // RDY define DM_RESET BIT3 // RESET //SPI 時鐘脈沖define DM_SCLK_H P3OUT |= DM_SCLKdefine DM_SCLK_L P3OUT amp。= ~(DM_SO + DM_RDY)。= ~DM_SCLK。P2OUT |= DM_CS + DM_RESET。DM_CS_L。 i 0x1ff。delay(10)。DM_CS_H。}// 傳輸一個字節(jié)數(shù)據(jù)char dm_Byte_Send(char cData){// 收到的數(shù)