【文章內(nèi)容簡介】 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。由于磁傳感器在檢測時為非接觸式，中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 7 可以檢測很微弱的磁場變化，因此，被廣泛應(yīng)用于各種與磁場相關(guān)的測量中。 磁阻效應(yīng) 磁阻MR(Magio Resistor)效應(yīng)是指物質(zhì)在磁場的作用下電阻發(fā)生變化的物理現(xiàn)象。當(dāng)有鐵磁性物質(zhì)形成的雙極性磁鐵經(jīng)過純凈的地磁場時會引起地磁場的畸變，產(chǎn)生不規(guī)則磁場。 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)。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(qiáng)度和方向。橋臂的典型阻值為1000 歐姆，典型帶寬為15MHz。磁阻效應(yīng)的靈敏度很高，不會受到諸如線圈和振蕩頻率的影響。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。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。R Δ R R + Δ RR + Δ RR Δ RV b+_V o u t 惠斯通電橋 Fig Hui stone bridge地磁場強(qiáng)度大約是 500600 毫高斯，當(dāng)一輛汽車在路面上行駛時，由于其材料含有大量的鐵磁物質(zhì)，可以看作一個鐵磁性物質(zhì)模型，當(dāng)行進(jìn)的車輛經(jīng)過低場磁阻感應(yīng)器時，相當(dāng)中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 8 于一個鐵磁性物體切割位于傳感器附近的地磁場，因此會引起地面附近地磁場的擾動，而磁阻傳感器可以準(zhǔn)確檢測出坐標(biāo)分量上地球磁場 1/12022 的強(qiáng)度和方向的變化，可以精確地檢測到車輛通過時地磁場的畸變。 [4]利用磁原理測量地磁場沿車體縱向坐標(biāo)系分量變化，通過數(shù)值計算、誤差校正，從而得出需要的車輛信息。從而完成對車輛的檢測。 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(qiáng)度變化, 并可與計算機(jī)直接通訊以輸出X、Y、Z三個軸向的分量。將一個三軸的AMR磁場計安裝在車道上，車輛通過傳感器時，地磁場磁偏角發(fā)生明顯的變化,可以用于進(jìn)行車輛檢測。,對磁擾動信號進(jìn)行平滑處理后的曲線。 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(diǎn)，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)。本文擬采用基于磁偏角設(shè)計的霍尼韋爾HMC2022三軸磁性傳感器作為車輛檢測傳感器。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 目前，市場上的近距離無線通信技術(shù)主要有無線局域網(wǎng)WiFi、藍(lán)牙和一些專用標(biāo)準(zhǔn)(如Ad hoc網(wǎng)等)的產(chǎn)品。一些大公司為開拓市場和應(yīng)用領(lǐng)域，也在積極研究和制定一些新的無線組網(wǎng)通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，如無線USB、超寬帶通信UWB(UltraWideband)和WiMax(Worldwid Interoperability for Microwave Access)。 [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。該技術(shù)在無線傳輸領(lǐng)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(yīng)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(rèn)的數(shù)據(jù)傳輸機(jī)制，也就是當(dāng)數(shù)據(jù)發(fā)送后，需等待接收方返回的確認(rèn)信息；成本極低：芯片的現(xiàn)價是在在 3 美元以下。因為其傳輸速率低，協(xié)議免費(fèi)，所以使成本大大降低了；短時延：設(shè)備搜索時延典型值為 30ms，休眠激活時延典型值是 15ms，活動設(shè)備信道接入時延為 15ms；網(wǎng)絡(luò)容量大：一個 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)可以容納 1 到 255 臺設(shè)備，利用該技術(shù)可由多到 65535個無線微功率收發(fā)機(jī)組成無線網(wǎng)絡(luò)平臺。綜上所述，一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以擴(kuò)展數(shù)千個微小傳感節(jié)點(diǎn)，而且這些傳感器功耗很低，傳感節(jié)點(diǎn)之間可以互相通信，zigbee可以通過協(xié)調(diào)數(shù)千個微小的傳感器之間的相互通信來適應(yīng)城市道路機(jī)動、靈活的組網(wǎng)方式，通信效率高。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)。由于ZigBee技術(shù)具有的這些特點(diǎn)，也決定了ZigBee技術(shù)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(wù)。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)各層幀結(jié)構(gòu)Zigbee 是基于IEEE , 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。其結(jié)構(gòu)由物理層(PHY)、介質(zhì)訪問層(MAC) 、網(wǎng)絡(luò)層(NWK) 、應(yīng)用層四層框架組成，各層之間的關(guān)系分布如下圖所示。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(shí)體利用協(xié)議來實(shí)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。而從下層向上層傳輸時，各層將附加信息去掉。以下是ZigBee各層幀結(jié)構(gòu)示意圖： （1）物理層按分層的網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)，每一層都要在發(fā)送的數(shù)據(jù)上附加上自己的協(xié)議信息，以形成協(xié)議數(shù)據(jù)單元 [11]。物理層協(xié)議數(shù)據(jù)單元（PPDU）又稱物理層數(shù)據(jù)包，其格式如表 所示。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。同步又分為位同步和幀同步；位同步的功能是實(shí)現(xiàn)位的鎖定，而幀同步時實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的定界和識別。采用發(fā)送同步包頭的方法引導(dǎo)接收端與發(fā)送端實(shí)現(xiàn)同步，同步包頭由 4 字節(jié)的前同步碼和 1 字節(jié)的幀定界。 （2）MAC 層一個完整的 MAC 層幀由幀首部，幀載荷（數(shù)據(jù)）和幀尾 3 部分組成。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。MAC 層幀結(jié)構(gòu)如表 所示。由圖可見，幀首部有幀控制域，序列號，地址域等，其中地址域又包含目的PAN 標(biāo)識符，目的地址，源 PAN 標(biāo)識符和源地址等。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 11 表 層幀結(jié)構(gòu) MAC layer frame structure2 字節(jié) 1 字節(jié) 0/2 字節(jié) 0/2/8 字節(jié)0/2 字節(jié) 0/2/8 字節(jié)可變 2 字節(jié)目的PAN 標(biāo)識符目的地址源 PAN標(biāo)識符源地址幀控制 序列號地址域幀載荷 FCSMHR(MAC 層幀首部) MAC Payload(MAC載荷)MFR(幀尾)ZigBee 的 MAC 層有 4 種不同的幀：信標(biāo)幀，數(shù)據(jù)幀，確認(rèn)幀和命令幀。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。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(yīng)為當(dāng)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)。確認(rèn)幀：確認(rèn)幀僅包含控制域，序列號和校驗碼。命令幀：設(shè)備通過發(fā)送命令與協(xié)調(diào)建立連接。 （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。其結(jié)構(gòu)如圖 所示表 網(wǎng)絡(luò)幀控制域結(jié)構(gòu) Control field structure of work frame中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)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(yīng)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。APS 幀的結(jié)構(gòu)如表 所示表 幀結(jié)構(gòu) Structure of APS frame1 字節(jié) 0/1 字節(jié) 0/1 字節(jié) 0/2 字節(jié) 0/1 字節(jié) 可變目的端點(diǎn) 簇標(biāo)識符 模板標(biāo)識符 源端點(diǎn)幀控制域幀地址域幀載荷APS 首部 APS 載荷 由上圖可以看出，APS 首部由幀控制域和地址域組成。其中地址域的各子域根據(jù)具體情況不同可以不存在。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。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備根據(jù)設(shè)備功能的不同，IEEE ：全功能設(shè)備（Full Function Device,FFD）：可工作于所有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可作為網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器、路由器，能夠和網(wǎng)絡(luò)中的任何節(jié)點(diǎn)通信。簡化功能設(shè)備（Reduced Function Device，RFD）：一些功能簡單的設(shè)備，僅能與FFD通信彼此之間不能直接通信,，無法作為網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器或路由器。FFD可以提供信息雙向傳輸與FFD、RFD之間都可以建立直接通信，而RFD卻只能與FFD通信，RFD和RFD之間無法通信。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(diǎn)，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。相對于FFD，RFD占用資源少，需要的存儲容量也小，成本比較低。和RFD不同，F(xiàn)FD增加了內(nèi)存和其他電路，在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，F(xiàn)FD扮演著在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中匯聚節(jié)點(diǎn)的角色，通常稱作PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)。一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只有一個PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)， PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)其實(shí)就是一個特殊的FFD，它具有較強(qiáng)大的功能，是整個網(wǎng)絡(luò)的主控節(jié)點(diǎn)，主要工作有：建立起新網(wǎng)絡(luò)、設(shè)定網(wǎng)絡(luò)參數(shù)、管理網(wǎng)絡(luò)中的各個節(jié)點(diǎn)和存儲zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息等。FFD和RFD兩種設(shè)備都可以作為終端節(jié)點(diǎn)加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。此外，普通FFD在它的個人操作空間（POS）中也可以充當(dāng)協(xié)調(diào)點(diǎn)，但是這種普通FFD與PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)不同,它仍然受PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)的控制。ZigBee中每個協(xié)調(diào)點(diǎn)直接連接的節(jié)點(diǎn)數(shù)最多可以達(dá)到255個，而每一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可容納65535個節(jié)點(diǎn)。 [19]在本研究課題中，過車傳感器是RFD設(shè)備，只負(fù)責(zé)車輛數(shù)據(jù)的采集、處理、存儲和發(fā)送。 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。這些服務(wù)是設(shè)備中的實(shí)體通過發(fā)送服務(wù)原語來實(shí)現(xiàn)的。所謂的服務(wù)原語是代表相應(yīng)服務(wù)的符號和參數(shù)的一種格式化，規(guī)范化的表示，它與服務(wù)的具體實(shí)現(xiàn)方式?jīng)]有關(guān)系。不同的服務(wù)原語可帶有不同的個數(shù)，不同的形式參數(shù)，它們共同描述了該服務(wù)。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(shí)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。表 原語的書寫形式 Forms of primitive服務(wù)類原語 管理類原語物理層 PD PLMEMAC 層 MCPS MLME網(wǎng)絡(luò)層 NLDE NLME應(yīng)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(luò)層的網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)確認(rèn)原語為 等。原語都是發(fā)送給服務(wù)實(shí)體相鄰層的。原語的基本概念與作用如果圖 所示P 層服務(wù)提供者 （ M 層 ）用戶 1 請求 （ N 層 ） 用戶 2 指示 （ N 層 ）用戶 2 響應(yīng) （ N 層 ）請求 （ M 層 ）確認(rèn) （ M 層 ）用戶 1 確認(rèn)（ N 層 ）圖 Fig Service primitive sketch 圖 中表示的是兩用戶在對等層上通過服務(wù)原語實(shí)現(xiàn)信息交換的示意圖。N1 用戶向它的 M