【導讀】temperaturesensor,pressuresensor,speedsensor,speedsensor,acurrentsensor,acquisition.whole.

　　

【正文】 Hz，數(shù)據(jù)傳 輸速率為 250kbps，采用 0QPSK 調試方式。這種功能豐富的雙向 2． 4 GHz 收發(fā)器帶有一個數(shù)據(jù)調制解調器，可以在 ZigBee 技術應用中使用。它還具有一個優(yōu)化的數(shù)字核心，有助于降低 MCU 處理功率，縮短執(zhí)行周期。 主控 MCU選用 Freescale公司 HCS08系列的低功耗、高性能微處理器 MC9S08GB60。 該處理器具有 60 KB 的應用可編程 Flash、 4 KB 的 RAM、 8 通道的 10 位 ADC、 2個異步串行通信接口 (SCI)、 1 個同步串行外部接口 (SPI)以及 I2C 總線模塊，完全能夠滿足車載網關和節(jié)點對處理器的要求。 2． 2 MCl3192 與 MC9S08GB60 的硬件連接 MC13192 與 MC9S08GB60 的硬件連接圖如圖 2 所示。 MC13192 的控制和數(shù)據(jù)傳送依靠 4 線串行外設接口 (SPI)完成，其 4 個接口信號分別是 MOSI、 MISO、 、SPICLK。主控 MCU 通過控制信號 退出睡眠模式或休眠模式，通過 來復位收發(fā)器，通過 RXTXEN 來控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，或者強制收發(fā)器進入空閑模式。由傳感器輸出的模擬信號經過 MCU 的 8 通道 10 位 ADC 轉換后輸入到 MCU。MCU 通過 SPI 口進行 MC13192 的讀寫操作，并把傳感器采集的信號經過處理后通過 MC13192 發(fā)射出去。 MC13192 的中斷通過 IRQ 引腳和中斷寄存器來判斷中斷類型。 MC908GB60 通過 引腳來控制 MC13192 進入不同的工作模式。對傳感器的控制信號可以從 MC13192 的天線接收進來，通過 SPI 傳送到MCU 上，經過 MCU 的判斷處理后通過 GPIO 口傳送到傳感器上，完成對傳感器的控制。同時， MCU 完成 MC13192 收發(fā)控制和所需要的 MAC 層操作。 圖 2 MC13192 與 MC9S08GB60 的硬件連接圖 3 系統(tǒng)軟件設計 3． 1 軟件整體設計 軟件設計是本設計的核心，關鍵在于軟件的總體架構和數(shù)據(jù)結構的設計。著重要考慮的因素一個是效率，另一個是設計的清晰性。 車載系統(tǒng)軟件由網關節(jié)點與傳感器節(jié)點兩大部分組成，這兩部分都需要完成SMAC 協(xié)議的移植，并根據(jù)不同需要為上層通信應用提供 API 接口函數(shù)。因為 SMAC協(xié)議棧編程模型采用層次設計，只有底層的 PHY 和 MAC 程序層與硬件相關，而網絡層和應用層程序則不受硬件影響。 SMAC 在不同硬件平臺的移植只需修改 PHY和 MAC 層，其上各層可以屏蔽硬 件差異直接運行。 如圖 3 所示，本設計把軟件分為系統(tǒng)平臺層、協(xié)議層和應用層 3 層。同時，定義了 3 個 API 接口：系統(tǒng)層接口、協(xié)議層接口和應用層接口。系統(tǒng)層接口定義了硬件的寄存器映射，這樣 C 語言就能直接訪問硬件寄存器來控制硬件。系統(tǒng)平臺層建立在 μC ／ OSII 實時操作系統(tǒng)上，為協(xié)議層提供系統(tǒng)服務。硬件驅動模塊提供硬件驅動程序，所有對硬件的控制都通過該模塊提供的服務。系統(tǒng)平臺層通過協(xié)議層接口為協(xié)議層提供服務。協(xié)議層則實現(xiàn)了基于 IEEE 802． 15． 4 的物理層和鏈路層以及基于 ZigBee 的網絡層協(xié)議。應用層通 過應用層接口來調用協(xié)議層提供的服務，實現(xiàn)網絡的管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?。應用配置模塊既會調用協(xié)議層提供的網絡服務，也會直接對系統(tǒng)進行配置和查詢，這主要是通過 AT 指令來實現(xiàn)的，因此該模塊會調用應用層接口和協(xié)議層接口提供的服務。 圖 3 軟件總體結構 3． 2 傳感器節(jié)點軟件設計 基于系統(tǒng)長期使用的功能需求，傳感器節(jié)點中軟件設計的關鍵是既能實現(xiàn)所需的功能，又能最大限度地減少傳感器節(jié)點的能耗。 通過測試發(fā)現(xiàn)， ZigBee 模塊的能耗要遠遠大于中央處理器和傳感模塊的能耗。因此，傳感器節(jié)點應用軟件的設計既 要盡量使各模塊處于休眠狀態(tài)，又要盡量減少喚醒 ZigBee 模塊的次數(shù)。因此，在傳感器節(jié)點上電各功能模塊初始化完成、并加入了網絡后，即進入休眠狀態(tài)，中央處理器周期地被定時喚醒向網關發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收網關的命令。傳感器節(jié)點的工作流程如圖 4 所示。 圖 4 傳感器節(jié)點主程序流程 3． 3 網關節(jié)點軟件設計 車載網關向下管理傳感器節(jié)點，向上完成和 PC 監(jiān)控中心的交互，需要進行復雜的任務管理和調度，因此，采用基于 uC／ OS 內核的嵌入式操作系統(tǒng)管理整個網關，為應用任務的高效運行提供良好的軟件平臺支撐。根據(jù)網關的功能需 求，將 μC ／ OSII、 SMAC 協(xié)議有機的結合，構成一個網絡化的操作環(huán)境，用戶可以方便地在其基礎上開發(fā)應用程序?；?μC ／ OSII 擴展的網關軟件平臺結構如圖 5 所示?；?μC ／ OSII 操作系統(tǒng)，分別構建系統(tǒng)任務 SYS_task()、 SMAC星型組網任務 START_task()、網關和傳感器節(jié)點交互任務 COMM_task()、 PC 臨控中心端口監(jiān)聽任務 SER_task()等一系列應用任務，從而實現(xiàn)網關軟件的應用功能。 3． 4 主機監(jiān)控軟件的設計 本系統(tǒng)最終目的是將采集到的車載傳感器數(shù)據(jù)實時地傳送到主機，并在主 機 中得到顯示和保存。顯示的目的是獲得被車載傳感器節(jié)點所監(jiān)控環(huán)境的初步情況，保存的目的是作為深入分析的數(shù)據(jù)樣本。除此以外，作為整個系統(tǒng)的主控方和數(shù)據(jù)采集請求的發(fā)起者，需要能夠按照要求發(fā)送數(shù)據(jù)請求信號。根據(jù)以上要求，在 VB 環(huán)境下開發(fā)了一個基于對話框的應用程序。這個應用程序包括了 4 個模塊： ① 實時數(shù)據(jù)顯示波形模塊。該模塊的作用是將節(jié)點的數(shù)據(jù)以波形的形式實時地進行顯示，實現(xiàn)的方式是利用 MSChart 和 Timer 控件。 ② 拓撲顯示模塊。當用戶希望了解無線傳感器網絡的拓撲構建情況時，可以查看拓撲信息欄，了解網 絡中節(jié)點的加入和丟失情況。 ③ 歷史數(shù)據(jù)顯示模塊。在車載網絡系統(tǒng)運行到一定時期，可能需要對過去某一段時間的原始數(shù)據(jù)進行后續(xù)的處理與深入的分析，以便對車載系統(tǒng)的狀況進行準確的判定。借助歷史數(shù)據(jù)顯示模塊，可以將監(jiān)控中心從車載網關中得到的數(shù)據(jù)，按照不同節(jié)點的屬性、地址和時間分別保存到數(shù)據(jù)庫的相應字段中，并可以通過波 形圖的方式將歷史數(shù)據(jù)顯示出來，供用戶分析。 ④ 控制模塊。在車載系統(tǒng)運行過程中可能關心某一個車載傳感器節(jié)點的數(shù)值，或者需要對某一個傳感器進行閾值設置，以便待監(jiān)測的環(huán)境出現(xiàn)異常情況可以及時地報 告給系統(tǒng)。這些都可以通過控制模塊對系統(tǒng)進行相應的設置，控制模塊還可以對系統(tǒng)中的某個不需要的節(jié)點進行刪除操作。 總之，通過主機監(jiān)控軟件用戶可以直觀且多方面地對通用無線傳感器網絡系統(tǒng)進行了解和使用。 4 測試與驗證 4． 1 組網測試 測試設備： 4 個 MCl3192 ZigBee 芯片節(jié)點， 1 個作為網關節(jié)點，其余 3 個作為傳感器節(jié)點。 測試方法：網關節(jié)點上電后， 4 個 LED 同時點亮，掃描信道如果搜索到空閑信道后， LED 熄滅并加入空閑信道等待。傳感器節(jié)點上電后， 4 個 LED 在掃描信道的同時，輪詢點亮。當網 關節(jié)點收到傳感器節(jié)點的 Beacon 幀后， LED1 閃爍一次；當傳感器節(jié)點收到網關節(jié)點的分配地址后， LED1 也閃爍一次。至此，組網過程和地址綁定過程完成。 4． 2 ZigBee 射頻通信測試 測試設備： ZigBee 節(jié)點 4 個，計算機終端 1 臺。 測試方法：根據(jù) ZigBee 傳輸?shù)膸袷?，實際傳輸總字節(jié)數(shù)為 (n+6)，即 (n+6)個字節(jié)為一個數(shù)據(jù)包。根據(jù)設定的軟件參數(shù)，如有數(shù)據(jù)包丟失則丟包數(shù)加 1。若接收到數(shù)據(jù)包，則接收數(shù)據(jù)包數(shù)加 1，然后與發(fā)送數(shù)據(jù)進行比較，若數(shù)據(jù)正確則正確包數(shù)加 1，反之錯誤包數(shù)加 1。最后統(tǒng) 計數(shù)據(jù)結果，就可以知道數(shù)據(jù)的丟包率和誤包率。 4 個節(jié)點組建一個 ZigBee 網絡，其中 1 個作為網關，其余 3 個節(jié)點作為傳感器節(jié)點。編寫程序設定： 3 個節(jié)點均與網關通信，計算機終端與網關通過 RS232相連，終端設備軟件記錄從 3個節(jié)點接收數(shù)據(jù)的情況，節(jié)點工作在 2． 4 GHz 頻段下，傳輸一個字節(jié)的數(shù)據(jù)，循環(huán)發(fā)送 100 次。最后取得 3 個節(jié)點的測試平均數(shù)作為數(shù)據(jù)結果進行分析。星形網射頻通信誤碼率測試結果如表 1 所列。 實驗分析：在星形網絡中進行數(shù)據(jù)傳輸，測試結果明顯差于單點對單點傳輸方式。這主要是因為，在傳輸過程中節(jié)點之間 存在一定的頻率干擾和其他干擾。 4． 3 功耗測試 作狀態(tài)和休眠狀態(tài)下，分別使用萬用表測試網關節(jié)點和傳感器節(jié)點的功耗情況，測試結果如表 2 所列。 結語 本文分析 E 802． 15． 4 和 ZigBee 協(xié)議，結合通信系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的一般開發(fā)原則，在 μC ／ OSII 操作系統(tǒng)上實現(xiàn) IEEE802． 15． 4 協(xié)議，選擇合適的軟硬件平臺，著重于軟件支撐平臺的構建、軟件總體結構設計以及通信協(xié)議棧的實現(xiàn)，最終實現(xiàn)了一個符合 ZigBee 規(guī)范的車載星型無線數(shù)據(jù)采集網絡。該系統(tǒng)具有以 下的優(yōu)勢： ① 系統(tǒng)安裝方便。無線 互連使得設備安裝位置靈活，同時滿足了系統(tǒng)安裝的自動化要求。人們只需要把設備上電就可以了。該車載網絡系統(tǒng)能夠自動完成網絡的配置。 ② 可擴展性。把設備放在車載網關的覆蓋范圍以內，打開設備電源，節(jié)點將自動加入網絡。 ③ 網絡自我修復能力。如果網絡中某個設備出現(xiàn)故障，車載網關能夠自動監(jiān)測到，發(fā)出指令將該設備復位并重新入網 。