【正文】 （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。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)。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)。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)。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。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。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。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。 （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。確認(rèn)幀：確認(rèn)幀僅包含控制域，序列號和校驗碼。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。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。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。采用發(fā)送同步包頭的方法引導(dǎo)接收端與發(fā)送端實現(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。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。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]。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。 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。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)。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。 [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。 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。 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)。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。從而完成對車輛的檢測。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。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。橋臂的典型阻值為1000 歐姆，典型帶寬為15MHz。 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。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。人們利用地磁大約已有 2022 年的歷史。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。硬件部分作為整個系統(tǒng)的物理基礎(chǔ)，要為軟件運(yùn)行平臺和其他設(shè)備進(jìn)行通信提供接口；軟件部分則包括操作系統(tǒng)件和應(yīng)用程序編程。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。 嵌入式技術(shù) 嵌入式系統(tǒng)（嵌入的系統(tǒng)）簡單的說，就是作為智能控制部件嵌入到設(shè)備體中的專用計算機(jī)。磁阻傳感器由于其高靈敏度，可以用于進(jìn)行車輛檢測。軟件包括驅(qū)動程序，數(shù)據(jù)采集，數(shù)據(jù)存儲，數(shù)據(jù)傳輸和命令處理程序的開發(fā)。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(diǎn)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。 本課題的研究內(nèi)容傳統(tǒng)車輛檢測方法在安置檢測設(shè)備時大都需要破壞路面，不僅提高使用成本和維護(hù)成中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 5 本，而且也嚴(yán)重影響公路使用壽命。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。采用該網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交通量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)點(diǎn)是可以利用中國移動現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)，方便快捷，接入時間短，傳輸速率高。（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(diǎn)，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(diǎn)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。DDN方式DDN 是數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)網(wǎng)的簡稱，主要是是由數(shù)字傳輸電路和相應(yīng)的數(shù)字交叉復(fù)用設(shè)備組成，采用該方式時，可根據(jù)實際需求申請帶寬，它主要提供中、高速率，高質(zhì)量點(diǎn)到及點(diǎn)到多點(diǎn)的數(shù)字專用鏈路，其優(yōu)點(diǎn)是傳輸速率和質(zhì)量很高，并且協(xié)議簡單，組網(wǎng)靈活，但是DDN網(wǎng)組建和維護(hù)成本較高，長期使用存在局限性.光纖信道光纖信道有傳輸質(zhì)量高、信道穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。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)。（1）有線網(wǎng)絡(luò)接入方式有線網(wǎng)絡(luò)方式是將傳感器在現(xiàn)場采集到的數(shù)據(jù)變?yōu)閿?shù)字信號，通過以太網(wǎng)傳送給控制終端，控制終端再對收到的信號進(jìn)行分析處理，得出結(jié)論并反饋給現(xiàn)場。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。其優(yōu)點(diǎn)是無需破壞路面，在為交通狀況采集數(shù)據(jù)同時還可以提供直觀可視圖像參考，缺點(diǎn)是設(shè)備維護(hù)成本較高，檢測精度依賴于客觀環(huán)境，容易受惡劣天氣、燈光、路面揚(yáng)塵等因素的影響，汽車的動態(tài)陰影也會為檢測帶來干擾，特別是在夜間工作時誤報率比較高。其優(yōu)點(diǎn)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(diǎn)是其檢測精度受環(huán)境溫度和氣流影響較大。該種檢測器，是目前世界上使用最普遍的一種檢測設(shè)備，一般利用電磁感應(yīng)傳感器，通過檢測車輛經(jīng)過時引起電磁感應(yīng)的變化來計算出車輛的速度，流量，時間占有率和長度等交通參數(shù)，并上傳給控制裝置，具有易于掌握、計數(shù)精確、成本較低等優(yōu)點(diǎn)。 [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。主要問題是：數(shù)據(jù)存儲容量偏小，主要采用串行口與計算機(jī)通信，速度慢，沒有網(wǎng)絡(luò)接口，不能滿足當(dāng)前公路網(wǎng)絡(luò)化管理和智能交通的要求?？傮w來說，工作的穩(wěn)定性較差，其中有的技術(shù)落后。 [4] 但目前各個省、市的車輛信息采集系統(tǒng)所使用的軟硬件五花八門，各不相同不能有效地協(xié)同與整合，集成度很低，完全處于獨(dú)立狀態(tài)，這非常不利于對汽車這種經(jīng)?？绲赜蛐旭偟慕煌üぞ哌M(jìn)行全程檢測，對組建跨地域大，規(guī)模的車輛檢測系統(tǒng)造成了巨大的障礙。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。90 年代中期以來，我國開始研究并發(fā)展戰(zhàn)略和地理信息中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 3 系統(tǒng) GIS、全球定位系統(tǒng) GPS 在交通中的應(yīng)用等。 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。供電方式采用電瓶供電或是太陽能供電。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。這些儀器結(jié)構(gòu)上一般采用上、下位機(jī)的形式。國內(nèi)引進(jìn)較多的是美國和澳大利亞生產(chǎn)的儀器。 歐洲道路檢測上進(jìn)行理論和實際應(yīng)用的研究也具有一定的代表性，在上個世紀(jì) 80 年代，為改善公路檢測設(shè)備的升級，歐洲各國家投入資金多達(dá) 50 多億美元以上，現(xiàn)正計劃在歐盟國家內(nèi)部建立起專用的交通無線數(shù)據(jù)通信網(wǎng)，使車輛控制、信息服務(wù)以及電子收費(fèi)等系統(tǒng)等能夠有機(jī)的在統(tǒng)一在一個完整的監(jiān)控、指揮以體系中，同時利用地球同步衛(wèi)星準(zhǔn)確定位確認(rèn)交通事故的交通警示系統(tǒng)等實現(xiàn)車輛在高速公路的安全運(yùn)行。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(yùn)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)。美國準(zhǔn)備在 2022 年到 2022 年十年間投資高達(dá)到 2022 億美元構(gòu)造全國 ITS，采用現(xiàn)代化的通信技術(shù)、智能控制技術(shù)以及計算機(jī)技術(shù)等技術(shù)手段加強(qiáng)與提高公路監(jiān)控、車輛檢測能力，進(jìn)而對整個公交網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行科學(xué)管理和維護(hù)，降低公路引發(fā)的交通事故，減少因交通事故所引起的嚴(yán)重?fù)p失。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。為適應(yīng)交通量不斷增大的趨勢，交通量采集系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)有更高的精度和高容量數(shù)據(jù)存儲器。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。 目前國內(nèi)外廣泛使用的交通量數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)包括線圈檢測設(shè)備、視頻檢測設(shè)備、道路雷達(dá)檢測、GPS浮動車檢測等，但大部分檢測設(shè)施都需要路面