【正文】 ...........43 數(shù)據(jù)傳送 ...........................................................45 上位機(jī)命令匯總 .....................................................45 本章小結(jié) ...............................................................466. 結(jié)論與展望 ................................................................47參考文獻(xiàn) .....................................................................48致 謝 ......................................................................50中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 1 1 緒論公路交通運(yùn)輸是國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重點(diǎn)，交通情況調(diào)查工作的任務(wù)將更為重要。因此，研制新的交通量采集系統(tǒng)對(duì)于提高公路部門的技術(shù)、管理水平和適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)時(shí)代的發(fā)展具有重要的意義。隨著汽車普及率也在不斷提高，高速公路網(wǎng)建設(shè)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(wù)將更為艱巨。 [1]為了使交通運(yùn)輸適應(yīng)社會(huì)的飛速進(jìn)步,交通智能化建設(shè)被搬上日程，各地在交通道路管理中都普及了交通智能化設(shè)備。以實(shí)現(xiàn)對(duì)道路交通的智能化，信息化管理。在描述交通的三大基本交通參數(shù)之中，交通量信息是反映交通狀況的最重要的參數(shù)。 [2]通過對(duì)交通量的分析交通工作者可以準(zhǔn)確掌握交通現(xiàn)狀及其變化規(guī)律，同時(shí)也為實(shí)現(xiàn)與未來的交通需求相適應(yīng)的道路工程設(shè)施及交通管理控制手段提供依據(jù)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，微電子技術(shù)和傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，檢測儀器儀表正朝著微型化、智能化和網(wǎng)絡(luò)化的方向發(fā)展。采用無線通信技術(shù)不僅是提高檢測儀器的技術(shù)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。還應(yīng)當(dāng)有網(wǎng)絡(luò)接口和移動(dòng)存儲(chǔ)接口以跟上計(jì)算機(jī)應(yīng)用的發(fā)展和公路交通管理和科研的要求。 國外發(fā)展現(xiàn)狀美國作為當(dāng)今世界上高速公路建設(shè)里程最多、高速公路路網(wǎng)最發(fā)達(dá)、人均車輛占有率最高的發(fā)達(dá)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(shù)上的優(yōu)勢，成為在道路車輛檢測技術(shù)上最為先進(jìn)最為成熟的國家之一。從而滿足現(xiàn)代化、智能化交通的“高速、安全、智能、舒適”的要求，日本的路面實(shí)時(shí)檢測系統(tǒng)也取得了一定成果，曾經(jīng)投入大量人力、物力和資金組織了“動(dòng)態(tài)路徑誘導(dǎo)系統(tǒng)”的實(shí)驗(yàn)。使得車輛行駛信息、駕駛員個(gè)人信息和監(jiān)控中心之間的通訊系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了一體化。 [3] 國外生產(chǎn)交通量采集儀的國家主要有：美國，澳大利亞，英國，瑞典等。國外儀器的特點(diǎn)是工作穩(wěn)定，抗干擾能力強(qiáng)，使用方便。儀器作為下位機(jī)，按照給定的要求采集車輛數(shù)據(jù)，并做簡單的數(shù)據(jù)處理后存入儀器的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器或是直接傳送給上位機(jī)。傳送數(shù)據(jù)的途徑有串行接口，USB 接口或是紅外接口。在我國使用時(shí)出現(xiàn)的問題主要有：價(jià)格昂貴，不適合普遍使用；由于使用環(huán)境的不同，國外儀器在使用的過程中遇到一些困難，如傳感器容易丟失，車流比國外密集，造成統(tǒng)計(jì)精度下降；維修困難。在 20 世紀(jì) 70 年代從國外引進(jìn)了一些相關(guān)項(xiàng)目，進(jìn)行了一些 ITS 或與 ITS 相關(guān)的基礎(chǔ)項(xiàng)目的研究和應(yīng)用，但也只是局限于研究城市交通信號(hào)的控制試驗(yàn)。2022 年由交通部公路科學(xué)研究所國家智能運(yùn)輸工程研究中心組織制定了中國智能運(yùn)輸系統(tǒng)體系框架，為中國的道路檢測發(fā)展指明了方向。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(biāo)準(zhǔn)體系框架研究” 、 “ITS 系統(tǒng)發(fā)展戰(zhàn)略研究”等一批重點(diǎn)項(xiàng)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(gè)重要內(nèi)容。 國內(nèi)目前生產(chǎn)的儀器，有計(jì)數(shù)器，車軸計(jì)數(shù)器，電磁感應(yīng)線圈式交通量采集儀，紅外交通量采集儀等。隨著時(shí)間的推移，該儀器已不能滿足當(dāng)前對(duì)交通量統(tǒng)計(jì)的需求。 常用車輛檢測傳感器車輛檢測傳感器種類繁多，工作原理各不相同，但主要有兩種基本功能：一是檢測車輛是否存在和出現(xiàn)，二是檢測車輛的運(yùn)動(dòng)和通過時(shí)狀態(tài)，一般的車輛檢測器至少具有上訴述兩個(gè)基本功能之一。由于其檢測信息度不高和自動(dòng)化程度上存在的缺陷已經(jīng)逐漸被新型檢測器代替。超聲波檢測器一般是利用設(shè)置在車道上方的超聲波探頭，接收由超聲波發(fā)生器發(fā)射的超聲波束并經(jīng)車輛反射的超聲回波來檢測車輛。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(yùn)行的車輛拍攝成圖像，再利用視頻圖像技術(shù)處理圖像信息，檢測出交通數(shù)據(jù)。交通量數(shù)據(jù)采集需要用到通信技術(shù)。遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)主要分為有線網(wǎng)絡(luò)和無線網(wǎng)絡(luò)兩大類。主要有以下幾種有線網(wǎng)絡(luò)傳輸方式。這種方式優(yōu)點(diǎn)是采用普通電話網(wǎng)絡(luò)就可以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的傳輸，無需另外組網(wǎng)，可大大降低系統(tǒng)費(fèi)用，一般用于城市交管部門監(jiān)控視頻的傳輸方案。但目前用于拉伸光纖的預(yù)制棒國內(nèi)供給量嚴(yán)重不足，主要依賴進(jìn)口，因此光纖組網(wǎng)的設(shè)備成本、施工成本居高不下，在公路網(wǎng)絡(luò)監(jiān)管中，無法大規(guī)模推廣。GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)GPRS是在GSM基礎(chǔ)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(wù)，一般被稱為（意為在2G和3G之間）通信技術(shù)。但是GPRS小區(qū)容量有限，GPRS對(duì)容量影響程度取決于預(yù)留GPRS使用時(shí)隙個(gè)數(shù)，在網(wǎng)絡(luò)使用的高峰期，數(shù)據(jù)傳送容易堵塞，實(shí)際傳送速度要大大降低。其網(wǎng)絡(luò)容量大，組網(wǎng)靈活，非常適合交通量采集的傳感器網(wǎng)絡(luò)。針對(duì)傳統(tǒng)車輛檢測方法存在的各種缺點(diǎn)，本文利用電子技術(shù)、通信技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的新成果，基于ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將傳感器和無線通信模塊進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)一種無安裝方便，受環(huán)境影響小，穩(wěn)定性高，成本低廉的智能車輛檢測傳感器。該傳感器的研究分為硬件設(shè)計(jì)和軟件開發(fā)兩個(gè)部分，硬件包括磁阻傳感模塊，信號(hào)處理電路，AD轉(zhuǎn)換模塊和zigbee無線通訊模塊。中國礦業(yè)大學(xué)（北京）碩士學(xué)位論文 6 2．過車傳感器相關(guān)技術(shù) 嵌入式技術(shù)已廣泛應(yīng)用于傳感器和檢測儀器中。而無線通信技術(shù)大大提高了傳感器的技術(shù)水平和實(shí)用性。一個(gè)嵌入式系統(tǒng)就是一個(gè)以嵌入計(jì)算機(jī)系統(tǒng)為核心面向特定功能和用途的軟硬件集合體。嵌入式系統(tǒng)包括硬件和軟件兩大部分?？梢詾閷?shí)際系統(tǒng)的運(yùn)行和功能實(shí)現(xiàn)提供控制方法。 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(gè)巨大的磁體，它在空間產(chǎn)生的磁場稱為地磁場。最早的磁傳感器就是指南針, 用于指示方向。由于磁傳感器在檢測時(shí)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。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(shí)會(huì)引起地磁場的畸變，產(chǎn)生不規(guī)則磁場。磁阻傳感器由四個(gè)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(gè)電阻挑連接成一個(gè)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。磁阻效應(yīng)的靈敏度很高，不會(huì)受到諸如線圈和振蕩頻率的影響。這樣使得磁傳感器可以和其它電路和系統(tǒng)元件自動(dòng)組合在一起。 [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(jì)算、誤差校正，從而得出需要的車輛信息。 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(jì)HMR2300有X，Y，Z三個(gè)輸出引腳，可檢測傳感器所在位置磁場的三個(gè)方向強(qiáng)度變化, 并可與計(jì)算機(jī)直接通訊以輸出X、Y、Z三個(gè)軸向的分量。,對(duì)磁擾動(dòng)信號(hào)進(jìn)行平滑處理后的曲線。本文擬采用基于磁偏角設(shè)計(jì)的霍尼韋爾HMC2022三軸磁性傳感器作為車輛檢測傳感器。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)。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(shí)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(jià)是在在 3 美元以下。綜上所述，一個(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以擴(kuò)展數(shù)千個(gè)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(gè)微小的傳感器之間的相互通信來適應(yīng)城市道路機(jī)動(dòng)、靈活的組網(wǎng)方式，通信效率高。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)。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。而從下層向上層傳輸時(shí)，各層將附加信息去掉。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。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(shí)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)包的定界和識(shí)別。 （2）MAC 層一個(gè)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。MAC 層幀結(jié)構(gòu)如表 所示。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(shí)符目的地址源 PAN標(biāo)識(shí)符源地址幀控制 序列號(hào)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。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(hào)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)。命令幀：設(shè)備通過發(fā)送命令與協(xié)調(diào)建立連接。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。其中地址域的各子域根據(jù)具體情況不同可以不存在。 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。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。相對(duì)于FFD，RFD占用資源少，需要的存儲(chǔ)容量也小，成本比較低。一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中只有一個(gè)PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)， PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)其實(shí)就是一個(gè)特殊的FFD，它具有較強(qiáng)大的功能，是整個(gè)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(gè)節(jié)點(diǎn)和存儲(chǔ)zigbee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息等。此外，普通FFD在它的個(gè)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。 [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(chǔ)和發(fā)送。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。不同的服務(wù)原語可帶有不同的個(gè)數(shù)，不同的形式參數(shù)，它們共同描述了該服務(wù)。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(qǐng)求原語為 ,MAC 層的與協(xié)調(diào)器同步請(qǐng)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(qǐng)求 （ N 層 ） 用戶 2 指示 （ N 層 ）用戶 2 響應(yīng) （ N 層 ）請(qǐng)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(duì)等層上通過服務(wù)原語實(shí)現(xiàn)信息交換的示意圖。N2 用戶通過響應(yīng)原語作出回應(yīng)。至此，N1 用戶的一次服務(wù)完成。 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)ZigBee網(wǎng)絡(luò)主要有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，星型網(wǎng)、網(wǎng)狀網(wǎng)和混合網(wǎng)。PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)負(fù)責(zé)發(fā)起建立和管理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，因此它必須是FFD，而其它的終端節(jié)點(diǎn)一般為RFD，在PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)的控制之下，直接與PAN協(xié)調(diào)點(diǎn)進(jìn)行通信?！　esh網(wǎng)（）一般是由若干個(gè)FFD連接在一起形成，這幾個(gè)FFD之間通信是完全的對(duì)等的，在其無線通訊范圍內(nèi)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與其它節(jié)點(diǎn)通信。由于節(jié)點(diǎn)均為FFD，Mesh網(wǎng)具有很高可靠性，而且具有“自恢復(fù)”能力，它可以為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包提供多條路徑，即使一條路徑出現(xiàn)故障，則依然存在另外一條或多條路徑可以選擇。混合網(wǎng)中，終端節(jié)點(diǎn)采集的信息首先傳到同一子網(wǎng)內(nèi)的協(xié)調(diào)點(diǎn)，再通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上傳到上一層