（電機(jī)與電器專(zhuān)業(yè)論文）交通狀態(tài)獲取的嵌入式以太網(wǎng)通信方法.pdf

j 匕立交通厶堂亟 堂位i 金塞魚(yú)星墨 叢盟 a bs t r a c t a b s t r a c t a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fm a s st r a 伍cd a t at r a n s m i s s i o nf r o mm a s s m u l t i p a t ha n dd i f f e r e n tt y p es e n s o r se x i s t e d i nu r b a nr o a dt r a 伍cs t a t eo b t a i n i n g t e c h n o l o g y b a s e do nt h es e n s o rn e t w o r ks y s t e mt og e tt r a f f i c s t a t es u g g e s t e di nt h e p r o j e c t t h i s t h e s i si n t r o d u c e sa l lt e c h n i q u eo fi n f o r m a t i o nt r a n s m i s s i o n w h i c hi s c o m p o s e do ft h ec a nb u sl o c a t i n gl o w e ra n de t h e m e tl o c a t i n gu p p e r a n ds t u d yt h e e m b e d d e de t h e m e ts y s t e mm o s t l y b a s e do nt h ed e m a n do fe m b e d d e de t h e r n e tf r o ms e n s o rn e t w o r k s o m ew o r k s h a v e b e e nc o m p l e t e d f i r s t t r a n s m i s s i o nd e m a n d so fm a s si n f o r m a t i o na rep u tf o r w a r d a n dt a c t i co fe m b e d d e de t h e r n e ta r ee s t a b l i s h e d s e c o n d h a r d w a r es y s t e mb a s e do n d s pa n de t h e r n e tc o n t r o l l e ri sd e s i g n e d d r i v eo fl o w e rn e t w o r ki sr e a l i z e d i n c l u d i n g i n i t i a l i z a t i o no fs y s t e m s e n d i n ga n dr e c e i v i n gd a t at h r o u g hp r o g r a m m i n g t 1 1 i r d t c p i pi se m b e d d e db a s e do nh a r d w a r es y s t e m t c pa n du d pa r er e a l i z e da i m i n ga t d i f f e r e n tc a s e l a s t t r a f f i cr o a di ss i m u l a t e di nl a b a n dc o m b i n i n gt h eo t h e rf u n c t i o no f t h en e t w o r ks y s t e m f u n c t i o n so fe t h e r n e td e s i g n e da lev a l i d a t e db ye x p e r i m e n t s t h ee m b e d d e de t h e m e tc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n so ft h es y s t e ma r ev e r i f i e db y s u f f i c i e n te x p e r i m e n t s f e a s i b i l i t ya n dr e l i a b i l i 哆o ft h ee t h e m e ts y s t e ma r ev a l i d a t e d w h e nu d pa n dt c pa r eu s e di nd i f f e r e n tc a s e b yd i f f e r e n tn e t w o r ke x p e r i m e n t s t h e w h o l e p r o c e s so f d a t ac o l l e c t i o n d e t e c t i o n p r o c e s s i n g a n dt r a n s m i s s i o na r ec o m p l e t e d c o m b i n i n gs e n s o r si n f o r m a t i o nd e t e c t i o nf u n c t i o n c a nb u sc o m m u n i c a t i o nf u n c t i o n a n dh u m a n c o m p u t e ri n t e r f a c es o f t w a r ed e v e l o p e db yf e l l o w s n es e n s o rn e t w o r kf o r g e t t i n gt r a f f i cs t a t ei sf o r m e di nt h el a b a n dc a l lb eu s e di nr o a dt r a f f i cs y s t e m k e y w o r d s 仃a 銜cs t a t ea c q u i s i t i o n s e n s o rn e t w o r k e m b e d d e de t h e r n e t d s p t c p m c l a s s n o t p 3 9 3 0 3 索引 a r p aa d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y 啪 a u i c a n c s m a c d d n s d s p f s m f t p h 訂p i c m p i g m p i p i s a i t s l a n m a c m l p s m t u r a r p r t o s c a t s s c o o t s m t p s n t p t c p u d p a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l a t t a c h m e n tu n i ti n t e r f a c e c o n t r o l l e r t e an e t w o r k c a r r i e rs e n s e m u l t i p l e a c c e s sw i t h c o l l i s i o nd e t e c t i o n d o m a i nn a m es y s t e m d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r f i n i t es t a t em a c h i n e f i l et r a n s f e r p r o t o c o l h y p e r t e x tt r a n s f e rp r o t o c o l i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c o l i n t e r a c tg r o u pm a n a g e m e n tp r o t o c o l i n t e r a c tp r o t o c o l i n d u s t r ys t a n d a r da r c h i t e c t u r e i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s l o c a la r e an e t w o r k m e d i u ma c c e s sc o n t r o l m i l l i o ni n s t r u c t i o n sp e rs e c o n d m a x i m u mt r a n s f e ru n i t r e v e r s e a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c o l r e t r a n s m i s s i o nt i m e o u t s y d n e yc o o r d i n a t e da d a p t i v et r 世i c s y s t e m s p l i t c y c l e a n do f f s e t o p t i m i z a t i o n t e c h n i q u e s i m p l em e s s a g et r a n s f e rp r o t o c o l s i m p l en e t w o r kt i m ep r o t o c o l t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o e o l u s e rd a t a g r a mp r o t o c o l 8 l 高級(jí)研究計(jì)劃管理局 美 國(guó)國(guó)防部 地址解析協(xié)議 連接單元接口 控制器局域網(wǎng) 載波監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)及沖 突檢測(cè)技術(shù) 域名系統(tǒng) 數(shù)字信號(hào)處理器 有限狀態(tài)機(jī) 文件傳輸協(xié)議 超文本傳輸協(xié)議 因特網(wǎng)控制報(bào)文協(xié)議 網(wǎng)際組管理協(xié)議 網(wǎng)際協(xié)議 工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口 智能交通系統(tǒng) 局域網(wǎng) 媒體訪問(wèn)控制 每秒百萬(wàn)條指令 最大傳送單元 逆向地址解析協(xié)議 重傳超時(shí) 悉尼協(xié)調(diào)自適應(yīng)交通系 統(tǒng) 綠信比 周期和相位差優(yōu) 化技術(shù) 簡(jiǎn)單郵件傳送協(xié)議 簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)定時(shí)協(xié)議 傳輸控制協(xié)議 用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議 獨(dú)創(chuàng)性聲明 本人聲明所呈交的學(xué)位論文是本人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作和取得的研 究成果 除了文中特別加以標(biāo)注和致謝之處外 論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或 撰寫(xiě)過(guò)的研究成果 也不包含為獲得北京交通大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書(shū) 而使用過(guò)的材料 與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作 了明確的說(shuō)明并表示了謝意 學(xué)位論文作者簽名 簽字日期 年月日 學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書(shū) 本學(xué)位論文作者完全了解北京交通大學(xué)有關(guān)保留 使用學(xué)位論文的規(guī)定 特 授權(quán)北京交通大學(xué)可以將學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索 并采用影印 縮印或掃描等復(fù)制手段保存 匯編以供查閱和借閱 同意學(xué)校向國(guó) 家有關(guān)部門(mén)或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和磁盤(pán) 保密的學(xué)位論文在解密后適用本授權(quán)說(shuō)明 學(xué)位論文作者簽名 導(dǎo)師簽名 簽字日期 年月 日 簽字日期 年月日 致謝 本論文的工作是在我的導(dǎo)師張和生副教授的悉心指導(dǎo)下完成的 張和生副教 授嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和科學(xué)的工作方法給了我極大的幫助和影響 在此衷心感謝兩 年半年來(lái)張老師對(duì)我的關(guān)心和指導(dǎo) 張和生副教授悉心指導(dǎo)我們完成了實(shí)驗(yàn)室的科研工作 在學(xué)習(xí)上和生活上都 給予了我很大的關(guān)心和幫助 在此向張老師表示衷心的謝意 張和生副教授對(duì)于我的科研工作和論文都提出了許多的寶貴意見(jiàn) 在此表示 衷心的感謝 在實(shí)驗(yàn)室工作及撰寫(xiě)論文期間 葉華 鄭巨明等同學(xué)對(duì)我論文中的嵌入式以 太網(wǎng)研究工作給予了熱情幫助 在此向他們表達(dá)我的感激之情 另外也感謝家人 他們的理解和支持使我能夠在學(xué)校專(zhuān)心完成我的學(xué)業(yè) 1 引言 本章簡(jiǎn)要敘述了課題的項(xiàng)目背景和研究意義 介紹了交通狀態(tài)獲取技術(shù)的國(guó) 內(nèi)外研究現(xiàn)狀 以及作為本課題核心的嵌入式以太網(wǎng)的技術(shù)背景 闡明了針對(duì)交 通狀態(tài)獲取來(lái)構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)的必要性和可行性 1 1 課題的項(xiàng)目背景與研究意義 本課題隸屬于 科技部國(guó)家8 6 3 計(jì)劃 項(xiàng)目 交通狀態(tài)獲取的新型傳感器 傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與融合 項(xiàng)目編號(hào)2 0 0 6 a a l l z 2 3 1 中的子課題 傳感器網(wǎng)絡(luò)復(fù)合 節(jié)點(diǎn) 組網(wǎng)設(shè)備及傳感器融合系統(tǒng) 隨著現(xiàn)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展 交通問(wèn)題日益成為一個(gè)突出的社會(huì)問(wèn)題 在 智能交通系統(tǒng)中 可靠有效的交通狀態(tài)信息是進(jìn)行交通流控制和誘導(dǎo)等交通管理 的重要前提 是制定交通安全管理策略 交通事故檢測(cè) 交通事故致因分析等交 通安全保障措施的必要基礎(chǔ) 是交通基礎(chǔ)設(shè)施管理 監(jiān)控和維護(hù)不可或缺的第一 手資料 在智能交通系統(tǒng)中 道路交通狀態(tài)的獲取是交通管理 交通安全保障和 交通基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控維護(hù)的基礎(chǔ)性問(wèn)題 l j 要更好地實(shí)現(xiàn)對(duì)城市道路交通的控制 就必須獲取大量的交通狀態(tài)數(shù)據(jù)來(lái)為 上層控制策略提供足夠的信息 這又要求道路交通控制系統(tǒng)必須構(gòu)建更加可靠的 交通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的高效傳輸 因此 面對(duì)智能交通系統(tǒng)構(gòu)建城市道路交 通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的需求 如何更可靠更有效地傳輸這些大量數(shù)據(jù)和信息將直接影響到 道路交通狀態(tài)獲取的可行性和可靠性 并對(duì)智能交通系統(tǒng)的任務(wù)和需求提出挑戰(zhàn) 交通狀態(tài)獲取的物理基礎(chǔ)是物理傳感器 目前道路交通系統(tǒng)中所用傳感器類(lèi) 型多 差異大 如用于道路交通管理的傳感器包括電感 環(huán)形線圈 雷達(dá) 測(cè)速 儀 紅外 測(cè)速儀 超聲 測(cè)速儀 等傳感器 用于道路交通安全保障的傳感 器包括紅外 測(cè)速儀 雷達(dá) 測(cè)速儀 應(yīng)力應(yīng)變 測(cè)重儀 超聲 測(cè)高儀 氣體 酒精檢測(cè)儀 等傳感器 用于道路基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控的傳感器包括溫度 應(yīng)力應(yīng)變 測(cè) 重儀 等傳感器 1 1 1 2 而道路交通系統(tǒng)所用傳感器通常僅面向一兩個(gè)固定應(yīng)用 并不完全具備自適 應(yīng) 多用途 可組網(wǎng)的功能 大量不同種類(lèi)的傳感器的存在 就不可避免的造成 了底層檢測(cè)環(huán)節(jié)在檢測(cè)處理方式和接口方式上的多樣性和復(fù)雜性以及由此產(chǎn)生的 海量異構(gòu)數(shù)據(jù) 而且各類(lèi)傳感器的部署相互獨(dú)立 分屬不同系統(tǒng) 無(wú)法直接進(jìn)行 數(shù)據(jù)交互并提供綜合立體的交通信息 以北京市s c o o t 系統(tǒng)為例 遍布于城區(qū)主要交通干線上的1 0 0 0 多個(gè)傳感器 每月產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量達(dá)到幾十g b t 3 4 美國(guó)圣安東尼奧市附近的高速公路 4 6 k m 上 的傳感器每天產(chǎn)生的數(shù)據(jù)量為1 2 0 m b t 5 1 在這種情況下 傳統(tǒng)的城市道路交通控制 系統(tǒng)所采用的中央處理計(jì)算機(jī)集中接入和控制模式面臨著巨大的信息傳輸和處理 壓力 因此 現(xiàn)有的交通狀態(tài)信息獲取模式對(duì)數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)的巨大壓力 對(duì)后臺(tái)系 統(tǒng)處理能力的極高要求以及將導(dǎo)致的日益增加的面向全局綜合應(yīng)用的復(fù)雜集成等 因素都迫切需要一種新型的道路交通傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 來(lái)構(gòu)建新問(wèn)題下的道路交 通控制系統(tǒng) 交通狀態(tài)獲取的新型傳感器 傳感器網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化與融合 項(xiàng)目正是在此背景 下 利用先進(jìn)的電子檢測(cè)技術(shù) 現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù) 以太網(wǎng)技術(shù)和微處理器技術(shù)等 通過(guò)研究和使用新型的網(wǎng)絡(luò)化智能交通檢測(cè)傳感器 分層式的信息傳輸網(wǎng)絡(luò)以及 區(qū)域交通狀態(tài)信息融合獲取技術(shù)使交通檢測(cè)傳感器網(wǎng)絡(luò)化 實(shí)現(xiàn)一種新型的分布 式交通狀態(tài)獲取方式 針對(duì)實(shí)際道路交通控制系統(tǒng)中傳感器數(shù)據(jù)的有效傳輸問(wèn)題 本項(xiàng)目提出了一 種網(wǎng)絡(luò)化分層次的信息傳輸技術(shù) 通過(guò)構(gòu)建現(xiàn)場(chǎng)總線和以太網(wǎng)相結(jié)合的數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò) 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大量交通狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸 并通過(guò)在上下層網(wǎng)絡(luò)之間構(gòu)建前端數(shù)據(jù)處理 節(jié)點(diǎn)來(lái)減輕上層系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理壓力 實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的靈活傳輸 交通狀態(tài)獲取的嵌入式以太網(wǎng)系統(tǒng)是針對(duì)構(gòu)建交通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)時(shí)所面臨的系統(tǒng) 資源受到限制的情況 對(duì)現(xiàn)有的完整的t c p i p 的協(xié)議進(jìn)行的簡(jiǎn)化 它在結(jié)合道路 交通控制系統(tǒng)的需求基礎(chǔ)之上 以提高以太網(wǎng)系統(tǒng)的靈活性和實(shí)時(shí)性為原則 并 考慮到降低成本等因素 保證了海量數(shù)據(jù)的可靠傳輸 由于構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)龐大且實(shí)現(xiàn)復(fù)雜 因此 本課題論文作為本項(xiàng)目的 一個(gè)子部分 主要研究構(gòu)建傳感器上層網(wǎng)絡(luò)的嵌入式以太網(wǎng)通信技術(shù) 1 2 交通狀態(tài)獲取的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 2 1 交通狀態(tài)獲取技術(shù) 日益嚴(yán)重的交通問(wèn)題已經(jīng)成為城市發(fā)展的主要瓶頸 智能交通被認(rèn)為是緩解 城市道路交通擁堵問(wèn)題的有效途徑 交通狀態(tài)獲取作為智能交通實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ) 對(duì) 于交通預(yù)測(cè) 擁擠預(yù)防 避免交通紊亂等都發(fā)揮著重要的作用 道路交通狀態(tài)的 變化本質(zhì)上是交通流的時(shí)空變化 不同的交通流特征將對(duì)應(yīng)不同的交通狀態(tài) 因 此交通狀態(tài)是伴隨著交通系統(tǒng)運(yùn)行產(chǎn)生的一種動(dòng)態(tài)交通流狀態(tài)或網(wǎng)絡(luò)模式 5 1 2 到目前為止 國(guó)際上尚無(wú)統(tǒng)一的城市交通狀態(tài)的判別定義 5 但交通狀態(tài)獲取 技術(shù)卻很早就出現(xiàn)了 1 9 3 0 年代初 美國(guó)和英國(guó)就相繼采用氣動(dòng)橡皮管作為車(chē)輛 檢測(cè)器 用來(lái)獲取道路交通狀態(tài)以控制交通信號(hào)燈 隨后 雷達(dá) 超聲波 光電 地磁 電磁 微波 紅外傳感器和環(huán)形線圈等都相繼用于道路交通控制中 1 9 7 0 年代 英國(guó)運(yùn)輸研究所開(kāi)發(fā)出了基于交通狀態(tài)的自適應(yīng)交通控制系統(tǒng)s c o o t 目 前 在全世界有超過(guò)2 0 0 個(gè)城市正運(yùn)行著該系統(tǒng) 進(jìn)入1 9 8 0 年代 由于自動(dòng)檢測(cè) 技術(shù) 數(shù)據(jù)通訊技術(shù) 自動(dòng)控制技術(shù) 智能信息處理與決策等技術(shù)的飛速發(fā)展 新興的智能交通系統(tǒng) i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s 簡(jiǎn)稱(chēng)i t s 成為解決交通 問(wèn)題的最佳途徑 而交通狀態(tài)獲取則是該系統(tǒng)重要的基礎(chǔ)性工作 1 5 進(jìn)入2 l 世紀(jì)后 一些新技術(shù)如下一代互聯(lián)網(wǎng) 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò) 移動(dòng)組網(wǎng)技 術(shù) 智能車(chē)輛傳感器技術(shù)等的出現(xiàn) 為智能交通系統(tǒng)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用帶來(lái) 了新的活力和機(jī)遇 使得原本難以在大范圍內(nèi)獲取交通狀態(tài)信息得以實(shí)現(xiàn) 目前 美國(guó) 歐盟和同本都在研究開(kāi)發(fā)道路交通狀態(tài)獲取的相關(guān)技術(shù)和產(chǎn)品 我國(guó)道路交通狀態(tài)獲取技術(shù)發(fā)展雖然起步晚 但也取得了較大成績(jī) 1 9 7 0 年 代中期在上海和北京研制成功環(huán)形線圈 超聲波 電磁式等多種車(chē)輛檢測(cè)器 進(jìn) 入九十年代中期 我國(guó)開(kāi)始進(jìn)行智能交通系統(tǒng)的研究和開(kāi)發(fā) 2 0 0 0 年完成中國(guó)i t s 體系框架和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范對(duì)我國(guó)建設(shè)i t s 奠定了基石出 6 1 十五期間 我國(guó)i t s 開(kāi)發(fā)和試 驗(yàn)由討論可行性和必要性進(jìn)入實(shí)際開(kāi)發(fā)和試驗(yàn)階段 在技術(shù)研究方面 i t s 關(guān)鍵技 術(shù)開(kāi)發(fā)和示范工程作為十五國(guó)家科技攻關(guān)重大專(zhuān)項(xiàng)已經(jīng)在基礎(chǔ)交通信息采集與融 合 i t s 數(shù)據(jù)管理技術(shù) 短程通信等關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)了研究 并在北京 上海 天津 重慶等十個(gè)城市開(kāi)展示范工程 形成了一些研究成果和原型系統(tǒng) 此外 國(guó)內(nèi)還 研制成功了多種車(chē)輛傳感器 獲得了多項(xiàng)國(guó)家專(zhuān)利 投入了工程實(shí)踐并得到了技 術(shù)驗(yàn)證 為構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)奠定了一定基礎(chǔ) 1 6 從國(guó)內(nèi)外交通狀態(tài)獲取技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)中可以看出 研制用于交通狀態(tài)獲取的 自適應(yīng) 多功能 可組網(wǎng)的新型傳感器 研究如何利用現(xiàn)有傳感器和新型傳感器 構(gòu)成交通狀態(tài)獲取的傳感器網(wǎng)絡(luò)將成為制約交通狀態(tài)獲取技術(shù)發(fā)展的前沿問(wèn)題 而這些技術(shù)的發(fā)展程度也將極大的影響到智能交通系統(tǒng)下一步的發(fā)展和自動(dòng)公路 系統(tǒng)的構(gòu)成 1 2 2 傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù) 傳感器網(wǎng)絡(luò)是計(jì)算機(jī)科學(xué)技術(shù)的一個(gè)新的研究領(lǐng)域 它是由大量部署在作用 區(qū)域內(nèi)的 具有有線或無(wú)線通信與計(jì)算能力的微小傳感器節(jié)點(diǎn)通過(guò)某種方式構(gòu)成 的能根據(jù)環(huán)境自主完成指定任務(wù)的分布式智能化網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 7 8 1 最早出現(xiàn)的傳感器是模擬傳感器 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 功能單一 輸出信號(hào)為模擬信 號(hào) 之后隨著集成電路的發(fā)展而出現(xiàn)的數(shù)字傳感器將模擬信號(hào)數(shù)字化處理和傳輸 提高了性能 但是在現(xiàn)代工業(yè)等領(lǐng)域 被控對(duì)象分布范圍越來(lái)越大 控制要求越 來(lái)越精 而采用傳統(tǒng)的分布檢測(cè) 電纜傳輸以及主控制器集中接入和控制的方式 已經(jīng)不能夠滿(mǎn)足大量現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)的采集 傳遞和處理 因此2 0 世紀(jì)后期出現(xiàn)的適應(yīng) 工業(yè)測(cè)控應(yīng)用需求的現(xiàn)場(chǎng)總線 f i e l d b u s 技術(shù)進(jìn)入了傳感器網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域 作為一種連 接智能化現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備和主控系統(tǒng)之間的全數(shù)字 開(kāi)放式的雙向通信網(wǎng)絡(luò) 在智能傳 感器的構(gòu)建中引入現(xiàn)場(chǎng)總線大大減少了傳感器與主控系統(tǒng)的連線 有效降低了系 統(tǒng)成本和復(fù)雜度 并逐漸形成了基于現(xiàn)場(chǎng)總線的傳感器網(wǎng)絡(luò) 引入現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)后 測(cè)控現(xiàn)場(chǎng)中的每一個(gè)傳感器都將成為網(wǎng)絡(luò)中的一個(gè)節(jié) 點(diǎn) 于是形成了分布于較大區(qū)域的傳感器網(wǎng)絡(luò) 實(shí)現(xiàn)了使用不同的傳感器協(xié)作的 監(jiān)控不同位置或不同對(duì)象的運(yùn)行狀態(tài)和工作過(guò)程 此外 結(jié)合控制網(wǎng)絡(luò)與數(shù)據(jù)網(wǎng) 絡(luò)來(lái)構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)也成為一個(gè)新型的熱點(diǎn) 通過(guò)將現(xiàn)場(chǎng)總線接入因特網(wǎng) 在一 定條件下便可通過(guò)因特網(wǎng)監(jiān)視并控制這些生產(chǎn)系統(tǒng)和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的運(yùn)行狀況和各種 參數(shù) 通過(guò)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)被控對(duì)象的遠(yuǎn)程監(jiān)控 綜合了傳感器技術(shù) 嵌入式計(jì)算技術(shù) 現(xiàn)代網(wǎng)絡(luò)及無(wú)線通信技術(shù) 分布式信 息處理技術(shù)等的傳感器網(wǎng)絡(luò) 能夠通過(guò)各類(lèi)集成化的微型傳感器協(xié)作地實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè) 感知和采集各種環(huán)境或監(jiān)測(cè)對(duì)象的信息 通過(guò)嵌入式系統(tǒng)對(duì)信息進(jìn)行處理 并通 過(guò)隨機(jī)自組織無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)以多跳中繼方式將所感知信息傳送到用戶(hù)終端 從而 真正實(shí)現(xiàn) 無(wú)處不在的計(jì)算 理念1 7 兒引 傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的組成和功能包括四個(gè)基本單元 分別為 傳感單元 由傳 感器和模數(shù)轉(zhuǎn)換功能模塊組成 處理單元 由嵌入式系統(tǒng)構(gòu)成 包括c p u 存儲(chǔ) 器 嵌入式操作系統(tǒng)等 通信單元 由無(wú)線通信模塊組成 以及電源部分 此 外 可以選擇的其它功能單元包括 定位系統(tǒng) 運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)以及發(fā)電裝置等 在傳感器網(wǎng)絡(luò)中 節(jié)點(diǎn)通過(guò)各種方式大量部署在被感知對(duì)象內(nèi)部或者附近 這些節(jié)點(diǎn)通過(guò)自組織方式構(gòu)成無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 以協(xié)作的方式感知 采集和處理網(wǎng)絡(luò)覆 蓋區(qū)域中特定的信息 可以實(shí)現(xiàn)對(duì)任意地點(diǎn)信息在任意時(shí)間的采集 處理和分析 自組織 微型化和對(duì)外部世界的感知能力是傳感器網(wǎng)絡(luò)的三大特點(diǎn) s 9 傳感器網(wǎng)絡(luò)是由密集型 低成本 隨機(jī)分布的節(jié)點(diǎn)組成的 自組織性和容錯(cuò) 能力使其不會(huì)因?yàn)槟承┕?jié)點(diǎn)在惡意攻擊中的損壞而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的崩潰 這一點(diǎn) 是傳統(tǒng)的傳感器技術(shù)所無(wú)法比擬的 也正是這一特性使得其在交通 軍事 環(huán)境 健康 家庭和商業(yè)領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用 而在空間探索和災(zāi)難拯救等特殊的領(lǐng) 域 傳感器網(wǎng)絡(luò)也有其得天獨(dú)厚的技術(shù)優(yōu)勢(shì) 在道路交通控制系統(tǒng)中 傳感器網(wǎng)絡(luò)主要用于對(duì)道路交通狀態(tài)的獲取 隨著 4 新技術(shù)的發(fā)展 道路交通系統(tǒng)越來(lái)越多地使用各類(lèi)差異巨大的傳感器 傳感器網(wǎng) 絡(luò)所具有的自適應(yīng) 多用途 可組網(wǎng)的功能完全適用于對(duì)各種道路交通傳感器進(jìn) 行組網(wǎng) 并優(yōu)化物理傳感器和虛擬傳感器 而在面對(duì)不同應(yīng)用時(shí) 傳感器網(wǎng)絡(luò)還 能夠?qū)Ω鱾€(gè)傳感器進(jìn)行融合優(yōu)化 傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)是智能交通系統(tǒng)下一步發(fā)展的 關(guān)鍵鋁b 約技術(shù) 是構(gòu)成自動(dòng)公路系統(tǒng)的基礎(chǔ) 在軍事領(lǐng)域 傳感器網(wǎng)絡(luò)非常適合應(yīng)用于惡劣的戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中 包括監(jiān)控我軍 兵力 裝備和物資 監(jiān)視沖突區(qū) 偵察敵方地形和布防 定位攻擊目標(biāo) 評(píng)估損 失 偵察和探測(cè)核 生物和化學(xué)攻擊等 與獨(dú)立的衛(wèi)星和地面雷達(dá)系統(tǒng)相比 傳 感器網(wǎng)絡(luò)在提高型信噪比 降低成本 消除環(huán)境噪聲 提高探測(cè)性 多點(diǎn)聯(lián)合能 等方面都具有潛在的優(yōu)勢(shì) 在環(huán)境科學(xué)領(lǐng)域 傳感器網(wǎng)絡(luò)為野外隨機(jī)性的研究數(shù)據(jù)獲取提供了方便 如 跟蹤候鳥(niǎo)和昆蟲(chóng)的遷移 研究環(huán)境變化對(duì)農(nóng)作物的影響 監(jiān)測(cè)海洋 大氣和土壤 的成分等 同樣 傳感器網(wǎng)絡(luò)對(duì)森林火災(zāi)準(zhǔn)確 及時(shí)地預(yù)報(bào)也有幫助 此外 傳 感器網(wǎng)絡(luò)也可以應(yīng)用在精細(xì)農(nóng)業(yè)中 以監(jiān)測(cè)農(nóng)作物中的害蟲(chóng) 土壤的酸堿度和施 肥狀況等 在醫(yī)療健康領(lǐng)域 在住院病人身上安裝特殊用途的傳感器節(jié)點(diǎn) 如心率和血 壓監(jiān)測(cè)設(shè)備 利用傳感器網(wǎng)絡(luò) 醫(yī)生就可以隨時(shí)了解被監(jiān)護(hù)病人的病情 進(jìn)行及 時(shí)處理 傳感器網(wǎng)絡(luò)還能被用來(lái)長(zhǎng)時(shí)間地收集人的生理數(shù)據(jù) 這些數(shù)據(jù)能夠在研 制新藥品的過(guò)程中發(fā)揮作用 而安裝在被監(jiān)測(cè)對(duì)象身上的微型傳感器也不會(huì)給人 的正常生活帶來(lái)太多的不便 此外 在藥物管理等諸多方面 它也有新穎而獨(dú)特 的應(yīng)用 總之 傳感器網(wǎng)絡(luò)為未來(lái)的遠(yuǎn)程醫(yī)療提供了更加方便 快捷的技術(shù)實(shí)現(xiàn) 手段 此外 在商業(yè)領(lǐng)域 足球比賽 在災(zāi)難拯救 倉(cāng)庫(kù)管理 交互式博物館 交 互式玩具 工廠自動(dòng)化生產(chǎn)線等眾多領(lǐng)域 傳感器網(wǎng)絡(luò)都體現(xiàn)出了全新的設(shè)計(jì)和 應(yīng)用 7 1 1 8 9 1 1 3 以太網(wǎng)技術(shù)的國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 1 3 1 以太網(wǎng) 以太n e t h e r n e t 是當(dāng)今局域網(wǎng)所采用的最通用的通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 它既是一種 計(jì)算機(jī)接入局域網(wǎng)絡(luò)的連接標(biāo)準(zhǔn) 又是一種網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備數(shù)據(jù)共享的通信協(xié)議 i o l l o 以太網(wǎng)是美國(guó)施樂(lè) x e r o x 公司的p a l oa l t o 研究中心 簡(jiǎn)稱(chēng)為p a r c 于1 9 7 5 5 年研制成功的 后經(jīng)數(shù)字設(shè)備公司 d g i t a le q u i p m e n tc o r p i n t e l 公司聯(lián)合擴(kuò)展 于1 9 8 2 年公布的以太網(wǎng)規(guī)范 i e e e 8 0 2 3 就是以這個(gè)技術(shù)規(guī)范為基礎(chǔ)制定的 以 太網(wǎng)絡(luò)使用c s m a c d c a r r i e rs e n s em u l t i p l ea c c e s sw i t hc o l l i s i o nd e t e c t i o n 載波 監(jiān)聽(tīng)多路訪問(wèn)及沖突檢測(cè)技術(shù) 技術(shù) 它不是一種具體的網(wǎng)絡(luò) 而是一種技術(shù)規(guī)范 它定義了在局域網(wǎng)中采用的電纜類(lèi)型和信號(hào)處理方法 以太網(wǎng)在互聯(lián)設(shè)備之間以 1 0 1 0 0 m b p s 的速率傳送信息包 雙絞線電纜1 0 b a s e t 以太網(wǎng)由于其低成本 高 可靠性以及1 0 m b p s 的速率而成為應(yīng)用最為廣泛的以太網(wǎng)技術(shù)l l u j i l 按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織開(kāi)放系統(tǒng)互連參考模型 i s o o s i 的7 層結(jié)構(gòu) 以太網(wǎng)標(biāo) 準(zhǔn)只定義了數(shù)據(jù)鏈路層和物理層 作為一個(gè)完整的通信系統(tǒng) 它需要高層協(xié)議的 支持 1 2 1 3 a p a r n e t a d v a n c e dr e s e a r c hp r o j e c t sa g e n c y 美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究 計(jì)劃管理局 在制定了t c p i p 高層通信協(xié)議 并把以太網(wǎng)作為其數(shù)據(jù)鏈路層物理 層的協(xié)議之后 以太網(wǎng)便和t c p i p 緊密地捆綁在一起了 現(xiàn)在人們俗稱(chēng)的以太網(wǎng) 技術(shù)以及工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù) 不僅包含了物理層與數(shù)據(jù)鏈路層的以太網(wǎng)規(guī)范 而且 包含了t c p i p 協(xié)議組 即包含網(wǎng)絡(luò)層的網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議i p 傳輸層的傳輸控制協(xié)議 t c p 用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議u d p 等 有時(shí)候甚至把應(yīng)用層的簡(jiǎn)單郵件傳送協(xié)議s m t p 域名服務(wù)d n s 文件傳輸協(xié)議f t p 再加上超文本鏈接h t t p 動(dòng)態(tài)網(wǎng)頁(yè)發(fā)布等 互聯(lián)網(wǎng)上的應(yīng)用協(xié)議都與以太網(wǎng)這個(gè)名詞捆綁在一起 因此以太網(wǎng)技術(shù)實(shí)際上是 上述一系列技術(shù)的統(tǒng)稱(chēng) l o j i l 2 1 國(guó)際因特網(wǎng)作為成功運(yùn)用以太網(wǎng)技術(shù)的實(shí)例 即以太網(wǎng) t c p i p 模式 具有成 本低 傳輸速率高等諸多優(yōu)點(diǎn) 進(jìn)入商業(yè)市場(chǎng)2 0 多年來(lái) 在辦公自動(dòng)化等方面獲 得了廣泛的應(yīng)用 而且己經(jīng)成為最受歡迎的通信網(wǎng)絡(luò)之一i 如 1 1 2 1 3 2t c p i p 協(xié)議 t c p i p 協(xié)議 t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c o l i n t e r n e tp r o t o c o l 傳輸控制協(xié)議或 網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議 是一組包括i p 協(xié)議 u d p u s e rd a t a g r a mp r o t o c 0 1 協(xié)議 t c p t r a n s m i s s i o nc o n t r o lp r o t o c 0 1 i c m p i n t e r n e tc o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 協(xié) 議和其他一些協(xié)議在內(nèi)的協(xié)議組 t c p i p 協(xié)議組之所以流行 部分原因是因?yàn)樗?可以用在各種各樣的信道和底層協(xié)議 例如t 1 和x 2 5 以太網(wǎng)以及r s 2 3 2 串行 接口 之上 如圖1 1 為t c p i p 協(xié)議的分層體系 在t c p i p 協(xié)議組中 屬于網(wǎng)絡(luò)層的協(xié)議有 網(wǎng)際互聯(lián)協(xié)議i p i n t e r n e tp r o t o c 0 1 地址解析協(xié)議a r p a d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 和逆向地址解析協(xié)議 r a r p r e v e r s ea d d r e s sr e s o l u t i o np r o t o c 0 1 網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié)議i c m p i n t e r n e t c o n t r o lm e s s a g ep r o t o c 0 1 與網(wǎng)際組管理協(xié)議i g m p i n t e m e tg r o u pm a n a g e m e n t 6 p r o t o c 0 1 ii o l l a r p 的功能是將3 2 位i p 地址轉(zhuǎn)換成4 8 位的網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備的物理地址 而 r a r p 則相反 它將網(wǎng)絡(luò)連接設(shè)備的的物理地址轉(zhuǎn)換為i p 地址 網(wǎng)際控制報(bào)文協(xié) 議i c m p 負(fù)責(zé)因路由問(wèn)題引起的差錯(cuò)報(bào)告和控制 i g m p 則是多目的傳送設(shè)備間信 息交換協(xié)議 運(yùn)輸層包括傳輸控制協(xié)議t c p 和用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議u d p 應(yīng)用層的內(nèi)容十分豐富 包括域名服務(wù)d n s 文件傳輸協(xié)議f t p 簡(jiǎn)單的網(wǎng) 絡(luò)管理協(xié)議s n m p 簡(jiǎn)單郵件傳輸協(xié)議s m t p 簡(jiǎn)單網(wǎng)絡(luò)定時(shí)協(xié)議s n t p 超文本 傳輸協(xié)議h t t p 等 他們構(gòu)成了t c p i p 協(xié)議組的高層協(xié)議 1 0 1 1 1 媒體 圖1 1t c p f l p 協(xié)議組中不同層次的協(xié)議 f i g u r e l ld i f f e r e n tl a y e r so f t c p i pp r o t o c o l 1 3 3 嵌入式以太網(wǎng)及其發(fā)展前景 應(yīng)用層 傳輸層 網(wǎng)絡(luò)層 鏈路層 作為一種通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn) 以太網(wǎng)具有速度快 成本低 高實(shí)效 高智能及高 擴(kuò)展性等特點(diǎn) 由于計(jì)算機(jī)技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)的飛速發(fā)展 現(xiàn)代工業(yè)信息交換 7 需求已經(jīng)從管理層內(nèi)部迅速覆蓋到控制 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備等層次 因此連接上層網(wǎng)絡(luò)和 現(xiàn)場(chǎng)總線的工業(yè)數(shù)據(jù)通信正在成為工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域的新興熱點(diǎn)之一 1 4 作為當(dāng)前通信網(wǎng)絡(luò)領(lǐng)域的核心之一 以太網(wǎng)技術(shù)在給辦公自動(dòng)化帶來(lái)深刻變 革的同時(shí) 也逐漸滲透到工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域并迅速增長(zhǎng) 幾乎所有的現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng) 最終都可以連接到以太網(wǎng) 很早以前就有將以太網(wǎng)用作現(xiàn)場(chǎng)總線的做法 然而 以太網(wǎng)的資源得不到有效地利用 速度快但傳輸效率低 不可靠等以太網(wǎng)的傳統(tǒng) 缺點(diǎn)并不適合現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用要求 后來(lái)通過(guò)對(duì)以太網(wǎng)協(xié)議的修改 一些新方案的實(shí) 施大大改善了以太網(wǎng)的缺點(diǎn) 如通過(guò)修改分布式報(bào)文結(jié)構(gòu)和傳輸方式 使以太網(wǎng) 的高速率傳輸?shù)玫匠浞謶?yīng)用 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)更為靈活 方便現(xiàn)場(chǎng)布線 通過(guò)設(shè)立專(zhuān)用 通道保證實(shí)時(shí)性 完全利用p c 控制網(wǎng)絡(luò)資源 1 0 1 3 l 6 1 隨著p c 技術(shù)和i t 的發(fā)展 以太網(wǎng)物理層的很多通用部件成本越來(lái)越低 隨 著集成電路的發(fā)展 高檔的微處理器作為i 0 處理器和控制器核心的條件逐漸成 熟 而在控制器上運(yùn)行的實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)使控制器更易于實(shí)現(xiàn)t c p i p 協(xié)議 1 6 f 1 7 以太網(wǎng)絡(luò)更易于接近現(xiàn)場(chǎng) 嵌入式以太網(wǎng)因?yàn)樗俣瓤?帶寬較寬 一般為 i o m 或1 0 0 m 還有更高速的1 0 0 0 m 互操作性好 可擴(kuò)展性強(qiáng) 價(jià)格便宜等特 點(diǎn)在嵌入式控制領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用 嵌入式以太網(wǎng)已經(jīng)成為控制網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的主要方向 具有很大的發(fā)展?jié)摿?在 工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)引入嵌入了t c p i p 協(xié)議的以太網(wǎng)技術(shù)能夠使它直接達(dá)到現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備級(jí) 它 所具有的環(huán)境適用性 可靠性 安全性 通信的確定性 網(wǎng)絡(luò)的可維護(hù)性和可恢 復(fù)性等特點(diǎn)都使它能夠在工業(yè)自動(dòng)化領(lǐng)域中異軍突起 過(guò)程控制工業(yè)和自動(dòng)化工業(yè) 從嵌入式系統(tǒng)到現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng) 都認(rèn)識(shí)到 了以太網(wǎng)和t c p i p 的重要性 以太網(wǎng)和t c p i p 作為世界上最為廣泛應(yīng)用的網(wǎng)絡(luò) 協(xié)議 它將成為過(guò)程級(jí)和控制級(jí)的主要傳輸技術(shù) 帶t c p i p 協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接 口現(xiàn)在已經(jīng)在智能設(shè)備和i o 模塊中使用 它能夠與工廠信息管理系統(tǒng)進(jìn)行直接 地 無(wú)縫地連接 而無(wú)需任何專(zhuān)用設(shè)備 可以說(shuō) 以太網(wǎng)在工業(yè)通信網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng) 用將構(gòu)建從底層的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備到控制層 企業(yè)管理決策層的綜合自動(dòng)化網(wǎng)絡(luò)平臺(tái) 作為2 l 世紀(jì)未來(lái)工業(yè)網(wǎng)絡(luò)的首選 嵌入式以太網(wǎng)有著廣闊的應(yīng)用和發(fā)展前景 1 1 5 1 6 1 1 1 7 j 針對(duì)大量交通狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸需求 在道路交通數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建中引入嵌入 式以太網(wǎng)技術(shù)將成為一種必然的趨勢(shì) 1 4 課題的主要研究工作 技術(shù)路線和論文結(jié)構(gòu) 1 4 1 課題的主要研究工作 8 結(jié)合項(xiàng)目課題 本論文主要做了如下研究工作 對(duì)以太網(wǎng)理論 嵌入式系統(tǒng)及t c p i p 協(xié)議做了較為深入的研究和分 析 確定了采用基于t c p i p 協(xié)議的嵌入式以太網(wǎng)來(lái)構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)上 層系統(tǒng)的策略 結(jié)合項(xiàng)目其余部分課題 構(gòu)建了基于數(shù)字信號(hào)處理器d s p 的嵌入式以 太網(wǎng)節(jié)點(diǎn) 進(jìn)行了硬件選型以及以太網(wǎng)硬件電路的設(shè)計(jì) 基于以太網(wǎng)硬件基礎(chǔ) 在d s p 工作環(huán)境下編程實(shí)現(xiàn)了以太網(wǎng)底層驅(qū)動(dòng) 并結(jié)合系統(tǒng)實(shí)際需求 實(shí)現(xiàn)了嵌入式t c p i p 協(xié)議 結(jié)合項(xiàng)目其余部分成果 在實(shí)驗(yàn)室搭建道路交通模擬車(chē)道 實(shí)現(xiàn)了實(shí) 驗(yàn)室環(huán)境下的分層次傳感器網(wǎng)絡(luò)和交通狀態(tài)信息的獲取 1 4 2 課題研究的技術(shù)路線 根據(jù)控制網(wǎng)絡(luò)的研究特點(diǎn) 本節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)中采用了功能需求 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的技術(shù)研究路線 先提出節(jié)點(diǎn)所需求的功能 然后通過(guò)硬 軟件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 最后通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證本節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)方案實(shí)現(xiàn)的合理性和可行性 如圖1 2 為本嵌入式以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)研究路線圖 實(shí)驗(yàn) 驗(yàn)證 設(shè)計(jì) 實(shí)現(xiàn) 功能 需求 t c p f l p 在交通狀態(tài)致?lián)鬏斨械膶?shí)現(xiàn) 網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目尚行詫?shí)驗(yàn) 實(shí)現(xiàn)州絡(luò)底層驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)卜叫 實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)i 層協(xié)議的實(shí)驗(yàn) jlj 運(yùn)輸層協(xié)議 發(fā)送和接收數(shù)據(jù)u d p 平 t c p m 強(qiáng) 早竺 底層 上層 網(wǎng)際協(xié)議i pi 班動(dòng)i 初始化以太網(wǎng) 姒 l 地址解析協(xié)議a r p tt 采j h d s p 和以太陽(yáng)控制器作為硬件基礎(chǔ) l 采用以太網(wǎng)實(shí)現(xiàn)交通狀態(tài)獲取的傳感器網(wǎng)絡(luò)的上層 9 圖1 2 本嵌入式以太網(wǎng)的技術(shù)研究路線圖 f i g u r e l 一2t e c h n o l o g yr o a d m a po f t h ee m b e d d e de t h e r n e t 1 功能需求 本嵌入式以太網(wǎng)功能的設(shè)計(jì)目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)一個(gè)完整的以太網(wǎng)通信節(jié)點(diǎn) 結(jié)合整 個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng) 本部分的功能需求主要有二 其一 結(jié)合系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)規(guī)劃 本部分采用數(shù)字信號(hào)處理器d s p 控制以太網(wǎng) 控制器的形式來(lái)構(gòu)建以太網(wǎng)硬件系統(tǒng) 其二 在以太網(wǎng)硬件基礎(chǔ)之上 需要嵌入相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議來(lái)實(shí)現(xiàn)信息的傳輸 功能 在本節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)中 需要實(shí)現(xiàn)基于t c p i p 協(xié)議的以太網(wǎng)通信功能 2 設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn) 結(jié)合整體系統(tǒng)需求 需要從硬件和軟件兩部分對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)功能 首先需要進(jìn)行硬件的選型 尤其是以太網(wǎng)控制器的選型 然后根據(jù)相應(yīng)芯片的操 作控制規(guī)則實(shí)現(xiàn)硬件的連接 在硬件實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)之上 系統(tǒng)需要完成實(shí)現(xiàn)通信的 基本功能的設(shè)計(jì) 包括網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的初始化配置 底層驅(qū)動(dòng)以及t c p i p 協(xié)議的實(shí)現(xiàn) 這是本系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)的核心部分 也是難點(diǎn)所在 主要通過(guò)基于d s p 操作軟件 c c s 3 1 的編程來(lái)實(shí)現(xiàn) 由于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)需要傳輸大量的交通狀態(tài)數(shù)據(jù) 在系統(tǒng)上層的以太網(wǎng) 同時(shí)采 用了u d p 和t c p 作為t c p i p 的運(yùn)輸層協(xié)議 u d p 為無(wú)連接協(xié)議 傳輸控制都較 簡(jiǎn)單 但是不保證數(shù)據(jù)可靠傳輸 因此用u d p 來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)大量交通狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸 而面向連接的協(xié)議t c p 實(shí)現(xiàn)起來(lái)較為復(fù)雜 但是可靠性高 因此用來(lái)實(shí)現(xiàn)少量 重要數(shù)據(jù)的可靠傳輸 3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是本設(shè)計(jì)最為重要的部分 本課題的任務(wù)在于從軟硬件上實(shí)現(xiàn)嵌入 式以太網(wǎng)對(duì)交通狀態(tài)數(shù)據(jù)的傳輸功能 因此 需要大量的實(shí)驗(yàn)來(lái)驗(yàn)證節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)設(shè) 計(jì)的正確性 在本課題中 基于d s p 軟件c c s 3 1 編程實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的底層驅(qū)動(dòng)及上層 協(xié)議 結(jié)合相關(guān)交通理論 針對(duì)面向交通狀態(tài)獲取的嵌入式以太網(wǎng)系統(tǒng)的特點(diǎn) 設(shè)計(jì)了大量相關(guān)的網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn) 通過(guò)基于網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和模擬道路交通環(huán)境的軟件 編程實(shí)現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的各預(yù)期功能 包括作為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)需要實(shí)現(xiàn)的幀填充和u d p 數(shù)據(jù)報(bào)分片等功能 以及t c p 連接的建立和釋放 大量實(shí)驗(yàn)最終了證明了本嵌入 式以太網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性和可行性 通過(guò)選擇合理的技術(shù)研究路線將能使課題研究工作更好的開(kāi)展 并最終實(shí)現(xiàn) 了預(yù)期的設(shè)計(jì)功能 l o 1 4 3 論文結(jié)構(gòu) 本論文共分了五個(gè)章節(jié)對(duì)課題研究進(jìn)行了敘述 第一章為引言部分 主要介紹了交通狀態(tài)獲取技術(shù) 傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及嵌入 式以太網(wǎng)技術(shù)在國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和發(fā)展前景 闡述了交通狀態(tài)信息獲取的過(guò)程 中 引入嵌入式以太網(wǎng)的可行性和必要性 第二章介紹了嵌入式以太網(wǎng)系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì) 主要介紹了d s p 和以太網(wǎng)控制 器的硬件選型 及所選器件的特性 并介紹了本嵌入式以太網(wǎng)系統(tǒng)中主要硬件的 連接方式 第三章為軟件實(shí)現(xiàn)部分 主要介紹了以太網(wǎng)底層驅(qū)動(dòng)及上層嵌入式t c p i p 協(xié) 議 闡述了在本系統(tǒng)中對(duì)t c p i p 協(xié)議的簡(jiǎn)化 重點(diǎn)介紹了運(yùn)輸層的兩個(gè)重要協(xié)議 t c p 及u d p 并針對(duì)它們的不同應(yīng)用進(jìn)行了比較 第四章為實(shí)驗(yàn)部分 主要介紹了對(duì)a r p u d p 和t c p 等協(xié)議的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì) 并 通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了驗(yàn)證 給出了各個(gè)實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象圖 以及數(shù)據(jù)包分析圖 結(jié)合項(xiàng)目其余成果 在實(shí)驗(yàn)室的模擬道路交通環(huán)境下 實(shí)現(xiàn)了對(duì)交通狀態(tài)信息的 獲取 第五章為結(jié)論部分 對(duì)本嵌入式以太網(wǎng)課題進(jìn)行了總結(jié) 對(duì)后續(xù)的研究工作 進(jìn)行了展望 并指出了本論文研究的不足之處 2 嵌入式以太網(wǎng)硬件設(shè)計(jì) 在率項(xiàng)目中 本課題部分主要負(fù)責(zé)傳感網(wǎng)絡(luò) 曇的以太網(wǎng)通信部分 凼此本 文主要介紹網(wǎng)絡(luò)上層的以太網(wǎng)通信功能的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn) 而下層c a n 總線網(wǎng)絡(luò)及其 余外圍功能不在奉文討論范圍之列 在本節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中 以太同通信功能的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)d s p 對(duì)以太嘲控 制器c s 8 9 0 0 a 的控制操作求實(shí)現(xiàn)的 本章首先介紹了傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 其次霞點(diǎn)介紹了以太網(wǎng)節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì) 包括主要硬件的選型和電路連接 2 1 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu) 艤據(jù)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)化分層次的信息傳輸技術(shù)的需求 本項(xiàng)日采用現(xiàn)場(chǎng)總線和以太 網(wǎng)相結(jié)合的方式來(lái)構(gòu)建道路交通數(shù)據(jù)阿絡(luò) 在采集傳感器信號(hào)的底層道路現(xiàn)場(chǎng) 數(shù)據(jù)傳輸量較小 但足對(duì)實(shí)時(shí)性和靈活性的要求較高 因此采川現(xiàn)場(chǎng)總線來(lái)實(shí)現(xiàn) 數(shù)據(jù)傳輸 耐在上層系統(tǒng)中 數(shù)據(jù)傳輸量較大 通信距離長(zhǎng)但宴時(shí)性要求并不高 采用以太網(wǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)通信功能 1 州1 8 瞰2 1 道路傳培器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)總體椏削 f i g 峨2 ic o n f i g u r a t i o no f r o a ds e n s o r n e t w o r k ss y s t e i l 如圖2 1 所示為道路變通控制系統(tǒng)獲取交通狀態(tài)的傳感器網(wǎng)絡(luò)部署結(jié)構(gòu)圖 在 傳感器m 絡(luò)系統(tǒng)巾 首先要在一定的道路路段鋪設(shè)備剃一連接在檢測(cè)竹點(diǎn)卜的傳感 器 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采集來(lái)自各路段傳感器的交通信息并做較為簡(jiǎn)單的前端處理 下層 c a n 總線網(wǎng)絡(luò)通過(guò)對(duì)各個(gè)檢澳 節(jié)點(diǎn)進(jìn)行檢測(cè)和輪詢(xún)來(lái)獲取底層交通信息 并將其 送到每個(gè)路口的d s p 復(fù)合節(jié)點(diǎn) 在復(fù)合節(jié)點(diǎn) 需要對(duì)來(lái)自c a n 總線的大量交通 數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和融合 以減輕網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的壓力 最后通過(guò)以太網(wǎng)將處理后的數(shù)據(jù) 送入中央處理計(jì)算機(jī)進(jìn)行上層系統(tǒng)的處理和控制 從而完成道路交通網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建 實(shí)現(xiàn)對(duì)交通狀態(tài)的獲取 根據(jù)系統(tǒng)各個(gè)部分功能的不同 道路交通網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)系統(tǒng)可以分為三個(gè)部分 d s p 處理器及相關(guān)外設(shè) 下層c a n 總線通信模塊和上層以太網(wǎng)通信模塊 從整個(gè)項(xiàng)目構(gòu)建傳感器網(wǎng)絡(luò)的要求出發(fā) 選用t i 公司生產(chǎn)的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 d s p 芯片作為本傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的微處理器 作為一種低功耗的3 2 位定點(diǎn)數(shù)字信 號(hào)處理器 它所具有的強(qiáng)大的數(shù)字信號(hào)處理功能和方便的接口模塊完全能夠勝任 本項(xiàng)目對(duì)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)功能的要求 2 0 2 1 1 由于在本系統(tǒng)應(yīng)用中可能會(huì)面臨大量的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)交通狀態(tài)數(shù)據(jù)處理問(wèn)題 因 此需要對(duì)d s p 進(jìn)行外部存儲(chǔ)區(qū)的擴(kuò)展 以增加裝置的數(shù)據(jù)處理潛力 這里選用了 兩片i s s i 公司生產(chǎn)的高速靜態(tài)r a m 芯片i s 6 1 l v 2 5 6 1 6 每片容量為2 5 6 k 1 6 位 共計(jì)5 1 2 k 1 6 位 由于本課題設(shè)計(jì)的復(fù)合節(jié)點(diǎn)裝置所采用的主控器t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 中已集成了 c a n 總線控制器e c a n 模塊 因此只需增加c a n 總線驅(qū)動(dòng)器的相關(guān)電路就可實(shí) 現(xiàn)c a n 總線的通信功能 在這里選用p h i l i p s 公司生產(chǎn)的較為常用的p c a 8 2 c 2 5 0 作為c a n 總線收發(fā)器 為增加復(fù)合節(jié)點(diǎn)硬件的抗干擾能力 在c a n 總線驅(qū)動(dòng)器 p c a 8 2 c 2 5 0 與d s p 的e c a n 模塊之間加入了快速光藕6 n 1 3 7 進(jìn)行光電隔離 該 器件能夠切斷主控制電路與外部總線電氣環(huán)境之間的聯(lián)系 有效地抑制尖峰脈沖 和各種噪聲干擾 在以太網(wǎng)通信模塊 采用c s 8 9 0 0 a 芯片作為以太網(wǎng)控制器 通過(guò)對(duì)d s p 的編 程控制來(lái)實(shí)現(xiàn)以太網(wǎng)的通信功能 其中c s 8 9 0 0 a 與r j 4 5 的連接需要通過(guò)一個(gè)帶 厄流線圈的脈沖隔離變壓器h r 6 0 1 6 2 7 進(jìn)行隔離 它的作用主要是將外部線路與 c s 8 9 0 0 a 隔開(kāi) 防止干擾和燒壞元器件 實(shí)現(xiàn)帶電的插拔功能 作為本論文的重 點(diǎn) 本部分將在后面的內(nèi)容中進(jìn)行重點(diǎn)介紹 此外 在系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)中 還設(shè)計(jì)連接一片c p l d 芯片 采用a l t e r a 公司 m a xi i 系列的c p l d 芯片 型號(hào)為e p m l 2 7 0 t 1 4 4 c 5 n 它主要負(fù)責(zé)板上各設(shè)備的 片選譯碼控制 以及矩陣鍵盤(pán)和液晶顯示模塊的人機(jī)接口控制 如圖2 2 為本道路交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的總體硬件連接框圖 1 3 圖2 2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的總體硬件連接框圖 f i g u r e 2 2h a r d w a r ec o n f i g u r a t i o no f n e t w o r kn o