基于zigbee的車輛數(shù)據(jù)采集傳感器的研究-4

1、3. 過車傳感器硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì) 硬件是整個(gè)傳感器的基礎(chǔ)，直接關(guān)系著傳感器的功能。對于工作在復(fù)雜環(huán)境下的過車傳感器，做好硬件設(shè)計(jì)至關(guān)重要。3.1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則和硬件框架在實(shí)際中，過車傳感器往往放置在高速公路的各車道路面上，工作條件惡劣。夏天，在陽光直射下，高速公路的路面溫度可高達(dá)5060，而在寒冷的冬天，溫度可低至零下十幾度。并且現(xiàn)在的車輛裝載了越來越多的電子設(shè)備，將對過車傳感器產(chǎn)生很大的電磁干擾。另外，為了防止車輛對傳感器造成破壞和考慮到傳感器安裝方便，應(yīng)使用電池供電和無線傳輸。因此，過車傳感器應(yīng)滿足以下要求：l 體積小，厚度薄，安裝后不能影響車輛正常行駛l 整體結(jié)構(gòu)堅(jiān)固，在大型車輛的碾壓后仍然

2、保持正常的工作狀態(tài)l 工作時(shí)間長，可靠穩(wěn)定l 采用電池供電l 耗電量低l 無線傳輸且抗干擾能力強(qiáng) 過車無線傳感器先由磁阻傳感器采集信號(hào)，經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后將傳感器采集的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，再由微處理器對這些數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理，無線通信模塊將數(shù)據(jù)傳輸至上位機(jī)進(jìn)一步數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，分析使用。本系統(tǒng)采用霍尼韋爾HM2003三軸固態(tài)低磁混合電路磁阻傳感器對車輛擾動(dòng)地磁場進(jìn)行檢測，CC2431整合了單片機(jī)模塊和zigbee無線通訊模塊,因此,以成都無線龍CC2431模塊作為數(shù)據(jù)的處理和發(fā)送模塊。其硬件框架如圖3.1所示。16位A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)、命令傳送三軸磁阻 傳感器信號(hào)處理電路CC2430C8051

3、F CPURF射頻電路圖3.1 過車傳感器總體框架Fig3.1 vehicle sensor framework3.2 硬件設(shè)備的選擇3.2.1磁阻傳感器 HMC2003磁阻傳感器是美國公司霍尼維爾制造的一款用于精確測量低磁場強(qiáng)度的使用三軸磁阻傳感器混合的電路組件,由三個(gè)精密坡莫合金磁阻傳感器和統(tǒng)一定制的接口電子設(shè)備構(gòu)成,并且自帶高靈敏度溫度補(bǔ)償電路?；旌想娐房墒褂?15V單電源供電，并內(nèi)置+ 2.5V 基準(zhǔn)電壓,每個(gè)坐標(biāo)軸都有模擬輸出可供外部接口使用, 可檢測的磁場強(qiáng)度范圍能達(dá)到40±2Gs，工作溫度在- 4085之間。傳感器的磁敏感方向?yàn)檠刂p列直插混合電路長，寬，高三個(gè)方向。X

4、、Y、Z 磁傳感器橋路與放大器相連，輸出05V的信號(hào)。0高斯對應(yīng)2.5V 輸出(典型值)，該電壓實(shí)際值由參考電壓Vref決定。地球磁場通常為0.5高斯，放大的橋路輸出靈敏度典型值為1.0V/Guass ,輸出模擬量在0.54.5V 范圍內(nèi)變化。利用這種混合電路的靈敏度和線性度可以在地磁場中探測各種變化，以提供羅盤方向的傳感。因此,對于要求2或3軸磁場感應(yīng)、體積和抗振性有限制并只要求前段傳感部分的應(yīng)用來說,該混合電路是最理想的選擇。15圖3.2 HMC2003結(jié)構(gòu)原理圖 Fig3.2 Structure diagram of HMC20033.2.2 A/D轉(zhuǎn)換器磁阻傳感器輸出為模擬信號(hào)，需要經(jīng)

5、過A/D轉(zhuǎn)換讀入計(jì)算機(jī)。A/D轉(zhuǎn)換器的選擇需要考慮以下幾個(gè)指標(biāo)。1分辨率分辨率是指模數(shù)轉(zhuǎn)換器在轉(zhuǎn)換中所能分辨的最小量，習(xí)慣上用轉(zhuǎn)換結(jié)果的位數(shù)表示。分辨率表示了A/D轉(zhuǎn)換器對輸入模擬信號(hào)數(shù)字化后的精細(xì)程度。不作量程切換時(shí)，由輸入模擬信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍和要求分辨的最小輸入可計(jì)算所需要ADC分辨率，也即： (3.1) (3.2)對于所選用的磁阻傳感器，ADC的位數(shù)為14即可。2.精度精度有絕對精度和相對精度兩種表示方法。1) 絕對誤差在一個(gè)轉(zhuǎn)換器中，對應(yīng)于一個(gè)數(shù)字量的實(shí)際模擬輸入電壓和理想的模擬輸入電壓之差的最大值，定義為“絕對誤差”。通常以數(shù)字量的最小有效位(LSB)的分?jǐn)?shù)值來表示絕對誤差，如士1LS

6、B等。絕對誤差包括量化誤差和其它所有誤差。2) 相對誤差是指整個(gè)轉(zhuǎn)換范圍內(nèi)，任意數(shù)字量所對應(yīng)的模擬輸入量的實(shí)際值與理論值之差，用模擬滿量程的百分比表示。例如，滿量程為5V,12位A/D芯片，若其絕對精度為11/2LSB，則其最小有效位的量化單位為1.22mV，其絕對精度為0.61 mV，相對精度為0.061%3.轉(zhuǎn)換時(shí)間(速率)轉(zhuǎn)換時(shí)間是ADC完成一次轉(zhuǎn)換所需的時(shí)間。對于大多數(shù)ADC，轉(zhuǎn)換時(shí)間的倒數(shù)即為轉(zhuǎn)換速率。積分型A/D的轉(zhuǎn)換時(shí)間是毫秒級(jí)低速A/D,逐次比較型A/D是微秒級(jí)中速A/D，全并行/串并行型A/D可達(dá)到納秒級(jí)。磁阻傳感器信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換電路對本系統(tǒng)非常重要，直接關(guān)系測量的精度。C

7、C2430具有8通道，最高14位的A/D轉(zhuǎn)換器，14位時(shí)轉(zhuǎn)換時(shí)間為132s。HMC2003有Xout,Yout,Zout三個(gè)輸出引腳,分別對應(yīng)傳感器所在位置的X軸,Y軸,Z軸上的磁場強(qiáng)度。三個(gè)引腳輸出0-5V的電壓(2.5V代表磁場強(qiáng)度為0) ,因此可以直接將信號(hào)輸出接到CC2430的A/D通道。這樣，進(jìn)一步減少了傳感器的體積和功耗。3.2.3 無線通信芯片CC2430CC2430是TI公司推出針對ZigBee的無線通信芯片, 延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)以2.4GHz ISM波段應(yīng)用對低成本，低功耗的要求。能滿足低功耗ZigBee（IEEE 802.15.4）無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用需要。圖

8、3.3 CC2430電路版外觀圖Fig3.3 The appearance of CC2430 circuit diagramCC2430結(jié)合了一個(gè)高性能2.4GHz DSSS(直接序列擴(kuò)頻)的射頻收發(fā)器核心和一顆工業(yè)級(jí)8051 單片機(jī)控制器。CC2430 芯片延用了以往CC2420 芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee 射頻(RF)前端、內(nèi)存和微控制器。它使用1個(gè)8 位MCU（8051），具有32/64/128 KB 可編程閃存和8KB的RAM，還包含模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)、定時(shí)器（Timer）、看門狗定時(shí)器（Watchdog Timer）、AES128密保協(xié)同處理器、32 kHz晶

9、振的休眠狀態(tài)定時(shí)器、掉電檢測功能電路(Brown Out Detection)、內(nèi)置上電復(fù)位電路(Power On Reset)等。19 CC2430 芯片采用0.18um CMOS 工藝生產(chǎn)，工作時(shí)的電流消耗為27 mA；在接收和發(fā)射模式下，電流損耗分別低于27 mA或25mA。CC2430的從休眠模式轉(zhuǎn)換到主動(dòng)模式使用超短時(shí)間的特性，特別適合那些對電池壽命要求非常嚴(yán)格的應(yīng)用。 CC2430具有四個(gè)工作模式，以適應(yīng)對芯片低功耗有不同要求的應(yīng)用。這四種工作模式分別為：PM0、PM1、PM2、PM3。他們的區(qū)別如表3.1所示。表3.1 CC2430的工作模式Table3.1 CC2430 wor

10、king mode工作模式功能PM0主時(shí)鐘振蕩器開，電源電壓調(diào)節(jié)器開，為全功能模式。這個(gè)模式下，CPU和所有外圍模塊都處于激活狀態(tài)，是通常使用的模式 PM132.768KHz時(shí)鐘振蕩器開，電源電壓調(diào)節(jié)器開，高速振蕩器關(guān)閉。在CPU進(jìn)入此模式后，開始執(zhí)行低功耗的程序序列，當(dāng)程序從低功耗模式PM1跳出到正常模式PM0時(shí)，高速振蕩器被啟動(dòng)，CPU工作在高速RC振蕩器下，直到高速XSOC振蕩器被設(shè)置好并選中。PM1用在喚醒時(shí)間較短，CPU模式切換較頻繁的情況。 PM232.768KHz時(shí)鐘振蕩器開，電源電壓調(diào)節(jié)器關(guān)，PM2是功耗較低的工作模式。當(dāng)CPU進(jìn)入PM2后，只有32.768KHz振蕩器、外部中

11、斷、和睡眠定時(shí)器是激活狀態(tài)的，其他所有電路都處于掉電狀態(tài)，電壓調(diào)節(jié)器也被關(guān)閉。PM2較適合喚醒時(shí)間較長，CPU模式切換不太頻繁的情況，常使用睡眠定時(shí)器來喚醒CPU的運(yùn)行。 PM3PM3是CPU功耗最低的一種模式。在這種模式下，電源電壓調(diào)節(jié)器關(guān)閉，內(nèi)部所有由電壓調(diào)節(jié)器提供電能的電路全部停止工作，所有振蕩器全部停止工作。此時(shí)，CPU只能響應(yīng)上電復(fù)位信號(hào)跟外部中斷信號(hào)RAM的內(nèi)容不會(huì)丟失及改變，直到被喚醒進(jìn)入PM0模式。PM3常用在CPU需要等待外部信號(hào)的情況下。圖3.4 CC2430芯片架構(gòu) Fig3.4 CC2430 chip architectureCC2430芯片的主要特點(diǎn)如下：l 低功耗的

12、高性能工業(yè)級(jí)8051單片機(jī)內(nèi)核；l 2.4GHzIEEE 802.15.4的ZigBee無線收發(fā)器；l 高接收靈敏度和強(qiáng)大的抗干擾性能；l 大容量閃存；l 具備在各種供電方式下穩(wěn)定數(shù)據(jù)保持能力的8KB sRAM；l 具備強(qiáng)大的DMA功能；l 高集成度，只需極少的外圍元件；l 最小基本系統(tǒng)只需一個(gè)晶體，即可滿足ZigBee組網(wǎng)需要；l 低電流消耗 (當(dāng)內(nèi)核運(yùn)行在32 MHz總線頻率時(shí)，接收為27mA，發(fā)射為25mA)；l 掉電方式的電流消耗只有O.9A，通過外部中斷或者實(shí)時(shí)鐘(RTc)能夠喚醒系統(tǒng)；l 掛起方式的電流消耗小于 O.6A，通過外部中斷能夠喚醒系統(tǒng)；l 硬件直接支持避免沖突的載波偵聽

13、多路存取；l 電源供電電壓范圍寬(2.O3.6 V)；l 內(nèi)置數(shù)字化的接收信號(hào)強(qiáng)度指示器/鏈路質(zhì)量指示(RssI/LQI)；l 內(nèi)置電池監(jiān)視器和溫度傳感器；l 具有8路814位模數(shù)轉(zhuǎn)換器；l 內(nèi)置高級(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)(AES)協(xié)處理器；l 具有2個(gè)支持通用串行通信協(xié)議的串口；l 內(nèi)置硬件看門狗；l 具有1個(gè)IEEE 802.5.4 媒體存取控制(MAC)定時(shí)器；l 具有1個(gè)通用的16位和2個(gè)8位定時(shí)器；l 硬件調(diào)試支持；l 具有獨(dú)立的定位檢測硬件核心。3.2.4 電源模塊電源對于傳感器的穩(wěn)定工作和節(jié)能至關(guān)重要。本課題中采用新型的PWM調(diào)制的穩(wěn)壓電源模塊TPS63000，與傳統(tǒng)的線性分壓穩(wěn)壓芯片相比，明

14、顯節(jié)能。其特點(diǎn)如下：l 具有96%高效率l 高輸出電流，在3.3V（Vin>2.4V）時(shí)可達(dá)800-mAl 能夠在步進(jìn)和Boost模式之間自動(dòng)過渡l 高截止性，器件靜態(tài)電流小于50mAl 輸入電壓范圍較寬：1.8V5.5Vl 可調(diào)輸出電壓1.2V5.5V l 溫度檢測與過溫保護(hù)3.3 過車傳感器相關(guān)的通信 Zigbee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備有兩種，協(xié)調(diào)器和終端。協(xié)調(diào)器：協(xié)調(diào)器的功能主要是建立網(wǎng)絡(luò)和進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)管理。ZigBee協(xié)調(diào)器上電后通過掃描尋找一個(gè)空閑信道來創(chuàng)建新網(wǎng)絡(luò)；接收新節(jié)點(diǎn)加入并分配網(wǎng)絡(luò)地址，維護(hù)一個(gè)目前連接設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)列表。在本課題研究中，協(xié)調(diào)器用于將主機(jī)端監(jiān)控程序發(fā)送的命令傳遞給具體的傳感

15、器，或是接收過車傳感器采集的數(shù)據(jù)并上傳給上位機(jī)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的程序流程如圖3.5所示。圖3.5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的工作Fig3.5 Work of Coordinator node終端：系統(tǒng)復(fù)位時(shí)終端節(jié)點(diǎn)先進(jìn)行硬件初始化，掃描所有可用信道來尋找臨近的協(xié)調(diào)器，申請加入該協(xié)調(diào)器所創(chuàng)建的網(wǎng)絡(luò)。過車傳感器為終端設(shè)備。終端設(shè)備的程序流程如圖3.6所示。圖3.2 終端設(shè)備的工作流程 Fig3.2 Terminal equipment working process一個(gè)傳感器只能檢測一個(gè)車道的車輛。為了檢測車輛的速度，軸數(shù)和軸間距等參數(shù)，每個(gè)車道需要安裝兩個(gè)傳感器。對于六車道的高速公路，需要12個(gè)傳感器。在進(jìn)行交通

16、量數(shù)據(jù)采集時(shí)，采集系統(tǒng)中存在兩種通信，一種是傳感器之間的通信，另一種是傳感器與計(jì)算機(jī)之間的通信。車輛數(shù)據(jù)采集過程如下：當(dāng)有車通過時(shí)，傳感器1檢測到車輛后，立即給同車道的傳感器2發(fā)送信息，傳感器2清零計(jì)時(shí)器并開始計(jì)時(shí)；在此之后，當(dāng)傳感器2檢測到車輛時(shí)，讀出計(jì)時(shí)器值并放入環(huán)形緩沖器。傳感器之間的通信只限于同一車道的兩個(gè)傳感器之間，所以采用Zigbee中的綁定進(jìn)行兩個(gè)傳感器之間的通信。在ZigBee2006版本中規(guī)定，在全部節(jié)點(diǎn)中實(shí)現(xiàn)綁定機(jī)制，并將其稱為源綁定。綁定機(jī)制允許一個(gè)應(yīng)用服務(wù)在不知道目標(biāo)地址的情況下向?qū)Ψ剑ǖ膽?yīng)用服務(wù)）發(fā)送數(shù)據(jù)包。發(fā)送時(shí)使用的目標(biāo)地址將由應(yīng)用支持子層從綁定表中自動(dòng)獲得，從而能使消息順利被目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的一個(gè)或多個(gè)應(yīng)用服務(wù)，乃至分組接收。傳感器與計(jì)算機(jī)之間的通信由計(jì)算機(jī)通過主節(jié)點(diǎn)向具體的傳感器發(fā)出命令。行駛方向傳感器1傳感器2傳感器1傳感器2傳感器1傳感器2車道車道車道Zigbee協(xié)調(diào)器計(jì)算機(jī)USB接口圖3.5 傳感器網(wǎng)絡(luò)與通信 圖3.7 傳感器網(wǎng)絡(luò)的通信 Fig3.7 Sensor network communication3.4 本章小結(jié) 本章中首先確定了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則，建