基于ZigBee的可充電微型車輛傳感器設(shè)計(jì)
[導(dǎo)讀]本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：一是將新型短距離無線通信技術(shù)ZigBee運(yùn)用于設(shè)計(jì)中，從而省掉了饋線，使傳感器的安裝快捷、方便，并運(yùn)用新型單片機(jī)控制技術(shù)，提高傳感器的靈敏度和可靠性，降低誤檢率，同時(shí)使傳感器具有智能，可以顯著地降低功耗和實(shí)現(xiàn)自檢、功耗管理;二是采用新型的電源控制和充電控制芯片構(gòu)成電源模塊，大幅度延長傳感器的使用壽命和簡(jiǎn)化管理。該傳感器體積小，安裝方便，對(duì)路面破壞小，易于維護(hù)，不但可以用于道路交通車輛檢測(cè)，還可以用于智能停車場(chǎng)車位檢測(cè)，有著廣泛的應(yīng)用前景。
一. 引言
目前，高速公路和城市交通問題是世界各國的普遍性問題，它直接影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們的生活。智能交通系統(tǒng)（ITS）是解決日益嚴(yán)重的高速公路和城市交通問題的有效途徑，車輛檢測(cè)器則是ITS中最重要的交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備之一。感應(yīng)線圈式車輛檢測(cè)傳感器因其具有穩(wěn)定性好，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，故在工程上應(yīng)用最廣[1]。但現(xiàn)有的感應(yīng)線圈式車輛傳感器還存在一些缺點(diǎn)，如感應(yīng)線圈的體積太大（1m×2m），需要安裝饋線，安裝工程量大，安裝時(shí)需要阻斷交通，感應(yīng)線圈極易損壞，損壞后難于修復(fù)，使用壽命短等等[2]。另外，為了避免漏檢車輛，需要在路口安裝多臺(tái)車輛檢測(cè)器，將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過電纜向上位機(jī)傳輸，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸。為了解決這些問題，早在上世紀(jì)70年代末，J.F. Scarzello[3]就提出了一種利用射頻方式通信的磁性檢測(cè)器，以便省掉饋線的安裝，降低安裝工程量。本文根據(jù)國內(nèi)外車輛檢測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，采用微型線圈，并將單片機(jī)控制技術(shù)和新型的短距離無線接入技術(shù)ZigBee引入車輛傳感器的設(shè)計(jì)中，不僅可以省去通信電纜的安裝，降低安裝工程量，還可以安全可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，從而開發(fā)出適用性更強(qiáng)的車輛傳感器。
二.硬件設(shè)計(jì)
感應(yīng)線圈式車輛檢測(cè)傳感器由探測(cè)模塊、電源模塊、控制模塊和通信模塊組成，其原理框圖如圖1所示。探測(cè)模塊是一個(gè)由探測(cè)線圈和反相器構(gòu)成振蕩器的選頻模塊;控制模塊采用具有智能控制功能的低功耗單片機(jī)MSP430F149，用于測(cè)量振蕩器頻率的變化來判斷是否有車輛通過，并管理和協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分的工作;電源模塊采用可充電電池為車輛傳感器供電;發(fā)射模塊用于與外界通信，發(fā)送檢測(cè)到的相關(guān)信息。下面僅對(duì)主要電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。
圖1 感應(yīng)線圈式車輛檢測(cè)器原理框圖
Fig. 1 The block diagram of the inductive loop vehicle detector
2.1探測(cè)模塊的設(shè)計(jì)
探測(cè)模塊是一個(gè)由探測(cè)線圈和反相器構(gòu)成振蕩器的選頻模塊[4]。由于傳感器的振蕩頻率包含了被測(cè)信息，保持短期頻率的穩(wěn)定性十分關(guān)鍵;而且好的振蕩波形有利于單片機(jī)測(cè)頻，減少誤判和漏判的發(fā)生。因此，從工作頻段、頻率穩(wěn)定性和振蕩波形三方面考慮，本文采用了電容三點(diǎn)式振蕩電路[5～6]。另外，為了便于單片機(jī)測(cè)量，設(shè)計(jì)中加入了整形電路，其功能是將振蕩電路產(chǎn)生的正弦信號(hào)整形成同頻率的方波信號(hào)。具體電路如圖2所示。
在設(shè)計(jì)中我們盡可能地減小了探測(cè)線圈的體積并且在線圈中加入了鐵氧體磁芯。線圈體積的減小，大大降低了安裝的工程量，同時(shí)使得線圈不容易受到損壞且容易維護(hù);加入鐵氧體磁芯，能夠增加振蕩器頻率的穩(wěn)定性和檢測(cè)的靈敏度。
圖2 檢測(cè)電路
Fig. 2 The detection circuit
2.2 電源模塊設(shè)計(jì)
電源模塊采用可充電電池為車輛傳感器供電。電源模塊通過電源管理芯片和控制模塊進(jìn)行管理。當(dāng)電源管理芯片檢測(cè)到電源的電壓低落時(shí)，發(fā)射模塊發(fā)射需要充電的信號(hào)，通知工作人員對(duì)車輛傳感器的電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池電量充滿時(shí)，發(fā)射模塊發(fā)射停止充電的信號(hào)，通知工作人員停止對(duì)車輛傳感器的電池充電。電源保護(hù)電路對(duì)電源進(jìn)行過度充電保護(hù)、過電流/短路保護(hù)和過放電保護(hù)。充電方案設(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3 充電方案
Fig. 3 The scheme for Battery Charge
另外，充電控制模塊選用了TI公司的bq2000芯片核心。該芯片可用于鎘鎳、鎳氫、鋰離子電池的可編程快充電，具有檢測(cè)電池類型并進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化充電和中止充電的功能，可避免欠充、過充對(duì)電池的損壞，從而實(shí)現(xiàn)安全可靠的快充控制[7]。
2.3 射頻模塊設(shè)計(jì)
發(fā)射模塊用于與外界通信，發(fā)送檢測(cè)到的相關(guān)信息。接收模塊將接收到的信息上傳至收費(fèi)站或控制中心。本設(shè)計(jì)中我們選用了Chipcon公司的基于ZigBee協(xié)議的CC2420EM射頻模塊。ZigBee是一種新型的短距離無線接入技術(shù)，與藍(lán)牙相比，它具有低速率、低成本、低功耗、組網(wǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)[8]。CC2420是Chipcon公司推出的首款基于ZigBee技術(shù)的射頻收發(fā)器。它只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)[9]。CC2420EM模塊集成了CC2420及其所需的外圍電路。MSP430F149通過高速SPI總線配置和控制CC2420[10]，其接口電路如圖4所示。
圖4 MSP430F149與CC2420的接口電路
Fig.4 Interface of MSP430F149 and CC2420
MSP430F149通過4線SPI總線（STE1、SIMO1、SOMI1、UCLK1）控制和設(shè)置芯片的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)，讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP引腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器，F(xiàn)IFOP引腳必須連接到單片機(jī)的中斷引腳。通過CCA引腳狀態(tài)可以得到空閑信道估計(jì)。通過SFD引腳狀態(tài)可以得到發(fā)射幀和接收幀的定時(shí)信息從而判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，SFD引腳應(yīng)該接到單片機(jī)的時(shí)鐘捕捉引腳。
三.軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)車輛檢測(cè)傳感器的功能要求，結(jié)合硬件電路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：
（1）測(cè)量頻率的變化量，確定測(cè)量頻率變化量的方案以保證系統(tǒng)的靈敏度。由于系統(tǒng)頻率的本身的漂移，需對(duì)無車時(shí)的頻率值進(jìn)行校正，以消除系統(tǒng)誤差;
（2）配置射頻模塊，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)幀以及車輛傳感器組網(wǎng)設(shè)計(jì)。
軟件總體設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。整個(gè)程序分為系統(tǒng)初始化程序、頻率測(cè)量程序、通訊程序。
圖5 主程序流程
Fig.5 Flow diagram of main program
系統(tǒng)初始化程序主要包括MSP430F149時(shí)鐘的設(shè)置、各個(gè)通訊端口的設(shè)置，定時(shí)器的設(shè)置等。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置好后，進(jìn)入頻率測(cè)量程序。頻率測(cè)量程序主要包括頻率變化量的測(cè)量、閾值的校準(zhǔn)、抗干擾的處理。若沒有檢測(cè)到車輛，則系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。如果所測(cè)得頻率值大于閾值，則進(jìn)入發(fā)射程序，發(fā)射檢測(cè)到車輛的信號(hào)。發(fā)射結(jié)束后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，此時(shí)啟動(dòng)看門狗定時(shí)器（WDT），當(dāng)看門狗定時(shí)器溢出時(shí)喚醒系統(tǒng)，進(jìn)行下一次測(cè)量。
四.結(jié)束語
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：一是將新型短距離無線通信技術(shù)ZigBee運(yùn)用于設(shè)計(jì)中，從而省掉了饋線，使傳感器的安裝快捷、方便，并運(yùn)用新型單片機(jī)控制技術(shù)，提高傳感器的靈敏度和可靠性，降低誤檢率，同時(shí)使傳感器具有智能，可以顯著地降低功耗和實(shí)現(xiàn)自檢、功耗管理;二是采用新型的電源控制和充電控制芯片構(gòu)成電源模塊，大幅度延長傳感器的使用壽命和簡(jiǎn)化管理。該傳感器體積小，安裝方便，對(duì)路面破壞小，易于維護(hù)，不但可以用于道路交通車輛檢測(cè)，還可以用于智能停車場(chǎng)車位檢測(cè)，有著廣泛的應(yīng)用前景。
目前，高速公路和城市交通問題是世界各國的普遍性問題，它直接影響經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人們的生活。智能交通系統(tǒng)（ITS）是解決日益嚴(yán)重的高速公路和城市交通問題的有效途徑，車輛檢測(cè)器則是ITS中最重要的交通數(shù)據(jù)采集設(shè)備之一。感應(yīng)線圈式車輛檢測(cè)傳感器因其具有穩(wěn)定性好，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，故在工程上應(yīng)用最廣[1]。但現(xiàn)有的感應(yīng)線圈式車輛傳感器還存在一些缺點(diǎn)，如感應(yīng)線圈的體積太大（1m×2m），需要安裝饋線，安裝工程量大，安裝時(shí)需要阻斷交通，感應(yīng)線圈極易損壞，損壞后難于修復(fù)，使用壽命短等等[2]。另外，為了避免漏檢車輛，需要在路口安裝多臺(tái)車輛檢測(cè)器，將檢測(cè)數(shù)據(jù)通過電纜向上位機(jī)傳輸，并實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)傳輸。為了解決這些問題，早在上世紀(jì)70年代末，J.F. Scarzello[3]就提出了一種利用射頻方式通信的磁性檢測(cè)器，以便省掉饋線的安裝，降低安裝工程量。本文根據(jù)國內(nèi)外車輛檢測(cè)器技術(shù)的發(fā)展，采用微型線圈，并將單片機(jī)控制技術(shù)和新型的短距離無線接入技術(shù)ZigBee引入車輛傳感器的設(shè)計(jì)中，不僅可以省去通信電纜的安裝，降低安裝工程量，還可以安全可靠地實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸和網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)，從而開發(fā)出適用性更強(qiáng)的車輛傳感器。
二.硬件設(shè)計(jì)
感應(yīng)線圈式車輛檢測(cè)傳感器由探測(cè)模塊、電源模塊、控制模塊和通信模塊組成，其原理框圖如圖1所示。探測(cè)模塊是一個(gè)由探測(cè)線圈和反相器構(gòu)成振蕩器的選頻模塊;控制模塊采用具有智能控制功能的低功耗單片機(jī)MSP430F149，用于測(cè)量振蕩器頻率的變化來判斷是否有車輛通過，并管理和協(xié)調(diào)系統(tǒng)各部分的工作;電源模塊采用可充電電池為車輛傳感器供電;發(fā)射模塊用于與外界通信，發(fā)送檢測(cè)到的相關(guān)信息。下面僅對(duì)主要電路的設(shè)計(jì)進(jìn)行說明。
圖1 感應(yīng)線圈式車輛檢測(cè)器原理框圖
Fig. 1 The block diagram of the inductive loop vehicle detector
2.1探測(cè)模塊的設(shè)計(jì)
探測(cè)模塊是一個(gè)由探測(cè)線圈和反相器構(gòu)成振蕩器的選頻模塊[4]。由于傳感器的振蕩頻率包含了被測(cè)信息，保持短期頻率的穩(wěn)定性十分關(guān)鍵;而且好的振蕩波形有利于單片機(jī)測(cè)頻，減少誤判和漏判的發(fā)生。因此，從工作頻段、頻率穩(wěn)定性和振蕩波形三方面考慮，本文采用了電容三點(diǎn)式振蕩電路[5～6]。另外，為了便于單片機(jī)測(cè)量，設(shè)計(jì)中加入了整形電路，其功能是將振蕩電路產(chǎn)生的正弦信號(hào)整形成同頻率的方波信號(hào)。具體電路如圖2所示。
在設(shè)計(jì)中我們盡可能地減小了探測(cè)線圈的體積并且在線圈中加入了鐵氧體磁芯。線圈體積的減小，大大降低了安裝的工程量，同時(shí)使得線圈不容易受到損壞且容易維護(hù);加入鐵氧體磁芯，能夠增加振蕩器頻率的穩(wěn)定性和檢測(cè)的靈敏度。
圖2 檢測(cè)電路
Fig. 2 The detection circuit
2.2 電源模塊設(shè)計(jì)
電源模塊采用可充電電池為車輛傳感器供電。電源模塊通過電源管理芯片和控制模塊進(jìn)行管理。當(dāng)電源管理芯片檢測(cè)到電源的電壓低落時(shí)，發(fā)射模塊發(fā)射需要充電的信號(hào)，通知工作人員對(duì)車輛傳感器的電池進(jìn)行充電。當(dāng)電池電量充滿時(shí)，發(fā)射模塊發(fā)射停止充電的信號(hào)，通知工作人員停止對(duì)車輛傳感器的電池充電。電源保護(hù)電路對(duì)電源進(jìn)行過度充電保護(hù)、過電流/短路保護(hù)和過放電保護(hù)。充電方案設(shè)計(jì)如圖3所示。
圖3 充電方案
Fig. 3 The scheme for Battery Charge
另外，充電控制模塊選用了TI公司的bq2000芯片核心。該芯片可用于鎘鎳、鎳氫、鋰離子電池的可編程快充電，具有檢測(cè)電池類型并進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化充電和中止充電的功能，可避免欠充、過充對(duì)電池的損壞，從而實(shí)現(xiàn)安全可靠的快充控制[7]。
2.3 射頻模塊設(shè)計(jì)
發(fā)射模塊用于與外界通信，發(fā)送檢測(cè)到的相關(guān)信息。接收模塊將接收到的信息上傳至收費(fèi)站或控制中心。本設(shè)計(jì)中我們選用了Chipcon公司的基于ZigBee協(xié)議的CC2420EM射頻模塊。ZigBee是一種新型的短距離無線接入技術(shù)，與藍(lán)牙相比，它具有低速率、低成本、低功耗、組網(wǎng)方便等優(yōu)點(diǎn)[8]。CC2420是Chipcon公司推出的首款基于ZigBee技術(shù)的射頻收發(fā)器。它只需極少外部元器件，性能穩(wěn)定且功耗極低，可確保短距離通信的有效性和可靠性。利用此芯片開發(fā)的無線通信設(shè)備支持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸率高達(dá)250kbps，可以實(shí)現(xiàn)多點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)的快速組網(wǎng)[9]。CC2420EM模塊集成了CC2420及其所需的外圍電路。MSP430F149通過高速SPI總線配置和控制CC2420[10]，其接口電路如圖4所示。
圖4 MSP430F149與CC2420的接口電路
Fig.4 Interface of MSP430F149 and CC2420
MSP430F149通過4線SPI總線（STE1、SIMO1、SOMI1、UCLK1）控制和設(shè)置芯片的工作模式，并實(shí)現(xiàn)讀/寫緩存數(shù)據(jù)，讀/寫狀態(tài)寄存器等。通過控制FIFO和FIFOP引腳接口的狀態(tài)可設(shè)置發(fā)射/接收緩存器，F(xiàn)IFOP引腳必須連接到單片機(jī)的中斷引腳。通過CCA引腳狀態(tài)可以得到空閑信道估計(jì)。通過SFD引腳狀態(tài)可以得到發(fā)射幀和接收幀的定時(shí)信息從而判斷系統(tǒng)的工作狀態(tài)，SFD引腳應(yīng)該接到單片機(jī)的時(shí)鐘捕捉引腳。
三.軟件設(shè)計(jì)
根據(jù)車輛檢測(cè)傳感器的功能要求，結(jié)合硬件電路結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的軟件主要實(shí)現(xiàn)以下功能：
（1）測(cè)量頻率的變化量，確定測(cè)量頻率變化量的方案以保證系統(tǒng)的靈敏度。由于系統(tǒng)頻率的本身的漂移，需對(duì)無車時(shí)的頻率值進(jìn)行校正，以消除系統(tǒng)誤差;
（2）配置射頻模塊，設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)幀以及車輛傳感器組網(wǎng)設(shè)計(jì)。
軟件總體設(shè)計(jì)流程圖如圖5所示。整個(gè)程序分為系統(tǒng)初始化程序、頻率測(cè)量程序、通訊程序。
圖5 主程序流程
Fig.5 Flow diagram of main program
系統(tǒng)初始化程序主要包括MSP430F149時(shí)鐘的設(shè)置、各個(gè)通訊端口的設(shè)置，定時(shí)器的設(shè)置等。當(dāng)系統(tǒng)設(shè)置好后，進(jìn)入頻率測(cè)量程序。頻率測(cè)量程序主要包括頻率變化量的測(cè)量、閾值的校準(zhǔn)、抗干擾的處理。若沒有檢測(cè)到車輛，則系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式。如果所測(cè)得頻率值大于閾值，則進(jìn)入發(fā)射程序，發(fā)射檢測(cè)到車輛的信號(hào)。發(fā)射結(jié)束后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，此時(shí)啟動(dòng)看門狗定時(shí)器（WDT），當(dāng)看門狗定時(shí)器溢出時(shí)喚醒系統(tǒng)，進(jìn)行下一次測(cè)量。
四.結(jié)束語
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：一是將新型短距離無線通信技術(shù)ZigBee運(yùn)用于設(shè)計(jì)中，從而省掉了饋線，使傳感器的安裝快捷、方便，并運(yùn)用新型單片機(jī)控制技術(shù)，提高傳感器的靈敏度和可靠性，降低誤檢率，同時(shí)使傳感器具有智能，可以顯著地降低功耗和實(shí)現(xiàn)自檢、功耗管理;二是采用新型的電源控制和充電控制芯片構(gòu)成電源模塊，大幅度延長傳感器的使用壽命和簡(jiǎn)化管理。該傳感器體積小，安裝方便，對(duì)路面破壞小，易于維護(hù)，不但可以用于道路交通車輛檢測(cè)，還可以用于智能停車場(chǎng)車位檢測(cè)，有著廣泛的應(yīng)用前景。
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