利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)和總線技術(shù)實現(xiàn)新一代電子警察系統(tǒng)的設(shè)計

引 言

隨著現(xiàn)代城市的發(fā)展，不論是在發(fā)展中國家還是發(fā)達(dá)國家，交通擁擠加劇，交通事故頻繁，交通環(huán)境惡化等問題變得日益嚴(yán)重。智能交通系統(tǒng)（Intelligent Trans-portation System，ITS）已成為提高交通運行效率的重要技術(shù)手段。電子警察系統(tǒng)是智能交通執(zhí)法系統(tǒng)的組成部分，作為違章取證的管理系統(tǒng)，對交通行為者起到了積極的規(guī)范作用。

基于ZigBee和ModBus的分布式電子警察系統(tǒng)，結(jié)合多種創(chuàng)新技術(shù)，是一款適應(yīng)當(dāng)今與未來智能交通發(fā)展方向的新一代電子警察系統(tǒng)。

1 、ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案

1．1 ZigBee簡介

ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802．15．4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。相對于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee將是最低功耗和成本的技術(shù)之一。適用于短距離、小范圍的基于無線通信的控制領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用前景。

1．2 系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建方案

IEEE 802．15．4和ZigBee規(guī)范中明確定義了三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型結(jié)構(gòu)、樹型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)由一個協(xié)調(diào)器（全功能設(shè)備FFD）和多個終端設(shè)備節(jié)點（簡化功能設(shè)備RFD）構(gòu)成，協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)處理整個網(wǎng)絡(luò)的工作，終端設(shè)備被分布在覆蓋范圍內(nèi)的不同地點。星型網(wǎng)絡(luò)的控制和同步比較簡單，適用于設(shè)備數(shù)量比較少的場合。樹型網(wǎng)絡(luò)是星型網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，是一種多級的星型結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c對點的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其路由可自動建立和維護(hù)。樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能夠兩者相結(jié)合組建混合網(wǎng)，適用于網(wǎng)絡(luò)極其復(fù)雜的情況。

系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信部分由一臺主控制器、若干從控制器組成。系統(tǒng)的各個主、從控制器相對獨立，各主、從控制器之間通過ZigBee無線網(wǎng)格進(jìn)行通信，主控制器通過遠(yuǎn)程無線通信與控制中心通信。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D如圖1所示。

系統(tǒng)采用了ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，因此在星型網(wǎng)絡(luò)的形成過程中，第一步就是建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。主控制器作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器被首先激活，然后向周圍的從控制器節(jié)點發(fā)送廣播，并為網(wǎng)絡(luò)選擇一個惟一的標(biāo)識符；從控制器節(jié)點收到主控制器發(fā)來的廣播后，向其發(fā)出入網(wǎng)申請，并等待主控制器節(jié)點響應(yīng)；主控制器節(jié)點收到一個入網(wǎng)申請后，將根據(jù)請求信息作出是否允許加入網(wǎng)絡(luò)的判斷，若允許加入，主控制器節(jié)點將發(fā)出請求響應(yīng)，告知從控制器節(jié)點。從控制器節(jié)點收到請求響應(yīng)后，將獲得一個主控制器節(jié)點分配給它的一個網(wǎng)絡(luò)地址作為在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的惟一身份標(biāo)識，從而成功加入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)組建完成。

2、 ModBus總線控制系統(tǒng)

2．1 系統(tǒng)概述

ModBus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)（例如以太網(wǎng)）和其他設(shè)備之間可以通信。該協(xié)議定義了一個控制器能認(rèn)識使用的消息結(jié)構(gòu)，描述了一控制器請求訪問其他設(shè)備的過程，制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。ModBus已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網(wǎng)絡(luò)。電子警察系統(tǒng)的車輛檢測單元、紅燈檢測器、高清攝像機(jī)、嵌入式工控機(jī)等單元占有同一ModBus現(xiàn)場總線。系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

2．2 ModBus控制器設(shè)計

ModBus控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要由微控制器、可編程系統(tǒng)器件、實時時鐘、液晶模塊接口、鍵盤接口、輸入／輸出接口、光電隔離、ModBus驅(qū)動器、其他串行通信模塊、復(fù)位電路、編程接口、擴(kuò)展模塊接口等電路模塊組成。

ModBus控制器搭載有ZigBee通信模塊，可以作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的從設(shè)備，與系統(tǒng)的主、從控制器組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通過ZigBee無線網(wǎng)格實現(xiàn)通信，接收來自系統(tǒng)主、從控制器的控制命令等信息，通過ModBus總線，實現(xiàn)對嵌入式工控機(jī)、紅燈檢測器、車輛檢測單元及高清攝像機(jī)等設(shè)備的控制。此外，控制器預(yù)留了其他串行通信接口（如RS 232）、鍵盤以及液晶模塊接口電路，可以方便地進(jìn)行現(xiàn)場維護(hù)及軟件的更新升級。

2．3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計

2．3．1 ModBus通信的實現(xiàn)

ModBus通信分為RTU和ASCII兩種模式。相對于ASCII模式，RTU模式表達(dá)相同的信息需要較少的位數(shù)，且在相同通信速率下具有更大的數(shù)據(jù)流量，因此系統(tǒng)中采用RTU模式。在RTU模式中，新的消息幀以3．5個字節(jié)時間間隔的靜默時間開始，緊接著傳送第一個域——從站地址。每個域允許傳輸?shù)?u>字符都是16進(jìn)制數(shù)。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備始終監(jiān)視著通信總線的活動，包括靜默時間。當(dāng)接收到第一個信息域（即地址信息）時，每個網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備都對此進(jìn)行譯碼，以確定所要尋址的設(shè)備；第二個信息域是功能碼，主站發(fā)送數(shù)據(jù)幀的功能碼表示從站需要執(zhí)行的動作，從站發(fā)送的功能碼與接收到的主站發(fā)送功能碼一致，表示從站響應(yīng)主站進(jìn)行操作；數(shù)據(jù)域的數(shù)據(jù)值取決于功能碼，校驗域采用CRC校驗，CRC碼由發(fā)送設(shè)備計算，放置于發(fā)送信息的尾部；接收信息的設(shè)備再重新計算接收到信息的CRC碼，比較計算得到的CRC碼是否與接收到的相符，如果兩者不相符，則表明出錯。當(dāng)一幀數(shù)據(jù)最后一個域傳輸完畢，再次產(chǎn)生一個3．5個字節(jié)時間間隔的靜默時間，表示該幀數(shù)據(jù)結(jié)束。ModBus RTU消息幀格式如表1所示。

2．3．2 ModBus控制器軟件設(shè)計

控制器完成初始化后開始搜索并申請加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)。加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)后對信道進(jìn)行掃描，掃描是否接收到由網(wǎng)絡(luò)中其他控制器發(fā)送的數(shù)據(jù)幀。如果掃描過程中發(fā)現(xiàn)接收到數(shù)據(jù)幀，則對該幀依次進(jìn)行地址碼校驗，并檢查幀中的目的地址是否為本機(jī)地址。如果目的地址非本站地址，則丟棄該幀數(shù)據(jù)；如果目的地址與本機(jī)地址相同，則對數(shù)據(jù)幀進(jìn)行CRC校驗，并檢驗功能碼是否合法，若任何一項校驗未通過，則丟棄該幀數(shù)據(jù)；如校驗全部通過，則回發(fā)一個應(yīng)答幀，并根據(jù)幀中的功能碼，向系統(tǒng)其他單元發(fā)送命令，軟件流程如圖4所示。

CRC_16校驗的算法實現(xiàn)程序如下：

3 、結(jié) 語

在資源、環(huán)境矛盾越來越突出的今天，道路設(shè)施的增長將受到限制。本文提出的基于ZigBee和ModBus的分布式電子警察系統(tǒng)架構(gòu)，相對于目前的電子警察系統(tǒng)，更加節(jié)省占地空間，減少設(shè)備安裝施工量，降低施工成本，在智能交通領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景。