車(chē)載無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：基于IEEE 802．15．4和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)車(chē)載無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。借助通用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，為車(chē)載系統(tǒng)擴(kuò)展了監(jiān)控范圍和監(jiān)控功能，實(shí)現(xiàn)了車(chē)載設(shè)備狀態(tài)的數(shù)據(jù)采集和狀態(tài)監(jiān)視，以及必要的設(shè)備控制、拓?fù)淇刂?、拓?fù)洳樵?xún)等功能。
關(guān)鍵詞：無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)；監(jiān)測(cè)系統(tǒng)；MC9S08GB60；MC13192

引言
    為了滿(mǎn)足人們對(duì)車(chē)載安全性、操控性以及舒適性的要求，車(chē)載上集成了越來(lái)越多的電子系統(tǒng)。目前，汽車(chē)電子設(shè)備廣泛采用16位或32位微處理器進(jìn)行控制。本文基于IEEE 802．15．4和ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建車(chē)載監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)化的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，逐步實(shí)現(xiàn)車(chē)載系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)化、智能化和可控性，以提，高車(chē)載系統(tǒng)的安全性。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案
    本文在現(xiàn)有的車(chē)載系統(tǒng)上，將數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆绞綌U(kuò)展為無(wú)線(xiàn)傳輸方式，實(shí)現(xiàn)一個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。并能分別將各個(gè)數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)的所獲得的數(shù)據(jù)傳輸?shù)骄W(wǎng)關(guān)，網(wǎng)關(guān)通過(guò)串口將數(shù)據(jù)上傳到主機(jī)上，在主機(jī)中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)波形顯示，并以數(shù)據(jù)庫(kù)的方式加以保存，供后續(xù)數(shù)據(jù)處理。該采集系統(tǒng)的應(yīng)用對(duì)象由溫度傳感器、油壓傳感器、轉(zhuǎn)速傳感器、速度傳感器、電流傳感器、壓力傳感器等傳感器子系統(tǒng)所組成。這樣設(shè)計(jì)的目的是用一個(gè)監(jiān)控主機(jī)端來(lái)檢測(cè)多個(gè)待測(cè)目標(biāo)環(huán)境，考慮到接入的數(shù)據(jù)吞吐量和軟件系統(tǒng)的復(fù)雜程度，采用時(shí)分復(fù)用的方式，逐個(gè)對(duì)網(wǎng)內(nèi)的終端采集點(diǎn)進(jìn)行控制采集。
    如圖1所示，該車(chē)載系統(tǒng)分3個(gè)部分：車(chē)載監(jiān)控中心、車(chē)載網(wǎng)關(guān)和車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn)。車(chē)載網(wǎng)關(guān)是整個(gè)車(chē)載系統(tǒng)的核心，可以和所有的車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn)通信。車(chē)載監(jiān)控中心可以向車(chē)載網(wǎng)關(guān)發(fā)出控制命令，由車(chē)載網(wǎng)關(guān)將控制命令轉(zhuǎn)換為射頻信號(hào)后發(fā)送給車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn)。當(dāng)車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，車(chē)載網(wǎng)關(guān)進(jìn)入數(shù)據(jù)接收狀態(tài)，并將數(shù)據(jù)上傳到車(chē)載監(jiān)控中心作進(jìn)一步處理。此外，車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn)之間不能互相通信。監(jiān)控中心的監(jiān)控軟件與車(chē)載網(wǎng)關(guān)之間以RS232的接口標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行通信。

    車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn)的生命周期由活躍期和休眠期構(gòu)成。節(jié)點(diǎn)在活躍期完成數(shù)據(jù)采集，向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，接收并執(zhí)行網(wǎng)關(guān)命令；在休眠期關(guān)閉無(wú)線(xiàn)射頻模塊以節(jié)省能量，直到下一個(gè)活躍期來(lái)臨。系統(tǒng)通過(guò)這種休眠機(jī)制來(lái)減少系統(tǒng)的能量消耗，延長(zhǎng)系統(tǒng)整體壽命。
    本系統(tǒng)用PC機(jī)作為監(jiān)控中心，PC機(jī)上的監(jiān)控軟件在VB環(huán)境下開(kāi)發(fā)，是一個(gè)基于對(duì)話(huà)框的應(yīng)用軟件。為了提高通信傳輸模塊的智能化水平，在設(shè)計(jì)中，它的功能不限于數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示，所有的數(shù)據(jù)采集由監(jiān)控軟件通過(guò)發(fā)送請(qǐng)求信號(hào)的方式觸發(fā)?？紤]到原始數(shù)據(jù)需要進(jìn)行后續(xù)的處理與深入的分析，才能對(duì)車(chē)載系統(tǒng)的狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的判定，軟件中還添加了數(shù)據(jù)文件形式的保存與數(shù)據(jù)文件回顯功能。
    總體上來(lái)講，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的所有節(jié)點(diǎn)都受控于主機(jī)監(jiān)控軟件，工作過(guò)程中網(wǎng)絡(luò)的每一個(gè)節(jié)點(diǎn)都不需要人為的參與。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
2．1 應(yīng)用芯片介紹
    Freescale公司的MC13192符合IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)，工作頻率是2．405～2．480 GHz，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kbps，采用0-QPSK調(diào)試方式。這種功能豐富的雙向2．4 GHz收發(fā)器帶有一個(gè)數(shù)據(jù)調(diào)制解調(diào)器，可以在ZigBee技術(shù)應(yīng)用中使用。它還具有一個(gè)優(yōu)化的數(shù)字核心，有助于降低MCU處理功率，縮短執(zhí)行周期。
    主控MCU選用Freescale公司HCS08系列的低功耗、高性能微處理器MC9S08GB60。該處理器具有60 KB的應(yīng)用可編程Flash、4 KB的RAM、8通道的10位ADC、2個(gè)異步串行通信接口(SCI)、1個(gè)同步串行外部接口(SPI)以及I2C總線(xiàn)模塊，完全能夠滿(mǎn)足車(chē)載網(wǎng)關(guān)和節(jié)點(diǎn)對(duì)處理器的要求。
2．2 MCl3192與MC9S08GB60的硬件連接
    MC13192與MC9S08GB60的硬件連接圖如圖2所示。MC13192的控制和數(shù)據(jù)傳送依靠4線(xiàn)串行外設(shè)接口(SPI)完成，其4個(gè)接口信號(hào)分別是MOS-I、MISO、、SPICLK。主控MCU通過(guò)控制信號(hào)退出睡眠模式或休眠模式，通過(guò)來(lái)復(fù)位收發(fā)器，通過(guò)RXTXEN來(lái)控制數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收，或者強(qiáng)制收發(fā)器進(jìn)入空閑模式。由傳感器輸出的模擬信號(hào)經(jīng)過(guò)MCU的8通道10位ADC轉(zhuǎn)換后輸入到MCU。MCU通過(guò)SPI口進(jìn)行MC13192的讀寫(xiě)操作，并把傳感器采集的信號(hào)經(jīng)過(guò)處理后通過(guò)MC13192發(fā)射出去。MC13192的中斷通過(guò)IRQ引腳和中斷寄存器來(lái)判斷中斷類(lèi)型。MC908GB60通過(guò)引腳來(lái)控制MC13192進(jìn)入不同的工作模式。對(duì)傳感器的控制信號(hào)可以從MC13192的天線(xiàn)接收進(jìn)來(lái)，通過(guò)SPI傳送到MCU上，經(jīng)過(guò)MCU的判斷處理后通過(guò)GPIO口傳送到傳感器上，完成對(duì)傳感器的控制。同時(shí)，MCU完成MC13192收發(fā)控制和所需要的MAC層操作。

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3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
3．1 軟件整體設(shè)計(jì)
    軟件設(shè)計(jì)是本設(shè)計(jì)的核心，關(guān)鍵在于軟件的總體架構(gòu)和數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。著重要考慮的因素一個(gè)是效率，另一個(gè)是設(shè)計(jì)的清晰性。
    車(chē)載系統(tǒng)軟件由網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)與傳感器節(jié)點(diǎn)兩大部分組成，這兩部分都需要完成SMAC協(xié)議的移植，并根據(jù)不同需要為上層通信應(yīng)用提供API接口函數(shù)。因?yàn)镾MAC協(xié)議棧編程模型采用層次設(shè)計(jì)，只有底層的PHY和MAC程序?qū)优c硬件相關(guān)，而網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層程序則不受硬件影響。SMAC在不同硬件平臺(tái)的移植只需修改PHY和MAC層，其上各層可以屏蔽硬件差異直接運(yùn)行。
    如圖3所示，本設(shè)計(jì)把軟件分為系統(tǒng)平臺(tái)層、協(xié)議層和應(yīng)用層3層。同時(shí)，定義了3個(gè)API接口：系統(tǒng)層接口、協(xié)議層接口和應(yīng)用層接口。系統(tǒng)層接口定義了硬件的寄存器映射，這樣C語(yǔ)言就能直接訪問(wèn)硬件寄存器來(lái)控制硬件。系統(tǒng)平臺(tái)層建立在μC／OS-II實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)上，為協(xié)議層提供系統(tǒng)服務(wù)。硬件驅(qū)動(dòng)模塊提供硬件驅(qū)動(dòng)程序，所有對(duì)硬件的控制都通過(guò)該模塊提供的服務(wù)。系統(tǒng)平臺(tái)層通過(guò)協(xié)議層接口為協(xié)議層提供服務(wù)。協(xié)議層則實(shí)現(xiàn)了基于IEEE 802．15．4的物理層和鏈路層以及基于ZigBee的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議。應(yīng)用層通過(guò)應(yīng)用層接口來(lái)調(diào)用協(xié)議層提供的服務(wù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管理和數(shù)據(jù)傳輸?shù)热蝿?wù)。應(yīng)用配置模塊既會(huì)調(diào)用協(xié)議層提供的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，也會(huì)直接對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行配置和查詢(xún)，這主要是通過(guò)AT指令來(lái)實(shí)現(xiàn)的，因此該模塊會(huì)調(diào)用應(yīng)用層接口和協(xié)議層接口提供的服務(wù)。

3．2 傳感器節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    基于系統(tǒng)長(zhǎng)期使用的功能需求，傳感器節(jié)點(diǎn)中軟件設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是既能實(shí)現(xiàn)所需的功能，又能最大限度地減少傳感器節(jié)點(diǎn)的能耗。
通過(guò)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，ZigBee模塊的能耗要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于中央處理器和傳感模塊的能耗。因此，傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)用軟件的設(shè)計(jì)既要盡量使各模塊處于休眠狀態(tài)，又要盡量減少喚醒ZigBee模塊的次數(shù)。因此，在傳感器節(jié)點(diǎn)上電各功能模塊初始化完成、并加入了網(wǎng)絡(luò)后，即進(jìn)入休眠狀態(tài)，中央處理器周期地被定時(shí)喚醒向網(wǎng)關(guān)發(fā)送數(shù)據(jù)，并接收網(wǎng)關(guān)的命令。傳感器節(jié)點(diǎn)的工作流程如圖4所示。

3．3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)
    車(chē)載網(wǎng)關(guān)向下管理傳感器節(jié)點(diǎn)，向上完成和PC監(jiān)控中心的交互，需要進(jìn)行復(fù)雜的任務(wù)管理和調(diào)度，因此，采用基于uC／OS內(nèi)核的嵌入式操作系統(tǒng)管理整個(gè)網(wǎng)關(guān)，為應(yīng)用任務(wù)的高效運(yùn)行提供良好的軟件平臺(tái)支撐。根據(jù)網(wǎng)關(guān)的功能需求，將μC／OS-II、SMAC協(xié)議有機(jī)的結(jié)合，構(gòu)成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)化的操作環(huán)境，用戶(hù)可以方便地在其基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)應(yīng)用程序?；?mu;C／OS-II擴(kuò)展的網(wǎng)關(guān)軟件平臺(tái)結(jié)構(gòu)如圖5所示?；?mu;C／OS-II操作系統(tǒng)，分別構(gòu)建系統(tǒng)任務(wù)SYS_task()、SMAC星型組網(wǎng)任務(wù)START_task()、網(wǎng)關(guān)和傳感器節(jié)點(diǎn)交互任務(wù)COMM_task()、PC臨控中心端口監(jiān)聽(tīng)任務(wù)SER_task()等一系列應(yīng)用任務(wù)，從而實(shí)現(xiàn)網(wǎng)關(guān)軟件的應(yīng)用功能。

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3．4 主機(jī)監(jiān)控軟件的設(shè)計(jì)
    本系統(tǒng)最終目的是將采集到的車(chē)載傳感器數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)地傳送到主機(jī)，并在主機(jī)中得到顯示和保存。顯示的目的是獲得被車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn)所監(jiān)控環(huán)境的初步情況，保存的目的是作為深入分析的數(shù)據(jù)樣本。除此以外，作為整個(gè)系統(tǒng)的主控方和數(shù)據(jù)采集請(qǐng)求的發(fā)起者，需要能夠按照要求發(fā)送數(shù)據(jù)請(qǐng)求信號(hào)。根據(jù)以上要求，在VB環(huán)境下開(kāi)發(fā)了一個(gè)基于對(duì)話(huà)框的應(yīng)用程序。這個(gè)應(yīng)用程序包括了4個(gè)模塊：
    ①實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)顯示波形模塊。該模塊的作用是將節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)以波形的形式實(shí)時(shí)地進(jìn)行顯示，實(shí)現(xiàn)的方式是利用MSChart和Timer控件。
    ②拓?fù)滹@示模塊。當(dāng)用戶(hù)希望了解無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)錁?gòu)建情況時(shí)，可以查看拓?fù)湫畔?，了解網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)的加入和丟失情況。
    ③歷史數(shù)據(jù)顯示模塊。在車(chē)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)運(yùn)行到一定時(shí)期，可能需要對(duì)過(guò)去某一段時(shí)間的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行后續(xù)的處理與深入的分析，以便對(duì)車(chē)載系統(tǒng)的狀況進(jìn)行準(zhǔn)確的判定。借助歷史數(shù)據(jù)顯示模塊，可以將監(jiān)控中心從車(chē)載網(wǎng)關(guān)中得到的數(shù)據(jù)，按照不同節(jié)點(diǎn)的屬性、地址和時(shí)間分別保存到數(shù)據(jù)庫(kù)的相應(yīng)字段中，并可以通過(guò)波形圖的方式將歷史數(shù)據(jù)顯示出來(lái)，供用戶(hù)分析。
    ④控制模塊。在車(chē)載系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中可能關(guān)心某一個(gè)車(chē)載傳感器節(jié)點(diǎn)的數(shù)值，或者需要對(duì)某一個(gè)傳感器進(jìn)行閾值設(shè)置，以便待監(jiān)測(cè)的環(huán)境出現(xiàn)異常情況可以及時(shí)地報(bào)告給系統(tǒng)。這些都可以通過(guò)控制模塊對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置，控制模塊還可以對(duì)系統(tǒng)中的某個(gè)不需要的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行刪除操作。
    總之，通過(guò)主機(jī)監(jiān)控軟件用戶(hù)可以直觀且多方面地對(duì)通用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行了解和使用。

4 測(cè)試與驗(yàn)證
4．1 組網(wǎng)測(cè)試
    測(cè)試設(shè)備：4個(gè)MCl3192 ZigBee芯片節(jié)點(diǎn)，1個(gè)作為網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，其余3個(gè)作為傳感器節(jié)點(diǎn)。
    測(cè)試方法：網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上電后，4個(gè)LED同時(shí)點(diǎn)亮，掃描信道如果搜索到空閑信道后，LED熄滅并加入空閑信道等待。傳感器節(jié)點(diǎn)上電后，4個(gè)LED在掃描信道的同時(shí)，輪詢(xún)點(diǎn)亮。當(dāng)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收到傳感器節(jié)點(diǎn)的Beacon幀后，LED1閃爍一次；當(dāng)傳感器節(jié)點(diǎn)收到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的分配地址后，LED1也閃爍一次。至此，組網(wǎng)過(guò)程和地址綁定過(guò)程完成。
4．2 ZigBee射頻通信測(cè)試
    測(cè)試設(shè)備：ZigBee節(jié)點(diǎn)4個(gè)，計(jì)算機(jī)終端1臺(tái)。
    測(cè)試方法：根據(jù)ZigBee傳輸?shù)膸袷?，?shí)際傳輸總字節(jié)數(shù)為(n+6)，即(n+6)個(gè)字節(jié)為一個(gè)數(shù)據(jù)包。根據(jù)設(shè)定的軟件參數(shù)，如有數(shù)據(jù)包丟失則丟包數(shù)加1。若接收到數(shù)據(jù)包，則接收數(shù)據(jù)包數(shù)加1，然后與發(fā)送數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，若數(shù)據(jù)正確則正確包數(shù)加1，反之錯(cuò)誤包數(shù)加1。最后統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果，就可以知道數(shù)據(jù)的丟包率和誤包率。4個(gè)節(jié)點(diǎn)組建一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)，其中1個(gè)作為網(wǎng)關(guān)，其余3個(gè)節(jié)點(diǎn)作為傳感器節(jié)點(diǎn)。編寫(xiě)程序設(shè)定：3個(gè)節(jié)點(diǎn)均與網(wǎng)關(guān)通信，計(jì)算機(jī)終端與網(wǎng)關(guān)通過(guò)RS232相連，終端設(shè)備軟件記錄從3個(gè)節(jié)點(diǎn)接收數(shù)據(jù)的情況，節(jié)點(diǎn)工作在2．4 GHz頻段下，傳輸一個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)，循環(huán)發(fā)送100次。最后取得3個(gè)節(jié)點(diǎn)的測(cè)試平均數(shù)作為數(shù)據(jù)結(jié)果進(jìn)行分析。星形網(wǎng)射頻通信誤碼率測(cè)試結(jié)果如表1所列。

    實(shí)驗(yàn)分析：在星形網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，測(cè)試結(jié)果明顯差于單點(diǎn)對(duì)單點(diǎn)傳輸方式。這主要是因?yàn)?，在傳輸過(guò)程中節(jié)點(diǎn)之間存在一定的頻率干擾和其他干擾。
4．3 功耗測(cè)試
    在系統(tǒng)工作狀態(tài)和休眠狀態(tài)下，分別使用萬(wàn)用表測(cè)試網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗情況，測(cè)試結(jié)果如表2所列。

結(jié)語(yǔ)
    本文分析了IEEE 802．15．4和ZigBee協(xié)議，結(jié)合通信系統(tǒng)和嵌入式系統(tǒng)的一般開(kāi)發(fā)原則，在μC／OS-II操作系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn)IEEE802．15．4協(xié)議，選擇合適的軟硬件平臺(tái)，著重于軟件支撐平臺(tái)的構(gòu)建、軟件總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及通信協(xié)議棧的實(shí)現(xiàn)，最終實(shí)現(xiàn)了一個(gè)符合ZigBee規(guī)范的車(chē)載星型無(wú)線(xiàn)數(shù)據(jù)采集網(wǎng)絡(luò)。該系統(tǒng)具有以下的優(yōu)勢(shì)：
    ①系統(tǒng)安裝方便。無(wú)線(xiàn)互連使得設(shè)備安裝位置靈活，同時(shí)滿(mǎn)足了系統(tǒng)安裝的自動(dòng)化要求。人們只需要把設(shè)備上電就可以了。該車(chē)載網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能夠自動(dòng)完成網(wǎng)絡(luò)的配置。
    ②可擴(kuò)展性。把設(shè)備放在車(chē)載網(wǎng)關(guān)的覆蓋范圍以?xún)?nèi)，打開(kāi)設(shè)備電源，節(jié)點(diǎn)將自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)。
    ③網(wǎng)絡(luò)自我修復(fù)能力。如果網(wǎng)絡(luò)中某個(gè)設(shè)備出現(xiàn)故障，車(chē)載網(wǎng)關(guān)能夠自動(dòng)監(jiān)測(cè)到，發(fā)出指令將該設(shè)備復(fù)位并重新入網(wǎng)。