基于Zig Bee技術(shù)的智能車無線控制系統(tǒng)開發(fā)*

賈玉雷，靳伍銀，李鵬勃，剡昌鋒

（蘭州理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，甘肅蘭州 730050）

0 引言

Zig Bee是一種低速短距離傳輸?shù)臒o線網(wǎng)絡(luò)協(xié)定［1］，底層是采用 IEEE 802．15．4標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的媒體存取層與實(shí)體層［2～3］。主要特點(diǎn)是低耗電、低成本、支援大量網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)、支援多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?、低?fù)雜度、快速、可靠、安全等［4～5］。目前，無線控制系統(tǒng)的設(shè)計主要有以下幾種方案:1）基于通用分組無線業(yè)務(wù)（general packet radio service，GPRS）技術(shù)方案［6］，成本高、受網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍影響、實(shí)時性不高;2）基于藍(lán)牙（Bluetooth）技術(shù)［7］，功耗較大、傳輸距離短，典型距離為10 m;3）基于Wi-Fi技術(shù)，功耗大、需在有電源場所使用;4）基于無線紅外控制技術(shù)，其對方向性要求高、無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。針對以上各類無線控制技術(shù)方案的不足和開發(fā)需求，本文選擇無線Zig Bee技術(shù)實(shí)現(xiàn)本設(shè)計的無線控制，該方案具有無線控制系統(tǒng)功耗低、通信可靠、實(shí)時性高等優(yōu)點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)對車的智能控制和數(shù)據(jù)采集需要。

1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)與功能

智能車的無線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，該方案由3部分組成:Zig Bee通信系統(tǒng)、上位機(jī)控制系統(tǒng)、下位機(jī)系統(tǒng)。Zig Bee通信系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上位機(jī)和下位機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸;上位機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對Zig Bee模塊A接收到的數(shù)據(jù)存儲、分析、提取、顯示，同時下發(fā)對下位機(jī)的控制命令;下位機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)對Zig Bee模塊B接收到的命令存儲、提取、匹配、執(zhí)行，將各傳感器和GPS采集的數(shù)據(jù)整合、發(fā)送，并對智能車進(jìn)行控制。圖2為系統(tǒng)的主要硬件的實(shí)體圖。

圖1 智能車無線控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig 1 Structure of intelligent vehicle wireless control system

圖2 系統(tǒng)主要硬件實(shí)物圖Fig 2 Physical map of system main hardware

2 硬件設(shè)計

2．1 Zig Bee通信硬件

Zig Bee通信模塊由CC2530芯片、電池及電源、天線、PA功率放大器4部分構(gòu)成。Zig Bee通信模塊電路設(shè)計如圖3所示。

1）CC2530—Zig Bee無線通信模塊是采用TI最新一代CC2530 標(biāo)準(zhǔn)芯片，適用于 2．4 GHz，IEEE 802．15．4，Zig Bee和RF4CE應(yīng)用［8］。CC2530芯片包括了極好性能的一流RF收發(fā)器，工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)增強(qiáng)性8051MCU，系統(tǒng)中可編程的快閃內(nèi)存，8 kB RAM以及許多其他功能強(qiáng)大的特性，可廣泛應(yīng)用在 2．4 GHz IEEE 802．15．4 系統(tǒng)、RF4CE 控制系統(tǒng)、Zig Bee系統(tǒng)，接收靈敏度為 －110 dBm，傳輸距離最遠(yuǎn)為1200 m，穩(wěn)定傳輸距離為600 m。其應(yīng)用領(lǐng)域可為:家庭、醫(yī)院、建筑物自動化，2．4 GHz資料傳輸，工業(yè)控制測量和監(jiān)視，低功耗無線感測器網(wǎng)絡(luò)等［9～11］。

圖3 Zig Bee通信模塊電路設(shè)計Fig 3 Design of Zig Bee communication module circuit

2）鋰電池供電選取1 000 mA的鋰電池提供4．2V供電，并可反復(fù)智能充電，減少使用一般干性電池需要常更換電池的不便。同時也設(shè)計了5V電源供電接口，可由外接電源供應(yīng)器、接USB電源由DC JACK或是MIN5P接口輸入。

3）SHT10是由世界領(lǐng)先的傳感器制造商Sensirion公司生產(chǎn)的溫濕度傳感器，該傳感器全量程標(biāo)定，2位輸出。其濕度測量范圍為 0%～100%RH，濕度測量精度為±4．5%RH。溫度測量范圍為 －40～ +123．8℃，溫度測量精度為 ±0．5℃。

2．2 下位機(jī)系統(tǒng)硬件

1）下位機(jī)主要實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)的通信、對智能車的控制及數(shù)據(jù)采集處理。下位機(jī)的系統(tǒng)主要由CC2530通信模塊、ARM芯片、GPS模塊、智能車等組成。CC2530芯片通過Zig Bee協(xié)議與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信。ARM芯片是下位機(jī)的微處理器，實(shí)現(xiàn)對傳感器采集的數(shù)據(jù)、GPS數(shù)據(jù)、接收數(shù)據(jù)進(jìn)行提取和處理，同時也實(shí)現(xiàn)對智能車的控制，串口分別連接GPS模塊和Zig Bee模塊。

2）ARM芯片選型:ARM處理器主要有處理速度快、指令集優(yōu)化、低功耗、外圍模塊豐富、性價比高、開發(fā)工具齊全等優(yōu)點(diǎn)［12］，到目前為止，ARM微處理器的應(yīng)用已經(jīng)深入到工業(yè)控制、無線通信、網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用、消費(fèi)類電子等各個領(lǐng)域?；诒驹O(shè)計的需要，選用三星公司的S3C6410，它是一種基于ARM1176JZF-S內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器，采用64/32位內(nèi)部總線架構(gòu)，具有視頻處理等強(qiáng)大的硬件加速器，該處理器還具有獨(dú)立的16kB指令數(shù)據(jù)Cache和16 kB的指令數(shù)據(jù)TCM，主要用于開發(fā)便攜式、功耗低、性能高的設(shè)備。

3）GPS模塊選型:GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點(diǎn)的位置。本文選擇GPSlim—236超感度智能衛(wèi)星接收器，它是一種完整的衛(wèi)星定位接收機(jī)。采用美國瑟孚（SiRF）公司所設(shè)計的第三代省電型衛(wèi)星定位接收芯片，同時可接收和追蹤20顆衛(wèi)星信號，接收碼為L1和C/A碼，更新速率為1 Hz，最低追蹤信號感度為－159 dBm，具備全方位功能，具有RS—232接口，能滿足專業(yè)定位的嚴(yán)格要求與個人消費(fèi)需求［13］。

4）智能車選擇:為實(shí)現(xiàn)方向和速度的精確控制以及考慮控制的實(shí)時性要求，選擇飛思卡爾公司的B類標(biāo)準(zhǔn)車模進(jìn)行改裝而成。

3 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的軟件工作流程主要包含以下3個部件結(jié)構(gòu)系統(tǒng):

1）PC機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)工作的流程如圖4（a）所示，開機(jī)運(yùn)行系統(tǒng)，系統(tǒng)監(jiān)聽與Zig Bee模塊A相連的COM口，接收下位機(jī)傳來的數(shù)據(jù)信息，對其進(jìn)行存儲、解析、處理，提取有用信息，并實(shí)現(xiàn)信息在監(jiān)視窗口的顯示。與此同時系統(tǒng)也要監(jiān)聽輸入窗口是否有數(shù)據(jù)發(fā)送請求，如果有并且COM口處于未占用狀態(tài)，則將數(shù)據(jù)處理后發(fā)送至COM口。此過程中Zig Bee模塊A完成的工作為接收來自Zig Bee模塊B發(fā)送的數(shù)據(jù)，并將其送至COM口，同時將COM口發(fā)送來的數(shù)據(jù)向外發(fā)送［14，15］。

2）ARM—S3C6410開發(fā)板構(gòu)成系統(tǒng)工作的流程如圖4（b）所示，主要完成2個功能，提取Zig Bee模塊B接收到的控制信號，解析后實(shí)現(xiàn)對車的控制;提取GPS接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并發(fā)送至COM口。在接收或提取COM口數(shù)據(jù)時需要監(jiān)聽COM是否有數(shù)據(jù)在傳輸。

3）Zig Bee模塊B的系統(tǒng)工作的流程如圖4（c）所示，溫濕度采集傳感器與Zig Bee模塊連接，一方面Zig Bee模塊B完成將來自上位機(jī)的控制命令信息送至COM口;另一方面將采集的溫濕度數(shù)據(jù)和COM口中由ARM開發(fā)板采集到的GPS數(shù)據(jù)一起打包，同時將數(shù)據(jù)包發(fā)送出去［16，17］。

圖4 系統(tǒng)流程圖Fig 4 Flow chart of system

4 實(shí)驗(yàn)效果

圖5為溫濕度曲線動態(tài)實(shí)時顯示界面，清楚地顯示小車周邊的溫度（℃）和濕度（%RH）值的變化，可以方便地查看溫濕度的狀態(tài)和變化趨勢。

圖5 溫濕度曲線輸出窗口Fig 5 Output window of temperature and humidity curve

GPS控制界面接收到并提取的衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)，顯示為當(dāng)前日期時間、經(jīng)度和緯度值，2012/08/16 14:08:11顯示的蘭州市七里河區(qū)設(shè)計實(shí)驗(yàn)室的緯度N為36″03．4364'，經(jīng)度 E 為 103″46．4776'。

5 結(jié)束語

本文簡要給出了基于Zig Bee技術(shù)的智能車無線控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的基本原理和系統(tǒng)硬件、軟件開發(fā)的流程，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果表明:系統(tǒng)具有較好的再開發(fā)性和實(shí)際應(yīng)用價值，可以作為移動傳感器采集的參考模型，將其配合靜態(tài)采集點(diǎn)共同使用，可實(shí)現(xiàn)更全面的數(shù)據(jù)采集。同時本系統(tǒng)選用ARM11處理器芯片作為下位機(jī)主控芯片，提高了系統(tǒng)的性能和反應(yīng)速率，其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能和對外輸出接口，可以實(shí)現(xiàn)更復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理等功能。

［1］ 楊 瑋，呂 科，張 棟，等．基于Zig Bee技術(shù)的溫室無線智能控制終端開發(fā)［J］．農(nóng)業(yè)工程學(xué)報，2010，26（3）:198 －202．

［2］ 張勇志，陳 磊，雷小平．基于Zig Bee協(xié)議礦用傳感器設(shè)計［J］．中州煤炭，2008（2）:20－22．

［3］ 任秀麗．Zig Bee無線通信協(xié)議實(shí)現(xiàn)技術(shù)的研究［J］．計算機(jī)工程與應(yīng)用，2007（6）:143－144．

［4］ 朱益遠(yuǎn)，呂 楊．基于CC2430的智能家居Zig Bee無線數(shù)傳設(shè)計與實(shí)現(xiàn)［J］．云南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2009，31（S1）:114－115．

［5］ 劉映輝，樊曉平，張純和，等．基于Zig Bee技術(shù)的無線數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］．工業(yè)控制計算機(jī)，2008，21（8）:5 －7．

［6］ 馮 軍，寧志剛，陽璞瓊．基于 Zig Bee的無線抄表系統(tǒng)設(shè)計［J］．電力自動化設(shè)備，2010，30（8）:108 －110．

［7］ 金 純，蔣小宇，羅祖秋．Zig Bee與藍(lán)牙的分析比較［J］．標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)追蹤，2004（6）:17－20．

［8］ Unlimited RF Solutions-ZigBee．RF4CE．Smart Energy［Z/OL］．［2012—06—06］http://www．ti．com/ww/en/analog/cc2530/．

［9］ 徐志如，崔繼仁．基于單片機(jī)的溫室智能測試系系統(tǒng)的設(shè)計［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（5）:46 －48．

［10］甘素榕，鄒 濤，翁 哲．基于CC2430的Zig Bee無線通信設(shè)計［J］．科技資訊，2007（22）:92．

［11］陳旭方，康 玲，李曉卉．基于CC2430的Zig Bee數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計［J］．湖南工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2008，22（6）:59 －61．

［12］李 莉．基于ARM處理器和嵌入式實(shí)時操作系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集裝置設(shè)計［D］．太原:太原理工大學(xué)，2006．

［13］吳紅蘭，黃圣國．嵌入式GPS數(shù)據(jù)采集與分析系統(tǒng)設(shè)計［J］．實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2011，30（1）:54 －57．

［14］劉 濤，趙計生．基于Zig Bee技術(shù)的農(nóng)田自動接水灌溉系統(tǒng)［J］．測試技術(shù)，2008，27（2）:61 －62．

［15］ Ing Utayba Mohammad performance evaluation of IEEE 802．15．4/Zig Bee protocol for automotive applications［R］．USA:SAE World Congress ＆ Exhibition，2008．

［16］辛 穎，謝光忠，蔣亞東．基于Zig Bee協(xié)議的溫度濕度無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2006，25（7）:82 －88．

［17］ Yunseop K，Evans R G，Iversen W M．Remote sensing and control of an irrigation system using a distributed wireless sensor network:Design and filed evaluation［J］．International Journal of Distributed Sensor Networks，2005，1（2）:149 －162．