基于ZigBee的中低速汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

張?zhí)旌悖匦лx，凌 旭，浦紅吉

現(xiàn)代汽車已將手機藍(lán)牙免提、DVD播放、自動巡航控制等功能整合到汽車內(nèi)部，與動力系統(tǒng)相結(jié)合，甚至還預(yù)留了用戶可配置功能，使用戶感到既舒適又方便，而這都與汽車網(wǎng)絡(luò)技術(shù)息息相關(guān)。使用線束方式將控制器分別與被控模塊相連，勢必增加線束的成本、布線復(fù)雜度和整車質(zhì)量，因此采用ZigBee技術(shù)與汽車總線的方式實現(xiàn)與各被控模塊之間的通信是高性價比的理想選擇［1］。無論從材料成本還是工作效率看，傳統(tǒng)布線方法都不能適應(yīng)汽車技術(shù)的發(fā)展。為此，本文提出的基于ZigBee技術(shù)的汽車網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)具有重要的實際應(yīng)用價值和理論意義。

20世紀(jì)90年代中期美國汽車工程師協(xié)會(SAE)根據(jù)數(shù)據(jù)傳輸速度的高低，定義了A、B、C三類網(wǎng)絡(luò)［2］。ZigBee是一種新興的短距離、無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，采取了IEEE 802.15.4的無線物理層規(guī)定［3-7］，其傳輸速率可以達(dá)250 kb/s，能滿足A類和B類以及部分C類網(wǎng)絡(luò)的要求。該技術(shù)具有低功耗、低成本、安全、可靠、抗干擾強等優(yōu)良特點，并且避免了復(fù)雜的車內(nèi)布線。若整個汽車網(wǎng)絡(luò)由CAN技術(shù)和ZigBee技術(shù)相結(jié)合，由CAN技術(shù)實現(xiàn)高速率網(wǎng)絡(luò)要求，ZigBee技術(shù)實現(xiàn)中低速率網(wǎng)絡(luò)的要求，則既能滿足對汽車實時閉環(huán)控制的多路傳輸?shù)囊螅帜芙鉀Q車內(nèi)有限空間布線難的問題。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

整個汽車網(wǎng)絡(luò)主要包含有面向高速、實時閉環(huán)控制的多路傳輸網(wǎng)和面向獨立模塊間數(shù)據(jù)共享、傳感器/執(zhí)行器控制的中低速網(wǎng)絡(luò)。其中:多路傳輸網(wǎng)主要由CAN網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn);中低速網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。CAN主控制器直接對C類網(wǎng)絡(luò)中的單元進(jìn)行控制，ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的主節(jié)點(協(xié)調(diào)器)對其子節(jié)點(子設(shè)備)進(jìn)行分級控制，協(xié)調(diào)器與系統(tǒng)的主控制器進(jìn)行通信。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)的主要硬件設(shè)計

2.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計

圖2為整個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)，主要由電源模塊、傳感器模塊處理器模塊和無線通信模塊構(gòu)成。

圖2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點結(jié)構(gòu)

無線通信模塊和處理器模塊采用了CC2430芯片。CC2430芯片是TI公司提供的支持ZigBee協(xié)議的片上系統(tǒng)解決方案［3］，延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、MEMORY和MCU。它使用1個8位MCU(8051)，具有128KBFLASH和8 KB的隨機存儲器。芯片上還有A/D、數(shù)個定時器、AES128協(xié)同處理器、看門狗定時器(Watchdog timer)、32kHz晶振的休眠模式定時器(Sleep mode timer)、上電復(fù)位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brownout detection)，以及21個可編程I/O引腳。21個可編程的I/O口引腳中，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5個可使用的位。通過軟件設(shè)定一組特殊功能寄存器的位和字節(jié)，可使這些引腳作為通常的I/O口或作為連接模數(shù)轉(zhuǎn)換控制器、計時器或UART部件的外圍設(shè)備I/O口使用。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采用CC2430后將大大簡化射頻電路的設(shè)計。

2.2 協(xié)調(diào)器的接口電路設(shè)計

系統(tǒng)中主要的接口設(shè)計就是協(xié)調(diào)器與CAN控制器的接口設(shè)計。選用 PHILIPS公司的SJA1000作為CAN控制器芯片［3］，連接各種類型微處理器的CAN控制器中SJA1000可完成物理層和數(shù)據(jù)鏈路層的所有功能，適用于汽車及一般工業(yè)環(huán)境，不但可以減少導(dǎo)線連接，而且能增強診斷和監(jiān)控能力。PCA82C250是PHILIPS公司的CAN控制器接口，是CAN Control與Physical Bus之間的接口，對CAN Control提供差動接收能力，對總線提供差動發(fā)送能力［8］。

主結(jié)點與子結(jié)點在CC2430芯片之間以無線的方式通信。主結(jié)點芯片CC2430與CAN控制器SJA1000的接口電路如圖3所示(圖中只給出了接口電路的主要部分)。

圖3 CC2430與SJA1000的接口電路

3 系統(tǒng)的主要軟件設(shè)計

3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的組建

完整的Zigbee協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用會聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由ZigBee聯(lián)盟制定，IEEE802.15.4負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)。

應(yīng)用會聚層將主要負(fù)責(zé)把不同的應(yīng)用映射到ZigBee網(wǎng)絡(luò)上，具體包括:安全與鑒權(quán);多個業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)流的會聚;設(shè)備發(fā)現(xiàn);業(yè)務(wù)發(fā)現(xiàn)。

網(wǎng)絡(luò)層將主要考慮采用的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，應(yīng)包含以下功能:①通用的網(wǎng)絡(luò)層功能，包括拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的搭建和維護(hù);② 同IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)一樣，非常省電;③有自組織、自維護(hù)功能。

SMAC協(xié)議包是不包含ZigBee規(guī)范的網(wǎng)絡(luò)層的，也就是說該協(xié)議包中不具有組網(wǎng)通信、節(jié)點自主加入的功能程序，使用SMAC協(xié)議包只能實現(xiàn)在無線模塊之間進(jìn)行無目的的廣播方式的無線通信。要使收發(fā)器組建一個有效的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并且能與其他的ZigBee產(chǎn)品相兼容，軟件設(shè)計必須嚴(yán)格遵守IEEE 802.15.4協(xié)議，并在SMAC協(xié)議包構(gòu)架的基礎(chǔ)上進(jìn)一步對協(xié)議進(jìn)行擴展［9］。

3.2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的抗干擾和安全服務(wù)規(guī)范

在低信噪比環(huán)境下ZigBee具有很強的抗干擾性能。在物理層采用高處理增益的直接序列/頻率捷變DS/FA技術(shù)(direct sequence/frequency agility)。頻率捷變就是改變頻率，以避開從一個信號源或已知干擾源來的影響的能力。實驗證明IEEE 802.15.4/ZigBee的誤碼率，特別是在信噪比為4 dB的情況下可達(dá)到10～9，而達(dá)到同樣誤碼率，藍(lán)牙802.15.1信噪比要達(dá)16 dB，802.11b要達(dá)10 dB，因此ZigBee的抗干擾性能明顯高于藍(lán)牙和WLAN技術(shù)。

ZigBee提供的安全服務(wù)包括密鑰建立、密鑰傳輸、幀保護(hù)和設(shè)備管理的方法。這些服務(wù)構(gòu)成了服務(wù)模塊，用于在 ZigBee網(wǎng)絡(luò)中執(zhí)行安全策略［6］。

密鑰建立協(xié)議由原語APSME-ESTABLISHKEY.REQUEST來初始化。在2個設(shè)備之間成功建立密鑰的必要的原語傳輸次序如圖4所示。在安全規(guī)范中，對所有的幀和域的格式根據(jù)其在NWK層傳輸?shù)拇涡蜻M(jìn)行了描述。從左到右，最左邊的位首先傳輸。每個域里的位數(shù)字從0到k-1，該域的位長度為k。比單個字節(jié)長的域?qū)⒂写涡虻匕l(fā)送到下一層，該域包括最低數(shù)字位的字節(jié)到包含最高數(shù)字位的字節(jié)。

圖4 成功建立密鑰的過程

4 結(jié)束語

隨著電子工業(yè)和汽車工業(yè)的緊密結(jié)合，汽車電子得到了飛速的發(fā)展，電子網(wǎng)絡(luò)技術(shù)現(xiàn)已幾乎深入到汽車的所有系統(tǒng)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于汽車系統(tǒng)的中低速網(wǎng)絡(luò)中，在改善汽車動力性、經(jīng)濟性、安全性、行駛穩(wěn)定性和乘坐舒適性上發(fā)揮著不可替代的作用。采用ZigBee網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將是解決汽車所面臨的諸多技術(shù)問題的最佳方案。

［1］Nicolas Navet，Yeqiong Song.Fran Coise Simonot-Lion，and Cedric Wilwert.Trends in Automotive Communication Systems［J］.Proceedings of the IEEE，2005，93(6):6.

［2］IEEE STD 802.15.4［S］.

［3］Texas Instruments.Datasheet.CC2430［S］.

［4］王欽.基于ZigBee技術(shù)的無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究與實現(xiàn)［J］.重慶理工大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2011(8):46-51.

［5］李彤，李闖，常成.基于ZigBee協(xié)議的短距離無線通信節(jié)點設(shè)計［J］.四川兵工學(xué)報，2012(7):103-105.

［6］嚴(yán)天峰，陳君勝，楊超.基于ZigBee技術(shù)的遠(yuǎn)端通信站監(jiān)控系統(tǒng)及其實現(xiàn)［J］.自動化與儀器儀表，2011(1):96-98.

［7］姚曉通，崔小川.基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能家居中的應(yīng)用研究［J］.自動化與儀器儀表，2011(2):10.

［8］Philips Semiconductors.Datasheet.SJA1000_3［S］.

［9］顧瑞紅，張宏科.基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及其應(yīng)用［J］.電子技術(shù)應(yīng)用，2005(6):1-3.