基于Zigbee平臺的車輛間微網(wǎng)系統(tǒng)

趙正健 程良

關(guān)鍵詞：交通擁堵；自組網(wǎng)通信；Zigbee模塊

1 研究背景

1.1 課題的背景及研究目的

1.1.1 課題來源及背景

近年來，數(shù)字家庭、無線通信、無線控制、無線定位、無線組網(wǎng)和移動連接等詞語頻頻出現(xiàn)在新產(chǎn)品中[1]。由于IT產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展、網(wǎng)絡(luò)的普及、家電的智能化以及單片機(jī)強(qiáng)有力的功能拓展，智能產(chǎn)品已經(jīng)進(jìn)入我們的生活。面對社會的快速發(fā)展，現(xiàn)有的交通設(shè)施建設(shè)已經(jīng)無法滿足人們對出行的要求[2]。雖然進(jìn)行了大規(guī)模的地鐵和道路建設(shè)，但大部分時間路上依舊很堵。

1.1.2 研究目的

通過對擁堵問題的分析發(fā)現(xiàn)，導(dǎo)致?lián)矶碌拇蟛糠衷蚴邱{駛員不能相互理解對方的意思，導(dǎo)致行車效率低下。一旦發(fā)生擁堵，缺乏良好的溝通便會加劇擁堵現(xiàn)象[3]。本論文設(shè)計了一種能夠使車輛自組網(wǎng)的系統(tǒng)，無需其他設(shè)備參與。當(dāng)車輛在一定的通信距離內(nèi)，駕駛員按下按鍵，便可與周圍車內(nèi)駕駛員進(jìn)行相互通信，從而提高了行車效率。此外，在徹底擁堵時，該系統(tǒng)能夠有效溝通，有助于疏導(dǎo)交通。

2 系統(tǒng)需求與相關(guān)技術(shù)

2.1 本論文的系統(tǒng)需求

1） 核心控制器采用51單片機(jī)和無線模塊。

2） 建立Zigbee無線硬件平臺：以cc2530為核心建立Zigbee無線開發(fā)平臺，所需的基本硬件平臺包括開發(fā)板、計算機(jī)、仿真器等[4]。

3） 建立Zigbee無線軟件平臺：軟件部分主要是編程開發(fā)平臺，如IAR，以及支持無線通信的Zigbee協(xié)議棧。

4） Zigbee協(xié)議棧：支持從應(yīng)用層到物理層的信息傳遞。

2.2 相關(guān)技術(shù)

1） 信道接入技術(shù)的研究：在無線自組網(wǎng)中，一個節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)時，只有鄰近的節(jié)點可以接收，而其他節(jié)點無法感知，但它們也會發(fā)送數(shù)據(jù)，這時就會出現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突[5]。因此，在后續(xù)的研究過程中必須專門研究特殊的信道接入技術(shù)。

2） 路由協(xié)議的研究：由于汽車不停運(yùn)動，無線自組網(wǎng)中會出現(xiàn)信道衰耗、干擾等原因，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)頻繁變化。因此，要實現(xiàn)多跳路由，就需要相應(yīng)的路由協(xié)議支持。

3） 服務(wù)質(zhì)量的問題：Zigbee技術(shù)的帶寬不足。

4） 多播技術(shù)的研究：由于無線自組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不斷發(fā)生動態(tài)變化，信道會不足。

2.3 設(shè)計方法

該論文設(shè)計的實驗首先可應(yīng)用在公交車上，以提高交通運(yùn)營效率，并為之后安裝在私家車上打下基礎(chǔ)。通過兩車之間的無線通信，利用Zigbee的自動組網(wǎng)技術(shù)，使兩車能夠彼此了解彼此的距離，避免兩車同時到站以及運(yùn)營過程中效率低下的問題。其工作原理是，兩輛車分別安裝Zigbee，并外加LED指示燈。當(dāng)車間距離接近2km時，LED指示燈亮起；當(dāng)距離增大時，LED指示燈熄滅，從而有效地指示司機(jī)何時加速何時減速。與目前的預(yù)計公交車到站的App相比，這種產(chǎn)品是以司機(jī)和公交公司為出發(fā)點的，而不是以個人為出發(fā)點的。兩種產(chǎn)品不會發(fā)生沖突，相反，它們是互補(bǔ)的產(chǎn)品。此外，這個產(chǎn)品還可以進(jìn)一步拓展功能。

2.4 技術(shù)路線

由于Zigbee技術(shù)具有自組網(wǎng)功能，裝有Zigbee的車輛之間可以進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸[6]。在發(fā)射模塊上編寫程序時，以非常短的時間間隔發(fā)送數(shù)據(jù)，并同時編寫加速度計算程序，這樣就可以計算出車輛的各種運(yùn)動參數(shù)。因此，主要的技術(shù)還是在程序編寫上。

3 CC2530 芯片介紹

3.1 無線模塊

無線模塊=發(fā)射器+接收器+控制器。一般我們所見到的有三種類型：1） ASK（用在遙控器上）；2） 無線收發(fā)模塊（通過單片機(jī)來控制其接收和發(fā)送數(shù)據(jù)）；3） 無線數(shù)傳模塊（直接通過串口進(jìn)行數(shù)據(jù)的收發(fā)）。工作頻率也有三種：315MHz，433MHz，2.4GHz。315MHz 一般是ASK無線模塊，代表型號是YB315；433MHz的代表型號有CC1101S，CC1101+PA+LNA，YB30，YB32；2.4GHz 的代表型號有CC2500S，CC2500M，CC2500+PA+LNA，YB2530，YB2530+PA 等。如果按發(fā)射功率分，一般也分為3種：1mW，10mW，100mW。但是有些廠家自行加裝PA（功率放大器）達(dá)到1W 以上。

3.2 控制線引腳功能

為了對Zigbee模塊的充分利用，需要指導(dǎo)它各個功能，如表1所示。

4 系統(tǒng)設(shè)計

4.1 硬件設(shè)計

功能要求：50米內(nèi)無線自組網(wǎng)，傳輸速度快，支持語音通信。

其他要求：體積小，成本低。

根據(jù)功能選擇器件：RF模塊、CPU、語音模塊、電源模塊、USB轉(zhuǎn)串口模塊、各種傳感器以及LED[7]。（這里直接選擇CC2530芯片，內(nèi)部包含CPU以及無線模塊，USB轉(zhuǎn)串口使用的是PL2303芯片。）

1） USB轉(zhuǎn)串口選擇使用PL2303，主要是因為畢業(yè)設(shè)計對穩(wěn)定性要求不高，而PL2303 價格便宜。見圖1。

2） 電源模塊。這里選擇使用開關(guān)電源，是因為它的結(jié)構(gòu)中沒有中間的變壓器和散熱片，因此體積非常小。同時，開關(guān)電源內(nèi)部都是電子元件，具有高效率和低發(fā)熱的特點[8]。雖然具有電磁干擾等缺點，但是現(xiàn)在的屏蔽技術(shù)已經(jīng)可以解決這些問題。這里首先使用LM2576 芯片將12V 轉(zhuǎn)換為5V，然后再用LM117-3.3將5V轉(zhuǎn)換為3.3V。

LM117-3.3芯片的1號引腳接地，2號引腳為3.3V 輸出引腳，3號引腳為5V輸入引腳，C1、C2為兩個濾波電容。由于LM117-3.3V輸出的電源紋波較大，必須通過電容進(jìn)行濾波，才能得到穩(wěn)定輸出的3.3V 電源。

3） USB轉(zhuǎn)換模塊。因為CC2530單片機(jī)需要與電腦通過RS232實現(xiàn)通信，而電腦是RS232電平，高電平用+12V 表示，低電平用-12V 表示。而單片機(jī)是TTL電平，高電平用+5V表示，低電平（邏輯負(fù)）用0V 表示[9]。因此，要實現(xiàn)RS232和TTL的通信必須使用電平轉(zhuǎn)換芯片。本系統(tǒng)采用的轉(zhuǎn)換芯片為CH340G，其供電電壓為3.0V至5.5V。

4.1.1 設(shè)計目的

可以將支持Zigbee技術(shù)的該模塊安裝到汽車上，并確保其能夠正常工作。

4.1.2 參數(shù)要求

1） 距離：2km左右；2） 電壓3.3V；3） 傳輸速率；4）CPU的處理速度。

4.1.3 解決方案

1） 一般的Zigbee只能傳輸大約100米左右的距離，所以需要加入功率放大器才能實現(xiàn)更遠(yuǎn)的傳輸距離，電路圖見附錄。

2） 因為一般公交車提供的電壓為24V，所以需要電源模塊將其降壓至3.3V，電路圖見附錄。

3） 現(xiàn)在Zigbee 技術(shù)所支持的傳輸速率只有250bit/s，所以對于語音和視頻的傳輸來說仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，只能進(jìn)行初步信號的傳輸[10]。

4） 當(dāng)下市場上所有的CPU都能滿足要求。

4.2 軟件設(shè)計

Zigbee技術(shù)采用自組織網(wǎng)的方式組建網(wǎng)絡(luò)，Zig?bee網(wǎng)絡(luò)的設(shè)備分為協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點。系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用宏編譯的方式，三個設(shè)備的程序放在同一個工程中，通過宏編譯的方式選擇設(shè)備。本系統(tǒng)所涉及的只有協(xié)調(diào)器和終端節(jié)點兩種設(shè)備。通過模塊化程序設(shè)計，將該系統(tǒng)實現(xiàn)的功能進(jìn)行分布式設(shè)計，主要完成組網(wǎng)以及信息的輸入、處理和輸出等任務(wù)。

4.2.1 設(shè)計目的

通過模塊化程序設(shè)計，將該系統(tǒng)所實現(xiàn)功能進(jìn)行分布設(shè)計。主要完成組網(wǎng)以及信息的輸入、處理、輸出等。

4.2.2 程序設(shè)計

主程序設(shè)計是指導(dǎo)每個模塊功能的重要部分，決定整體的工作效率。流程圖如圖3。

協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計：

協(xié)調(diào)器作為整個無線網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)控部分，協(xié)調(diào)整個網(wǎng)絡(luò)的功能。程序設(shè)計如圖4。

5 建立Zigbee 無線軟硬件平臺

5.1 硬件準(zhǔn)備

一臺電腦，兩個開發(fā)板，功率放大器，下載器，電源模塊。

5.2 軟件準(zhǔn)備

IAR軟件，具體的安裝步驟以及這次試驗所進(jìn)行的操作過程都在附錄中詳細(xì)地進(jìn)行了描述。

5.2.1 安裝IAR 以及下載組網(wǎng)程序

作為Zigbee的開發(fā)環(huán)境，IAR是一款集成度非常高的應(yīng)用軟件，可以將Zigbee 配置成不同的工作模式，原理圖如圖5所示。

5.2.2 安裝仿真驅(qū)動

具體的安裝步驟，以及詳細(xì)的電腦操作都在附錄中詳細(xì)的記錄。

5.2.3 進(jìn)入調(diào)試

實物焊接完成后，并不一定就能立即使用，需要首先利用萬用表進(jìn)行簡單的測量，主要測量以下內(nèi)容：

第一：測量電路板中所有的電源VCC，包括5V和3.3V，是否通路；

第二：測量所有的地GND是否通路；

第三：測量VCC和GND之間是否存在短路現(xiàn)象；

第四：測量所有的信號引腳是否通路。

只有滿足上述四種情況才能上電進(jìn)行測試。上電后還需要使用萬用表進(jìn)行測量，主要內(nèi)容如下：

第一：測量電源和地之間的電壓值，例如輸入是5V的電壓必須是5V，經(jīng)過LM117-3.3V芯片的電壓必須是3.3V。如果電壓值不正確且差異較大，則需要重新檢查電路；

第二：對于LED的檢測，本次設(shè)計的LED是共陽LED，因此另一端接地后LED會亮起。因此，在測試LED時，使用一根導(dǎo)線分別將LED的另一端與導(dǎo)線連接，觀察LED是否亮起。這種方法可以驗證LED連接是否正確，同時也可以通過萬用表繼續(xù)測量LED的好壞。

如果以上測試都正常，就可以在PC上編寫控制軟件，進(jìn)行代碼調(diào)試。

6 總結(jié)

本文主要利用Zigbee模塊作為信息交互橋梁，通過Zigbee模塊的自組網(wǎng)功能，使通信范圍內(nèi)的車輛能夠相互通信，加強(qiáng)駕駛員之間的溝通，緩解交通問題。由于整體功能測試難度較大，因此該論文通過LED的閃爍來說明情況。通過將Zigbee模塊設(shè)計為終端、路由器以及協(xié)調(diào)器模式，并通過自組網(wǎng)功能使三者進(jìn)行信息的交互，為駕駛員的溝通打下基礎(chǔ)。

針對無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展以及其在交通領(lǐng)域的研究方向，可以解決許多問題，例如公交車運(yùn)行效率問題。通過兩車之間的無線通信，利用Zigbee的自動組網(wǎng)技術(shù)，使兩車能夠彼此了解彼此的距離，避免兩車同時到站以及運(yùn)營過程中效率低下的問題。同時，用戶可以實時監(jiān)控車輛的運(yùn)動參數(shù)，也可以遠(yuǎn)程觀看自己汽車的實時畫面。對于無線自組網(wǎng)的功能，可以利用的場景還有很多，相信在其他行業(yè)也可以通過無線網(wǎng)絡(luò)的支持獲得更加強(qiáng)大的功能。