基于zigbee的车辆数据采集传感器的研究4Word文档下载推荐.docx

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本系统采用霍尼韦尔HM2003三轴固态低磁混合电路磁阻传感器对车辆扰动地磁场进行检测，CC2431整合了单片机模块和zigbee无线通讯模块,因此,以成都无线龙CC2431模块作为数据的处理和发送模块。

其硬件框架如图3.1所示。

图3.1过车传感器总体框架

Fig3.1vehiclesensorframework

3.2硬件设备的选择

3.2.1磁阻传感器

HMC2003磁阻传感器是美国公司霍尼维尔制造的一款用于精确测量低磁场强度的使用三轴磁阻传感器混合的电路组件,由三个精密坡莫合金磁阻传感器和统一定制的接口电子设备构成,并且自带高灵敏度温度补偿电路。

混合电路可使用6~15V单电源供电，并内置+2.5V基准电压,每个坐标轴都有模拟输出可供外部接口使用,可检测的磁场强度范围能达到40μ～±

2μGs，工作温度在-40℃～85℃之间。

传感器的磁敏感方向为沿着双列直插混合电路长，宽，高三个方向。

X、Y、Z磁传感器桥路与放大器相连，输出0～5V的信号。

0高斯对应2.5V输出（典型值），该电压实际值由参考电压Vref决定。

地球磁场通常为0.5高斯，放大的桥路输出灵敏度典型值为1.0V/Guass,输出模拟量在0.5～4.5V范围内变化。

利用这种混合电路的灵敏度和线性度可以在地磁场中探测各种变化，以提供罗盘方向的传感。

因此,对于要求2或3轴磁场感应、体积和抗振性有限制并只要求前段传感部分的应用来说,该混合电路是最理想的选择。

[15]

图3.2HMC2003结构原理图

Fig3.2StructurediagramofHMC2003

3.2.2A/D转换器

磁阻传感器输出为模拟信号，需要经过A/D转换读入计算机。

A/D转换器的选择需要考虑以下几个指标。

1．分辨率

分辨率是指模数转换器在转换中所能分辨的最小量，习惯上用转换结果的位数表示。

分辨率表示了A/D转换器对输入模拟信号数字化后的精细程度。

不作量程切换时，由输入模拟信号的动态范围和要求分辨的最小输入可计算所需要ADC分辨率，也即：

（3.1）

（3.2）

对于所选用的磁阻传感器，ADC的位数为14即可。

2.精度

精度有绝对精度和相对精度两种表示方法。

1）绝对误差

在一个转换器中，对应于一个数字量的实际模拟输入电压和理想的模拟输入电压之差的最大值，定义为“绝对误差”。

通常以数字量的最小有效位（LSB）的分数值来表示绝对误差，如士1LSB等。

绝对误差包括量化误差和其它所有误差。

2）相对误差

是指整个转换范围内，任意数字量所对应的模拟输入量的实际值与理论值之差，用模拟满量程的百分比表示。

例如，满量程为5V,12位A/D芯片，若其绝对精度为11/2LSB，则其最小有效位的量化单位为1.22mV，其绝对精度为0.61mV，相对精度为0.061%}

3.转换时间（速率）

转换时间是ADC完成一次转换所需的时间。

对于大多数ADC，转换时间的倒数即为转换速率。

积分型A/D的转换时间是毫秒级低速A/D,逐次比较型A/D是微秒级中速A/D，全并行/串并行型A/D可达到纳秒级。

磁阻传感器信号的A/D转换电路对本系统非常重要，直接关系测量的精度。

CC2430具有8通道，最高14位的A/D转换器，14位时转换时间为132μs。

HMC2003有Xout,Yout,Zout三个输出引脚,分别对应传感器所在位置的X轴,Y轴,Z轴上的磁场强度。

三个引脚输出0-5V的电压（2.5V代表磁场强度为0）,因此可以直接将信号输出接到CC2430的A/D通道。

这样，进一步减少了传感器的体积和功耗。

3.2.3无线通信芯片CC2430

CC2430是TI公司推出针对ZigBee的无线通信芯片,延用了以往CC2420芯片的架构以2.4GHzISM波段应用对低成本，低功耗的要求。

能满足低功耗ZigBee（IEEE802.15.4）无线传感器网络的应用需要。

图3.3CC2430电路版外观图

Fig3.3TheappearanceofCC2430circuitdiagram

CC2430结合了一个高性能2.4GHzDSSS（直接序列扩频）的射频收发器核心和一颗工业级8051单片机控制器。

CC2430芯片延用了以往CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频（RF）前端、内存和微控制器。

它使用1个8位MCU（8051），具有32/64/128KB可编程闪存和8KB的RAM，还包含模拟\数字转换器（ADC）、定时器（Timer）、看门狗定时器（WatchdogTimer）、AES128密保协同处理器、32kHz晶振的休眠状态定时器、掉电检测功能电路（BrownOutDetection）、内置上电复位电路（PowerOnReset）等。

[19]

CC2430芯片采用0.18umCMOS工艺生产，工作时的电流消耗为27mA；

在接收和发射模式下，电流损耗分别低于27mA或25mA。

CC2430的从休眠模式转换到主动模式使用超短时间的特性，特别适合那些对电池寿命要求非常严格的应用。

CC2430具有四个工作模式，以适应对芯片低功耗有不同要求的应用。

这四种工作模式分别为：

PM0、PM1、PM2、PM3。

他们的区别如表3.1所示。

表3.1CC2430的工作模式

Table3.1CC2430workingmode

工作模式

功能

PM0

主时钟振荡器开，电源电压调节器开，为全功能模式。

这个模式下，CPU和所有外围模块都处于激活状态，是通常使用的模式

PM1

32.768KHz时钟振荡器开，电源电压调节器开，高速振荡器关闭。

在CPU进入此模式后，开始执行低功耗的程序序列，当程序从低功耗模式PM1跳出到正常模式PM0时，高速振荡器被启动，CPU工作在高速RC振荡器下，直到高速XSOC振荡器被设置好并选中。

PM1用在唤醒时间较短，CPU模式切换较频繁的情况。

PM2

32.768KHz时钟振荡器开，电源电压调节器关，PM2是功耗较低的工作模式。

当CPU进入PM2后，只有32.768KHz振荡器、外部中断、和睡眠定时器是激活状态的，其他所有电路都处于掉电状态，电压调节器也被关闭。

PM2较适合唤醒时间较长，CPU模式切换不太频繁的情况，常使用睡眠定时器来唤醒CPU的运行。

PM3

PM3是CPU功耗最低的一种模式。

在这种模式下，电源电压调节器关闭，内部所有由电压调节器提供电能的电路全部停止工作，所有振荡器全部停止工作。

此时，CPU只能响应上电复位信号跟外部中断信号RAM的内容不会丢失及改变，直到被唤醒进入PM0模式。

PM3常用在CPU需要等待外部信号的情况下。

图3.4CC2430芯片架构

Fig3.4CC2430chiparchitecture

CC2430芯片的主要特点如下：

●低功耗的高性能工业级8051单片机内核；

●2.4GHzIEEE802.15.4的ZigBee无线收发器；

●高接收灵敏度和强大的抗干扰性能；

●大容量闪存；

●具备在各种供电方式下稳定数据保持能力的8KBsRAM；

●具备强大的DMA功能；

●高集成度，只需极少的外围元件；

●最小基本系统只需一个晶体，即可满足ZigBee组网需要；

●低电流消耗（当内核运行在32MHz总线频率时，接收为27mA，发射为25mA）；

●掉电方式的电流消耗只有O.9ｕA，通过外部中断或者实时钟（RTc）能够唤醒系统；

●挂起方式的电流消耗小于O.6ｕA，通过外部中断能够唤醒系统；

●硬件直接支持避免冲突的载波侦听多路存取；

●电源供电电压范围宽（2.O～3.6V）；

●内置数字化的接收信号强度指示器/链路质量指示（RssI/LQI）；

●内置电池监视器和温度传感器；

●具有8路8～14位模数转换器；

●内置高级加密标准（AES）协处理器；

●具有2个支持通用串行通信协议的串口；

●内置硬件看门狗；

●具有1个IEEE802.5.4媒体存取控制（MAC）定时器；

●具有1个通用的16位和2个8位定时器；

●硬件调试支持；

●具有独立的定位检测硬件核心。

3.2.4电源模块

电源对于传感器的稳定工作和节能至关重要。

本课题中采用新型的PWM调制的稳压电源模块TPS63000，与传统的线性分压稳压芯片相比，明显节能。

其特点如下：

●具有96%高效率

●高输出电流，在3.3V（Vin>

2.4V）时可达800-mA

●能够在步进和Boost模式之间自动过渡

●高截止性，器件静态电流小于50mA

●输入电压范围较宽：

1.8V~5.5V

●可调输出电压1.2V~5.5V

●温度检测与过温保护

3.3过车传感器相关的通信

Zigbee网络的设备有两种，协调器和终端。

协调器：

协调器的功能主要是建立网络和进行网络管理。

ZigBee协调器上电后通过扫描寻找一个空闲信道来创建新网络；

接收新节点加入并分配网络地址，维护一个目前连接设备的网络列表。

在本课题研究中，协调器用于将主机端监控程序发送的命令传递给具体的传感器，或是接收过车传感器采集的数据并上传给上位机。

协调器节点的程序流程如图3.5所示。

图3.5协调器节点的工作

Fig3.5WorkofCoordinatornode

终端：

系统复位时终端节点先进行硬件初始化，扫描所有可用信道来寻找临近的协调器，申请加入该协调器所创建的网络。

过车传感器为终端设备。

终端设备的程序流程如图3.6所示。

图3.2终端设备的工作流程

Fig3.2Terminalequipmentworkingprocess

一个传感器只能检测一个车道的车辆。

为了检测车辆的速度，轴数和轴间距等参数，每个车道需要安装两个传感器。

对于六车道的高速公路，需要12个传感器。

在进行交通量数据采集时，采集系统中存在两种通信，一种是传感器之间的通信，另一种是传感器与计算机之间的通信。

车辆数据采集过程如下：

当有车通过时，传感器1检测到车辆后，立即给同车道的传感器2发送信息，传感器2清零计时器并开始计时；

在此之后，当传感器2检测到车辆时，读出计时器值并放入环形缓冲器。

传感器之间的通信只限于同一车道的两个传感器之间，所以采用Zigbee中的绑定进行两个传感器之间的通信。

在ZigBee2006版本中规定，在全部节点中实现绑定机制，并将其称为源绑定。

绑定机制允许一个应用服务在不知道目标地址的情况下向对方（的应用服务）发送数据包。

发送时使用的目标地址将由应用支持子层从绑定表中自动获得，从而能使消息顺利被目标节点的一个或多个应用服务，乃至分组接收。

传感器与计算机之间的通信由计算机通过主节点向具体的传感器发出命令。

图3.5传感器网络与通信

图3.7传感器网络的通信

Fig3.7Sensornetworkcommunication

3.4本章小结

本章中首先确定了系统设计的原则，建立了传感器硬件框架，确定了传感器系统的组成，对硬件进行了选型，Zigbee无线通信选用了TI公司的CC2430，该芯片除了无线通信功能外，还有一个功能强大的C8051FCPU和最高达14位的A/D转换器，不需要单独的A/D转换电路进行磁阻传感器的采样，选用该款CPU使得传感器的体积和功耗大大减小。

最后对传感器之间及传感器和计算机之间的组网通信进行了研究。

4.过车传感器的硬件电路和驱动开发

过车传感器的硬件系统由CPU,数据存储,RF电路和电源电路组成。

传感器硬件设计遵循第3章中的原则，低功耗，抗干扰，工作可靠。

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