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強有力的功能拓展，智能產(chǎn)品已經(jīng)進入我們的生活。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、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)拓撲結(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)拓撲結(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，它們是互補的產(chǎn)品。此外，這個產(chǎn)品還可以進一步拓展功能。

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。而單片機是TTL電平，高電平用+5V表示，低電平（邏輯負）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遠不夠，只能進行初步信號的傳輸[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 軟件準備

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

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，以及詳細的電腦操作都在附錄中詳細的記錄。

5.2.3 進入調(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行測試。上電后還需要使用萬用表進行測量，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)控車輛的運動參數(shù)，也可以遠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)的支持獲得更加強大的功能。