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)
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。
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
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℃。
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。
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
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'。
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。
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