基于ZigBee和ModBus的分布式電子警察系統

1 ZigBee網絡組網方案
1．1 ZigBee簡介
ZigBee是一組基于IEEE批準通過的802．15．4無線標準研制開發的，有關組網、安全和應用軟件方面的技術標準。相對于現有的各種無線通信技術，ZigBee將是最低功耗和成本的技術之一。適用于短距離、小范圍的基于無線通信的控制領域，有著廣泛的應用前景。
1．2 系統的ZigBee網絡組建方案
IEEE 802．15．4和ZigBee規范中明確定義了三種拓撲結構：星型結構、樹型結構和網狀結構。星型網絡由一個協調器(全功能設備FFD)和多個終端設備節點(簡化功能設備RFD)構成，協調器是網絡的中心，負責處理整個網絡的工作，終端設備被分布在覆蓋范圍內的不同地點。星型網絡的控制和同步比較簡單，適用于設備數量比較少的場合。樹型網絡是星型網絡的擴展，是一種多級的星型結構。網狀網絡是一種特殊的、按接力方式傳輸的點對點的網絡結構，其路由可自動建立和維護。樹型和網狀網絡能夠兩者相結合組建混合網，適用于網絡極其復雜的情況。
系統的ZigBee網絡通信部分由一臺主控制器、若干從控制器組成。系統的各個主、從控制器相對獨立，各主、從控制器之間通過ZigBee無線網格進行通信，主控制器通過遠程無線通信與控制中心通信。網絡拓撲示意圖如圖1所示。

系統采用了ZigBee星型網絡拓撲結構。星型網絡以網絡協調器為中心，所有設備只能與網絡協調器進行通信，因此在星型網絡的形成過程中，第一步就是建立網絡協調器。主控制器作為網絡協調器被首先激活，然后向周圍的從控制器節點發送廣播，并為網絡選擇一個惟一的標識符；從控制器節點收到主控制器發來的廣播后，向其發出入網申請，并等待主控制器節點響應；主控制器節點收到一個入網申請后，將根據請求信息作出是否允許加入網絡的判斷，若允許加入，主控制器節點將發出請求響應，告知從控制器節點。從控制器節點收到請求響應后，將獲得一個主控制器節點分配給它的一個網絡地址作為在網絡內的惟一身份標識，從而成功加入網絡，網絡組建完成。

2 ModBus總線控制系統
2．1 系統概述
ModBus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其他設備之間可以通信。該協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，描述了一控制器請求訪問其他設備的過程，制定了消息域格局和內容的公共格式。ModBus已經成為一通用工業標準，是一種有效支持分布式控制和實時控制的串行通信網絡。電子警察系統的車輛檢測單元、紅燈檢測器、高清攝像機、嵌入式工控機等單元占有同一ModBus現場總線。系統示意圖如圖2所示。

2．2 ModBus控制器設計
ModBus控制器結構如圖3所示。主要由微控制器、可編程系統器件、實時時鐘、液晶模塊接口、鍵盤接口、輸入／輸出接口、光電隔離、ModBus驅動器、其他串行通信模塊、復位電路、編程接口、擴展模塊接口等電路模塊組成。

ModBus控制器搭載有ZigBee通信模塊，可以作為ZigBee網絡的從設備，與系統的主、從控制器組建ZigBee網絡，通過ZigBee無線網格實現通信，接收來自系統主、從控制器的控制命令等信息，通過ModBus總線，實現對嵌入式工控機、紅燈檢測器、車輛檢測單元及高清攝像機等設備的控制。此外，控制器預留了其他串行通信接口(如RS 232)、鍵盤以及液晶模塊接口電路，可以方便地進行現場維護及軟件的更新升級。