基于Zigbee的智能車運行狀態實時監控系統設計

0 引言

智能車又稱輪式機器人，是集傳感器、計算機、自動控制、通信以及機械等技術于一身的綜合系統。在智能車的設計和制作過程中，控制算法調試是一個極其重要而又關鍵的環節，面臨著許多急需解決的問題：智能車能否按照事先設計的思路運行；控制策略是否符合實際需求；運行中出現問題時，智能車的各項實時參數是什么。針對這些問題，許多學者提出了基于仿真的解決方案。有學者提出基于參數化的機械系統幾何模型，使用拉格朗日方法建立系統動力學方程，來對虛擬機械系統進行動力學分析。但由于車輛機械結構的復雜性，這種建模和仿真方式過于繁瑣，影響了仿真和研究的效率。清華大學針對全國大學生智能車競賽開發的PlaSTid仿真平臺，其動力學模型雖然較為簡單，但該模型是一種理想化的模型，對于影響智能車運行狀況的一些參數的考慮較少，例如小車與路面之間的摩擦系數、小車的機械性能等因素，因而仿真結果與實際存在一定差距。有學者提出一種智能車硬件在環仿真系統，該仿真系統發揮了硬件在環的長處。但該軟件仍以虛擬仿真平臺LabVIEW為基礎，控制算法的分析和決策在上位機上運行，脫離了車模實體的軟件運行環境，其仿真結果與實際也存在一定的差距，因此其應用有相當的局限性。

筆者設計了一種基于無線通信技術的智能車運行狀態實時監控系統。該系統以車模為實驗主體，車載控制器完成智能車的數據采集、分析、決策等。上位機通過無線通信技術獲得車模的各項運行參數，監控車模的運行狀態。

1 系統總體設計

1.1 Zigbee技術分析

Zigbee技術是一種近距離、低功率、低成本的雙向無線通信技術[5-6],工作頻段為全球通用頻段2.4 GHz,數據傳輸速率為10~250 kbit/s,免執照。Zigbee協議由應用層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成，其中物理層和鏈路層遵循IEEE802.15.4協議。一個Zigbee網絡支持255個設備；采用先進的AES128加密算法，提供數據完整性檢查；具有載波偵聽多路訪問、沖突檢測（CSMA/CA）方式，有很好的兼容性。Zigbee定義了3種類型的節點設備，分別是協調器、路由設備（FFD）和終端設備（RFD）。

Zigbee網絡由這3種設備組成，但必須包括1個協調器，而且只能有1個協調器。協調器是整個網絡的中心，它負責網絡的組建、網絡節點的管理、網絡節點信息的儲存，尋找節點之間的路由消息，不斷地接收信息。路由設備也擔當著協調器的作用，負責其他的路由器或終端設備入網，拓展網絡范圍；終端設備是實現具體功能的單元[7].Zigbee網絡可以實現星型、樹型和網狀型多種拓撲結構。

赫立訊公司的IP-Link產品是集射頻收發器、微處理器、多拓撲網絡功能于一體的無線通信模塊。

IP-Link1200 模塊內含AVR 微處理器，符合開放IEEE802.15.4協議的2.4 GHz免執照ISM頻段的射頻收發器，可以組成任意的網絡拓樸。因此，IP-Link1200是一款完全滿足智能車測控系統要求的無線通信模塊。

1.2 監控系統的組成結構

為了能對多個智能車的運行狀態實行在線監控，系統采用星形拓撲結構。該系統的網絡節點分為協調器節點和終端節點，其中協調器與上位機相連，終端節點嵌入智能車。

上位機（即PC 機）與下位機（智能車）采用無線通信。下位機采集智能車的行駛速度以及路況信息，判斷智能車的行駛方向，并計算出下一步的行動數據。同時，下位機將采集的各項數據以及下一步的行動數據發給上位機，使得調試人員可以在上位機上觀察小車當前的行駛參數以及對應的小車行駛狀態。因此，上位機與下位機之間的通信方式是上位機首先向下位機發送通信指令，然后接收下位機發送來的小車運行狀態信息。上位機對信息保存、顯示、修正，并將修正的參數發送到下位機。

2 系統硬件設計

智能車以MC9S12XS128單片機為主控芯片，該芯片擁有豐富的內部資源。利用單片機的脈寬調制模塊對智能車的舵機和電機進行驅動，2路PWM通道作為舵機角度控制，1路PWM通道用于電機的轉速控制；利用單片機的捕捉定時功能和A/D轉換模塊采集道路信號。

單片機與IP-Link1200的連接比較簡單方便。IP-Link1200的RXD可直接與單片機的SCI串行口發送端TXD相連接，TXD與單片機串行口接收端RXD相連接，RESET端接單片機的PE1口，通過PE1初始化IP-Link1200,即通過PE1輸出10 ms的負脈沖。下位機電路圖如圖1所示。

圖1 下位機電路圖

IP-Link1200與PC相連接時必須經過電平轉換，將TTL電平轉換為RS-232C電平，用1片MAX232 芯片便可以完成該轉換。IP-Link1200的RESET端接在復位電路上，該電路在上電時使IP-Link1200復位或按RST按鈕使IP-Link1200復位。上位機電路圖如圖2所示。