基于無線傳感器網絡的車流量檢測系統設計

摘要：由于城市中車輛增多，車流量檢測在現代交通中已成為重要的一部分。掌握車流量信息，可以了解路面狀況從而對做出合理決策有極大的幫助。如何準確實時地得到車流量數據成為道路交通的顯著要求，本文中用TI公司的CC2530作為核心處理器單元，通過在主要路段設置熱釋電紅外傳感器檢測節點，用ZigBee無線傳輸技術構建無線傳感器網絡，來實現對車流量的準確檢測。

引言

　　由于城市對智能交通系統^[1]的需求，車流量檢測技術在近些年發展迅速，現有很多檢測方法如視頻檢測技術、微波感知技術、環形感應線圈檢測技術、紅外傳感感應技術等。視頻檢測技術雖然能夠大范圍地采集道路環境，但在惡劣天氣的情況下檢測效果要大打折扣;微波感知技術在車輛類型單一的道路上能夠提供準確數據，但無法應對路況不均路段的需要;環形感應線圈需要置于路面之中，需要損壞道路進行安置，施工多有不便^[2] ;而紅外傳感器成本低廉，通過檢測路面車輛所發出的紅外線來得到流量等信息，效果能夠達到要求[3]。所以本文選用熱釋電紅外傳感器作為車流量檢測設備，構建傳感器檢測模塊。

1 系統方案設計

　　本檢測系統用一個無線傳感器模塊節點采集車流量數據，執行在線車輛檢測，與匯聚節點進行射頻通信等。本文設計的檢測節點硬件框圖如圖1所示，節點組成包括微處理模塊、射頻模塊、傳感器模塊以及存儲模塊，并根據調試需要增加了串行通信接口。檢測節點用熱釋電紅外傳感器來偵測車流量數據。微處理器模塊是整個傳感器節點的核心，負責設定節點工作模式、對傳感器進行數據采集和檢測處理、控制射頻模塊收發等。射頻模塊負責數據通信，結合相應通信協議完成數據包的收發。存儲模塊用于保存工作參數配置，并根據需要保存一定時期內的檢測記錄或原始數據以便調用。

2 系統硬件設計

2.1 傳感器模塊設計

　　紅外傳感器選用高靈敏度的LHI807，再在外面加一片菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡有兩個作用:一是聚焦作用;二是將探測區域內分為若干個明區和暗區，使進入探測區域的移動物體以溫度變化的形式在PIR上產生變化熱釋紅外信號^[4] 。當有車經過紅外檢測器時，熱釋電紅外傳感器會產生交變的電壓信號，經過濾波，一級放大，再通過電容耦合到第二級放大，輸出信號進入窗口電壓比較器。放大器選用LM324集成運算放大器。電位器R決定了一個窗口電壓區間，低于該電壓區間，輸出為低電平;高于該電壓區間，輸出為高電平。輸出信號經過射頻模塊發射出去。原理圖如圖2所示。

2.2 微處理器模塊與射頻模塊

　　ZigBee 是一種無線通信技術，它形成的網絡必然涉及到射頻電路，一般情況下是由一塊 MCU、無線收發芯片，以及外圍電路組成。CC2530 微處理器的出現，大大簡化了射頻電路設計，它集成無線射頻功能，因此并不需要額外的射頻芯片來做 RF 收發器。它是基于2.4GHz 真正意義上的片上系統(SoC)，總體成本材料非常低，卻能建立強大的無線網絡節點。采用標準的增強型 8051 內核，擁有 8KB 的 RAM，可編程閃存，其閃存版本有四種，分別是 CC2530F32/64/128/256。另外，CC2530 有不同的運行模式，分別是主動模式 RX(接收數據)，功耗約為 24mA;主動模式 TX(發送數據)，功耗約為29mA;供電模式 1(喚醒)，功耗約為 0.2mA;供電模式 2(睡眠狀態，只有定時器運行)，功耗約為 1μA;供電模式 3(只有外部中斷)，功耗約為 0.4μA。其中休眠模式時具有超低功耗，再加上無線傳感器通常是周期性采集特點，這種休眠功耗使得一個節點的持續工作時間非常久，無需經常更換電池。這種節點最后往往是封裝在一個密封外殼里，甚至還有防盜螺絲，如果經常更換電池就會帶來不少工作量。

　　CC2530 通過簡單的四線(SI、SO、CS、 CLK)與 SPI 兼容的串行接口配置。CC2530 芯片正常工作時需要 32MHz 的參考時鐘用于數據接收與發送。參考時鐘可以來自外部時鐘源， 也可以由內部晶體振蕩器產生。如果使用外部時鐘源，可以直接從 XOSC_Q1 腳輸入，并且令 XOSC_Q2腳懸空;如果使用內部晶體振蕩器， 晶振兩端應接在 XOSC_Ql和 XOSC_Q2引腳之間，并且置位 CC2530 里的選通寄存器。協調器與路由設備、終端設備的功能不同，這主要取決于軟件，電路上區別不大，協調器與路由設備一般采用外置天線，而終端設備在車輛探測中采用內置天線。內置天線可以方便節點的外盒封裝，使得節點完全密封;外置天線可以靈活改變收發增益，為了兼顧二者，以應用不同的場合，采用內置天線與外置天線同時集成于節點的做法，但在同一時刻只有一個天線發生作用。CC2530 芯片的 RF_P 與 RF_N 管腳接收發天線。另外，P1_0 與 P1_1 口分別接兩個 LED 小燈，用來指示節點的運行狀態。CC2530 芯片的電路原理圖如圖3所示。