畢業(yè)設(shè)計 --高速公路車輛交通監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究

1、<p>　　題目：高速公路車輛交通監(jiān)測無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究</p><p>　　系 （部）：光信息科學(xué)與技術(shù)</p><p>　　專 業(yè) 班：光信息科學(xué)與技術(shù)1006班</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　隨著世界經(jīng)濟的發(fā)展，汽車使用量越來越多，給交通帶來了很大的挑戰(zhàn)。即便是高速公路，

2、也時常出現(xiàn)交通事故,如何有效的監(jiān)測和管理高速公路車輛，成為一個越來越熱門的話題。人們希望有一種智能交通監(jiān)控系統(tǒng)，能夠及時的將公路的路況進(jìn)行隨時監(jiān)控，將每個路段的狀況信息進(jìn)行及時的收集，并進(jìn)行分析，再及時將結(jié)果匯報給司機，使之做出正確的判斷，確定自己車輛的行駛路線。</p><p>　　在以上的應(yīng)用背景下，結(jié)合前面已有的基礎(chǔ)，本文闡述了一種道路交通狀況實時監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的技術(shù)平臺。本文提出了道路

3、安全狀況檢測方法，論證了無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在車輛交通監(jiān)測中的巨大優(yōu)勢。</p><p>　　本文首先討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的整體組成；然后對單個節(jié)點的硬件構(gòu)成及對應(yīng)功能進(jìn)行了介紹，簡述了傳感器硬件磁阻傳感芯片HMC1021的工作原理及其對應(yīng)的電磁傳感電路設(shè)計；考慮到節(jié)點體系中各個節(jié)點間的“相互協(xié)作”關(guān)系，本文簡單介紹了Zigbee通信協(xié)議；為了有初步的用戶體驗，本文也簡單介紹了系統(tǒng)的顯示設(shè)計。</p>

4、<p>　　本文重點介紹了軟件的設(shè)計工作，通過實際的設(shè)計，本課題結(jié)束時，該系統(tǒng)實現(xiàn)了以下功能：傳感器節(jié)點對道路狀況和車輛相關(guān)數(shù)據(jù)采集；節(jié)點與顯示界面的通信；后臺數(shù)據(jù)優(yōu)化處理和結(jié)果圖形化顯示。</p><p>　　可以看出，這種交通監(jiān)控實時系統(tǒng)能夠為高速公路車輛監(jiān)測提供數(shù)據(jù)源，對有限的道路資源優(yōu)化使用，對減少道路擁堵和相關(guān)交通事故等狀況，還有對節(jié)省車輛行駛時間和保證司機和乘客人身和財產(chǎn)安全方面有很大的使用

5、價值。</p><p>　　關(guān)鍵詞：智能交通無線傳感器網(wǎng)絡(luò) Zigbee技術(shù) 道路交通監(jiān)測系統(tǒng) </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　With the development of world’s economy, more and more cars a

6、re used,which made a big challenge to transport , accidents often occur even in the highway,. how to effective monitoring and management of highway vehicles, becoming an increasingly hot topic. people want to have an in

7、telligent traffic monitoring system which can monitor the road traffic timely ,and it can collect and analysis the information of each section timely , then the results will be reported to drivers in time to let them m&

8、lt;/p><p>　　Under the background of the application of the above, combined with the front of the existing foundation, this article expounds a kind of road traffic in real-time monitoring and control system, the

9、 system uses the platform of wireless sensor network technology . This paper presents a method to detect problems about road safety , demonstrates the application of wireless sensor network in the great advantage of vehi

10、cle traffic monitoring.</p><p>　　This paper first discussed the whole wireless sensor network (WSN); And then to a single node hardware structure and corresponding functions are introduced, this paper briefl

11、y describes the sensor hardware and working principle of magnetic resistance sensor chip HMC1021 electromagnetic sensor and the corresponding circuit design; Considering the node in the system "cooperate" relat

12、ionship between the various nodes, this paper simply introduces the Zigbee communication protocol; In order to have </p><p>　　This paper mainly introduces the design of software, through the actual design, a

13、t the end of this topic, the system realizes the following functions: sensor nodes can get the road conditions and vehicle data ; and communicate with display interface ; The background data can get an optimization and

14、the results have a graphical display.</p><p>　　As you can see, this kind of real-time traffic monitoring system can provide data source for highway vehicle monitoring.To optimize the limited road resources,

15、to reduce road congestion and related conditions such as traffic accident, and to save the time of vehicle and to ensure that drivers’ and passengers’ personal and property safety , it has great value.</p><p&g

16、t;　　Keywords: Intelligent Transportation Zigbee technology wireless sensor network road traffic monitoring syste</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘 要2</b></p>

17、<p><b>　　1 緒論4</b></p><p>　　1．1交通監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展4</p><p>　　1.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)簡介5</p><p>　　1.3無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與現(xiàn)狀7</p><p>　　1.4 課題意義8</p><p>　　2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成9

18、</p><p>　　2．1節(jié)點的硬件組成10</p><p>　　2.1.1 GAINSJ開發(fā)板10</p><p>　　2.1.2 電磁傳感器模塊11</p><p>　　2．2 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議13</p><p>　　2.3 系統(tǒng)的顯示界面16</p><p>　　2.4 本章

19、小結(jié)18</p><p>　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計18</p><p>　　3.1 Jennic Code：：Blocks軟件簡介19</p><p>　　3.2 節(jié)點驅(qū)動程序設(shè)計21</p><p>　　3.3本章小結(jié)27</p><p><b>　　4結(jié)果分析28</b></p

20、><p>　　4.1 數(shù)據(jù)采集結(jié)果28</p><p>　　4.2 vb圖形界面結(jié)果30</p><p>　　4.2 實驗結(jié)論31</p><p>　　5 結(jié)論與體會32</p><p>　　5.1 結(jié)論32</p><p>　　5.2 體會33</p><p&

21、gt;<b>　　致 謝33</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)：34</b></p><p><b>　　1 緒論</b></p><p>　　1．1交通監(jiān)測系統(tǒng)發(fā)展</p><p>　　隨著城市化的發(fā)展，越來越多的人口涌進(jìn)城市，與此同時，越來越多的汽車

22、進(jìn)入城市，給城市的交通帶來了很大的挑戰(zhàn)，如何有效的監(jiān)測和管理城市車輛道路交通，成為一個越來越熱門的話題，智能交通系統(tǒng)的概念由此被提出。智能交通系統(tǒng) (Intelligent Transportation System，ITS)是在傳統(tǒng)的交通體系的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新型交通系統(tǒng)，智能交通系統(tǒng)涉及多學(xué)科，運用多種先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)，如各種信息、通信通絡(luò)、電子傳感和控制以及計算機處理技術(shù)等，它將信息、通信、控制和計算機技術(shù)以及其他現(xiàn)代通信技術(shù)綜合應(yīng)

23、用于交通領(lǐng)域，并將“人—車—路—環(huán)境”有機地結(jié)合在一起，致力于將交通系統(tǒng)打造成全方位和立體化的綜合運輸管理系統(tǒng)[1]。</p><p>　　上世紀(jì)八十年代以來，一些發(fā)達(dá)國家便開始投入智能交通系統(tǒng)的研究與開發(fā)[2]。尤其是在美國，1991年，美國成立了智能交通系統(tǒng)協(xié)會，這是一個非盈利性的社團組織，主要宗旨是幫助并加速智能交通系統(tǒng)在政府和民間企業(yè)的發(fā)展，協(xié)會成員來自民間企業(yè)、學(xué)術(shù)單位、環(huán)保團體及各級政府相關(guān)單位，參與

24、面十分廣泛，從而有力地促進(jìn)了美國智能交通系統(tǒng)研究的發(fā)展[3]。 1995年，美國交通部首次正式提出有關(guān)智能交通系統(tǒng)的項目詳細(xì)規(guī)劃[4]。21世紀(jì)伊始，美國麻省理工學(xué)院和加州大學(xué)伯克利分校，已經(jīng)開始采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在智能交通領(lǐng)域內(nèi)進(jìn)行相關(guān)研究[5]。而在日本，日本政府以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)正著手研發(fā)并普及下一代的智能交通系統(tǒng)Smartway[6]。2005年-2010年期間圍繞5個重點展開研究，其中包括車路間協(xié)調(diào)系統(tǒng)、智能汽車系統(tǒng)等[7]。2

25、010年后重點加強了利用無線通訊技術(shù)的車-車、車-路間協(xié)調(diào)系統(tǒng)實用化技術(shù)的研發(fā)，構(gòu)筑人、車、路一體化的高度緊密的信息網(wǎng)絡(luò)，研發(fā)交通對象協(xié)同式安全控制技術(shù)[8]。</p><p>　　盡管國內(nèi)發(fā)展晚于國外，但是國家重視運用高科技來發(fā)展交通運輸系統(tǒng)?！笆晃濉逼陂g，我國成立了中國智能交通協(xié)會，項目實施更加注重結(jié)合實際需求展開研發(fā)應(yīng)用。如配合北京奧運會、上海世博會以及廣州亞運會開展的科技支撐計劃項目“國家綜合智能交通技

26、術(shù)集成應(yīng)用示范”在完成重要活動交通保障的同時，加快了特大城市綜合交通信息系統(tǒng)的規(guī)模應(yīng)用；為解決我國道路交通事故率居高不下的問題，科技部、公安部及交通運輸部聯(lián)合實施了“國家道路交通安全科技行動計劃”及科技部配合組織了科技支撐計劃項目“重特大道路交通事故綜合預(yù)防!處置集成技術(shù)開發(fā)與示范應(yīng)用”。863計劃現(xiàn)代交通技術(shù)領(lǐng)域中設(shè)立了“綜合交通運輸系統(tǒng)與安全技術(shù)”專題[9]。 </p><p>　　事實上，盡管國內(nèi)外都投

27、入了較大的人力和物力對其進(jìn)行研究，然而由于成本的原因，很多技術(shù)都很難得到實際應(yīng)用。綜合成本和技術(shù)的考慮，在現(xiàn)有的交通設(shè)施中增加一種無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將是一種不錯的選擇。</p><p>　　1.2無線傳感網(wǎng)絡(luò)簡介</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（wireless sensor network, WSN)是由大量的、低成本的、微型傳感器節(jié)點組成的網(wǎng)絡(luò)[10]，其中各節(jié)點以無線的方式進(jìn)行

28、通信，以多跳傳輸?shù)姆绞阶越M成網(wǎng)絡(luò)。每個節(jié)點都具有獨立的軟硬件系統(tǒng)平臺，可以獨立的完成數(shù)據(jù)采集、處理和發(fā)送接收任務(wù)。傳感器是節(jié)點基本組成之一，按照其用途可以分為溫度傳感器、濕度傳感器、磁阻傳感器等，主要用來完成數(shù)據(jù)的采集[11]。傳感器節(jié)點可以連續(xù)不斷地進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳遞、事件分析和節(jié)點控制，傳感器節(jié)點的這些特性和無線連接方式使得無線傳感網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)Ω鱾€道路上的路面情況，如車輛數(shù)量和速度、路面溫度和濕度進(jìn)行測量，將大量信息反饋給相關(guān)部門

29、，以便對車流進(jìn)行宏觀調(diào)控，并對發(fā)生的道路問題進(jìn)行快速有效處理。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的傳感器節(jié)點大致可以分為終端采集節(jié)點，中間傳輸節(jié)點，匯聚節(jié)點，不同的節(jié)點實現(xiàn)不同的功能，節(jié)點間以無線通信的方式進(jìn)行“交流”和控制[12]。實際檢測中無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用模型如圖1-1：</p><p>　　圖1-1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)整體基本結(jié)構(gòu)</p><p>　　無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）使用的是自供電傳感器件，這些器

30、件通過無線ad-hoc技術(shù)彼此聯(lián)系。相比傳統(tǒng)的基于基礎(chǔ)設(shè)施的監(jiān)控系統(tǒng)，該技術(shù)長處在于其方便于沿路部署密集的傳感器，使得流量參數(shù)的采樣更足，從而獲得更高的空間分辨率[13]。在實際的交通應(yīng)用中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)主要分為以下幾個部分：</p><p>　　基礎(chǔ)節(jié)點：負(fù)責(zé)采集外部環(huán)境物理信號，將其轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電信號，同時進(jìn)行初步處理；向外部提出加入網(wǎng)絡(luò)的申請，得到回應(yīng)后將所測數(shù)據(jù)并發(fā)送出去?；A(chǔ)節(jié)點又可以分為中間節(jié)點和終端

31、節(jié)點，其中，中間節(jié)點不僅僅要采集數(shù)據(jù)，還有負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的上下級傳遞，而終端節(jié)點只需要采集數(shù)據(jù)和向上傳遞數(shù)據(jù)，終端節(jié)點不能作為父節(jié)點，只能將自己的地址信息和預(yù)處理過的數(shù)據(jù)發(fā)送給通信半徑內(nèi)的其它節(jié)點；</p><p>　　匯集節(jié)點:一般布設(shè)于交叉路口，用于接收數(shù)據(jù)采集節(jié)點采集到的信息；同時負(fù)責(zé)整個網(wǎng)絡(luò)的自組織建立，向整個網(wǎng)絡(luò)提供時鐘信息；另外，也負(fù)責(zé)將匯聚后的信號發(fā)送給控制終端，接收來自控制終端的指令；</p>

32、;<p>　?。?） 控制終端與用戶界面： 進(jìn)行最后的數(shù)據(jù)分析及處理工作，并將車速、車流量和路面狀況等信息通過網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給手機或電腦并在用戶界面顯示。</p><p>　　WSN 作為一種新型技術(shù)，廣泛的綜合了傳感器技術(shù)、嵌入式技術(shù)、計算機技術(shù)及無線通信技術(shù)等技術(shù)[6]，通過各類集成化的微型傳感器節(jié)點來協(xié)作實時監(jiān)測、感知和采集各種環(huán)境中監(jiān)測對象的信息，通過嵌入式系統(tǒng)對信息進(jìn)行處理，并通過自組織無線通信

33、網(wǎng)絡(luò)將所感知的信息傳送到用戶終端，從而實現(xiàn)對外界物理環(huán)境大范圍測量和控制的目的[14]。正是由于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的以上優(yōu)點，無線傳感網(wǎng)絡(luò)目前的發(fā)展前景良好。由于無線傳感網(wǎng)絡(luò)由大量低成本的微型傳感器組成，克服了傳統(tǒng)傳感器探測范圍小和成本高的缺點，可以應(yīng)用在生活中的諸多方面，如：大氣監(jiān)測、目標(biāo)追蹤、基礎(chǔ)設(shè)施檢測、住宅監(jiān)控和戰(zhàn)場監(jiān)測等等[15]。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中可以用于交通信息發(fā)布、電子收費、車速測定、停車管理、綜合信息服務(wù)平臺、智能

34、公交與軌道交通、交通誘導(dǎo)系統(tǒng)和綜合信息平臺等技術(shù)領(lǐng)域。近年來，有關(guān)無線傳感網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的運用是一個相當(dāng)時髦的話題，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)能夠極大的緩解困擾現(xiàn)代交通的安全、通暢、節(jié)能和環(huán)保等問題，提高交通工作效率，同時其成本也較為低廉[16]。</p><p>　　1.3無線傳感網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展與現(xiàn)狀</p><p>　　自20世紀(jì)90年代以來，無線網(wǎng)絡(luò)得到了迅猛的發(fā)展[17]。天線、射頻收發(fā)器和

35、處理器技術(shù)的進(jìn)步很大程度上改善了電子電路技術(shù)與信息技術(shù)在尺寸、功耗效率等方面的束縛。這一進(jìn)展同時標(biāo)志著先進(jìn)領(lǐng)域中允許小型、廉價、可靠的、擁有無線網(wǎng)絡(luò)能力的微型傳感器迅速成為現(xiàn)實。同時無線傳感器技術(shù)和個人無線低速網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，促進(jìn)了“無線傳感器網(wǎng)絡(luò)”這一綜合性技術(shù)的產(chǎn)生與發(fā)展[10]。1999年9月，《商業(yè)周刊》將WSN列為21世紀(jì)最重要的21項技術(shù)之一，橡樹嶺國家實驗室（Oak Ridge National Laboratory

36、, ORNL）提出了“網(wǎng)絡(luò)就是傳感器”（Network is Sensor）的論斷[18]。2001年1月，《MIT技術(shù)評論》將WSN列于十種改變未來世界新技術(shù)之首[19]。2003年，《商業(yè)周刊》預(yù)測：WSN和其他三項信息技術(shù)將會在不遠(yuǎn)的將來掀起新的產(chǎn)業(yè)浪潮[20。2004年，一篇具有重要歷史意義的文章——《傳感器的國度》，發(fā)表于“IEEE Spectrum”雜志一期專輯，其中論述了WSN的廣泛發(fā)展前景和普遍應(yīng)用的可能性[21]。&l

37、t;/p><p>　　不僅僅是理論上的突破，無線傳感網(wǎng)絡(luò)的研究也已經(jīng)有很多運用到實際智能交通系統(tǒng)中。如美國的馬薩諸塞大學(xué)建立的 UMass DieselNet 智能公交系統(tǒng)主要包括公交車節(jié)點以及安裝在路邊的 Throwboxes，可用于提高網(wǎng)絡(luò)的連通性[22]。德國慕尼黑的MOBINET項目是一個創(chuàng)新的、基于自適應(yīng)控制系統(tǒng)的例子，通過不同傳感設(shè)施（電磁傳感器、雷達(dá)、攝像頭、氣象站）獲得控制所需數(shù)據(jù)，利用WSN對于交通

38、狀況的精準(zhǔn)估計，這種系統(tǒng)的性能能夠明顯提高[23]。瑞典有一段公路，利用太陽能供電傳感器，可以對行駛車輛做出路面結(jié)冰、事故擁堵和其他危險情況的預(yù)警[24]。Safespot目前主導(dǎo)的全歐洲架構(gòu)之下的汽車通信系統(tǒng)開發(fā)，該項目主要研究乘用車和商用車輛在路面上的通信系統(tǒng)，以保證整體的交通安全[25]。另外，美國加州大學(xué)伯克利分校的 ATMIS項目，哈佛大學(xué)的 CitySense 項目都開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在道路交通監(jiān)測方面的研究[26]。&l

39、t;/p><p>　　而在國內(nèi)，盡管起步稍晚，但有關(guān)無線傳感網(wǎng)絡(luò)在車輛道路交通監(jiān)測中的研究也發(fā)展迅速。典型的如寧波中科院，已經(jīng)將能夠用于自組織網(wǎng)絡(luò)和傳遞數(shù)據(jù)的無線傳感器節(jié)點生產(chǎn)出來，并基于其硬件研發(fā)了相應(yīng)的軟件開發(fā)平臺。本課題設(shè)計，我們無線傳感網(wǎng)絡(luò)研究的軟件開發(fā)平臺就是寧波中科集成電路設(shè)計中心基于Jennic公司產(chǎn)品-JN5139芯片，采用ZigBee協(xié)議設(shè)計開發(fā)的WSN平臺。另外，武漢理工大學(xué)開展了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在

40、火車車廂環(huán)境中的測控應(yīng)用，對車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量、安全隱患等進(jìn)行全程檢測。中科院沈陽自動化所開展了基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速公路交通監(jiān)控系統(tǒng)研究，并利用此項技術(shù)來彌補傳統(tǒng)設(shè)備能見度低、路面結(jié)冰時無法對高速路段進(jìn)行有效監(jiān)控等，從而提出了新的圖像監(jiān)視系統(tǒng)，此外，對一些天氣突變性強的地區(qū)，該技術(shù)也能極大地降低汽車追尾等交通事故的發(fā)生[27]。</p><p><b>　　1.4 課題意義</b><

41、/p><p>　　綜合上面的探討，可以發(fā)現(xiàn)，在無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)中，低速率、低成本、低功耗的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在道路交通監(jiān)測應(yīng)用中有著其得天獨厚的優(yōu)勢，是有可能將之實際實現(xiàn)的，伴隨著社會的更進(jìn)一步的繁榮，道路交通的管理亦會越來越受到重視，而無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，也將會有其大展拳腳的機會。在本課題的后面的實驗分析中，我將通過實際的實驗結(jié)果來顯示無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)點。而對于我來說，本課題的意義不僅止于此。本次畢業(yè)設(shè)計，既是將以前所學(xué)

42、知識做一次有目的的整理，又是對自己學(xué)習(xí)新知識新技術(shù)的考驗。通過本課題，我學(xué)到的不僅僅有無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的知識，還有如何快速學(xué)習(xí)新知識，如何將這些學(xué)習(xí)的本領(lǐng)應(yīng)用到實際設(shè)計中的方法。</p><p>　　2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)組成</p><p>　　前面已經(jīng)提到，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)是由大量的節(jié)點構(gòu)成。1.2中的圖也顯示了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的直觀結(jié)構(gòu)。事實上，作為一個完整的系統(tǒng)，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)

43、不僅僅包含節(jié)點，而且還需要有各個節(jié)點相互通信的協(xié)議、負(fù)責(zé)后期數(shù)據(jù)顯示的顯示界面以及讓不同節(jié)點各司其職的軟件設(shè)計。另外，對于具體的監(jiān)測環(huán)境與監(jiān)測需求，我們需要根據(jù)具體的需要來選擇網(wǎng)絡(luò)的硬件。需要對節(jié)點的硬件要有相應(yīng)的擴充或是更改，也需要有合適的協(xié)議選擇，更需要根據(jù)實際情況，選擇恰當(dāng)?shù)娘@示軟件。下面將就本課題中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的硬件、協(xié)議、顯示軟件展開討論。</p><p>　　2．1節(jié)點的硬件組成</p>

44、<p>　　硬件部分是以寧波中科集成電路設(shè)計中心有限公司設(shè)計開發(fā)的GAINSJ無線傳感網(wǎng)絡(luò)平臺為基礎(chǔ)，在GAINSJ節(jié)點具備溫濕度傳感器的前提下，通過I/O口擴展連接磁阻傳感器。其硬件部分主要有以下幾個方面構(gòu)成：電磁傳感器，MPU控制單元，信號收發(fā)單元，結(jié)冰傳感器，電源部分，具體如下圖2-1所示：</p><p>　　圖2-1 單節(jié)點的總體硬件結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　1、

45、MCU控制單元，主要是進(jìn)行數(shù)據(jù)相應(yīng)處理，控制整個節(jié)點；</p><p>　　2、信號收發(fā)單元，接收和收發(fā)數(shù)據(jù)，向MCU輸入接收到的數(shù)據(jù)，并將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)發(fā)送出去，完成與其他節(jié)點的通信；</p><p>　　3、電源部分，整個節(jié)點的能源供給（電池供電）， 電池供電的好處是每個傳感器節(jié)點的能量消耗管理與補充，不會因為電池能量過度浪費而導(dǎo)致系統(tǒng)壽命過短，大程度的減少人工充電的次數(shù)，也不會因為能

46、量供應(yīng)范圍而限制到傳感器節(jié)點的布置廣度，克服了一般傳感器的能量限制條件，延長了整個系統(tǒng)的使用壽命。</p><p>　　4、傳感器模塊， 實際應(yīng)用中，結(jié)冰傳感器（溫濕度傳感器）完成路面溫濕度情況采集，電磁傳感器為擴充傳感器，完成車輛監(jiān)測。</p><p>　　2.1.1 GAINSJ開發(fā)板</p><p>　　GAINSJ是寧波中科集成電路設(shè)計中心有限公司基于JN

47、5121/JN5139設(shè)計開發(fā)出的無線傳感網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，工作在2.4GHz頻段上。GAINSJ開發(fā)板在保證原產(chǎn)性能的基礎(chǔ)上，采用串行接口直接下載和調(diào)試程序。另外的40個I/O接口，將主芯片上的主要接口全部引出，可以在節(jié)點上擴展各種傳感器子板，用于感知車輛的磁阻傳感器就是加載于此。板載的溫濕度傳感器，用于監(jiān)測節(jié)點所處環(huán)境狀況，節(jié)點上提供的按鍵和LED燈可以用于程序調(diào)試和節(jié)點狀態(tài)指示[12]。GAINSJ開發(fā)套件由GAINSJ節(jié)點、軟件開發(fā)

48、包、實驗教程及軟件后臺iSnamp-J等內(nèi)容組成，具有如下特性：</p><p>　　(1) 板載溫濕度傳感器，用于監(jiān)測節(jié)點所處環(huán)境狀況。</p><p>　　(2) 提供RS232接口，用于flash編程、在線調(diào)試。</p><p>　　(3) 提供網(wǎng)絡(luò)可視化后臺軟件ISNAMP-J。</p><p>　　(4) 提供開發(fā)板及其外圍器件的參

49、考設(shè)計。</p><p>　　(5) 提供完整的SDK和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，協(xié)議棧使用C言開發(fā)，易于開發(fā)與移植。</p><p>　　(6) 提供不受限制的軟件開發(fā)環(huán)境、編譯器、FLASH編程器等工具鏈。</p><p>　　(7) 提供無線網(wǎng)絡(luò)庫、控制器和外圍設(shè)備庫[5]。</p><p>　　本課題的MCU和信號收發(fā)單元采用的是Jennic公司的

50、JN5139模塊，它基于第二代無線通信模塊，能方便用戶在IEEE 802.15.4或者Zigbee的基礎(chǔ)上以短時間與低成本進(jìn)行二次開發(fā)。JN5139模塊提供了從微控制器中的數(shù)據(jù)到無線收發(fā)的一整套完整方案，用戶在編程時只需要將要發(fā)送和接受的數(shù)據(jù)通過相應(yīng)的模塊函數(shù)，就可直接實現(xiàn)數(shù)據(jù)發(fā)送和接收，省去了用戶將微控制器與無線收發(fā)模塊的連接。表2-1為JN5139處理器的特性參數(shù)。</p><p>　　表2-1JN5139

51、 Soc芯片的MCU主要特性[7]</p><p>　　2.1.2 電磁傳感器模塊</p><p>　　車輛數(shù)目、速度的測量方法很多，考慮到車輛中有大量的鐵材料，鐵可以影響磁場的分布，為了實現(xiàn)道路上車輛的探測，電磁傳感器是一種不錯的選擇。在電磁傳感器模塊，我們首先考慮一種基于HMC1021的電磁傳感器，HMC1021是Honeywell公司生產(chǎn)的磁阻傳感芯片，其主要原理是利用磁感應(yīng)電阻受磁

52、場的影響，只需要外界提供工作電壓就能夠很方便的監(jiān)測外部電磁場的變化（具體原理和引腳圖如下圖2-2所示）。</p><p>　　圖2-2 HMC1021Z 外部引腳圖[24]</p><p>　　在地球磁場所提供的大的外環(huán)境下，當(dāng)車輛通過時，會對某點的磁場產(chǎn)生擾動，通過監(jiān)測地球磁場的變化判斷車輛通過信息。這種磁場的變化主要表現(xiàn)為磁力線的變化，這種變化通過傳感器轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的電壓變化輸出，圖2

53、-3為汽車通過對地磁場的影響示意圖：</p><p>　　圖2-3 電磁傳感器采集汽車信號示意圖[24]</p><p>　　車輛通過會讓探測器的輸出電壓發(fā)生改變，而沒有車輛通過探測器周邊的磁場相對穩(wěn)定，輸出電壓也相對穩(wěn)定。因此，只需要判斷輸出電壓是否有變化就能判斷是否有車輛通過。由于探測器的輸出最終要和單片機匹配，所以，在設(shè)計的時候?qū)敵鲭妷盒盘栕詈笠M(jìn)行適當(dāng)放大，選定好傳感器后，我們需

54、要將其與微控制器進(jìn)行有效地連接。連接示意圖如圖2-4所示：</p><p>　　圖2-4 電磁傳感器與微控制器連接示意圖[24] </p><p>　　由于傳感器的輸出電壓與微控制器芯片的有效輸入電壓不一致，而且信號采集后會有一定的雜波干擾，所以我們需要對傳感器采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行放大和濾波，然后再輸入給微控制器，另一方面，微控制器也要發(fā)出復(fù)位信號來控制傳感器的數(shù)據(jù)初始化復(fù)位。下面為傳感器芯片

55、與放大電路連接圖2-5：</p><p>　　圖2-5 地磁場測量與放大電路部分連接圖[24]</p><p>　　2．2 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議</p><p>　　在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，每個節(jié)點既完成數(shù)據(jù)采集任務(wù)又負(fù)責(zé)系統(tǒng)中路由傳輸?shù)墓δ?，因此，?jié)點間的工作關(guān)系需要一種專門的協(xié)議來制約。當(dāng)下熱門的無線通信協(xié)議大致上有藍(lán)牙（Bluetooth）、超寬帶（UWB）、Wi-F

56、i以及ZigBee通信協(xié)議。本課題采用的通信協(xié)議是ZigBee通信協(xié)議，其具有明顯的低功耗和低成本的特性，以下是ZigBee通信協(xié)議與其它幾種通信協(xié)議的比較：</p><p>　　表2-2Zigbee與幾種短距離無線通信技術(shù)的比較[31]</p><p>　　ZigBee/IEEE 802.15.4是一種新興的短距離、低速率、低成本、低功耗的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。它采用直接序列擴頻（DSSS）技

57、術(shù)、工作頻率為868MHZ、915MHZ、2.4GHZ的ISM頻段[6]。具有應(yīng)用方面、自動組織網(wǎng)絡(luò)和自動選擇最佳路由傳輸、能耗低可用電池供電、可靠性高和成本低等優(yōu)點，能夠廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、醫(yī)療、軍事、環(huán)境監(jiān)測等方面。IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)定義了物理層和MAC子層。物理層包括射頻收發(fā)器和底層控制模塊，MAC子層為高層提供了訪問物理信道的服務(wù)接口[6]。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)在此基礎(chǔ)上擴展了網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涞拇罱?/p>

58、和維護(hù)，以及設(shè)備尋址和路由等，應(yīng)用層則負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)收集、設(shè)備發(fā)現(xiàn)、服務(wù)發(fā)現(xiàn)以及安全與鑒權(quán)等[3]。 </p><p>　　下圖2-6顯示了協(xié)議層次之間的關(guān)系：</p><p>　　圖2-6 IEEE802.15.4協(xié)議棧架構(gòu)</p><p>　　從上圖不難看出，Zigbee標(biāo)準(zhǔn)是建立于IEEE 802.15.4基礎(chǔ)之上，同時包括部分IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)

59、的[28]，簡單來說，Zigbee標(biāo)準(zhǔn)是溝通用戶與實際物理層的橋梁，是將用戶思想與硬件實際結(jié)合的有效手段。</p><p>　　ZigBee協(xié)議的常用網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)大致有三種：星狀結(jié)構(gòu)、樹狀結(jié)構(gòu)（簇狀結(jié)構(gòu)）、網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。</p><p>　　星型網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一個單跳（single-hop）系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都與基站和網(wǎng)關(guān)進(jìn)行雙向通信[6]。這是一種主從結(jié)構(gòu)，在星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)渲?，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器必須是FF

60、D，負(fù)責(zé)發(fā)起和構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，以及數(shù)據(jù)向上級控制終端的傳輸，而且協(xié)調(diào)器直接與所有的從屬設(shè)備（路由設(shè)備或者終端設(shè)備）進(jìn)行通信。這種ZigBee網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較顯著的特點是網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)簡單、組網(wǎng)方便、功耗小、同時網(wǎng)絡(luò)容納量大，一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)最多可以有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)者和65535個從屬裝置；但同時，這種星型也存在致命缺點：如果協(xié)調(diào)器節(jié)點無法正常工作，整個網(wǎng)絡(luò)將陷于癱瘓的狀態(tài)，這是由于所有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)是往協(xié)調(diào)器節(jié)點匯聚發(fā)送的。同時，協(xié)調(diào)器節(jié)點很容易突破不了

61、由于數(shù)據(jù)匯聚造成擁堵的瓶頸，尤其是當(dāng)一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓展到65000多節(jié)點的情況下，網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的傳遞基本要讓匯聚節(jié)點崩潰[6]。</p><p>　　另一種網(wǎng)絡(luò)是樹狀形網(wǎng)，可以是擴展的單個星狀網(wǎng)或是互聯(lián)的兩個星狀網(wǎng)組成；再有一種是網(wǎng)狀網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)中的每個全功能器件同時可作為路由器[29]。網(wǎng)狀或者樹狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是多條系統(tǒng)，所有節(jié)點都是相同的處于同一等級，可以直接互相通信，與協(xié)調(diào)器節(jié)點進(jìn)行數(shù)據(jù)和命令傳輸，在樹狀網(wǎng)中

62、，所有的節(jié)點都有多條路徑到達(dá)網(wǎng)關(guān)或其它節(jié)點，因此具有很強的網(wǎng)絡(luò)傳輸性能，但同時傳輸花費的功耗也更大，因為節(jié)點始終在“監(jiān)聽”和判斷傳輸路徑。在ZigBee網(wǎng)絡(luò)三種結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)是最靈活的，這是由于數(shù)據(jù)從源節(jié)點到目的節(jié)點的發(fā)送可以有很多種傳輸路徑的選擇，而且如果在網(wǎng)絡(luò)中某個傳輸路徑由于某個節(jié)點無法正常工作而中斷，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)路由和自組網(wǎng)性能會重新尋找一條可行的傳輸路徑進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)，因此網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)具有更小的網(wǎng)絡(luò)延時和更加可靠的穩(wěn)定性

63、[5]。如下為網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)示意圖2-7：</p><p>　　圖2-7 ZigBee網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?lt;/p><p>　　ZigBee協(xié)議具有很強的自組網(wǎng)自配置特性，在通信過程中，具有很強的路由自我調(diào)節(jié)能力。具體表現(xiàn)為，如果網(wǎng)絡(luò)中某個節(jié)點無法正常工作，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的路由功能會重新發(fā)起和尋找一條新的鏈路，并不會導(dǎo)致整個網(wǎng)絡(luò)的癱瘓而無法通信，所以具有很強的穩(wěn)定性[22]。由于ZigBee網(wǎng)絡(luò)在理論上能

64、支持?jǐn)U展連接65000個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，因此，通過布置大量的節(jié)點設(shè)備，ZigBee網(wǎng)絡(luò)可應(yīng)用于在移動、某些惡劣的環(huán)境[30]。</p><p>　　在IEEE 802.15.4發(fā)展的基礎(chǔ)上，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義了2種器件：全功能器件（Full-Function Device，F(xiàn)FD）和簡化功能器件（Reduced-Function Device，RFD）。對于FFD，要求支持所有的基本參數(shù)，而對于RFD，則系需要支持部

65、分參數(shù)。以此為基礎(chǔ)，ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義3種網(wǎng)絡(luò)設(shè)備：PAN協(xié)調(diào)器(PAN Coordinator)、路由器(Router)和終端設(shè)備(EndDevice)。PAN協(xié)調(diào)器與在IEEE 802.15.4里定義的協(xié)調(diào)器相同，是一個全功能設(shè)備。作為網(wǎng)絡(luò)的匯聚節(jié)點和發(fā)起者，它也同樣提供消息路由和其他的服務(wù)，而且一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)必須只能有一個協(xié)調(diào)器，必須一直處于工作狀況。不能休眠。因此，協(xié)調(diào)器在供電和配置上要求較高。ZigBee路由器也是一個

66、全功能設(shè)備，在于樹狀網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)中，至少要有一個路由器節(jié)點，它的主要功能就是在節(jié)點之間進(jìn)行消息路由，Router不能休眠。ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的終端設(shè)備(EndDevice) Enddevice的主要任務(wù)是發(fā)送和接收消息，它不能路由消息，也不具有組織網(wǎng)絡(luò)的功能[3]。</p><p>　　2.3 系統(tǒng)的顯示界面</p><p>　　為了測試系統(tǒng)是否工作正常，或者是調(diào)試檢查程序運行的結(jié)果，我

67、們需要將節(jié)點的數(shù)據(jù)信息有一個清晰完整的展示，這就要用到顯示界面。在波中科集成電路設(shè)計中心有限公司提供的GAINSJ開發(fā)套件里面，包括了串口調(diào)試工具和軟件后臺iSnamp-J顯示界面，除此之外，我們還有直觀波形顯示的VB圖像顯示界面。</p><p>　　2.3.1串口調(diào)試工具</p><p>　　串口調(diào)試工具是GAINSJ開發(fā)套件附贈的用于檢測節(jié)點數(shù)據(jù)的軟件。擁有簡易的顯示功能，能夠顯示數(shù)

68、字和字符，但不能顯示圖形；端口的配置為自動檢測，不需要編寫程序，可以在接收端靈活配置波特率和數(shù)據(jù)位，這極大的方便初期程序結(jié)果的顯示；另外能夠手動或者自動的清空接受區(qū)，支持十六進(jìn)制顯示；而且，能夠?qū)?shù)據(jù)的發(fā)送顯示出來，這可以檢測兩個節(jié)點是否能夠無線傳遞數(shù)據(jù)。綜上所訴，串口調(diào)試工具是畢設(shè)實驗前期必用的顯示界面，其具體圖示如下2-8： 圖2-8 串口調(diào)試工具界面圖</p>&l

69、t;p>　　2.3.1 VB圖形界面顯示</p><p>　　為了將系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)分析后用圖形直觀的顯示出來，需要一個直觀有效的圖形顯示界面。本界面能夠?qū)崟r讀取通信數(shù)據(jù)，并實時刷新顯示（軟件界面如圖2-9所示）。</p><p>　　圖2-9 PC顯示軟件界面圖</p><p>　　此軟件顯示的信息主要包含采集的電壓波形和溫度濕度信息兩部分內(nèi)容，其中電壓波

70、形能夠直觀的看到是否有車輛經(jīng)過，而溫度與濕度的結(jié)果則直接以數(shù)值的顯示表現(xiàn)出來。此軟件能夠?qū)Χ喙?jié)點同時顯示，也能夠?qū)喂?jié)點進(jìn)行選擇顯示。在圖像部分，縱軸表示電壓的變化，橫軸顯示時間變化；由于前期電路設(shè)計的時候考慮到電壓的負(fù)向輸出，所以存在一個直流的電壓偏置，在沒有車輛經(jīng)過時，直流偏置的大小為1.5v，最大的電壓幅值為2.4v；一般而言，為了對多節(jié)點同時顯示的波形或者單節(jié)點波形進(jìn)行直觀對比，用戶可以調(diào)節(jié)橫軸的時間掃描周期。同時考慮到與JN5

71、139處理器的數(shù)據(jù)上傳速率匹配，為了盡量減小數(shù)據(jù)的延時，盡量采用高的數(shù)據(jù)傳輸率，本實驗中設(shè)置的傳輸速率為115200 Baud/S。另外，本界面的車速和車流顯示不是通過分析波形得到，而是由節(jié)點處理數(shù)據(jù)后發(fā)送，這簡化了電腦的數(shù)據(jù)處理，但也增加了節(jié)點驅(qū)動程序設(shè)計的負(fù)擔(dān)[5]。</p><p><b>　　2.4 本章小結(jié)</b></p><p>　　本章介紹了無線傳感器網(wǎng)

72、絡(luò)節(jié)點的硬件組成，GAINSH開發(fā)板的各個部件的功能，詳細(xì)講述了電磁傳感器的原理以及電磁傳感電路的設(shè)計，然后闡述了無線傳感網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議，最后還介紹了顯示軟件，細(xì)述了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)與層次。</p><p><b>　　3 系統(tǒng)軟件設(shè)計</b></p><p>　　本課題采用的GAINSJ是寧波中科集成電路設(shè)計中心有限公司基于JN5121/JN5139設(shè)計開發(fā)出的無

73、線傳感網(wǎng)絡(luò)實驗平臺，處理器芯片是Jennic公司的JN5139模塊芯片，是專門針對WSN應(yīng)用開發(fā)的芯片，公司為了保障其協(xié)議產(chǎn)權(quán)信息，并沒有提供詳細(xì)的MCU內(nèi)核和其具體的寄存器、存儲器等信息，這和傳統(tǒng)的51和ARM等類型的微控制器是不一樣的。因此，在開發(fā)過程中，需要用到Jennic公司為用戶提供的專門針對硬件操作的API（Integrated Peripherals API）函數(shù)和對應(yīng)的編譯軟件Jennic Code：：Blocks（兼容

74、C++語言）。</p><p>　　3.1 Jennic Code：：Blocks軟件簡介</p><p>　　GAINSJ集成開發(fā)環(huán)境包括編輯編譯環(huán)境，集成編譯環(huán)境采用的是開源軟件Jennic Code：：Blocks。安裝完成后，打開Code：：Blocks軟件，其界面如圖3-1：</p><p>　　圖3-1 Code：Blocks主界面</p>

75、<p>　　在次軟件下新建工程，會有一系列的選擇，下圖3-2為Jennic開發(fā)應(yīng)用類型選擇，對應(yīng)2.2中所述的3種設(shè)備：</p><p>　　圖3-2 開發(fā)應(yīng)用類型選擇</p><p>　　無論選擇什么開發(fā)類型，Code：：Blocks都會生成相應(yīng)的main文件，用戶可以在此文件里面用c++語言和API函數(shù)進(jìn)行編程，也可以將用戶編寫的c++文件直接添加到工程中，如圖3-3為生成

76、工程文件后的編輯界面:</p><p>　　圖3-3 程序編輯界面</p><p>　　C++語言很多人都學(xué)習(xí)過，其特點是簡單易懂。而對于API函數(shù)，其好處在于：只要用戶拿著API（Application Queue API）函數(shù)手冊，按照自己需求在main文件的程序結(jié)構(gòu)里放置相應(yīng)的API函數(shù)就可以實現(xiàn)對外部硬件的控制，并能夠在此基礎(chǔ)上用API函數(shù)和c++語言進(jìn)行應(yīng)用層的開發(fā)，可以說，AP

77、I函數(shù)手冊中的針對不同的應(yīng)用定義了大量應(yīng)用函數(shù)，為用戶的開發(fā)節(jié)省了很多工作量。但另外一個方面，也即是其不好的地方在于：初學(xué)者需要花很長的時間去學(xué)習(xí)其相應(yīng)的API（Application Queue API）函數(shù)，而很多API函數(shù)又無法用相應(yīng)的c++語言替代。 在IEEE 802.15.4的推動下，ZigBee技術(shù)不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域取得了成功的應(yīng)用，在未來其應(yīng)用可能涉及人類生活和社會生產(chǎn)活動的所有領(lǐng)域，真正實現(xiàn)不

78、所不在的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee技術(shù)建立在IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)之上，ZigBee聯(lián)盟對ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議和API進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)化。下面為幾類常用的API函數(shù)。</p><p>　　(1) Analogue Peripherals類：vAHI_ApConfigure，bAHI_APRegulatorEnabled，vAHI_APRegisterCallback。這類函數(shù)主要應(yīng)用于ADC，DAC和比較器中。&

79、lt;/p><p>　　(2) ADC類：vAHI_AdcEnable，vAHI_AdcStartSample，bAHI_AdcPoll，u16AHI_AdcRead，vAHI_AdcDisable。JN5139芯片提供4路12位AD轉(zhuǎn)換，可提供連續(xù)轉(zhuǎn)換和單次轉(zhuǎn)換兩種模型。</p><p>　　(3) DIO類：JN5139和常規(guī)MCS51單片機不同，有21個通用數(shù)字I/O口，可用作高

80、8位和低8位數(shù)據(jù)總線，睡眠喚醒中斷等作用。</p><p>　　(4) UARTs類：此類API函數(shù)主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的傳輸通道設(shè)置和收發(fā)。包含UART 0和UART 1兩路，分別通過DIO口的4、5、6、7和17、18、19、20幾個端口跟串口和無線收發(fā)器相聯(lián)[5]。</p><p>　　在初步學(xué)習(xí)了API函數(shù)后，我們運用CodeBlocks軟件進(jìn)行節(jié)點程序的設(shè)計。</p>

81、<p>　　3.2 節(jié)點驅(qū)動程序設(shè)計</p><p>　　傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)中節(jié)點按照功能可分為子節(jié)點(路由節(jié)點和終端節(jié)點）和匯聚節(jié)點（Sink節(jié)點）。其中子節(jié)點主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集，有效數(shù)據(jù)的簡單處理和路由傳輸功能，而Sink節(jié)點主要完成本區(qū)域內(nèi)的節(jié)點管理，包括發(fā)起網(wǎng)絡(luò)、輸出時鐘、數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)計算、數(shù)據(jù)融合，同時，匯聚節(jié)點還需要完成對上層顯示控制設(shè)備的數(shù)據(jù)通信。由于兩者功能存在很大差異，所以在系統(tǒng)設(shè)計的時候

82、，應(yīng)該將它們的技術(shù)研究的重點區(qū)分開來。</p><p>　　3.2.1子節(jié)點程序設(shè)計</p><p>　　子節(jié)點上電啟動后，將會首先向本區(qū)域內(nèi)的Sink節(jié)點申請入網(wǎng)，由本地的sink節(jié)點判斷是否同意，如果不同意則將繼續(xù)發(fā)送申請信號，直到入網(wǎng)完成后才進(jìn)行后續(xù)的工作。完成入網(wǎng)工作后，節(jié)點內(nèi)部工作示意圖如下圖所示</p><p>　　圖3-5 子節(jié)點工作示意圖[5]<

83、;/p><p>　　節(jié)點啟動之后，若入網(wǎng)完成，則進(jìn)行初始化操作，此時的初始化主要指串口初始化、本地節(jié)點的MAC地址分配、數(shù)據(jù)存儲空間的分配、接收緩存的清零與定時計數(shù)器的初始化，初始化完成后，進(jìn)行中斷的設(shè)置與對工作狀態(tài)進(jìn)行直觀判斷的LED燈顯示設(shè)置。當(dāng)上述步驟完成后，節(jié)點將會等待sink節(jié)點發(fā)送過來的控制信號，接收到控制信號相關(guān)的數(shù)據(jù)后，為了進(jìn)行對數(shù)據(jù)的下一步操作，需要接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷。根據(jù)事先設(shè)置判斷接收到的數(shù)據(jù)為

84、時間信息還是控制信息。其中時間信息為本地Sink節(jié)點發(fā)送的時間同步的標(biāo)準(zhǔn)時間，而控制信息則是Sink節(jié)點發(fā)送的管理信息。若判斷接收的數(shù)據(jù)為時間信息，則本節(jié)點進(jìn)行時間校準(zhǔn)，完成后將會給Sink節(jié)點一個時間校準(zhǔn)完成后的信息；若判斷為控制信息，則進(jìn)行數(shù)據(jù)提取，則根據(jù)此數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷是否需要對本地節(jié)點進(jìn)行模式轉(zhuǎn)換。</p><p>　　系統(tǒng)設(shè)計時為子節(jié)點設(shè)置了三種不同的工作模式：監(jiān)聽、睡眠和工作[31]。此處子節(jié)點設(shè)計只考

85、慮睡眠和工作，在睡眠模式下，節(jié)點不需要任何操作，數(shù)據(jù)采集功能將會全部關(guān)閉，只需要定期對外在信息進(jìn)行接收和檢查是否有來自Sink節(jié)點的管理信息來判斷是否需要喚醒，此時節(jié)點的功耗將會最小。一般而言睡眠模式下，子節(jié)點的對外在信息的接收周期越長，功耗將會越低，但是為了防止長時間的錯過Sink節(jié)點發(fā)出的喚醒指令。而在工作模式下，子節(jié)點的路由和數(shù)據(jù)采集功能將會全部開啟，此時節(jié)點的功耗最大。如果進(jìn)入工作模式，則進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。</p>&

86、lt;p>　　圖3-6 子節(jié)點工作流程圖</p><p>　　數(shù)據(jù)采集程序是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中子節(jié)點軟件部分的基礎(chǔ)，對于一個網(wǎng)絡(luò)而言，首先要保證的是數(shù)據(jù)能夠成功采集，可以說數(shù)據(jù)采集程序是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的最前端部分。完成數(shù)據(jù)采集的關(guān)鍵是要理解GAINSJ開發(fā)套件溫濕度傳感器的使用和串口的應(yīng)用。下圖3-5為數(shù)據(jù)采集模塊工作流程圖。</p><p>　　圖3-7 數(shù)據(jù)采集工作流程圖</

87、p><p>　　節(jié)點啟動上電后，先進(jìn)行初始化，然后是傳感器開啟配置，以一定的頻率開始采集數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)采集完成后，進(jìn)行判斷，有效則進(jìn)行計數(shù)處理，然后將數(shù)據(jù)整理發(fā)送，并返回重新啟動。采集頻率由定時器中斷控制，定時器的中斷為每隔10ms中斷一次，即每隔10ms采集一次電磁傳感器的電壓數(shù)據(jù)。下面為計數(shù)部分的程序：</p><p>　　PRIVATE void count(void)</p>

88、<p><b>　　{</b></p><p>　　uint16 v1;</p><p>　　v1 = sBattSensor.u16Reading;//采集數(shù)據(jù)接收</p><p>　　if ((cdata.a == 1) &&(v1 <1800))//判斷是否為下降脈沖且到達(dá)臨界</p>&

89、lt;p><b>　　{</b></p><p>　　cdata.b=cdata.b+1;//到達(dá)則加一</p><p><b>　　}</b></p><p>　　if(v1>1800)</p><p><b>　　{</b></p><p&g

90、t;　　cdata.a=1;//判斷數(shù)據(jù)是否高于臨界</p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　cdata.a=0;</p><p><b>

91、;　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　完成數(shù)據(jù)的采集以后，我們需要對其進(jìn)行檢驗，實驗的結(jié)果將會在下一章節(jié)進(jìn)行說明。</p><p>　　3.2.2 匯聚節(jié)點程序設(shè)計</p><p>　　子節(jié)點完成數(shù)據(jù)的采集，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，而Sink節(jié)點則需要匯聚處理子節(jié)點

92、信息，同時將其傳遞給上面的控制中心，是連接子節(jié)點和控制中心的“紐帶”。在整個道路交通檢測系統(tǒng)中，為了實現(xiàn)大范圍的測量，需要在道路上鋪設(shè)大量子節(jié)點，這將會產(chǎn)生巨大的信息量，對這些信息，需要對數(shù)據(jù)進(jìn)行緩沖和篩選，所以需要一個媒介通道，將監(jiān)測區(qū)域和控制中心連接起來，而Sink節(jié)點正是負(fù)責(zé)此功能。為了便于管理無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，需要Sink節(jié)點對各自區(qū)域的子節(jié)點進(jìn)行管理和數(shù)據(jù)融合如，下圖3-8所示，為Sink節(jié)點的工作示意圖：</p>

93、;<p>　　圖3-8 協(xié)調(diào)器設(shè)備工作示意圖[3]</p><p>　　在sink網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上電后，首先進(jìn)行能量掃描，然后是事件處理，重點是建立網(wǎng)絡(luò)，協(xié)調(diào)器利用MAC層提供的掃描功能，在設(shè)定合適的信道、PAN ID以及網(wǎng)絡(luò)地址后，便開始發(fā)送信標(biāo)幀，等待其他的設(shè)備請求加入，其內(nèi)部事件處理具體過程如下圖3-9：</p><p>　　圖3-9 Sink節(jié)點工作流程圖</p>

94、;<p>　　當(dāng)系統(tǒng)啟動的時候，Sink節(jié)點將會從開始就緒狀態(tài)完成基本外設(shè)的初始化，主要是與控制終端通信初始化、外部設(shè)備和內(nèi)部時鐘的初始化。完成后Sink節(jié)點進(jìn)入等待狀態(tài)，不斷查詢直到有來自外部節(jié)點的無線通信信息，按照不同的信息進(jìn)行不同的下一步操作。</p><p>　　此處設(shè)計為三種信息類型：組網(wǎng)請求信息，時間校準(zhǔn)信息和數(shù)據(jù)信息。其中組網(wǎng)請求信息為下級子節(jié)點在入網(wǎng)申請時所發(fā)的信息，需要本地判斷后才

95、同意子節(jié)點入網(wǎng)，如果同意則Sink節(jié)點將會與發(fā)送該入網(wǎng)申請信息的子節(jié)點建立網(wǎng)絡(luò)連接，并對此子節(jié)點時鐘校準(zhǔn)，如果不同意入網(wǎng)則忽略此信息且返回等待數(shù)據(jù)接收；時間校準(zhǔn)信息為時間同步的時候下級子節(jié)點對時間校準(zhǔn)是否完成時對本地Sink節(jié)點的一種回應(yīng)信息，根據(jù)回應(yīng)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)判斷子節(jié)點是否時間同步完成，如果完成則返回繼續(xù)等待數(shù)據(jù)的接收，而如果時間校準(zhǔn)未完成，則將發(fā)送時間給下級節(jié)點直到時間校正完成為止；而數(shù)據(jù)信息則為下級子節(jié)點對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行上傳的信息

96、，此時Sink節(jié)點將會對所接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行緩存，并如其他節(jié)點的信息進(jìn)行比較計算，看在同一掃描周期內(nèi)，多節(jié)點是否有數(shù)據(jù)冗余項，若有則刪除冗余項后再返回繼續(xù)計算，若沒有則進(jìn)行下一項計算操作[5]。</p><p>　　綜合子節(jié)點與sink的工作流程可以得出一個簡單的比較，圖3-10是監(jiān)測系統(tǒng)中協(xié)調(diào)器節(jié)點和子節(jié)點工作軟件程序流程圖：</p><p>　　圖3-10 系統(tǒng)協(xié)調(diào)器和子節(jié)點工作軟件流程

97、圖[3] </p><p><b>　　3.3本章小結(jié)</b></p><p>　　本章對軟件設(shè)計工作中編程軟件Jennic Code：：Blocks進(jìn)行了簡單的介紹。然后主要介紹子節(jié)點和sink節(jié)點驅(qū)動程序的編程思路，簡單來說，子節(jié)點與sink節(jié)點的工作模式區(qū)別在于，子節(jié)點啟動后采集數(shù)據(jù)然后發(fā)送，而sink節(jié)點啟動后接受數(shù)據(jù)然后處理，并發(fā)送給控制終端。</

98、p><p><b>　　4結(jié)果分析</b></p><p>　　軟件設(shè)計完成后，我們需要對編寫的軟件進(jìn)行一系列的結(jié)果分析，通過分析實驗結(jié)果來驗證程序的編寫是否通過。在整個無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計過程中，我們需要多次反復(fù)的進(jìn)行實驗，然而正確的實驗結(jié)果只有一個，即無線傳感器網(wǎng)絡(luò)能夠完全的實現(xiàn)其功能。因此，即使到目前為止，我們?nèi)匀徊荒苷f整個課題——高速公路車輛監(jiān)測無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究已

99、經(jīng)完成。但目前的結(jié)果能夠?qū)ξ覀兊墓ぷ髯鲆粋€讓人一目了然的總結(jié)，同時也能夠?qū)o線傳感器網(wǎng)絡(luò)有更好的更形象的認(rèn)識，也能夠為后來的研究者做一些參考，這恰恰正是我們最期望的。下面我將就無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)采集和組網(wǎng)測試進(jìn)行結(jié)果分析。</p><p>　　4.1 數(shù)據(jù)采集結(jié)果</p><p>　　由于數(shù)據(jù)采集節(jié)點每一個的采集程序都是一樣的，所以我們只用一個節(jié)點的情況反映數(shù)據(jù)采集結(jié)果。為了對測量的結(jié)果

100、有直觀的認(rèn)識，需要利用PC顯示軟件來對數(shù)據(jù)結(jié)果計算出來，下面為單節(jié)點情況下數(shù)據(jù)采集結(jié)果:</p><p>　　圖4-1 計數(shù)為0時節(jié)點數(shù)據(jù)采集信息</p><p>　　上圖4-1為應(yīng)用串口顯示工具界面上的數(shù)據(jù)顯示，串口調(diào)試工具的好處是可以在界面進(jìn)行串口參數(shù)的配置，而且對與數(shù)據(jù)的輸出方式不限要求，是實驗早期階段和實驗檢查室的有效工具，通過圖可以發(fā)現(xiàn)，輸出的濕度值為70，溫度為28度，計數(shù)結(jié)果

101、由于沒有鐵質(zhì)物經(jīng)過，所以為0，輸出的電壓波動不大，計數(shù)實際是以1ms為單位增加。</p><p>　　圖4-2 計數(shù)為2時節(jié)點數(shù)據(jù)采集信息</p><p>　　數(shù)據(jù)采集開始，用鐵質(zhì)在電磁傳感器前面經(jīng)過，計數(shù)加1，上圖4-2是經(jīng)過兩次后的串口顯示軟件界面結(jié)果顯示。有上面圖4-1和圖4-2可以看出，數(shù)據(jù)采集模塊的計數(shù)已經(jīng)完成。在采集完成后，要將數(shù)據(jù)顯示在vb界面上，需要對數(shù)據(jù)的發(fā)送順序和vb的

102、接受進(jìn)行協(xié)調(diào)管理。下圖4-3為將圖形顯示界面與節(jié)點連接前最后進(jìn)行的數(shù)據(jù)檢查結(jié)果：</p><p>　　圖4-3 界面設(shè)計前數(shù)據(jù)檢查結(jié)果圖</p><p>　　圖4-3顯示的數(shù)據(jù)分別溫度2位27度，電壓4位，濕度2位，數(shù)值為72，計數(shù)1位，數(shù)目為2，時間最后3位，數(shù)據(jù)總長12位，這是為了顧及vb顯示界面接受而設(shè)計的，通過這樣顯示的數(shù)據(jù)，能夠在vb界面內(nèi)被正確調(diào)用。</p>&l

103、t;p>　　4.2 vb圖形界面結(jié)果</p><p>　　節(jié)點能夠在串口調(diào)試工具上顯示結(jié)果后，關(guān)閉串口調(diào)試工具，啟動vb顯示界面，配置vb界面的串口參數(shù)與節(jié)點輸出參數(shù)一致，打開節(jié)點開關(guān)，運行vb顯示程序，結(jié)果如下圖4-4所示：</p><p>　　圖4-4 節(jié)點未開啟的波形顯示圖</p><p>　　單節(jié)點觀察模式下，只對節(jié)點1處的電磁傳感器輸出波形進(jìn)行查看

104、。當(dāng)沒有車輛通過時，電磁傳感器的電壓輸出保持在偏置直流狀態(tài)，測量的結(jié)果約為1.5 V。當(dāng)有車輛通過節(jié)點1處時，車輛對附近的地磁場產(chǎn)生干擾，由于車體位置的不同造成有的地方產(chǎn)生磁場匯聚，有的地方磁場發(fā)散。由于HMC1021的長軸方向和地球磁場方向相反，所以在車輛磁場匯聚的地方輸出電壓減小，而磁場發(fā)散的地方電壓輸出增加。為了方便觀察，將電壓波形分別以單節(jié)點觀察的模式顯示出來。其中車流量為子節(jié)點處記錄的電壓下降沿超過臨界值的數(shù)目，結(jié)果如圖4-5