基于Zigbee的智能車運行狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)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(shù)于一身的綜合系統(tǒng)。在智能車的設(shè)計和制作過程中，控制算法調(diào)試是一個極其重要而又關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，面臨著許多急需解決的問題：智能車能否按照事先設(shè)計的思路運行；控制策略是否符合實際需求；運行中出現(xiàn)問題時，智能車的各項實時參數(shù)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(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，使用拉格朗日方法建立系統(tǒng)動力學方程，來對虛擬機械系統(tǒng)進行動力學分析。但由于車輛機械結(jié)構(gòu)的復(fù)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(fā)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(shù)的考慮較少，例如小車與路面之間的摩擦系數(shù)、小車的機械性能等因素，因而仿真結(jié)果與實際存在一定差距。有學者提出一種智能車硬件在環(huán)仿真系統(tǒng)，該仿真系統(tǒng)發(fā)揮了硬件在環(huán)的長處。但該軟件仍以虛擬仿真平臺LabVIEW為基礎(chǔ)，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(huán)境，其仿真結(jié)果與實際也存在一定的差距，因此其應(yīng)用有相當?shù)木窒扌浴?/p>

筆者設(shè)計了一種基于無線通信技術(shù)的智能車運行狀態(tài)實時監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以車模為實驗主體，車載控制器完成智能車的數(shù)據(jù)采集、分析、決策等。上位機通過無線通信技術(shù)獲得車模的各項運行參數(shù)，監(jiān)控車模的運行狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計

1.1 Zigbee技術(shù)分析

Zigbee技術(shù)是一種近距離、低功率、低成本的雙向無線通信技術(shù)[5-6],工作頻段為全球通用頻段2.4 GHz,數(shù)據(jù)傳輸速率為10~250 kbit/s,免執(zhí)照。Zigbee協(xié)議由應(yīng)用層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成，其中物理層和鏈路層遵循IEEE802.15.4協(xié)議。一個Zigbee網(wǎng)絡(luò)支持255個設(shè)備；采用先進的AES128加密算法，提供數(shù)據(jù)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(jié)點設(shè)備，分別是協(xié)調(diào)器、路由設(shè)備（FFD）和終端設(shè)備（RFD）。

Zigbee網(wǎng)絡(luò)由這3種設(shè)備組成，但必須包括1個協(xié)調(diào)器，而且只能有1個協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器是整個網(wǎng)絡(luò)的中心，它負責網(wǎng)絡(luò)的組建、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的管理、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點信息的儲存，尋找節(jié)點之間的路由消息，不斷地接收信息。路由設(shè)備也擔當著協(xié)調(diào)器的作用，負責其他的路由器或終端設(shè)備入網(wǎng)，拓展網(wǎng)絡(luò)范圍；終端設(shè)備是實現(xiàn)具體功能的單元[7].Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)星型、樹型和網(wǎng)狀型多種拓撲結(jié)構(gòu)。

赫立訊公司的IP-Link產(chǎn)品是集射頻收發(fā)器、微處理器、多拓撲網(wǎng)絡(luò)功能于一體的無線通信模塊。

IP-Link1200 模塊內(nèi)含AVR 微處理器，符合開放IEEE802.15.4協(xié)議的2.4 GHz免執(zhí)照ISM頻段的射頻收發(fā)器，可以組成任意的網(wǎng)絡(luò)拓樸。因此，IP-Link1200是一款完全滿足智能車測控系統(tǒng)要求的無線通信模塊。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

為了能對多個智能車的運行狀態(tài)實行在線監(jiān)控，系統(tǒng)采用星形拓撲結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點分為協(xié)調(diào)器節(jié)點和終端節(jié)點，其中協(xié)調(diào)器與上位機相連，終端節(jié)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(shù)據(jù)。同時，下位機將采集的各項數(shù)據(jù)以及下一步的行動數(shù)據(jù)發(fā)給上位機，使得調(diào)試人員可以在上位機上觀察小車當前的行駛參數(shù)以及對應(yīng)的小車行駛狀態(tài)。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(fā)送通信指令，然后接收下位機發(fā)送來的小車運行狀態(tài)信息。上位機對信息保存、顯示、修正，并將修正的參數(shù)發(fā)送到下位機。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

智能車以MC9S12XS128單片機為主控芯片，該芯片擁有豐富的內(nèi)部資源。利用單片機的脈寬調(diào)制模塊對智能車的舵機和電機進行驅(qū)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(zhuǎn)速控制；利用單片機的捕捉定時功能和A/D轉(zhuǎn)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(fā)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(jīng)過電平轉(zhuǎn)換，將TTL電平轉(zhuǎn)換為RS-232C電平，用1片MAX232 芯片便可以完成該轉(zhuǎn)換。IP-Link1200的RESET端接在復(fù)位電路上，該電路在上電時使IP-Link1200復(fù)位或按RST按鈕使IP-Link1200復(fù)位。上位機電路圖如圖2所示。