基于zigbee的车辆数据采集传感器的研究硕士学位论文.doc

《基于zigbee的车辆数据采集传感器的研究硕士学位论文.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《基于zigbee的车辆数据采集传感器的研究硕士学位论文.doc（57页珍藏版）》请在三一文库上搜索。

1、中国矿业大学（北京）硕士学位论文 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 摘摘 要要 随着我国社会经济的发展，汽车逐渐走进千家万户，成为人类日常生活的重要交通工具。 为使道路交通适应国民经济的发展，实现城市道路交通的智能化，科学化管理，切实做好公路 交通的车辆信息正确采集和及时传输是必不可少的。及时准确的了解到路面车辆信息，不仅可 以实现对路面的实时管理，使路面交通高质量高效率的运行，同时也为决策部门进行交通预测， 道路规划，和建设提供可参考依据。 本文首先分析了现有机动车性能检测仪器的不足,并结合其发展的实际需要提出了采用 ZigBee 技术实现机动车性能检测传感器数据采集的新方法。其次，完成了传

2、感器电路硬件的具 体设计，利用磁阻传感器的工作原理，通过磁阻传感器对经过采集仪的车辆类型，车辆速度进 行检测。最后，本文设计了一种基于 CC2430 芯片的 ZigBee 无线通信技术的数据采集系统，并 在 Zigbee 协议栈 Z-Stack 基础上,完成了该系统的软件功能的设计，开发了过车传感器的应用 软件。目前 ZigBee 技术还未具体应用于机动车性能检测领域，这给了本课题更大的研究应用空 间。 关键词：交通量，磁阻传感器，zigbee 无线通信技术，嵌入式系统 ABSTRACT With the social and economic development in our count

3、ry， cars have got into numberable families and become the important daily traffic tools in human lifes。 For making sure traffic in our city adapt to the development of national economy,and realizing the traffic intelligent, scientific management of urban road，it is necessary to do traffic vehicle in

4、formation collection and transmission well。Getting vehicles informations timely and accurately not only can realize real-time management and make road traffic run in high quality ，but also can offer references for Decision-making departments in traffic prediction，road classification，road design and

5、building。 In this paper we analysed the shortage of existing motor vehicle detector and in combination with the actual needs of development, we propose a new methods which based on Zigbee technology to detect road vehicles。Secondly，We finished the hardware design of magnetic resistance sensor circui

6、t, and use this sensor for collecting imofrmations such as type and speed of passing vehicles vehicle；At the end， we also design a data collection system based on the ZigBee CC2430 chip wireless communication ，and complish the software design of 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 this systerm ，finish application soft

7、ware dsign.Now ZigBee technology have not been applicated in the field of vehicle detection, so it gives more space for researching and application Keywords: Trafficvolume，MagnetoresistiveSensor，Zigbeewireless Communication Technology， Embedded system. 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 目目 录录 目目 录录7 7 1 1 绪论绪论1 1 1.1

8、 本课题的研究目的和意义 1 1.2 交通量数据采集系统国内外发展现状 2 1.2.1 国外发展现状 2 1.2.2 国内发展现状 3 1.2.3 常用车辆检测传感器 3 1.3 本课题的研究内容5 2 2过车传感器相关技术过车传感器相关技术6 6 2.1 嵌入式技术6 2.2 磁阻传感器工作原理6 2.2.1 磁阻效应7 2.1.2 磁阻传感器在车辆检测中应用7 2.3 ZIGBEE网络技术 9 2.3.1 Zigbee 网络各层帧结构 10 2.3.3 ZigBee 技术的原语 13 2.3.4 ZigBee 网络拓扑结构 14 2.3.5 Zigbee 网络组建 15 2.5 本章小结.

9、15 3.3. 过车传感器硬件系统设计过车传感器硬件系统设计1717 3.1 系统设计原则和硬件框架.17 3.2 硬件设备的选择.18 3.2.1 磁阻传感器 .18 3.2.2 A/D 转换器 .19 3.2.3 无线通信芯片 CC2430 20 3.2.4 电源模块.22 3.3 过车传感器相关的通信.22 3.4 本章小结.25 4.4. 过车传感器的硬件电路和驱动开发过车传感器的硬件电路和驱动开发2626 4.1 传感器电路.26 4.1.1 CPU 电路 .26 4.1.2 A/D 转换电路 .27 4.1.3 数据存储器电路.27 4.1.4 电源电路.27 4.2 驱动程序的开

10、发.28 4.3 过车传感器的驱动程序.29 4.3.1 数据存储器的操作函数.29 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 4.3.2 A/D 转换器操作函数 .33 4.4 本章小结.34 5.5. 过车传感器应用软件开发过车传感器应用软件开发3535 5.1 开发环境.35 5.2 实时多任务软件开发.36 5.2 ZIGBEE协议栈 Z-STACK.37 5.2.1 Z-Stack 结构及相关概念 .37 5.2.2 Z-Stack 下应用软件的开发 .38 5.3 应用软件功能设计.41 5.4 应用软件开发.42 5.4.1 车辆数据采集.42 5.4.2 车辆数据的存储.43 5.4.

11、3 数据传送 .45 5.4.4 上位机命令汇总.45 5.5 本章小结.46 6.6. 结论与展望结论与展望4747 参考文献参考文献4848 致致 谢谢5050 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 1 1 绪论 公路交通运输是国民经济发展的重点，交通情况调查工作的任务将更为重 要。交通管理、科研、设计工作也要适应互联网时代的社会发展。因此，研制 新的交通量采集系统对于提高公路部门的技术、管理水平和适应网络时代的发 展具有重要的意义。 1.1本课题的研究目的和意义 在“十一五”期间，公路交通运输对于是国民经济发展意义重大，尤其在整合和利用 交通信息资源、提高交通行业信息化监管水平、加强交通综合

12、运行分析辅助决策、改善公 众交通信息服务质量等方面要实现重点突破。随着汽车普及率也在不断提高，高速公路网 建设的不断发展，城市路网密度和路面车流量也越来越大，交通情况调查工作的任务将更 为艰巨。而交通管理、科研、设计等工作也要同互联网时代的社会发展相适应，因此，研 制新的交通量采集系统对于提高公路部门的技术、管理水平和适应网络时代的发展具有重 要的意义。1 为了使交通运输适应社会的飞速进步,交通智能化建设被搬上日程，各地在交通道路管 理中都普及了交通智能化设备。通过这些交通智能设备采集，处理车流量、车速、饱和度 等交通数据并通过直观的方式实时反馈给交通管理部门。以实现对道路交通的智能化，信 息

13、化管理。 在对交通发展规划和预测未来的交通运输需求这一工作中，交通数据量的采集是不可 少的环节和步骤，是规划内容的一个重要组成部分，也是制定决策与规划的依据和基础。 在描述交通的三大基本交通参数之中，交通量信息是反映交通状况的最重要的参数。通过 对交通量信息资料的分析和整理，我们可以了解交通量的空间分布和时间分布、交通量的 各种变化规律和影响交通量数据的各种因素，从而为道路网规划、交通安全、道路设计和 建设等各个方面提供切实可靠的依据。2通过对交通量的分析交通工作者可以准确掌握交 通现状及其变化规律，同时也为实现与未来的交通需求相适应的道路工程设施及交通管理 控制手段提供依据。 目前国内外广泛

14、使用的交通量数据采集系统包括线圈检测设备、视频检测设备、道路 雷达检测、GPS浮动车检测等，但大部分检测设施都需要路面铺设和现场人员的进行操作, 不能满足当前公路网络化管理和智能交通的要求。随着计算机技术，网络技术，微电子技 术和传感器技术的迅速发展，检测仪器仪表正朝着微型化、智能化和网络化的方向发展。 公路交通检测仪器仪表的发展也不例外，也应朝着微型化、智能化和网络化的方向发展。 采用无线通信技术不仅是提高检测仪器的技术水平，就高速公路的环境来说，更是保障了 交调人员的人身安全。为适应交通量不断增大的趋势，交通量采集系统应当有更高的精度 和高容量数据存储器。还应当有网络接口和移动存储接口以跟

15、上计算机应用的发展和公路 交通管理和科研的要求。 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 2 1.2 交通量数据采集系统国内外发展现状 交通量检测系统是采用一定的车辆检测技术将有关交通流信息等物理量形式的信息转 为电子量，然后通过传输线路传送到信号控制器的信息处理部分进行处理，它是城市交通 道路控制系统中不可缺少的组成部分，主要是通过数据采集和设备监视等方式来进行交通 数据的监测。 1.2.1 国外发展现状 美国作为当今世界上高速公路建设里程最多、高速公路路网最发达、人均车辆占有率 最高的发达国家，充分利用其雄厚的资金支持和车载通信、卫星通信等通信技术上的优势， 成为在道路车辆检测技术上最为先进最为

16、成熟的国家之一。美国准备在 2000 年到 2011 年 十年间投资高达到 2000 亿美元构造全国 ITS，采用现代化的通信技术、智能控制技术以及 计算机技术等技术手段加强与提高公路监控、车辆检测能力，进而对整个公交网络进行科 学管理和维护，降低公路引发的交通事故，减少因交通事故所引起的严重损失。从而满足 现代化、智能化交通的“高速、安全、智能、舒适”的要求， 日本的路面实时检测系统也取得了一定成果，曾经投入大量人力、物力和资金组织了 “动态路径诱导系统”的实验。并且建立了“车辆、道路与交通智能协会” ，建设省、通产 省、运输省和警察厅各部门之间紧密配合与共同参与到 ITS 建设，保证了上路

17、的每辆汽车 均处于监测系统的检测范围内，目前在日本上路行驶的车辆中，有超过了两百万辆的汽车 装备了车辆导航定位设备，大规模的检测覆盖率不仅可以使监控中心实时了解每一辆车辆 行驶情况而且通过该设备能够向驾驶员提供实时的道路信息服务。使得车辆行驶信息、驾 驶员个人信息和监控中心之间的通讯系统实现了一体化。 欧洲道路检测上进行理论和实际应用的研究也具有一定的代表性，在上个世纪 80 年代， 为改善公路检测设备的升级，欧洲各国家投入资金多达 50 多亿美元以上，现正计划在欧盟 国家内部建立起专用的交通无线数据通信网，使车辆控制、信息服务以及电子收费等系统 等能够有机的在统一在一个完整的监控、指挥以体系

18、中，同时利用地球同步卫星准确定位 确认交通事故的交通警示系统等实现车辆在高速公路的安全运行。3 国外生产交通量采集仪的国家主要有：美国，澳大利亚，英国，瑞典等。国内引进较 多的是美国和澳大利亚生产的仪器。国外仪器的特点是工作稳定，抗干扰能力强，使用方 便。这些仪器结构上一般采用上、下位机的形式。仪器作为下位机，按照给定的要求采集 车辆数据，并做简单的数据处理后存入仪器的数据存储器或是直接传送给上位机。由上位 机完成各种复杂的数据处理和统计分析工作。传送数据的途径有串行接口，USB 接口或是 红外接口。供电方式采用电瓶供电或是太阳能供电。在我国使用时出现的问题主要有：价 格昂贵，不适合普遍使用；

19、由于使用环境的不同，国外仪器在使用的过程中遇到一些困难， 如传感器容易丢失，车流比国外密集，造成统计精度下降；维修困难。 1.2.2 国内发展现状 与欧美相比我国的智能公交系统的发展起步相对较晚。在 20 世纪 70 年代从国外引进 了一些相关项目，进行了一些 ITS 或与 ITS 相关的基础项目的研究和应用，但也只是局限 于研究城市交通信号的控制试验。90 年代中期以来，我国开始研究并发展战略和地理信息 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 3 系统 GIS、全球定位系统 GPS 在交通中的应用等。2001 年由交通部公路科学研究所国家智 能运输工程研究中心组织制定了中国智能运输系统体系框架，为

20、中国的道路检测发展指明 了方向。在制定国家发展的“十一五”计划和 2010 年长期规划时， ITS 已作为一个重要 项目列入战略研究计划。我国目前已经成立全国范围内 ITS 协调小组，组织完成了 “中国 ITS 标准体系框架研究” 、 “ITS 系统发展战略研究”等一批重点项目，将路面车辆信息的检 测、监控作为智能交通管理的一个重要内容。4 但目前各个省、市的车辆信息采集系统所使用的软硬件五花八门，各不相同不能有效 地协同与整合，集成度很低，完全处于独立状态，这非常不利于对汽车这种经常跨地域行 驶的交通工具进行全程检测，对组建跨地域大，规模的车辆检测系统造成了巨大的障碍。 国内目前生产的仪器，

21、有计数器，车轴计数器，电磁感应线圈式交通量采集仪，红外 交通量采集仪等。总体来说，工作的稳定性较差，其中有的技术落后。随着时间的推移， 该仪器已不能满足当前对交通量统计的需求。主要问题是：数据存储容量偏小，主要采用 串行口与计算机通信，速度慢，没有网络接口，不能满足当前公路网络化管理和智能交通 的要求。 1.2.3 常用车辆检测传感器 车辆检测传感器种类繁多，工作原理各不相同，但主要有两种基本功能：一是检测车 辆是否存在和出现，二是检测车辆的运动和通过时状态，一般的车辆检测器至少具有上诉 述两个基本功能之一。6目前，车辆检测传感器按工作原理不同主要分为以下几类： 1.压力感应型 压力感应型检测

22、器一般用于早期的交通数据采集中，车辆经过时通过检测压力变化采集 数据，再将压力数据的变化转换为数字信号分析处理。由于其检测信息度不高和自动化程 度上存在的缺陷已经逐渐被新型检测器代替。 2.金属感应型 该种检测器，是目前世界上使用最普遍的一种检测设备，一般利用电磁感应传感器， 通过检测车辆经过时引起电磁感应的变化来计算出车辆的速度，流量，时间占有率和长度 等交通参数，并上传给控制装置，具有易于掌握、计数精确、成本较低等优点。 3.超声感应型 超声波检测器一般是利用设置在车道上方的超声波探头，接收由超声波发生器发射的超 声波束并经车辆反射的超声回波来检测车辆。其优点为设备体积小，检测精度高，安装

23、时 设备设置于各车道上方无需切割路面，缺点是其检测精度受环境温度和气流影响较大。 4.视频图像型 视频图像型检测器也是各国目前普遍采用的一种检测方法，通过摄像装置将道路上运行 的车辆拍摄成图像，再利用视频图像技术处理图像信息，检测出交通数据。其优点是无需 破坏路面，在为交通状况采集数据同时还可以提供直观可视图像参考，缺点是设备维护成 本较高，检测精度依赖于客观环境，容易受恶劣天气、灯光、路面扬尘等因素的影响，汽 车的动态阴影也会为检测带来干扰，特别是在夜间工作时误报率比较高。 交通量数据采集需要用到通信技术。借助于计算机,互联网和通信技术形成交通检测网, 依靠传感器实时获得的数据才能得到及时的

24、处理与反馈，交通控制中心才能了解掌握道路 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 4 交通情况,对路网进行实时监控。远程监控网络主要分为有线网络和无线网络两大类。 （1）有线网络接入方式 有线网络方式是将传感器在现场采集到的数据变为数字信号，通过以太网传送给控制 终端，控制终端再对收到的信号进行分析处理，得出结论并反馈给现场。主要有以下几种 有线网络传输方式。 电话线方式 这种传输方式采用 XSDL 技术,利用现有的电话线路进行数字信号传输，它提供一种直 接接入的不中断服务。这种方式优点是采用普通电话网络就可以实现信号的传输，无需另 外组网，可大大降低系统费用，一般用于城市交管部门监控视频的传输方案

25、。 DDN方式 DDN 是数字数据网的简称，主要是是由数字传输电路和相应的数字交叉复用设备组成， 采用该方式时，可根据实际需求申请带宽，它主要提供中、高速率，高质量点到及点到多 点的数字专用链路，其优点是传输速率和质量很高，并且协议简单，组网灵活，但是DDN网 组建和维护成本较高，长期使用存在局限性. 光纤信道 光纤信道有传输质量高、信道稳定的优点。但目前用于拉伸光纤的预制棒国内供给量 严重不足，主要依赖进口，因此光纤组网的设备成本、施工成本居高不下，在公路网络监 管中，无法大规模推广。 （2）无线网络接入 无线组网是采用无线信道进行数据传输，具有灵活机动、简便快捷等优点，特别适合 一些路况复

26、杂的地段组网，目前交通监测中无线接入方式主要有以下几种： 蓝牙无线通信 蓝牙（Bluetooth）技术是一种低功耗，短距离无线通信技术，主要优点是可以方便的 建立无线连接，移植性较强，适用面广，但是其通信距离短，待机耗电量较高，不适合用 于公路方面的交通量数据采集。 GPRS网络技术 GPRS是在GSM基础之上发展而来的一种新的分组交换数据承载业务，一般被称为 2.5G（意为在2G和3G之间）通信技术。采用该网络进行交通量数据传输的优点是可以利用 中国移动现有的GSM网络，方便快捷，接入时间短，传输速率高。但是GPRS小区容量有限， GPRS对容量影响程度取决于预留GPRS使用时隙个数，在网络

27、使用的高峰期，数据传送容易 堵塞，实际传送速度要大大降低。 Zigbee技术 ZigBee技术是一种新兴的短距离无线通信技术，适合于功耗低且传输速率不高的各种 电子设备之间进行数据传输。其网络容量大，组网灵活，非常适合交通量采集的传感器网 络。 1.3 本课题的研究内容 传统车辆检测方法在安置检测设备时大都需要破坏路面，不仅提高使用成本和维护成 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 5 本，而且也严重影响公路使用寿命。针对传统车辆检测方法存在的各种缺点，本文利用电 子技术、通信技术和计算机技术的新成果，基于ZigBee无线网络技术，将传感器和无线通 信模块进行整合，实现一种无安装方便，受环境影响小

28、，稳定性高，成本低廉的智能车辆 检测传感器。 本论文的主要工作是分析研究现有交通量检测系统的特点和存在的问题，采用磁阻传 感器、Zigbee无线通信技术和嵌入式系统，研究开发新的过车传感器。该传感器的研究分 为硬件设计和软件开发两个部分，硬件包括磁阻传感模块，信号处理电路，AD转换模块和 zigbee无线通讯模块。软件包括驱动程序，数据采集，数据存储，数据传输和命令处理程 序的开发。 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 6 2过车传感器相关技术 嵌入式技术已广泛应用于传感器和检测仪器中。磁阻传感器由于其高灵敏度，可以用 于进行车辆检测。而无线通信技术大大提高了传感器的技术水平和实用性。 2.1

29、嵌入式技术 嵌入式系统（嵌入的系统）简单的说，就是作为智能控制部件嵌入到设备体中的专用 计算机。一个嵌入式系统就是一个以嵌入计算机系统为核心面向特定功能和用途的软硬件 集合体。即以应用为中心，以计算机技术为基础，软硬件可裁剪，并且适用于应用系统对 功能、可靠性、成本、体积、功耗有严格要求的专用计算机系统.是计算机技术、通信技术、 半导体技术、微电子技术、语音图像数据传输技术，甚至是传感器等先进技术和具体应用 对象相结合后的更新换代产品。 嵌入式系统包括硬件和软件两大部分。硬件部分作为整个系统的物理基础，要为软件运 行平台和其他设备进行通信提供接口；软件部分则包括操作系统件和应用程序编程。可以

30、为实际系统的运行和功能实现提供控制方法。一般来说，嵌入式计算机系统是整个嵌入式 系统的核心，嵌入式系统主要由嵌入式外部硬件设、嵌入式操作系统、嵌入式处理器和嵌 入式应用软件四大部分组成。 图2.1 嵌入式系统框架示意图 Fig2.1 The embedded system frame diagram 2.2 磁阻传感器工作原理 地球本身就所是一个巨大的磁体，它在空间产生的磁场称为地磁场。人们利用地磁大 约已有 2000 年的历史。最早的磁传感器就是指南针, 用于指示方向。随着科学技术的进步, 现代各种各样的磁传感器已不仅仅限于测量地球磁场的强弱和方向, 还可以测量由于金属 物体移动、电流，甚至

31、脑电波的活动所产生的磁场。由于磁传感器在检测时为非接触式， 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 7 可以检测很微弱的磁场变化，因此，被广泛应用于各种与磁场相关的测量中。 2.2.1 磁阻效应 磁阻MR(Magnetio Resistor)效应是指物质在磁场的作用下电阻发生变化的物理现象。 当有铁磁性物质形成的双极性磁铁经过纯净的地磁场时会引起地磁场的畸变，产生不 规则磁场，如图2.2所示。 图2.2 铁磁性物质引起的磁场变化 Fig2.2 The magnetic field of ferromagnetic materials 表征磁电阻效应大小的物理量为MR，其定义为: %100 0 0 M

32、R 式中：物质在磁场不为零中的电阻率 0物质在磁场为零时的电阻率 2.1.2 磁阻传感器在车辆检测中应用 车辆检测使用的磁阻传感技术是基于磁偏角检测技术。 磁阻传感器由四个铁镍合金（Permalloy）薄膜沉积在硅片上形成的电阻条电阻组成， 这四个电阻挑连接成一个惠斯通电桥，如图2.3，该电桥可以测出沿着单一轴线的磁场的强 度和方向。桥臂的典型阻值为1000 欧姆，典型带宽为1-5MHz。磁阻效应的灵敏度很高， 不会受到诸如线圈和振荡频率的影响。此外，传感器可以在硅片上大量生产，封装成商用 集成电路的形式。这样使得磁传感器可以和其它电路和系统元件自动组合在一起。 R-RR+R R+R R-R

33、Vb + _ Vout 图2.3 惠斯通电桥 Fig 2.3 Hui stone bridge 地磁场强度大约是 500-600 毫高斯，当一辆汽车在路面上行驶时，由于其材料含有大量 的铁磁物质，可以看作一个铁磁性物质模型，当行进的车辆经过低场磁阻感应器时，相当 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 8 于一个铁磁性物体切割位于传感器附近的地磁场，因此会引起地面附近地磁场的扰动，而 磁阻传感器可以准确检测出坐标分量上地球磁场 1/12000 的强度和方向的变化，可以精确 地检测到车辆通过时地磁场的畸变。 4 利用磁原理测量地磁场沿车体纵向坐标系分量变化，通过数值计算、误差校正，从而 得出需要的车辆

34、信息。从而完成对车辆的检测。 图2.4 车辆引起的地磁场改变 Fig2.4 The magnetic field changes caused by vehicles 三轴智能数字磁场计HMR2300有X，Y，Z三个输出引脚，可检测传感器所在位置磁场的 三个方向强度变化, 并可与计算机直接通讯以输出X、Y、Z三个轴向的分量。将一个三轴的 AMR磁场计安装在车道上，车辆通过传感器时，地磁场磁偏角发生明显的变化,可以用于进 行车辆检测。图2.5所示为在车辆距传感器1英尺的情形下,对磁扰动信号进行平滑处理后的 曲线。 图2.5 车辆引起的地磁扰动 Fig2.5 the geomagnetic dis

35、turbance by vehicle 由于磁阻传感器具有体积小，功耗低，易于安装，温度特性好，抗干扰能力强，误差 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 9 不随时间累积等特点，适合做成体积微小的过车传感器，安装在车道上，既不影响车辆的 安全行使，同时能够准确地记录交通量数据。本文拟采用基于磁偏角设计的霍尼韦尔 HMC2003三轴磁性传感器作为车辆检测传感器。 2.3 Zigbee 网络技术 目前，市场上的近距离无线通信技术主要有无线局域网WiFi、蓝牙和一些专用标准(如 Ad hoc网等)的产品。一些大公司为开拓市场和应用领域，也在积极研究和制定一些新的无 线组网通信技术标准，如无线USB、超宽

36、带通信UWB(Ultra-Wideband)和WiMax(Worldwid Interoperability for Microwave Access)。9 ZigBee 是一种短距离传输、低功耗、低数据速率、低成本的新兴无线通讯技术,从诞 生到现在只有短短几年的时间。该技术在无线传输领域具有以下优势： 省电：其工作方式中有休眠模式，收发信息时所耗的电量是非常少的，在某些应用中 两节电池可以用到两年左右； 可靠性高：MAC 层采用完全确认的数据传输机制，也就是当数据发送后，需等待接收 方返回的确认信息； 成本极低：芯片的现价是在在 3 美元以下。因为其传输速率低，协议免费，所以使成 本大大降低

37、了； 短时延：设备搜索时延典型值为 30ms，休眠激活时延典型值是 15ms，活动设备信道 接入时延为 15ms； 网络容量大：一个 Zigbee 网络可以容纳 1 到 255 台设备，利用该技术可由多到 65535 个无线微功率收发机组成无线网络平台。 综上所述，一个Zigbee网络可以扩展数千个微小传感节点，而且这些传感器功耗很低， 传感节点之间可以互相通信，zigbee可以通过协调数千个微小的传感器之间的相互通信来 适应城市道路机动、灵活的组网方式，通信效率高。在现有的各种无线通信技术中， ZigBee是相对功耗最少和成本最低的技术。由于ZigBee技术具有的这些特点，也决定了 ZigB

38、ee技术适合于承载道路检测这种数据流量较小的大规模无线组网业务。 2.3.1 Zigbee 网络各层帧结构 Zigbee 是基于IEEE 802.15.4的无线通信协议, 协议定义了网络对等层之间的帧格式、 意义和交换方式。其结构由物理层(PHY)、介质访问层(MAC) 、网络层(NWK) 、应用层四层 框架组成，各层之间的关系分布如下图所示。 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 10 图2.6 Zigbee协议栈结构 Fig2.6 Zigbee protocol stack structure 与服务与服务原语不同，协议定义了网络对等层之间的帧格式、意义和交换方式，各层实 体利用协议来实现服务

39、，对于帧在网络各层之间的传输，当从下层向上层传输时，每层都 会在传输的帧中附加上反映本层相关信息的数据，分别成为帧的首部和尾部。而从下层向 上层传 输时，各层将附加信息去掉。以下是ZigBee各层帧结构示意图： （1）物理层 按分层的网络体系结构，每一层都要在发送的数据上附加上自己的协议信息，以形成 协议数据单元11。物理层协议数据单元（PPDU）又称物理层数据包，其格式如表 2.2 所示。 表 2.1 物理层帧结构 Table2.1 Physical layer frame structure 4 字节1 字节1 字节可变 前同步码帧定界符帧长度保留位 1 位PSDU 同步包头物理层包头物理

40、层载荷 由于发送端按一定的是延发送连续的位流，而接收端必须在时间上保持与发送端相同 才能正确的接收数据，这称为同步。同步又分为位同步和帧同步；位同步的功能是实现位 的锁定，而帧同步时实现数据包的定界和识别。采用发送同步包头的方法引导接收端与发 送端实现同步，同步包头由 4 字节的前同步码和 1 字节的帧定界。 （2）MAC 层 一个完整的 MAC 层帧由帧首部，帧载荷（数据）和帧尾 3 部分组成。其中帧首部又 由若干个域按一定的顺序排列，但并不是所有的帧中都包含有全部的域。MAC 层帧结构如 表 2.3 所示。由图可见，帧首部有帧控制域，序列号，地址域等，其中地址域又包含目的 PAN 标识符，

41、目的地址，源 PAN 标识符和源地址等。 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 11 表 2.2MAC 层帧结构 Table2.2 MAC layer frame structure 2 字节1 字节0/2 字节0/2/8 字 节 0/2 字节0/2/8 字 节 可变2 字节 目的 PAN 标 识符 目的地 址 源 PAN 标识符 源地址帧控制序列号 地址域 帧载荷FCS MHR(MAC 层帧首部)MAC Payload(MAC 载荷) MFR(帧 尾) ZigBee 的 MAC 层有 4 种不同的帧：信标帧，数据帧，确认帧和命令帧。 信标帧：在使用信标的网络中，网络协调器周期性的发送信标，表示一

42、个超帧的开始，信 标中包含了 PAN 的基本信息，其总体结构与 MAC 层帧相同。 数据帧：数据帧中包含目的地址子域或源地址子域，取决于帧控制域的配置，帧序列号应 为当前 macDSN 的值，数据帧载荷子域的内容是上层要求 MAC 层传输的数据。 确认帧：确认帧仅包含控制域，序列号和校验码。 命令帧：设备通过发送命令与协调建立连接。 （3）网络层 网络层帧是网络层的协议数据单元（NPDU），它由下列两部分组成： 网络帧首部，包含帧控制，地址和序列信息等； 长度可变的帧载荷，即帧所传送的信息； 下图是网络帧通用结构： 表 2.3 网络帧通用结构 Table2.3 General structur

43、e of the network frame 2 字节2 字节2 字节0/1 字节0/1 字节可变长 目的地址源地址广播半径域广播序列号帧控制域 路由域 帧载荷 网络层首部网络层的有 效载荷 帧控制域包含了帧的类型，地址，序列号以及其他一些信息。其结构如图 2.5 所示 表 2.4 网络帧控制域结构 Table2.4 Control field structure of network frame 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 12 0-12-56-78910-15 帧类型协议版本发现路由保留安全性保留 （4）应用层 APS 帧（APDU）由以下两部分组成： APS 首部，包含帧控制及地址

44、信息； APS 帧载荷，即帧传输的有效数据，其长度可变。 APS 帧的结构如表 2.6 所示 表 2.5APS 帧结构 Table2.5 Structure of APS frame 1 字节0/1 字节0/1 字节0/2 字节0/1 字节可变 目的端点簇标识符模板标识符源端点帧控制域 帧地址域 帧载荷 APS 首部APS 载荷 由上图可以看出，APS 首部由帧控制域和地址域组成。其中地址域的各子域根据具体 情况不同可以不存在。帧控制域的长度为 1 字节，包含了有关帧类型，寻址，标志等信息。 2.3.2 ZigBee 网络中的设备 根据设备功能的不同，IEEE 802.15.4把zigbee网

45、络中的节点设备分为两种： 全功能设备（Full Function Device,FFD）：可工作于所有网络结构，可作为网络中 的协调器、路由器，能够和网络中的任何节点通信。 简化功能设备（Reduced Function Device，RFD）：一些功能简单的设备，仅能与FFD 通信彼此之间不能直接通信,，无法作为网络的协调器或路由器。 FFD可以提供信息双向传输与FFD、RFD之间都可以建立直接通信，而RFD却只能与FFD通 信，RFD和RFD之间无法通信。RFD的构造相对简单，因此任务比较单一，在传感器网络中， 它们的任务一般只是将采集的数据信息发送给它的协调点，像数据转发、路由发现和维护

46、 等功能RFD并不具备。相对于FFD，RFD占用资源少，需要的存储容量也小，成本比较低。 和RFD不同，FFD增加了内存和其他电路，在ZigBee网络中，FFD扮演着在无线传感器网 络中汇聚节点的角色，通常称作PAN协调点。一个ZigBee网络中只有一个PAN协调点， PAN 协调点其实就是一个特殊的FFD，它具有较强大的功能，是整个网络的主控节点，主要工作 有：建立起新网络、设定网络参数、管理网络中的各个节点和存储zigbee网络节点信息等。 FFD和RFD两种设备都可以作为终端节点加入ZigBee网络。此外，普通FFD在它的个人操作空 间（POS）中也可以充当协调点，但是这种普通FFD与P

47、AN协调点不同,它仍然受PAN协调 点的控制。ZigBee中每个协调点直接连接的节点数最多可以达到255个，而每一个ZigBee网 络最多可容纳65535个节点。19 在本研究课题中，过车传感器是RFD设备，只负责车辆数据的采集、处理、存储和发送。 2.3.3 ZigBee 技术的原语 中国矿业大学（北京）硕士学位论文 13 在 ZigBee 协议栈中，每一层通过使用下一层提供的服务完成自己的功能，同时对上层 提供服务，网络的通信在对等的层次上进行。这些服务是设备中的实体通过发送服务原语 来实现的。所谓的服务原语是代表相应服务的符号和参数的一种格式化，规范化的表示， 它与服务的具体实现方式没有

48、关系。不同的服务原语可带有不同的个数，不同的形式参数， 它们共同描述了该服务。在 ZigBee 技术中存在着以下四种类型的原语 请求原语 指示原语 响应原语 确认原语 原语的书写形式包含了服务的实体，原语的功能及原语的类型，物理层数据访问类型 原语用 PD 开头，物理层管理类原语用 PLME 开头；MAC 层数据服务原语用 MCPS 开头， MAC 层管理服务原语用 MLME 开头；网络层数据服务原语用 NLDE 开头，网络层管理服 务原语用 NLME 开头；应用层支持子层数据服务原语用 APSED 开头，应用支持子层管理 服务原语用 APSME 开头等。 表 2.6 原语的书写形式 Tabl

49、e2.1 Forms of primitive 服务类原语管理类原语 物理层PDPLME MAC 层MCPSMLME 网络层NLDENLME 应用层APSEDAPSME 例如，物理层的检测请求原语为 PLME-ED.request,MAC 层的与协调器同步请求原语为 MLME-SYNS.request,络层的网络发现确认原语为 NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm 等。原语都是发送给服务实体相邻层的。原语的基本概念与作用如果图 2.1 所示 P层服务提供者（M层） 用户1请求（N层）用户2指示（N层） 用户2响应（N层） 请求（M层） 确认（M层） 用户1确认 （N层） 图 2.7.服务原语示意图 Fig 2.7 Service primitive sketch 图 2.7 中表示的是两用户在对等层上通过服务原语实现信息交换的示意图。N1 用户向 它的 M 层发出服务请求，它引起 N2 用户的 M 层向 N2 用户发出指示原语，通告某事件的 发生。N2 用户通过响应原语作出回应。N1 的 M 层向用户发送确认原语，指示气球原语执 行的结果。至此，N1 用户的一次服务完成。右侧图是 M 层应用向 P 层发送服务原语，P 中国矿业大学（北京）