基于Zig Bee技術的智能車無線控制系統開發*

賈玉雷，靳伍銀，李鵬勃，剡昌鋒

（蘭州理工大學機電工程學院，甘肅蘭州 730050）

0 引言

Zig Bee是一種低速短距離傳輸的無線網絡協定［1］，底層是采用 IEEE 802．15．4標準規范的媒體存取層與實體層［2～3］。主要特點是低耗電、低成本、支援大量網絡節點、支援多種網絡拓撲、低復雜度、快速、可靠、安全等［4～5］。目前，無線控制系統的設計主要有以下幾種方案:1）基于通用分組無線業務（general packet radio service，GPRS）技術方案［6］，成本高、受網絡覆蓋范圍影響、實時性不高;2）基于藍牙（Bluetooth）技術［7］，功耗較大、傳輸距離短，典型距離為10 m;3）基于Wi-Fi技術，功耗大、需在有電源場所使用;4）基于無線紅外控制技術，其對方向性要求高、無法實現數據傳輸。針對以上各類無線控制技術方案的不足和開發需求，本文選擇無線Zig Bee技術實現本設計的無線控制，該方案具有無線控制系統功耗低、通信可靠、實時性高等優點，能夠實現對車的智能控制和數據采集需要。

1 系統的總體架構與功能

智能車的無線控制系統結構如圖1所示，該方案由3部分組成:Zig Bee通信系統、上位機控制系統、下位機系統。Zig Bee通信系統實現上位機和下位機的數據傳輸;上位機控制系統實現對Zig Bee模塊A接收到的數據存儲、分析、提取、顯示，同時下發對下位機的控制命令;下位機系統實現對Zig Bee模塊B接收到的命令存儲、提取、匹配、執行，將各傳感器和GPS采集的數據整合、發送，并對智能車進行控制。圖2為系統的主要硬件的實體圖。

圖1 智能車無線控制系統結構Fig 1 Structure of intelligent vehicle wireless control system

圖2 系統主要硬件實物圖Fig 2 Physical map of system main hardware

2 硬件設計

2．1 Zig Bee通信硬件

Zig Bee通信模塊由CC2530芯片、電池及電源、天線、PA功率放大器4部分構成。Zig Bee通信模塊電路設計如圖3所示。

1）CC2530—Zig Bee無線通信模塊是采用TI最新一代CC2530 標準芯片，適用于 2．4 GHz，IEEE 802．15．4，Zig Bee和RF4CE應用［8］。CC2530芯片包括了極好性能的一流RF收發器，工業標準增強性8051MCU，系統中可編程的快閃內存，8 kB RAM以及許多其他功能強大的特性，可廣泛應用在 2．4 GHz IEEE 802．15．4 系統、RF4CE 控制系統、Zig Bee系統，接收靈敏度為 －110 dBm，傳輸距離最遠為1200 m，穩定傳輸距離為600 m。其應用領域可為:家庭、醫院、建筑物自動化，2．4 GHz資料傳輸，工業控制測量和監視，低功耗無線感測器網絡等［9～11］。

圖3 Zig Bee通信模塊電路設計Fig 3 Design of Zig Bee communication module circuit

2）鋰電池供電選取1 000 mA的鋰電池提供4．2V供電，并可反復智能充電，減少使用一般干性電池需要常更換電池的不便。同時也設計了5V電源供電接口，可由外接電源供應器、接USB電源由DC JACK或是MIN5P接口輸入。

3）SHT10是由世界領先的傳感器制造商Sensirion公司生產的溫濕度傳感器，該傳感器全量程標定，2位輸出。其濕度測量范圍為 0%～100%RH，濕度測量精度為±4．5%RH。溫度測量范圍為 －40～ +123．8℃，溫度測量精度為 ±0．5℃。

2．2 下位機系統硬件

1）下位機主要實現與上位機的通信、對智能車的控制及數據采集處理。下位機的系統主要由CC2530通信模塊、ARM芯片、GPS模塊、智能車等組成。CC2530芯片通過Zig Bee協議與上位機進行數據通信。ARM芯片是下位機的微處理器，實現對傳感器采集的數據、GPS數據、接收數據進行提取和處理，同時也實現對智能車的控制，串口分別連接GPS模塊和Zig Bee模塊。

2）ARM芯片選型:ARM處理器主要有處理速度快、指令集優化、低功耗、外圍模塊豐富、性價比高、開發工具齊全等優點［12］，到目前為止，ARM微處理器的應用已經深入到工業控制、無線通信、網絡應用、消費類電子等各個領域?；诒驹O計的需要，選用三星公司的S3C6410，它是一種基于ARM1176JZF-S內核的16/32位RISC嵌入式微處理器，采用64/32位內部總線架構，具有視頻處理等強大的硬件加速器，該處理器還具有獨立的16kB指令數據Cache和16 kB的指令數據TCM，主要用于開發便攜式、功耗低、性能高的設備。

3）GPS模塊選型:GPS定位的基本原理是根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。本文選擇GPSlim—236超感度智能衛星接收器，它是一種完整的衛星定位接收機。采用美國瑟孚（SiRF）公司所設計的第三代省電型衛星定位接收芯片，同時可接收和追蹤20顆衛星信號，接收碼為L1和C/A碼，更新速率為1 Hz，最低追蹤信號感度為－159 dBm，具備全方位功能，具有RS—232接口，能滿足專業定位的嚴格要求與個人消費需求［13］。

4）智能車選擇:為實現方向和速度的精確控制以及考慮控制的實時性要求，選擇飛思卡爾公司的B類標準車模進行改裝而成。

3 軟件設計

系統的軟件工作流程主要包含以下3個部件結構系統:

1）PC機構成系統工作的流程如圖4（a）所示，開機運行系統，系統監聽與Zig Bee模塊A相連的COM口，接收下位機傳來的數據信息，對其進行存儲、解析、處理，提取有用信息，并實現信息在監視窗口的顯示。與此同時系統也要監聽輸入窗口是否有數據發送請求，如果有并且COM口處于未占用狀態，則將數據處理后發送至COM口。此過程中Zig Bee模塊A完成的工作為接收來自Zig Bee模塊B發送的數據，并將其送至COM口，同時將COM口發送來的數據向外發送［14，15］。

2）ARM—S3C6410開發板構成系統工作的流程如圖4（b）所示，主要完成2個功能，提取Zig Bee模塊B接收到的控制信號，解析后實現對車的控制;提取GPS接收的數據進行處理并發送至COM口。在接收或提取COM口數據時需要監聽COM是否有數據在傳輸。

3）Zig Bee模塊B的系統工作的流程如圖4（c）所示，溫濕度采集傳感器與Zig Bee模塊連接，一方面Zig Bee模塊B完成將來自上位機的控制命令信息送至COM口;另一方面將采集的溫濕度數據和COM口中由ARM開發板采集到的GPS數據一起打包，同時將數據包發送出去［16，17］。

圖4 系統流程圖Fig 4 Flow chart of system

4 實驗效果

圖5為溫濕度曲線動態實時顯示界面，清楚地顯示小車周邊的溫度（℃）和濕度（%RH）值的變化，可以方便地查看溫濕度的狀態和變化趨勢。

圖5 溫濕度曲線輸出窗口Fig 5 Output window of temperature and humidity curve

GPS控制界面接收到并提取的衛星定位數據，顯示為當前日期時間、經度和緯度值，2012/08/16 14:08:11顯示的蘭州市七里河區設計實驗室的緯度N為36″03．4364'，經度 E 為 103″46．4776'。

5 結束語

本文簡要給出了基于Zig Bee技術的智能車無線控制系統實現的基本原理和系統硬件、軟件開發的流程，并進行了實驗。結果表明:系統具有較好的再開發性和實際應用價值，可以作為移動傳感器采集的參考模型，將其配合靜態采集點共同使用，可實現更全面的數據采集。同時本系統選用ARM11處理器芯片作為下位機主控芯片，提高了系統的性能和反應速率，其強大的數據處理功能和對外輸出接口，可以實現更復雜的數據處理等功能。

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