基于ZigBee的中低速汽車網絡系統

張天恒，秦效輝，凌 旭，浦紅吉

現代汽車已將手機藍牙免提、DVD播放、自動巡航控制等功能整合到汽車內部，與動力系統相結合，甚至還預留了用戶可配置功能，使用戶感到既舒適又方便，而這都與汽車網絡技術息息相關。使用線束方式將控制器分別與被控模塊相連，勢必增加線束的成本、布線復雜度和整車質量，因此采用ZigBee技術與汽車總線的方式實現與各被控模塊之間的通信是高性價比的理想選擇［1］。無論從材料成本還是工作效率看，傳統布線方法都不能適應汽車技術的發展。為此，本文提出的基于ZigBee技術的汽車網絡系統具有重要的實際應用價值和理論意義。

20世紀90年代中期美國汽車工程師協會(SAE)根據數據傳輸速度的高低，定義了A、B、C三類網絡［2］。ZigBee是一種新興的短距離、無線網絡技術，采取了IEEE 802.15.4的無線物理層規定［3-7］，其傳輸速率可以達250 kb/s，能滿足A類和B類以及部分C類網絡的要求。該技術具有低功耗、低成本、安全、可靠、抗干擾強等優良特點，并且避免了復雜的車內布線。若整個汽車網絡由CAN技術和ZigBee技術相結合，由CAN技術實現高速率網絡要求，ZigBee技術實現中低速率網絡的要求，則既能滿足對汽車實時閉環控制的多路傳輸的要求，又能解決車內有限空間布線難的問題。

1 系統總體結構設計

整個汽車網絡主要包含有面向高速、實時閉環控制的多路傳輸網和面向獨立模塊間數據共享、傳感器/執行器控制的中低速網絡。其中:多路傳輸網主要由CAN網絡實現;中低速網絡主要由ZigBee網絡實現。系統的總體結構如圖1所示。CAN主控制器直接對C類網絡中的單元進行控制，ZigBee網絡中的主節點(協調器)對其子節點(子設備)進行分級控制，協調器與系統的主控制器進行通信。

圖1 系統的總體結構

2 系統的主要硬件設計

2.1 ZigBee網絡節點的設計

圖2為整個網絡節點結構，主要由電源模塊、傳感器模塊處理器模塊和無線通信模塊構成。

圖2 網絡節點結構

無線通信模塊和處理器模塊采用了CC2430芯片。CC2430芯片是TI公司提供的支持ZigBee協議的片上系統解決方案［3］，延用了以往CC2420芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee射頻(RF)前端、MEMORY和MCU。它使用1個8位MCU(8051)，具有128KBFLASH和8 KB的隨機存儲器。芯片上還有A/D、數個定時器、AES128協同處理器、看門狗定時器(Watchdog timer)、32kHz晶振的休眠模式定時器(Sleep mode timer)、上電復位電路(Power On Reset)、掉電檢測電路(Brownout detection)，以及21個可編程I/O引腳。21個可編程的I/O口引腳中，P0、P1口是完全的8位口，P2口只有5個可使用的位。通過軟件設定一組特殊功能寄存器的位和字節，可使這些引腳作為通常的I/O口或作為連接模數轉換控制器、計時器或UART部件的外圍設備I/O口使用。網絡節點采用CC2430后將大大簡化射頻電路的設計。

2.2 協調器的接口電路設計

系統中主要的接口設計就是協調器與CAN控制器的接口設計。選用 PHILIPS公司的SJA1000作為CAN控制器芯片［3］，連接各種類型微處理器的CAN控制器中SJA1000可完成物理層和數據鏈路層的所有功能，適用于汽車及一般工業環境，不但可以減少導線連接，而且能增強診斷和監控能力。PCA82C250是PHILIPS公司的CAN控制器接口，是CAN Control與Physical Bus之間的接口，對CAN Control提供差動接收能力，對總線提供差動發送能力［8］。

主結點與子結點在CC2430芯片之間以無線的方式通信。主結點芯片CC2430與CAN控制器SJA1000的接口電路如圖3所示(圖中只給出了接口電路的主要部分)。

圖3 CC2430與SJA1000的接口電路

3 系統的主要軟件設計

3.1 ZigBee網絡的組建

完整的Zigbee協議套件由高層應用規范、應用會聚層、網絡層、數據鏈路層和物理層組成。網絡層以上協議由ZigBee聯盟制定，IEEE802.15.4負責物理層和鏈路層標準。

應用會聚層將主要負責把不同的應用映射到ZigBee網絡上，具體包括:安全與鑒權;多個業務數據流的會聚;設備發現;業務發現。

網絡層將主要考慮采用的網絡協議，應包含以下功能:①通用的網絡層功能，包括拓撲結構的搭建和維護;② 同IEEE802.15.4標準一樣，非常省電;③有自組織、自維護功能。

SMAC協議包是不包含ZigBee規范的網絡層的，也就是說該協議包中不具有組網通信、節點自主加入的功能程序，使用SMAC協議包只能實現在無線模塊之間進行無目的的廣播方式的無線通信。要使收發器組建一個有效的無線傳感器網絡，并且能與其他的ZigBee產品相兼容，軟件設計必須嚴格遵守IEEE 802.15.4協議，并在SMAC協議包構架的基礎上進一步對協議進行擴展［9］。

3.2 ZigBee網絡的抗干擾和安全服務規范

在低信噪比環境下ZigBee具有很強的抗干擾性能。在物理層采用高處理增益的直接序列/頻率捷變DS/FA技術(direct sequence/frequency agility)。頻率捷變就是改變頻率，以避開從一個信號源或已知干擾源來的影響的能力。實驗證明IEEE 802.15.4/ZigBee的誤碼率，特別是在信噪比為4 dB的情況下可達到10～9，而達到同樣誤碼率，藍牙802.15.1信噪比要達16 dB，802.11b要達10 dB，因此ZigBee的抗干擾性能明顯高于藍牙和WLAN技術。

ZigBee提供的安全服務包括密鑰建立、密鑰傳輸、幀保護和設備管理的方法。這些服務構成了服務模塊，用于在 ZigBee網絡中執行安全策略［6］。

密鑰建立協議由原語APSME-ESTABLISHKEY.REQUEST來初始化。在2個設備之間成功建立密鑰的必要的原語傳輸次序如圖4所示。在安全規范中，對所有的幀和域的格式根據其在NWK層傳輸的次序進行了描述。從左到右，最左邊的位首先傳輸。每個域里的位數字從0到k-1，該域的位長度為k。比單個字節長的域將有次序地發送到下一層，該域包括最低數字位的字節到包含最高數字位的字節。

圖4 成功建立密鑰的過程

4 結束語

隨著電子工業和汽車工業的緊密結合，汽車電子得到了飛速的發展，電子網絡技術現已幾乎深入到汽車的所有系統。ZigBee網絡應用于汽車系統的中低速網絡中，在改善汽車動力性、經濟性、安全性、行駛穩定性和乘坐舒適性上發揮著不可替代的作用。采用ZigBee網絡技術將是解決汽車所面臨的諸多技術問題的最佳方案。

［1］Nicolas Navet，Yeqiong Song.Fran Coise Simonot-Lion，and Cedric Wilwert.Trends in Automotive Communication Systems［J］.Proceedings of the IEEE，2005，93(6):6.

［2］IEEE STD 802.15.4［S］.

［3］Texas Instruments.Datasheet.CC2430［S］.

［4］王欽.基于ZigBee技術的無線傳感網絡研究與實現［J］.重慶理工大學學報:自然科學版，2011(8):46-51.

［5］李彤，李闖，常成.基于ZigBee協議的短距離無線通信節點設計［J］.四川兵工學報，2012(7):103-105.

［6］嚴天峰，陳君勝，楊超.基于ZigBee技術的遠端通信站監控系統及其實現［J］.自動化與儀器儀表，2011(1):96-98.

［7］姚曉通，崔小川.基于ZigBee無線傳感器網絡在智能家居中的應用研究［J］.自動化與儀器儀表，2011(2):10.

［8］Philips Semiconductors.Datasheet.SJA1000_3［S］.

［9］顧瑞紅，張宏科.基于ZigBee的無線網絡技術及其應用［J］.電子技術應用，2005(6):1-3.