經(jīng)濟的快速發(fā)展帶來了各地機動車擁有量的迅猛增長，這對相關(guān)管理部門提出了更高的檢測技術(shù)要求,，對具備精確,、高速性能的機動車性能檢測控制系統(tǒng)的要求日益迫切。當前國內(nèi)機動車檢測系統(tǒng)一般都基于專用的工控機和RS-232總線,，存在諸多弊端，如：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜,、通信協(xié)議不通用,、故障率高、檢測數(shù)據(jù)的聯(lián)網(wǎng)較為困難,、維護成本高等,。雖然有些系統(tǒng)將工業(yè)以太網(wǎng)技術(shù)引入其中，實現(xiàn)了現(xiàn)場設(shè)備與互聯(lián)網(wǎng)的直接連接,，但不可避免地具有布線復(fù)雜,、成本較高、維護難度大等缺陷,。
　 隨著無線技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展,，工業(yè)控制領(lǐng)域開始使用無線通信技術(shù)進行現(xiàn)場數(shù)據(jù)傳輸，與有線設(shè)備相比,，無線通信技術(shù)具有成本低,、無需布線等優(yōu)點。近年來,，面向低成本的無線網(wǎng)絡(luò)通信標準ZigBee備受關(guān)注,，不斷開發(fā)出基于ZigBee標準的無線網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)備及基于ZigBee標準的無線網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)(以下簡稱ZigBee技術(shù))。ZigBee標準是建立在IEEE 802.15.4協(xié)議的基礎(chǔ)之上,，具備強大的設(shè)備聯(lián)網(wǎng)功能,。它主要支持三種自組織的無線網(wǎng)絡(luò)類型：星型網(wǎng)絡(luò)、對等網(wǎng)絡(luò),、簇樹狀網(wǎng)絡(luò),。網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)節(jié)點具有多跳路由功能，特別是能夠組成蜂窩網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),，因此,，具有很強的網(wǎng)絡(luò)健壯性和系統(tǒng)可靠性。
　 ZigBee技術(shù)具有低功耗,、低成本,、短時延、高容量,、免布線等特點,，以其為核心對現(xiàn)有的機動車檢測系統(tǒng)進行技術(shù)升級,，將極大地簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，降低生產(chǎn)及維護成本,。
1 系統(tǒng)總體設(shè)計
　 完整的機動車檢測系統(tǒng)一般由后臺管理系統(tǒng),、前臺控制系統(tǒng)、現(xiàn)場檢測系統(tǒng)三部分組成,。后臺管理系統(tǒng)由服務(wù)器,、辦公系統(tǒng)、收費機等組成,；前臺控制系統(tǒng)由主控計算機系統(tǒng),、前置板、光電開關(guān),、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng),、錄入程序、通信服務(wù)程序等組成,；現(xiàn)場檢測系統(tǒng)由CO/HC分析儀,、煙度計、車速檢驗臺,、輪重儀,、制動檢驗臺、側(cè)滑檢驗臺,、前照燈檢測儀,、聲級計及二次儀表等組成?；赯igBee無線網(wǎng)絡(luò)的檢測系統(tǒng)框圖如圖1所示,。　

    在檢測系統(tǒng)中采用星型拓撲結(jié)構(gòu),，只有一個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器控制整個網(wǎng)絡(luò)的通信,，主要完成網(wǎng)絡(luò)同步和維護設(shè)備之間的鏈接管理。在網(wǎng)絡(luò)中,，終端設(shè)備之間不能直接通信,，只能通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器配合完成設(shè)備之間的通信。
　 現(xiàn)場檢測系統(tǒng)中每一個檢測工位的檢測設(shè)備均內(nèi)置ZigBee模塊成為無線終端節(jié)點,，網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器通過UART接口與前臺控制系統(tǒng)中的主控機相連,。應(yīng)用時，將終端設(shè)備(終端節(jié)點)連接于現(xiàn)場檢測設(shè)備,；基站(協(xié)調(diào)器)連接于前臺主控制機,。終端設(shè)備部分對實時采集的數(shù)據(jù)進行濾波處理計算，處理后的數(shù)據(jù)通過芯片CC2430內(nèi)部集成的ZigBee射頻( RF)前端調(diào)制成模擬信號發(fā)送出去?；静糠值腃C2430將收到的遠程數(shù)據(jù)解調(diào)后通過UART接口傳輸給上位機,，進一步對數(shù)據(jù)進行處理、分析,、顯示,、存儲和共享。由于設(shè)備一次性置于現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集點,，無需額外布線,，降低了施工難度和成本。同時,，即使某一設(shè)備出現(xiàn)故障,，也不會影響其他設(shè)備的正常工作，增強了系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性,。由于可以將設(shè)備帶離現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集點，也使檢修工作更加方便快捷,。
2 終端節(jié)點與協(xié)調(diào)器設(shè)計
　 終端節(jié)點由ZigBee芯片CC2430,、LPC2292、外存儲器Flash,、ADC模塊,、RS232及RS485接口組成，負責現(xiàn)場檢測數(shù)據(jù)的采集,、存儲與無線發(fā)送,。終端節(jié)點硬件原理圖如圖2所示。CC2430是IEEE802.15.4標準的低成本,、低功耗單片高集成度的解決方案,，工作在ISM免費頻帶上，工作頻率為2.4 GHz,。

　終端節(jié)點相當于通信協(xié)議轉(zhuǎn)換器,，根據(jù)所連接的檢測設(shè)備（如CO/HC 分析儀、煙度計,、車速檢驗臺,、輪重儀、制動檢驗臺等）的接口特性設(shè)置了相應(yīng)的通信接口(RS485,、RS232以及A/D采樣接口),，直接進行數(shù)據(jù)采集與分析?？刂颇K主芯片是ARM7TDMI-S內(nèi)核的LPC2292,，最高工作頻率為60 MHz,內(nèi)含256 KB的Flash空間和16 KB的RAM空間，外圍控制部分包括定時器模塊、捕捉/比較模塊,、A/D轉(zhuǎn)換模塊,、SPI接口和USART串口等，完成系統(tǒng)的控制和處理功能,。
   CC2430與主控制器是通過SPI連接的,，其中主控制器處于主模式，CC2430處于從模式,。LPC2292還有4個I/O與CC2430相連,，主要作用為必要時查詢CC2430的狀態(tài)。CC2430使用SFD,、 FIFO,、 FIFOP和CCA 4個引腳表示收發(fā)數(shù)據(jù)的狀態(tài)。SFD腳高電平表示處于接收狀態(tài),；FIFO和FIFOP引腳表示接收FIFO緩存區(qū)的狀態(tài),；CCA引腳在信道有信號時輸出高電平，它只在接收狀態(tài)下有效,。CC2430是一個半雙工的RF芯片,，在同一時刻只處于一種工作狀態(tài)。CC2430有15個命令寄存器,，每個寄存器都有一個固定的地址,。發(fā)送緩沖與接收緩沖是分開的：TXFIFO、RXFIFO各128 bit,。
　 協(xié)調(diào)器的硬件結(jié)構(gòu)與終端節(jié)點類似,，在此不再贅述。數(shù)據(jù)傳輸?shù)母袷揭?guī)定如表1,幀數(shù)據(jù)格式為：檢測工位編號（1B）+數(shù)據(jù)內(nèi)容（4B）,。
2.1 硬件數(shù)據(jù)發(fā)送程序
　發(fā)送程序首先通過查詢狀態(tài)字來確保CC2430允許發(fā)送,，若允許發(fā)送，程序先把殘留在TXFIFO中的信息清空,，然后將待發(fā)送的數(shù)據(jù)包通過SPI寫入TXFIFO中,。然后通過SPI接口觸發(fā)發(fā)送命令,即STROBE_ STXONCCA。通過狀態(tài)位來判斷是否發(fā)送成功,，若不成功則調(diào)用CSMS/CA的算法多次嘗試,；若發(fā)送成功，則向上層返回發(fā)送成功的原語,。程序流程如圖3所示,。

2.2 硬件數(shù)據(jù)接收程序
　當CC2430接收到一個有效的數(shù)據(jù)包后，會通過拉高FIFOP引腳電平指示數(shù)據(jù)包的到來,。主控制器檢測到FIFOP的高電平會觸發(fā)外部中斷,，利用中斷函數(shù)來接收數(shù)據(jù),，此中斷優(yōu)先級設(shè)為最高。程序流程如圖4所示,。

3 網(wǎng)絡(luò)建立與通信
　本文設(shè)計的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)未使用ZigBee聯(lián)盟定義的標準配置文件,，而在應(yīng)用程序中對網(wǎng)絡(luò)進行配置。設(shè)置節(jié)點的最大子節(jié)點數(shù)為5,，網(wǎng)絡(luò)深度為3,，子節(jié)點中最大路由器個數(shù)為3，由此可計算出網(wǎng)絡(luò)最大節(jié)點數(shù)為66,。
　在ZigBee技術(shù)定義的LR-WPAN中,，網(wǎng)絡(luò)建立的起點是PAN網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器(PAN Coordinator)。節(jié)點在兩種情況下將建立一個新的PAN網(wǎng)絡(luò)： (1)在主動掃描時沒有收到任何信標幀,； (2)收到的信標幀參數(shù)與自身節(jié)點能力不相匹配,。
　建立PAN網(wǎng)絡(luò)步驟如下：
　(1)協(xié)調(diào)器節(jié)點加電后，首先由網(wǎng)絡(luò)層發(fā)布NLME-NETWORK-FORMATION.request 原語,，之后由網(wǎng)絡(luò)層管理實體(NLME)請求MAC層檢測網(wǎng)絡(luò)信道,，通過發(fā)布MLME-SCAN.request 原語掃描有效信道能量，掃描完成后的結(jié)果由MLME-SCAN.confirm 原語返回至網(wǎng)絡(luò)層管理實體,。NLME根據(jù)能量檢測結(jié)果將能量水平較低的信道丟棄不用,，之后對選出的信道進行主動掃描，最終找出建立網(wǎng)絡(luò)的最佳信道（默認為18信道）,。
　(2)選擇網(wǎng)絡(luò)標識。每一個網(wǎng)絡(luò)都分配有一個獨立的網(wǎng)絡(luò)標識PAN ID,。網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備根據(jù)此標識來確認自己所屬的網(wǎng)絡(luò),。在完成第一步的工作之后，協(xié)調(diào)器節(jié)點在此信道上選擇一個隨機的網(wǎng)絡(luò)標識,，并開始偵聽該信道,。本系統(tǒng)采用18號信道對應(yīng)的PAN ID編號0x1aab。
　(3)設(shè)定網(wǎng)絡(luò)地址,。一旦網(wǎng)絡(luò)標識被選定,，NLME將選擇一個16位網(wǎng)絡(luò)地址，同時通過發(fā)布MLME-SET. request原語修改MAC子層的PIB屬性macShortAddress,，與其保持一致,。此時NLME將向MAC層發(fā)布MLME START.request 原語開始一個新的PAN的操作。然后,，網(wǎng)絡(luò)層管理實體(NLME)通過發(fā)送NLME-NETWORK-FORMATION.confirm 原語將初始化ZigBee協(xié)調(diào)器的執(zhí)行結(jié)果通知上一層,。
　在ZigBee協(xié)調(diào)器設(shè)備建立網(wǎng)絡(luò)后，終端設(shè)備可作為子節(jié)點加入?yún)f(xié)調(diào)器建立的網(wǎng)絡(luò),，子節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)的方式有兩種：通過MAC層關(guān)聯(lián)方式加入網(wǎng)絡(luò),；通過指定的父節(jié)點直接方式加入網(wǎng)絡(luò)。本文取前種方式。            
　首先子節(jié)點調(diào)用NLME-NETWORK-DISCOVERY.request 原語,，設(shè)定待掃描的信道以及每個信道掃描的時間,，一旦MAC層完成了掃描，將發(fā)送 MLME-SCAN.confirm 原語,告知網(wǎng)絡(luò)層,，網(wǎng)絡(luò)層將發(fā)送NLME-NETWORK-DISCOVERY.confirm 原語,，告知應(yīng)用層，應(yīng)用層從關(guān)聯(lián)表中選擇所發(fā)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)加入,。一旦潛在的父節(jié)點確定,，網(wǎng)絡(luò)層將調(diào)用MLME-ASSOCIATE.request 原語到MAC層。當收到節(jié)點的入網(wǎng)請求后,，協(xié)調(diào)器的MAC層會將分配給子節(jié)點的16 bit網(wǎng)絡(luò)地址與其IEEE 64 bit網(wǎng)絡(luò)地址存入AddressMap,，并在NeighborEntry中加以記錄。協(xié)調(diào)器將在關(guān)聯(lián)表中創(chuàng)建一個表項,，作為其子節(jié)點,，并通過MLME-ASSOCIATE.reponse 原語，將16 bit網(wǎng)絡(luò)地址包含在確認信息中返回終端節(jié)點,。
　圖5是協(xié)調(diào)器組網(wǎng)以及終端節(jié)點入網(wǎng)的相關(guān)信息顯示,。在調(diào)試模式下硬件通過串口向計算機發(fā)送數(shù)據(jù)，串口傳輸設(shè)置為:速率9 600 b/s, 8位數(shù)據(jù)位,，1位起始位,，1位停止位，無奇偶校驗,。圖5左側(cè)顯示了協(xié)調(diào)器組網(wǎng)及添加子節(jié)點的過程,，右側(cè)則顯示了子節(jié)點入網(wǎng)過程。

　ZigBee是一種高性能的短距離,、低速率無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù),，具有廣泛的應(yīng)用前景。機動車檢測系統(tǒng)終端設(shè)備較多,、現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜,，采用ZigBee技術(shù)來構(gòu)建無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、實現(xiàn)對各檢測工位數(shù)據(jù)的實時處理,，具有組網(wǎng)簡單,、系統(tǒng)花費少、擴展網(wǎng)絡(luò)容易,、通信穩(wěn)定,、維護簡便等優(yōu)點，這是機動車檢測系統(tǒng)集成化,、智能化的新趨勢,。
參考文獻
[1]     DANG P, LEWIS F L, POPA D O. Dynamic localization of air-ground wireless sensor networks[C]. Proceeding of the 14th Mediterranean Conference on Control and Automation, 2006.
[2]    嚴朝勇,洪家龍,廖西南,等.機動車檢測站檢測監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用研究[J].交通標準化,2007(10).
[3]    王芳,劉云飛,劉云卿,等.機動車檢測系統(tǒng)中多功能數(shù)據(jù)采集器的設(shè)計[J].儀表技術(shù)與傳感器,2009(7):66-68.
[4]    趙妍,岳炳良,高大偉.Zigbee無線解決方案網(wǎng)絡(luò)層研究[J].計算機測量與控制,2007(5):689-691,694.
[5]    孫雨耕,張靜,孫永進,等.無線自組傳感器網(wǎng)絡(luò)[J].傳感技術(shù)學(xué)報,，2004(2):331-348.
[6]    歐杰峰.基于IEEE802.15.4的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究與實現(xiàn)[D].杭州:浙江大學(xué)，2006.
[7]    劉青,宋立軍.ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)研究[J].電腦開發(fā)與應(yīng)用,2008,21(6):44-45,48.
[8]    DOUCET A, FREUTAS D N, GORDON N(Eds.). Sequential Monte Carlo Methods in Practice, Springer-Verlag, 2001.
[9]     EUSTICE R, SINGH H, LEONARD J. Exactly sparse de  layed-state filters for viewbased SLAM. IEEE Transactions    on Robotics, 2006,22(6):1100-1114.