基于Zigbee的智能車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0 引言

智能車又稱輪式機(jī)器人，是集傳感器、計(jì)算機(jī)、自動(dòng)控制、通信以及機(jī)械等技術(shù)于一身的綜合系統(tǒng)。在智能車的設(shè)計(jì)和制作過程中，控制算法調(diào)試是一個(gè)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(jì)的思路運(yùn)行；控制策略是否符合實(shí)際需求；運(yùn)行中出現(xiàn)問題時(shí)，智能車的各項(xiàng)實(shí)時(shí)參數(shù)是什么。針對(duì)這些問題，許多學(xué)者提出了基于仿真的解決方案。有學(xué)者提出基于參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，使用拉格朗日方法建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，來(lái)對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析。但由于車輛機(jī)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(xué)針對(duì)全國(guó)大學(xué)生智能車競(jìng)賽開發(fā)的PlaSTid仿真平臺(tái)，其動(dòng)力學(xué)模型雖然較為簡(jiǎn)單，但該模型是一種理想化的模型，對(duì)于影響智能車運(yùn)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(jī)械性能等因素，因而仿真結(jié)果與實(shí)際存在一定差距。有學(xué)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(zhǎng)處。但該軟件仍以虛擬仿真平臺(tái)LabVIEW為基礎(chǔ)，控制算法的分析和決策在上位機(jī)上運(yùn)行，脫離了車模實(shí)體的軟件運(yùn)行環(huán)境，其仿真結(jié)果與實(shí)際也存在一定的差距，因此其應(yīng)用有相當(dāng)?shù)木窒扌浴?/p>

筆者設(shè)計(jì)了一種基于無(wú)線通信技術(shù)的智能車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)。該系統(tǒng)以車模為實(shí)驗(yàn)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(jī)通過無(wú)線通信技術(shù)獲得車模的各項(xiàng)運(yùn)行參數(shù)，監(jiān)控車模的運(yùn)行狀態(tài)。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

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(wú)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(gè)Zigbee網(wǎng)絡(luò)支持255個(gè)設(shè)備；采用先進(jìn)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(cè)（CSMA/CA）方式，有很好的兼容性。Zigbee定義了3種類型的節(jié)點(diǎn)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(gè)協(xié)調(diào)器，而且只能有1個(gè)協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器是整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的中心，它負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的管理、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)信息的儲(chǔ)存，尋找節(jié)點(diǎn)之間的路由消息，不斷地接收信息。路由設(shè)備也擔(dān)當(dāng)著協(xié)調(diào)器的作用，負(fù)責(zé)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(shí)現(xiàn)具體功能的單元[7].Zigbee網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)星型、樹型和網(wǎng)狀型多種拓?fù)浣Y(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?fù)渚W(wǎng)絡(luò)功能于一體的無(wú)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(cè)控系統(tǒng)要求的無(wú)線通信模塊。

1.2 監(jiān)控系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)

為了能對(duì)多個(gè)智能車的運(yùn)行狀態(tài)實(shí)行在線監(jiān)控，系統(tǒng)采用星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)分為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)和終端節(jié)點(diǎn)，其中協(xié)調(diào)器與上位機(jī)相連，終端節(jié)點(diǎn)嵌入智能車。

上位機(jī)（即PC 機(jī)）與下位機(jī)（智能車）采用無(wú)線通信。下位機(jī)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(jì)算出下一步的行動(dòng)數(shù)據(jù)。同時(shí)，下位機(jī)將采集的各項(xiàng)數(shù)據(jù)以及下一步的行動(dòng)數(shù)據(jù)發(fā)給上位機(jī)，使得調(diào)試人員可以在上位機(jī)上觀察小車當(dāng)前的行駛參數(shù)以及對(duì)應(yīng)的小車行駛狀態(tài)。因此，上位機(jī)與下位機(jī)之間的通信方式是上位機(jī)首先向下位機(jī)發(fā)送通信指令，然后接收下位機(jī)發(fā)送來(lái)的小車運(yùn)行狀態(tài)信息。上位機(jī)對(duì)信息保存、顯示、修正，并將修正的參數(shù)發(fā)送到下位機(jī)。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能車以MC9S12XS128單片機(jī)為主控芯片，該芯片擁有豐富的內(nèi)部資源。利用單片機(jī)的脈寬調(diào)制模塊對(duì)智能車的舵機(jī)和電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，2路PWM通道作為舵機(jī)角度控制，1路PWM通道用于電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制；利用單片機(jī)的捕捉定時(shí)功能和A/D轉(zhuǎn)換模塊采集道路信號(hào)。

單片機(jī)與IP-Link1200的連接比較簡(jiǎn)單方便。IP-Link1200的RXD可直接與單片機(jī)的SCI串行口發(fā)送端TXD相連接，TXD與單片機(jī)串行口接收端RXD相連接，RESET端接單片機(jī)的PE1口，通過PE1初始化IP-Link1200,即通過PE1輸出10 ms的負(fù)脈沖。下位機(jī)電路圖如圖1所示。

圖1 下位機(jī)電路圖

IP-Link1200與PC相連接時(shí)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(shí)使IP-Link1200復(fù)位或按RST按鈕使IP-Link1200復(fù)位。上位機(jī)電路圖如圖2所示。