基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的車(chē)流量檢測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：由于城市中車(chē)輛增多，車(chē)流量檢測(cè)在現(xiàn)代交通中已成為重要的一部分。掌握車(chē)流量信息，可以了解路面狀況從而對(duì)做出合理決策有極大的幫助。如何準(zhǔn)確實(shí)時(shí)地得到車(chē)流量數(shù)據(jù)成為道路交通的顯著要求，本文中用TI公司的CC2530作為核心處理器單元，通過(guò)在主要路段設(shè)置熱釋電紅外傳感器檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，用ZigBee無(wú)線傳輸技術(shù)構(gòu)建無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)車(chē)流量的準(zhǔn)確檢測(cè)。

引言

　　由于城市對(duì)智能交通系統(tǒng)^[1]的需求，車(chē)流量檢測(cè)技術(shù)在近些年發(fā)展迅速，現(xiàn)有很多檢測(cè)方法如視頻檢測(cè)技術(shù)、微波感知技術(shù)、環(huán)形感應(yīng)線圈檢測(cè)技術(shù)、紅外傳感感應(yīng)技術(shù)等。視頻檢測(cè)技術(shù)雖然能夠大范圍地采集道路環(huán)境，但在惡劣天氣的情況下檢測(cè)效果要大打折扣;微波感知技術(shù)在車(chē)輛類(lèi)型單一的道路上能夠提供準(zhǔn)確數(shù)據(jù)，但無(wú)法應(yīng)對(duì)路況不均路段的需要;環(huán)形感應(yīng)線圈需要置于路面之中，需要損壞道路進(jìn)行安置，施工多有不便^[2] ;而紅外傳感器成本低廉，通過(guò)檢測(cè)路面車(chē)輛所發(fā)出的紅外線來(lái)得到流量等信息，效果能夠達(dá)到要求[3]。所以本文選用熱釋電紅外傳感器作為車(chē)流量檢測(cè)設(shè)備，構(gòu)建傳感器檢測(cè)模塊。

1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

　　本檢測(cè)系統(tǒng)用一個(gè)無(wú)線傳感器模塊節(jié)點(diǎn)采集車(chē)流量數(shù)據(jù)，執(zhí)行在線車(chē)輛檢測(cè)，與匯聚節(jié)點(diǎn)進(jìn)行射頻通信等。本文設(shè)計(jì)的檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件框圖如圖1所示，節(jié)點(diǎn)組成包括微處理模塊、射頻模塊、傳感器模塊以及存儲(chǔ)模塊，并根據(jù)調(diào)試需要增加了串行通信接口。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)用熱釋電紅外傳感器來(lái)偵測(cè)車(chē)流量數(shù)據(jù)。微處理器模塊是整個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的核心，負(fù)責(zé)設(shè)定節(jié)點(diǎn)工作模式、對(duì)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和檢測(cè)處理、控制射頻模塊收發(fā)等。射頻模塊負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)通信，結(jié)合相應(yīng)通信協(xié)議完成數(shù)據(jù)包的收發(fā)。存儲(chǔ)模塊用于保存工作參數(shù)配置，并根據(jù)需要保存一定時(shí)期內(nèi)的檢測(cè)記錄或原始數(shù)據(jù)以便調(diào)用。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 傳感器模塊設(shè)計(jì)

　　紅外傳感器選用高靈敏度的LHI807，再在外面加一片菲涅爾透鏡，菲涅爾透鏡有兩個(gè)作用:一是聚焦作用;二是將探測(cè)區(qū)域內(nèi)分為若干個(gè)明區(qū)和暗區(qū)，使進(jìn)入探測(cè)區(qū)域的移動(dòng)物體以溫度變化的形式在PIR上產(chǎn)生變化熱釋紅外信號(hào)^[4] 。當(dāng)有車(chē)經(jīng)過(guò)紅外檢測(cè)器時(shí)，熱釋電紅外傳感器會(huì)產(chǎn)生交變的電壓信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波，一級(jí)放大，再通過(guò)電容耦合到第二級(jí)放大，輸出信號(hào)進(jìn)入窗口電壓比較器。放大器選用LM324集成運(yùn)算放大器。電位器R決定了一個(gè)窗口電壓區(qū)間，低于該電壓區(qū)間，輸出為低電平;高于該電壓區(qū)間，輸出為高電平。輸出信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻模塊發(fā)射出去。原理圖如圖2所示。

2.2 微處理器模塊與射頻模塊

　　ZigBee 是一種無(wú)線通信技術(shù)，它形成的網(wǎng)絡(luò)必然涉及到射頻電路，一般情況下是由一塊 MCU、無(wú)線收發(fā)芯片，以及外圍電路組成。CC2530 微處理器的出現(xiàn)，大大簡(jiǎn)化了射頻電路設(shè)計(jì)，它集成無(wú)線射頻功能，因此并不需要額外的射頻芯片來(lái)做 RF 收發(fā)器。它是基于2.4GHz 真正意義上的片上系統(tǒng)(SoC)，總體成本材料非常低，卻能建立強(qiáng)大的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。采用標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型 8051 內(nèi)核，擁有 8KB 的 RAM，可編程閃存，其閃存版本有四種，分別是 CC2530F32/64/128/256。另外，CC2530 有不同的運(yùn)行模式，分別是主動(dòng)模式 RX(接收數(shù)據(jù))，功耗約為 24mA;主動(dòng)模式 TX(發(fā)送數(shù)據(jù))，功耗約為29mA;供電模式 1(喚醒)，功耗約為 0.2mA;供電模式 2(睡眠狀態(tài)，只有定時(shí)器運(yùn)行)，功耗約為 1μA;供電模式 3(只有外部中斷)，功耗約為 0.4μA。其中休眠模式時(shí)具有超低功耗，再加上無(wú)線傳感器通常是周期性采集特點(diǎn)，這種休眠功耗使得一個(gè)節(jié)點(diǎn)的持續(xù)工作時(shí)間非常久，無(wú)需經(jīng)常更換電池。這種節(jié)點(diǎn)最后往往是封裝在一個(gè)密封外殼里，甚至還有防盜螺絲，如果經(jīng)常更換電池就會(huì)帶來(lái)不少工作量。

　　CC2530 通過(guò)簡(jiǎn)單的四線(SI、SO、CS、 CLK)與 SPI 兼容的串行接口配置。CC2530 芯片正常工作時(shí)需要 32MHz 的參考時(shí)鐘用于數(shù)據(jù)接收與發(fā)送。參考時(shí)鐘可以來(lái)自外部時(shí)鐘源， 也可以由內(nèi)部晶體振蕩器產(chǎn)生。如果使用外部時(shí)鐘源，可以直接從 XOSC_Q1 腳輸入，并且令 XOSC_Q2腳懸空;如果使用內(nèi)部晶體振蕩器， 晶振兩端應(yīng)接在 XOSC_Ql和 XOSC_Q2引腳之間，并且置位 CC2530 里的選通寄存器。協(xié)調(diào)器與路由設(shè)備、終端設(shè)備的功能不同，這主要取決于軟件，電路上區(qū)別不大，協(xié)調(diào)器與路由設(shè)備一般采用外置天線，而終端設(shè)備在車(chē)輛探測(cè)中采用內(nèi)置天線。內(nèi)置天線可以方便節(jié)點(diǎn)的外盒封裝，使得節(jié)點(diǎn)完全密封;外置天線可以靈活改變收發(fā)增益，為了兼顧二者，以應(yīng)用不同的場(chǎng)合，采用內(nèi)置天線與外置天線同時(shí)集成于節(jié)點(diǎn)的做法，但在同一時(shí)刻只有一個(gè)天線發(fā)生作用。CC2530 芯片的 RF_P 與 RF_N 管腳接收發(fā)天線。另外，P1_0 與 P1_1 口分別接兩個(gè) LED 小燈，用來(lái)指示節(jié)點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。CC2530 芯片的電路原理圖如圖3所示。