基于Zig Bee技术的智能车无线控制系统开发*

贾玉雷，靳伍银，李鹏勃，剡昌锋

（兰州理工大学机电工程学院，甘肃兰州 730050）

0 引言

Zig Bee是一种低速短距离传输的无线网络协定［1］，底层是采用 IEEE 802．15．4标准规范的媒体存取层与实体层［2～3］。主要特点是低耗电、低成本、支援大量网络节点、支援多种网络拓扑、低复杂度、快速、可靠、安全等［4～5］。目前，无线控制系统的设计主要有以下几种方案:1）基于通用分组无线业务（general packet radio service，GPRS）技术方案［6］，成本高、受网络覆盖范围影响、实时性不高;2）基于蓝牙（Bluetooth）技术［7］，功耗较大、传输距离短，典型距离为10 m;3）基于Wi-Fi技术，功耗大、需在有电源场所使用;4）基于无线红外控制技术，其对方向性要求高、无法实现数据传输。针对以上各类无线控制技术方案的不足和开发需求，本文选择无线Zig Bee技术实现本设计的无线控制，该方案具有无线控制系统功耗低、通信可靠、实时性高等优点，能够实现对车的智能控制和数据采集需要。

1 系统的总体架构与功能

智能车的无线控制系统结构如图1所示，该方案由3部分组成:Zig Bee通信系统、上位机控制系统、下位机系统。Zig Bee通信系统实现上位机和下位机的数据传输;上位机控制系统实现对Zig Bee模块A接收到的数据存储、分析、提取、显示，同时下发对下位机的控制命令;下位机系统实现对Zig Bee模块B接收到的命令存储、提取、匹配、执行，将各传感器和GPS采集的数据整合、发送，并对智能车进行控制。图2为系统的主要硬件的实体图。

图1 智能车无线控制系统结构Fig 1 Structure of intelligent vehicle wireless control system

图2 系统主要硬件实物图Fig 2 Physical map of system main hardware

2 硬件设计

2．1 Zig Bee通信硬件

Zig Bee通信模块由CC2530芯片、电池及电源、天线、PA功率放大器4部分构成。Zig Bee通信模块电路设计如图3所示。

1）CC2530—Zig Bee无线通信模块是采用TI最新一代CC2530 标准芯片，适用于 2．4 GHz，IEEE 802．15．4，Zig Bee和RF4CE应用［8］。CC2530芯片包括了极好性能的一流RF收发器，工业标准增强性8051MCU，系统中可编程的快闪内存，8 kB RAM以及许多其他功能强大的特性，可广泛应用在 2．4 GHz IEEE 802．15．4 系统、RF4CE 控制系统、Zig Bee系统，接收灵敏度为 －110 dBm，传输距离最远为1200 m，稳定传输距离为600 m。其应用领域可为:家庭、医院、建筑物自动化，2．4 GHz资料传输，工业控制测量和监视，低功耗无线感测器网络等［9～11］。

图3 Zig Bee通信模块电路设计Fig 3 Design of Zig Bee communication module circuit

2）锂电池供电选取1 000 mA的锂电池提供4．2V供电，并可反复智能充电，减少使用一般干性电池需要常更换电池的不便。同时也设计了5V电源供电接口，可由外接电源供应器、接USB电源由DC JACK或是MIN5P接口输入。

3）SHT10是由世界领先的传感器制造商Sensirion公司生产的温湿度传感器，该传感器全量程标定，2位输出。其湿度测量范围为 0%～100%RH，湿度测量精度为±4．5%RH。温度测量范围为 －40～ +123．8℃，温度测量精度为 ±0．5℃。

2．2 下位机系统硬件

1）下位机主要实现与上位机的通信、对智能车的控制及数据采集处理。下位机的系统主要由CC2530通信模块、ARM芯片、GPS模块、智能车等组成。CC2530芯片通过Zig Bee协议与上位机进行数据通信。ARM芯片是下位机的微处理器，实现对传感器采集的数据、GPS数据、接收数据进行提取和处理，同时也实现对智能车的控制，串口分别连接GPS模块和Zig Bee模块。

2）ARM芯片选型:ARM处理器主要有处理速度快、指令集优化、低功耗、外围模块丰富、性价比高、开发工具齐全等优点［12］，到目前为止，ARM微处理器的应用已经深入到工业控制、无线通信、网络应用、消费类电子等各个领域。基于本设计的需要，选用三星公司的S3C6410，它是一种基于ARM1176JZF-S内核的16/32位RISC嵌入式微处理器，采用64/32位内部总线架构，具有视频处理等强大的硬件加速器，该处理器还具有独立的16kB指令数据Cache和16 kB的指令数据TCM，主要用于开发便携式、功耗低、性能高的设备。

3）GPS模块选型:GPS定位的基本原理是根据高速运动的卫星瞬间位置作为已知的起算数据，采用空间距离后方交会的方法，确定待测点的位置。本文选择GPSlim—236超感度智能卫星接收器，它是一种完整的卫星定位接收机。采用美国瑟孚（SiRF）公司所设计的第三代省电型卫星定位接收芯片，同时可接收和追踪20颗卫星信号，接收码为L1和C/A码，更新速率为1 Hz，最低追踪信号感度为－159 dBm，具备全方位功能，具有RS—232接口，能满足专业定位的严格要求与个人消费需求［13］。

4）智能车选择:为实现方向和速度的精确控制以及考虑控制的实时性要求，选择飞思卡尔公司的B类标准车模进行改装而成。

3 软件设计

系统的软件工作流程主要包含以下3个部件结构系统:

1）PC机构成系统工作的流程如图4（a）所示，开机运行系统，系统监听与Zig Bee模块A相连的COM口，接收下位机传来的数据信息，对其进行存储、解析、处理，提取有用信息，并实现信息在监视窗口的显示。与此同时系统也要监听输入窗口是否有数据发送请求，如果有并且COM口处于未占用状态，则将数据处理后发送至COM口。此过程中Zig Bee模块A完成的工作为接收来自Zig Bee模块B发送的数据，并将其送至COM口，同时将COM口发送来的数据向外发送［14，15］。

2）ARM—S3C6410开发板构成系统工作的流程如图4（b）所示，主要完成2个功能，提取Zig Bee模块B接收到的控制信号，解析后实现对车的控制;提取GPS接收的数据进行处理并发送至COM口。在接收或提取COM口数据时需要监听COM是否有数据在传输。

3）Zig Bee模块B的系统工作的流程如图4（c）所示，温湿度采集传感器与Zig Bee模块连接，一方面Zig Bee模块B完成将来自上位机的控制命令信息送至COM口;另一方面将采集的温湿度数据和COM口中由ARM开发板采集到的GPS数据一起打包，同时将数据包发送出去［16，17］。

图4 系统流程图Fig 4 Flow chart of system

4 实验效果

图5为温湿度曲线动态实时显示界面，清楚地显示小车周边的温度（℃）和湿度（%RH）值的变化，可以方便地查看温湿度的状态和变化趋势。

图5 温湿度曲线输出窗口Fig 5 Output window of temperature and humidity curve

GPS控制界面接收到并提取的卫星定位数据，显示为当前日期时间、经度和纬度值，2012/08/16 14:08:11显示的兰州市七里河区设计实验室的纬度N为36″03．4364'，经度 E 为 103″46．4776'。

5 结束语

本文简要给出了基于Zig Bee技术的智能车无线控制系统实现的基本原理和系统硬件、软件开发的流程，并进行了实验。结果表明:系统具有较好的再开发性和实际应用价值，可以作为移动传感器采集的参考模型，将其配合静态采集点共同使用，可实现更全面的数据采集。同时本系统选用ARM11处理器芯片作为下位机主控芯片，提高了系统的性能和反应速率，其强大的数据处理功能和对外输出接口，可以实现更复杂的数据处理等功能。

［1］ 杨 玮，吕 科，张 栋，等．基于Zig Bee技术的温室无线智能控制终端开发［J］．农业工程学报，2010，26（3）:198 －202．

［2］ 张勇志，陈 磊，雷小平．基于Zig Bee协议矿用传感器设计［J］．中州煤炭，2008（2）:20－22．

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［5］ 刘映辉，樊晓平，张纯和，等．基于Zig Bee技术的无线数据采集系统设计［J］．工业控制计算机，2008，21（8）:5 －7．

［6］ 冯 军，宁志刚，阳璞琼．基于 Zig Bee的无线抄表系统设计［J］．电力自动化设备，2010，30（8）:108 －110．

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［13］吴红兰，黄圣国．嵌入式GPS数据采集与分析系统设计［J］．实验室研究与探索，2011，30（1）:54 －57．

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