基于Zigbee平台的车辆间微网系统

赵正健 程良

关键词：交通拥堵；自组网通信；Zigbee模块

1 研究背景

1.1 课题的背景及研究目的

1.1.1 课题来源及背景

近年来，数字家庭、无线通信、无线控制、无线定位、无线组网和移动连接等词语频频出现在新产品中[1]。由于IT产业的高速发展、网络的普及、家电的智能化以及单片机强有力的功能拓展，智能产品已经进入我们的生活。面对社会的快速发展，现有的交通设施建设已经无法满足人们对出行的要求[2]。虽然进行了大规模的地铁和道路建设，但大部分时间路上依旧很堵。

1.1.2 研究目的

通过对拥堵问题的分析发现，导致拥堵的大部分原因是驾驶员不能相互理解对方的意思，导致行车效率低下。一旦发生拥堵，缺乏良好的沟通便会加剧拥堵现象[3]。本论文设计了一种能够使车辆自组网的系统，无需其他设备参与。当车辆在一定的通信距离内，驾驶员按下按键，便可与周围车内驾驶员进行相互通信，从而提高了行车效率。此外，在彻底拥堵时，该系统能够有效沟通，有助于疏导交通。

2 系统需求与相关技术

2.1 本论文的系统需求

1） 核心控制器采用51单片机和无线模块。

2） 建立Zigbee无线硬件平台：以cc2530为核心建立Zigbee无线开发平台，所需的基本硬件平台包括开发板、计算机、仿真器等[4]。

3） 建立Zigbee无线软件平台：软件部分主要是编程开发平台，如IAR，以及支持无线通信的Zigbee协议栈。

4） Zigbee协议栈：支持从应用层到物理层的信息传递。

2.2 相关技术

1） 信道接入技术的研究：在无线自组网中，一个节点发送数据时，只有邻近的节点可以接收，而其他节点无法感知，但它们也会发送数据，这时就会出现数据冲突[5]。因此，在后续的研究过程中必须专门研究特殊的信道接入技术。

2） 路由协议的研究：由于汽车不停运动，无线自组网中会出现信道衰耗、干扰等原因，导致网络拓扑结构频繁变化。因此，要实现多跳路由，就需要相应的路由协议支持。

3） 服务质量的问题：Zigbee技术的带宽不足。

4） 多播技术的研究：由于无线自组网拓扑结构不断发生动态变化，信道会不足。

2.3 设计方法

该论文设计的实验首先可应用在公交车上，以提高交通运营效率，并为之后安装在私家车上打下基础。通过两车之间的无线通信，利用Zigbee的自动组网技术，使两车能够彼此了解彼此的距离，避免两车同时到站以及运营过程中效率低下的问题。其工作原理是，两辆车分别安装Zigbee，并外加LED指示灯。当车间距离接近2km时，LED指示灯亮起；当距离增大时，LED指示灯熄灭，从而有效地指示司机何时加速何时减速。与目前的预计公交车到站的App相比，这种产品是以司机和公交公司为出发点的，而不是以个人为出发点的。两种产品不会发生冲突，相反，它们是互补的产品。此外，这个产品还可以进一步拓展功能。

2.4 技术路线

由于Zigbee技术具有自组网功能，装有Zigbee的车辆之间可以进行数据传输[6]。在发射模块上编写程序时，以非常短的时间间隔发送数据，并同时编写加速度计算程序，这样就可以计算出车辆的各种运动参数。因此，主要的技术还是在程序编写上。

3 CC2530 芯片介绍

3.1 无线模块

无线模块=发射器+接收器+控制器。一般我们所见到的有三种类型：1） ASK（用在遥控器上）；2） 无线收发模块（通过单片机来控制其接收和发送数据）；3） 无线数传模块（直接通过串口进行数据的收发）。工作频率也有三种：315MHz，433MHz，2.4GHz。315MHz 一般是ASK无线模块，代表型号是YB315；433MHz的代表型号有CC1101S，CC1101+PA+LNA，YB30，YB32；2.4GHz 的代表型号有CC2500S，CC2500M，CC2500+PA+LNA，YB2530，YB2530+PA 等。如果按发射功率分，一般也分为3种：1mW，10mW，100mW。但是有些厂家自行加装PA（功率放大器）达到1W 以上。

3.2 控制线引脚功能

为了对Zigbee模块的充分利用，需要指导它各个功能，如表1所示。

4 系统设计

4.1 硬件设计

功能要求：50米内无线自组网，传输速度快，支持语音通信。

其他要求：体积小，成本低。

根据功能选择器件：RF模块、CPU、语音模块、电源模块、USB转串口模块、各种传感器以及LED[7]。（这里直接选择CC2530芯片，内部包含CPU以及无线模块，USB转串口使用的是PL2303芯片。）

1） USB转串口选择使用PL2303，主要是因为毕业设计对稳定性要求不高，而PL2303 价格便宜。见图1。

2） 电源模块。这里选择使用开关电源，是因为它的结构中没有中间的变压器和散热片，因此体积非常小。同时，开关电源内部都是电子元件，具有高效率和低发热的特点[8]。虽然具有电磁干扰等缺点，但是现在的屏蔽技术已经可以解决这些问题。这里首先使用LM2576 芯片将12V 转换为5V，然后再用LM117-3.3将5V转换为3.3V。

LM117-3.3芯片的1号引脚接地，2号引脚为3.3V 输出引脚，3号引脚为5V输入引脚，C1、C2为两个滤波电容。由于LM117-3.3V输出的电源纹波较大，必须通过电容进行滤波，才能得到稳定输出的3.3V 电源。

3） USB转换模块。因为CC2530单片机需要与电脑通过RS232实现通信，而电脑是RS232电平，高电平用+12V 表示，低电平用-12V 表示。而单片机是TTL电平，高电平用+5V表示，低电平（逻辑负）用0V 表示[9]。因此，要实现RS232和TTL的通信必须使用电平转换芯片。本系统采用的转换芯片为CH340G，其供电电压为3.0V至5.5V。

4.1.1 设计目的

可以将支持Zigbee技术的该模块安装到汽车上，并确保其能够正常工作。

4.1.2 参数要求

1） 距离：2km左右；2） 电压3.3V；3） 传输速率；4）CPU的处理速度。

4.1.3 解决方案

1） 一般的Zigbee只能传输大约100米左右的距离，所以需要加入功率放大器才能实现更远的传输距离，电路图见附录。

2） 因为一般公交车提供的电压为24V，所以需要电源模块将其降压至3.3V，电路图见附录。

3） 现在Zigbee 技术所支持的传输速率只有250bit/s，所以对于语音和视频的传输来说仍然远远不够，只能进行初步信号的传输[10]。

4） 当下市场上所有的CPU都能满足要求。

4.2 软件设计

Zigbee技术采用自组织网的方式组建网络，Zig?bee网络的设备分为协调器、路由器和终端节点。系统的软件设计采用宏编译的方式，三个设备的程序放在同一个工程中，通过宏编译的方式选择设备。本系统所涉及的只有协调器和终端节点两种设备。通过模块化程序设计，将该系统实现的功能进行分布式设计，主要完成组网以及信息的输入、处理和输出等任务。

4.2.1 设计目的

通过模块化程序设计，将该系统所实现功能进行分布设计。主要完成组网以及信息的输入、处理、输出等。

4.2.2 程序设计

主程序设计是指导每个模块功能的重要部分，决定整体的工作效率。流程图如图3。

协调器软件设计：

协调器作为整个无线网络的监控部分，协调整个网络的功能。程序设计如图4。

5 建立Zigbee 无线软硬件平台

5.1 硬件准备

一台电脑，两个开发板，功率放大器，下载器，电源模块。

5.2 软件准备

IAR软件，具体的安装步骤以及这次试验所进行的操作过程都在附录中详细地进行了描述。

5.2.1 安装IAR 以及下载组网程序

作为Zigbee的开发环境，IAR是一款集成度非常高的应用软件，可以将Zigbee 配置成不同的工作模式，原理图如图5所示。

5.2.2 安装仿真驱动

具体的安装步骤，以及详细的电脑操作都在附录中详细的记录。

5.2.3 进入调试

实物焊接完成后，并不一定就能立即使用，需要首先利用万用表进行简单的测量，主要测量以下内容：

第一：测量电路板中所有的电源VCC，包括5V和3.3V，是否通路；

第二：测量所有的地GND是否通路；

第三：测量VCC和GND之间是否存在短路现象；

第四：测量所有的信号引脚是否通路。

只有满足上述四种情况才能上电进行测试。上电后还需要使用万用表进行测量，主要内容如下：

第一：测量电源和地之间的电压值，例如输入是5V的电压必须是5V，经过LM117-3.3V芯片的电压必须是3.3V。如果电压值不正确且差异较大，则需要重新检查电路；

第二：对于LED的检测，本次设计的LED是共阳LED，因此另一端接地后LED会亮起。因此，在测试LED时，使用一根导线分别将LED的另一端与导线连接，观察LED是否亮起。这种方法可以验证LED连接是否正确，同时也可以通过万用表继续测量LED的好坏。

如果以上测试都正常，就可以在PC上编写控制软件，进行代码调试。

6 总结

本文主要利用Zigbee模块作为信息交互桥梁，通过Zigbee模块的自组网功能，使通信范围内的车辆能够相互通信，加强驾驶员之间的沟通，缓解交通问题。由于整体功能测试难度较大，因此该论文通过LED的闪烁来说明情况。通过将Zigbee模块设计为终端、路由器以及协调器模式，并通过自组网功能使三者进行信息的交互，为驾驶员的沟通打下基础。

针对无线网络的发展以及其在交通领域的研究方向，可以解决许多问题，例如公交车运行效率问题。通过两车之间的无线通信，利用Zigbee的自动组网技术，使两车能够彼此了解彼此的距离，避免两车同时到站以及运营过程中效率低下的问题。同时，用户可以实时监控车辆的运动参数，也可以远程观看自己汽车的实时画面。对于无线自组网的功能，可以利用的场景还有很多，相信在其他行业也可以通过无线网络的支持获得更加强大的功能。