Zigbee技術(shù)的智能車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)

1、基于Zigbee 技術(shù)的智能車運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)圖(2018/5/24 13:22 >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 身的綜合系統(tǒng)。在智能車的設(shè)計(jì)和制作過(guò)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(wèn)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(wèn)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(wèn)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。但因?yàn)檐囕v機(jī)械結(jié)構(gòu) 的復(fù)雜性，這種建模和仿真

2、方式過(guò)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(kāi)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-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?。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)。

3、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(guò)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10250 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(tīng)多路訪問(wèn)、沖突檢測(cè)<CSMA/ CA

4、）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(shù)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-

5、Link1200模塊內(nèi)含 AVR微處理器，符合開(kāi)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

6、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-Link1

7、200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(guò)PE1初始化IP-Link1200,即通過(guò)PE1輸出10 ms的負(fù)脈沖。下位機(jī)電路圖如圖1所示。lPUnkl200單片機(jī)VCCo KrRESETPEITXDRXDRXDTXDGND1圖1下位機(jī)電路圖IP-Link1200與PC相連接時(shí)必須經(jīng)過(guò)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

8、-Link1200復(fù)位。上位機(jī)電路圖如圖2所示。HRSTcUMAX232IP-Link 1200VCC RESETTXDRXDGNDi+1-2+2-IO217I11 c cc c 丁 R r RCD + - n ooo VCGN¥ ¥ TR2T2R1DTX4 5TTHRXD圖2上位機(jī)電路圖3系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)3.1通信協(xié)議本系統(tǒng)中上位機(jī)與智能車之間采用全雙工通信。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)采用星狀網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與 上位機(jī)相連的IP-L in k1200為協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，與各個(gè)智能車相連的IP-Li nk1200為終端節(jié)點(diǎn)。無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)即為智能車的標(biāo)識(shí)號(hào)。通信協(xié)議的定義能夠確保收發(fā)數(shù)據(jù)

9、的正確率。實(shí)驗(yàn)證明，2個(gè)AAH后跟1個(gè)55H在數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的概率小，因此，用2個(gè)AAH后跟1個(gè)55H作為1個(gè)數(shù)據(jù)包的起始標(biāo)志。當(dāng)發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，在數(shù)據(jù)包前加上起始標(biāo)志。當(dāng)接收方收到1個(gè)數(shù)據(jù)包，首先檢驗(yàn)前3位是否是起始標(biāo)志，若是，則繼續(xù)接收數(shù)據(jù)包，否則，放棄接收。命令碼是上位機(jī)向下位機(jī)發(fā) 出的指令，占1 byte.其中低4位是操作代號(hào)，用"0"表示上位機(jī)需要讀取下位機(jī)中的數(shù) 據(jù)；用"1"表示上位機(jī)需要向下位機(jī)中寫入數(shù)據(jù)。高4位是指令代號(hào)，表示上位機(jī)需要讀/寫下位機(jī)的哪組數(shù)據(jù)，例如舵機(jī)參數(shù)、路況參數(shù)、速度參數(shù)等。數(shù)據(jù)長(zhǎng)度位，表示數(shù)據(jù)包 中數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。數(shù)據(jù)的糾錯(cuò)處理

10、采用CRC校驗(yàn)方式。3.2通信模塊設(shè)計(jì)通信系統(tǒng)的軟件主要有兩部分，一是上位機(jī)從串口接收和發(fā)送數(shù)據(jù)，二是智能車在 MC9S12XS128單片機(jī)的控制下從IP-Li nk1200接收和發(fā)送數(shù)據(jù)。通信子程序在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)設(shè)置串行口的波特率為38 400 baud, 并通過(guò)IP-Link1200給通信網(wǎng)絡(luò)中的各個(gè)子節(jié)點(diǎn)發(fā)送控制消息，查看各個(gè)節(jié)點(diǎn)是否連接正常。智能車中的通信子程序，上電時(shí)設(shè)置串 行口的波特率為38 400 baud,設(shè)置無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的節(jié)點(diǎn)號(hào)為智能車的標(biāo)識(shí)號(hào)，設(shè)置IP-Link1200的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為星型、傳輸波特率為38 400 baud、信道為11 等。 Zigbee 網(wǎng)絡(luò)的建

11、立是由與上位機(jī)相連的協(xié)調(diào)器發(fā)起的。首先，協(xié)調(diào)器進(jìn)行掃描搜 索，發(fā)現(xiàn)一個(gè)未用的最佳信道來(lái)建立網(wǎng)絡(luò)，然后再掃描搜索發(fā)現(xiàn)新的終端節(jié)點(diǎn)將其加入到 這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中。3.3 下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)在上位機(jī)與上位機(jī)的通信中，上位機(jī)處于主動(dòng)地位，下位機(jī)處于從屬地位。當(dāng)下位機(jī) 沒(méi)有收到上位機(jī)的通信指令時(shí)，小車就不斷地采集前方的道路信息，提取引導(dǎo)線，采集小 車行駛速度，生成控制參數(shù)，控制著小車沿引導(dǎo)線前進(jìn)。當(dāng)小車收到上位機(jī)的通信指令 時(shí)，首先判斷指令類型。若是上位機(jī)向下位機(jī)發(fā)來(lái)的修正數(shù)據(jù)包，下位機(jī)接收數(shù)據(jù)并修改 運(yùn)行參數(shù)；若是上位機(jī)要求下位機(jī)傳送小車運(yùn)行參數(shù)的指令，下位機(jī)立即將發(fā)送類型字打 包并上傳。3.4 上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)上

12、位機(jī)軟件采用 VB 語(yǔ)言來(lái)編寫，基于 Windows 的窗口化程序設(shè)計(jì) MFC, 使人機(jī)界面 生動(dòng)直觀，操作簡(jiǎn)單。上位機(jī)完成的主要功能是負(fù)責(zé)一次通信的發(fā)起，選擇需要采集的參數(shù)組，將接收到的 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、顯示，并對(duì)參數(shù)進(jìn)行修正。它的功能模塊分為主控模塊、通信模塊、數(shù)據(jù)庫(kù)管 理模塊。主控模塊由數(shù)據(jù)接收子模塊、顯示子模塊和參數(shù)修正子模塊組成。數(shù)據(jù)接收子模 塊由圖像信息子項(xiàng)、舵機(jī)相關(guān)參數(shù)子項(xiàng)、 PID 參數(shù)子項(xiàng)組成；參數(shù)修正子模塊完成對(duì)舵機(jī) 轉(zhuǎn)角參數(shù)和 PID 算法中各因子的修正，當(dāng)參數(shù)修正完成，立即執(zhí)行發(fā)送參數(shù)修正命令，以 此修改下位機(jī)的相應(yīng)參數(shù)。4 實(shí)驗(yàn)及分析應(yīng)用本系統(tǒng)對(duì)智能車進(jìn)行調(diào)試，能夠及時(shí)獲得智能車運(yùn)行的各項(xiàng)參數(shù)，能夠及時(shí)觀察 到智能車在給定參數(shù)控制下的運(yùn)行狀態(tài)。同時(shí)，通過(guò)修改相應(yīng)參數(shù)，調(diào)整智能車的運(yùn)行狀 態(tài)，使智能車的運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最佳狀態(tài)。圖3 是智能車運(yùn)行時(shí)電機(jī)控制的各項(xiàng)參數(shù)。在上位機(jī)上可以觀察智能車在同一路段運(yùn)行時(shí)， PID 各項(xiàng)因子的變化對(duì)智能車運(yùn)行狀態(tài)的影響，通過(guò)不斷調(diào)整各項(xiàng)因子，使智能車 在同一路段的運(yùn)行狀態(tài)達(dá)到最佳。KMK VMltI*u h p三I ” I w-rwrar