|
0 引言 隨著國內經濟的高速發展，城市的規模在不斷擴大，尤其是各種交通工具的增長更迅速，從而使城市交通需求與供給的矛盾日益突出，而單靠擴大道路交通基礎設施來緩解矛盾的做法已難以為繼。在這種情況下，智能公交系統(Advanced Public Transportation Systems，APTS)也就應運而生，并且成為近年來國內研究的熱點。在智能公交系統所涉及的各種技術中，無線通信技術尤為引人注目。而ZigBee作為一種新興的短距離、低速率的無線通信技術，更是得到了越來越廣泛的關注和應用。目前市場上也出現了大量與ZigBee相關的各種產品，其中，比較有競爭力的ZigBee解決方案主要有下面幾種： (1) Freescale：MC1319X平臺； (2) Chipcon：SoC解決方案CC2430； (3) Ember：EM250ZigBee系統晶片及EM260網絡處理器； (4) Jennic的JN5121芯片； 經過市場調研，發現Freescale的MC1319X平臺功耗低、價格低廉、硬件集成度高，方便二次開發，射頻通信系統的穩定性高。所以，在本文的設計中選用了MaxStream公司與ZigBee兼容的以Freescale MC1319x芯片組為核心的XBee Pro RF模塊。下面主要介紹Xbee Pro的特性、接口應用、操作模式以及在智能公交無線網絡中的應用。 1 XBee Pro模塊的特性與接口 XBee模塊的基本性能參數如下： (1)發送功率：100 mW； (2)接收靈敏度：-92 dBm； (3)室內傳輸距離為100 m，室外傳輸距離為1500m； (4)RF數據傳輸速率為250 kbps； (5)在3.3 V電源下，發送電流為215 mA，接收電流為55 mA： (6)在網絡性能方面，具有DSS(直接序列擴頻)功能，可以組成對等網、點對點及點對多點網絡，具有12個軟件可選的直接序列信道，每個信道有65 000個可用網絡地址。 XBee Pro模塊體積小，功耗低，接口簡單，容易使用，非常適用于低數據速率的短距離通信應用，尤其是無線傳感網絡的設計應用。XBeePro模塊還提供有免費X-CTU測試軟件以便能夠輕松測試和配置網絡。該模塊還可以通過下載該公司最新的固件(Firmware)，使用戶在使用原有硬件模塊的基礎上，獲得最新的功能，從而為設計提供了極大的靈活性。 圖1所示是XBee Pro模塊的引腳圖。Xbee Pro有20個引腳。其中引腳中的VCC、GND、DOUT及DIN用于與RS232接口的電路板引腳連接。VCC引腳是電源引腳，范圍為2.8～3.4 V；GND為地引腳；DIN引腳信號方向為輸入，作為UART的數據輸入，通常與處理器的UART接收端TX相連；DOUT引腳信號方向為輸出，作為UART數據輸出，通常與處理器的UART接收端RX相連。MaxStream公司發布的fimrwaer版本暫不支持引腳ADO-AD5、DIO0-DIO7以及DO8的功能。 在XBee Pro模塊中集成有一個UART接口，其內部結構如圖2所示。 當串行數據通過DIN引腳進入XBee Pro模塊后，數據會先存儲在DI緩沖器中，直到被發送器通過天線發送出去；當天線接收RF數據后，接收數據則先進入DO緩沖器，然后再串行送入主機中。在一定條件下，模塊可能無法立即處理串位接收緩沖中的數據，這個時候就需用到CTS流控以此來避免因大量串行數據輸人而造成接收緩沖溢出的問題。XBee Pro模塊可以通過UART接口直接與控制器的UART接口相連，其硬件接口非常簡單實用。 2 XBee Pro模塊的操作模式 XBee Pro有空模式、接收模式、發送模式、睡眠模式和命令模式等5種操作模式，如圖3所示。每一種操作模式都有透明方式和應用程序接口(API)方式兩種操作方式。當工作在透明方式時，模塊可起到替代串口線的作用，并以字節為單位來處理各種信息；當工作在API方式下，所有進出模塊的數據均被包含在定義模塊的操作和事件的幀結構中。本設計采用API操作方式。 API操作要求模塊之間采用一種結構化的接口(數據通過一種定義好序列的幀來交互通信來進行通信)來進行通信。同時API規定了通過串口數據幀如何發命令、命令響應以及模塊狀態信息的傳送與接收。 3 XBee Pro模塊在智能公交系統中的應用 在站牌處通常會有多輛公交車同時到達，一個站牌對應多輛公交車，適合使用星狀網布線網絡。但為了保證網絡的可靠性，當公交車站牌外的通道阻塞時，可以通過其它公交車路由節點轉發到站牌，本設計采用網狀(Mesh)網模型。可將分布在公交線路上的電子站牌配置為協調器，而將到達的公交車配置為路由器。當站牌上ZigBee網絡協調器選擇一個信道和PAN ID并啟動時，便建立了一個ZigBee個人局網(PAN)。一旦協調器已啟動PAN，便可允許路由器和終端設備結點加入PAN。路由器加入PAN時，將收到一個16位的網絡地址，并且能夠發送和接收來自PAN內其他設備的數據。PAN協調器的網絡地址總是0。由于站牌上ZigBee模塊的網絡物理地址是唯一的，可以通過物理地址向站牌發送信息。 公交車到達站牌后，根據站牌的MAC地址將日期、時間、車號、公交線路、車內人數、行駛方向等信息發送到電子站牌。公交車ZigBee模塊發送模式的API幀結構定義如圖4所示。 為實現可靠的傳輸，當公交車傳送信息給電子站牌的請求完成后，必須得到電子站牌的信息確認信息，因此還必須得到電子站牌回饋給公交車的發送狀態信息。這個信息將指出數據包是否被成功發送。如果發送失敗就必須重新發送公交車的信息，直至發送成功。圖5為TX的狀態幀結構。其中的Bytes 9指出了傳送狀態信息，Bytes6、7為接收模塊的16位網絡地址。 電子站牌ZigBee模塊接收模式的API幀結構定義如圖6所示。 可以通過XBee Pro模塊提供的配置軟件X-CTU來進行命令參數的配置，也可以通過輸入“+++”進入命令模式來進行配置。XBee Pro模塊的命令格式如下： AT ASCIlI碼命令空格參數(可選)回車 表1所列是對電子站牌終端的ZigBee模塊進行的參數設置。 公交車的ZigBee模塊須設置為路由器(Rooter)模式，并且應保證通道和PAN ID與電子站牌設置相同。經過測試，該系統運行穩定。 4結束語 本文介紹了MaxStream公司與ZigBee／IEEE802.15.4協議兼容的Xbee Pro模塊的性能特點及其在智能公交系統無線通信中的應用。目前，該公司發布的針對Xbee Pro模塊的網狀網firmware版本，大大加強了其組網功能。隨著ZigBee技術的普及，Xbee Pro模塊也將在無線傳感網絡中得到更廣泛的應用。 范國偉，楊剛 (西安電子科技大學電路CAD研究所，陜西 西安 710071) |
