Ｖｉｄｅｏ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ＆ｐｒｏｊｅｃｔｌ 积频应用与工程ｌ 文章编号：１００２—８６９２（２０１ １）１５—００１３—０３ 基于Ｚｉｇｂｅｅ技术的智能车运行状态实时监控系统 张晓群，嵇启春 （西安建筑科技大学信息与控制学院，陕西西安７１００５５） 【摘要】为了获取智能车在运行中的各项实时参数以及切合实际需求的控制策略，提出基于Ｚｉｇｂｅｅ无线通信的解决方案，设 计并实现了智能车运行状态实时监控系统。实验证明，该系统能够获得智能车运行中的实时数据，对智能车的运行状况实行 实时监控，能在线修正运行参数，并为智能车控制算法的离线改进提供有效的依据。 【关键词】智能车；单片机；Ｚｉｇｂｅｅ无线通信；实时监控 【中图分类号】ＴＮ９１９．７２；ＴＰ３９３ 【文献标识码】Ａ Ｒｅａｌ——ｔｉｍｅ Ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｓｍａｒｔ Ｃａｒ Ｒｕｎｎｉｎｇ Ｓｔａｔｅ ＺＨＡＮＧ Ｘｉａｏｑｕｎ，ＪＩ Ｑｉｅｈｕｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆｌｎｆｏｒｍａｔｗｎ ａｎｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ Ｅｒ￣４ｎｅｅｒｉｎｇ，Ｘｉ’ａｎ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆＡｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ， ’ａｎ ７１００５５，Ｃｈｉｎａ） 【Ａｂｓｔｒａｃｔ】Ｉｎ ｏｒｄｅｒ ｔｏ ｏｂｔａｉｎ ｔｈｅ ｒｅａｌ—ｔｉｍ— ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｔａｔｅ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｐｏｌｉｃｙ ａｃｃｏｒｄｓ ｗｉｔｈ ａｃｔｕａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔ，ａ ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ Ｚｉｇｂｅｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ ｉｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ａｎｄ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ．Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ ｒｅｓｕｌｔｓ ｐｒｏｖｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃａｎ ｏｂｔａｉｎ ｒｅａｌ—ｔｉｍｅ ｄａｔａ ｏｆ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ，ｍｏｎｉｔｏｒ ｒｕｎｎｉｎｇ ｓｔａｔｅ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｖｅｈｉｃｌｅ，ｍｏｄｉｆｙ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ｏｎ—ｌｉｎｅ ａｎｄ ｐｒｏｖｉｄｅ ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ ｅｖｉｄｅｎｃｅ ｔｏ ｍｏｄｉ￣ｃｏｎｔｒｏｌ ａｌｇｏｒｉｔｈｍ ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｍａｒｔ Ｃａｒ． 【Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ】ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｖｅｈｉｃｌｅ；ＭＣＵ；Ｚｉｇｂｅｅ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ；ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ ０ 引言 态实时监控系统。该系统以车模为实验主体，车载控制 智能车又称轮式机器人，是集传感器、计算机、自动 器完成智能车的数据采集、分析、决策等。上位机通过无 控制、通信以及机械等技术于一身的综合系统ｎ 。在智 线通信技术获得车模的各项运行参数，监控车模的运行 能车的设计和制作过程中，控制算法调试是一个极其重 状态。 要而又关键的环节，面临着许多急需解决的问题：智能车 １ 系统总体设计 能否按照事先设计的思路运行；控制策略是否符合实际 １．１ Ｚｉｇｂｅｅ技术分析 需求；运行中出现问题时，智能车的各项实时参数是什 Ｚｉｇｂｅｅ技术是一种近距离、低功率、低成本的双向无 么。针对这些问题，许多学者提出了基于仿真的解决方 线通信技术 ，工作频段为全球通用频段２．４ ＧＨｚ，数据 案。有学者提出基于参数化的机械系统几何模型，使用 传输速率为１０～２５０ ｋｂｉｔ／ｓ，免执照。Ｚｉｇｂｅｅ协议由应用 拉格朗日方法建立系统动力学方程，来对虚拟机械系统 层、网络层、数据链路层和物理层组成，其中物理层和链 进行动力学分析 。但由于车辆机械结构的复杂性，这 路层遵循ＩＥＥＥ８０２．１５．４协议。一个Ｚｉｇｂｅｅ网络支持２５５ 种建模和仿真方式过于繁琐，影响了仿＝ 和研究的效 个设备；采用先进的ＡＥＳ１２８加密算法，提供数据完整性 率。清华大学针对全国大学生智能车竞赛开发的Ｐｌａｓｔｉｄ 检查；具有载波侦听多路访问、冲突检测（ｃｓＭ ｃＡ）方 仿真平台，其动力学模型虽然较为简单 ，但该模型是一 式，有很好的兼容性。Ｚｉｇｂｅｅ定义了３种类型的节点设 种理想化的模型，对于影响智能车运行状况的一些参数 备，分别是协调器、路由设备（ＦＦＤ）和终端设备（ＲＦＤ）。 的考虑较少，例如小车与路面之间的摩擦系数、小车的机 Ｚｉｇｂｅｅ网络由这３种设备组成，但必须包括１个协调器， 械性能等因素，因而仿真结果与实际存在一定差距。有 而且只能有１个协调器。协调器是整个网络的中心，它 学者提出一种智能车硬件在环仿真系统，该仿真系统发 负责网络的组建、网络节点的管理、网络节点信息的储 挥了硬件在环的长处一 。但该软件仍以虚拟仿真平台 存，寻找节点之间的路由消息，不断地接收信息。路由 ＬａｂＶＩＥＷ为基础，控制算法的分析和决策在上位机上运 设备也担当着协调器的作用，负责其他的路由器或终端 行，脱离了车模实体的软件运行环境，其仿真结果与实际 设备入网，拓展网络范围；终端设备是实现具体功能的单 也存在一定的差距，因此其应用有相当的局限性。 元 。Ｚｉｇｂｅｅ网络可以实现星型、树型和网状型多种拓扑 笔者设计了一种基于无线通信技术的智能车运行状 结构。 基金项目：西安市科技攻关项目（ＧＧ５０２０） ｚ…年第ｓｓ卷第 ｓ 总籼ｓ期 １３ ｌ Ｖｉｄｅｏ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ＆ｐｒｏｊｅｃｔ ｉ墅 应用与工程 赫立讯公司的ＩＰ—Ｌｉｎｋ产品是集射频收发器、微处理 路上，该电路在上电时使ＩＰ—Ｌｉｎｋｌ２００复位或按ＲＳＴ按钮 使ＩＰ—Ｌｉｎｋ１２００复位。上位机电路图如图２所示。 器、多拓扑网络功能于一体的无线通信模块［８１。 ＩＰ—Ｌｉｎｋｌ２００模块内含ＡＶＲ微处理器，符合开放 ＩＥＥＥ８０２．１５．４协议的２．４ ＧＨｚ免执照ＩＳＭ频段的射频收 发器，可以组成任意的网络拓朴。因此，ＩＰ—Ｌｉｎｋ１２００是 一款完全满足智能车测控系统要求的无线通信模块。 １．２监控系统的组成结构 为了能对多个智能车的运行状态实行在线监控，系 统采用星形拓扑结构。该系统的网络节点分为协调器节 点和终端节点，其中协调器与上位机相连，终端节点嵌入 智能车。 上位机（即ＰＣ机）与下位机（智能车）采用无线通 信。下位机采集智能车的行驶速度以及路况信息，判断 智能车的行驶方向，并计算出下一步的行动数据。同时， 下位机将采集的各项数据以及下一步的行动数据发给上 位机，使得调试人员可以在上位机上观察小车当前的 行驶参数以及对应的小车行驶状态。因此，上位机与 下位机之间的通信方式是上位机首先向下位机发送通 信指令，然后接收下位机发送来的小车运行状态信 息。上位机对信息保存、显示、修正，并将修正的参数发 送到下位机。 ２系统硬件设计 智能车以ＭＣ９ＳＩ２ＸＳ１２８单片机为主控芯片，该芯片 拥有丰富的内部资源 ０１。利用单片机的脉宽调制模块 对智能车的舵机和电机进行驱动，２路ＰＷＭ通道作为舵 机角度控制，１路ＰＷＭ通道用于电机的转速控制；利用 单片机的捕捉定时功能和Ａ／Ｄ转换模块采集道路信号。 单片机与ＩＰ—Ｌｉｎｋｌ２００的连接比较简单方便。ＩＰ—Ｌｉｎｋｌ２００ 的ＲＸＤ可直接与单片机的ＳＣＩ串行口发送端ＴＸＤ相连 接，ＴＸＤ与单片机串行口接收端ＲＸＤ相连接，ＲＥＳＥＴ端 接单片机的ＰＥ１口，通过ＰＥ１初始化ＩＰ—Ｌｉｎｋｌ２００，即通 过ＰＥ１输出１０ ｍｓ的负脉冲。下位机电路图如图１所示。 ＩＰ—Ｌｉｎｋ１２００ 单片机 ＶＣＣ ＿＿ｏ ＲＥＳＥＴ ＰＥｌ ＴＸＤ ＲＸＤ ＲＸＤ ＴＸＤ ＧＮＤ ——一一 图１下位机电路图 Ｉｐ—Ｌｉｎｋ１２００与ＰＣ相连接时必须经过电平转换，将 ｒｒｒＬ电平转换为ＲＳ一２３２Ｃ电平，用１片ＭＡＸ２３２芯片便 可以完成该转换。ＩＰ—Ｌｉｎｋｌ２００的ＲＥＳＥＴ端接在复位电 １ ４ ２０１１年第３５卷第ｌ５期（总第３６５期） 图２上位机电路图 ３ 系统软件设计 ３．１通信协议 本系统中上位机与智能车之间采用全双工通信。无 线网络采用星状网络拓扑结构。与上位机相连的 ＩＰ—Ｌｉｎｋｌ２００为协调器节点，与各个智能车相连的 ＩＰ—Ｌｉｎｋｌ２００为终端节点。无线网络中各个终端节点的 节点号即为智能车的标识号。 通信协议的定义能够确保收发数据的正确率。实验 证明，２个ＡＡＨ后跟１个５５Ｈ在数据中出现的概率小，因 此，用２个ＡＡＨ后跟１个５５Ｈ作为１个数据包的起始标 志。当发送数据时，在数据包前加上起始标志。当接收 方收到１个数据包，首先检验前３位是否是起始标志，若 是，则继续接收数据包，否则，放弃接收。命令码是上位 机向下位机发出的指令，占ｌ ｂｙｔｅ。其中低４位是操作代 号，用“０”表示上位机需要读取下位机中的数据；用“１”表 示上位机需要向下位机中写人数据。高４位是指令代 号，表示上位机需要读／写下位机的哪组数据，例如舵机 参数、路况参数、速度参数等。数据长度位，表示数据包 中数据的个数。数据的纠错处理采用ＣＲＣ校验方式。 ３．２通信模块设计 通信系统的软件主要有两部分，一是上位机从串口 接收和发送数据，二是智能车在ＭＣ９Ｓ１２ＸＳ１２８单片机的 控制下从ＩＰ—Ｌｉｎｋｌ２００接收和发送数据。通信子程序在 系统启动时设置串行口的波特率为３８ ４００ ｂａｕｄ，并通过 ＩＰ—Ｌｉｎｋｌ２００给通信网络中的各个子节点发送控制消息， 查看各个节点是否连接正常。智能车中的通信子程序， 上电时设置串行口的波特率为３８ ４００ ｂａｕｄ，设置无线网 络中各个终端节点的节点号为智能车的标识号，设 置ＩＰ—Ｌｉｎｋｌ２００的网络拓扑结构为星型、传输波特率为 ３８ ４００ ｂａｕｄ、信道为１ １等。Ｚｉｇｂｅｅ网络的建立是由与上 位机相连的协调器发起的。首先，协调器进行扫描搜索， 发现一个未用的最佳信道来建立网络，然后再扫描搜索 Ｖｉｄｅｏ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ＆ｐ】 ｅｃ ｌ 觏频应用与工程ｌ 墟出 ｆ尊靠 发现新的终端节点将其加入到这个网络中 ３．３下位机软件设计 ■特记晕 ＾ 溽Ｉ ｃ｝ｆ螂 杖８站攫 植●利 琳正 ≈ｍ 蜜囊肆谴 §蕺ＩＩ 在上位机与上位机的通信中，上位机处于主动地 位，下位机处于从属地位。当下位机没有收到上位机的 通信指令时，小车就不断地采集前方的道路信息，提取 ｝引导线，采集小车行驶速度，生成控制参数，控制着小车 沿引导线前进。当小车收到上位机的通信指令时，首先 判断指令类型。若是上位机向下位机发来的修正数据 包，下位机接收数据并修改运行参数；若是上位机要求 圃 回 阔 一 獭一 删 图３ 智能车运行时电机控制的各项参数 运行状态实时监控系统。该系统能够及时获得智能车 运行时的各项参数，及时观察到参数的变化对智能车运 下位机传送小车运行参数的指令，下位机 即将发送类 型字打包并上传。 ３．４上位机软件设计 上位机软件采用ＶＢ语言来编写，基于Ｗｉｎｄｏｗｓ的窗 行状态的影响，使智能车的调试不再盲目，而是有的放 矢。同时，也为控制算法的离线改进提供了有效的依据。 参考文献： 川１ 黄开胜，金华民，蒋狄南．韩国智能模型车技术方案分析…．电子产 品世界，２００６（５）：１５０－ １５２． 口化程序设计ＭＦＣ，使人机界面生动直观，操作简单” 。 上位机完成的主要功能是负责一次通信的发起，选择需 要采集的参数组，将接收到的数据存储、显示，并对参数 进行修正。它的功能模块分为主控模块、通信模块、数 据库管理模块。主控模块由数据接收子模块、显示子模 【２Ｊ李军，邢俊文，覃文洁．ＡＤＡＭＳ实例教程 ］．北京：北京理工大学 出版社，２００２． ．【３］蒋荻南，黄开胜．基于虚拟仪器技术的智能车仿真系统【Ｊ】．电子产 品世界。２００６（２）：１３２－一１３４． 块和参数修正子模块组成。数据接收子：漠块由图像信 息子项、舵机相关参数子项、ＰＩＤ参数子项组成；参数修 正子模块完成对舵机转角参数和ＰＩＤ算法中各因子的修 正，当参数修正完成，立即执行发送参数修正命令，以此 修改下位机的相应参数。 【４】方兴。杨明，彭新荣．智能车硬件在环仿真系统的设计与实现ｆＪ１．华 中科技大学学报：自然科学版，２００８（Ｓ１）：２５８—２６１． 【５】凌志浩，周怡，郑丽国．Ｚｉｇｂｅｅ无线通信技术及其应用研究【Ｊ】．华东 理工大学学报，２００６，３２（７）：８０１—８０５． 【６】赵妍，岳炳良，高大伟．Ｚｉｉｇｂｅｅ无线解决方案网络层研究【ｊＪ．计算机 测量与控制，２００７，１５（５）：６８９．－６９１． ［７】ｚｉｇｂｅｅ Ａｌｌｉａｎｃｅ．Ｚｉｇｂ￣ｓｐｅｃｉｔｌｃａｔｉｏｎ［ＥＢ／ＯＬ］，［２Ｏｌｌ—Ｏ１—２ｌ】．ｈｕｐ：／／ｗｗｗ． Ｚｉｓｂｅｅ．ｏｒｇ／ｅｎ／ｓｐｅｅ ｄ，ｏｗｎｌｏａｄ，２００７－０２－０７． ４实验及分析 应用本系统对智能车进行调试，能够及时获得智能 车运行的各项参数，能够及时观察到智毹车在给定参数 控制下的运行状态。同时，通过修改相应参数，调整智 能车的运行状态，使智能车的运行状态达到最佳状态。 【８］刘晓燕，李孝安，段俊花，等．基于Ｚｉｇｂｅｅ的集控式足球机器人通信 系统【Ｊ】．计算机测量与控制，２００７，１５（６）：７４０－ －７４４． 【９１杨玉君，陈佳品，程君实，等．基于行为的自主微小移动机器人智 能体系结构研究【Ｊ】计算机工程与应用，２００２，３８（７）：２９－ ３１． 图３是智能车运行时电机控制的各项参数。在上位机上 可以观察智能车在同一路段运行时，ＰＩＤ各项因子的变 化对智能车运行状态的影响，通过不断调整各项因子， 使智能车在同一路段的运行状态达到最仨。 ［１Ｏ】韩毅，杨天．基于ＨＣＳ１２单片机的智能寻迹模型车的设计与实现 【Ｊ】．计算机工程与设计，２００８，２９（１８）：４７３６－－４７３９． 【１ ｌＪ邵贝贝．单片机嵌入式应用的在线开发方法【Ｍ】．北京：清华大学 出版社，２００４． 【１２］范逸之，陈立元．利用ＶｉｓｕａｌＢａｓｉｅ实现串并行通信技术【Ｍ】．北京： 清华大学出版，２００１． ◇ ５ 结论 本文应用Ｚｉｇｂｅｅ无线通信模块设计 实现了智能车 （上接第３页） ｆ８＿ ＯＳＵＮＡ Ｅ，ＦＲＥＵＮＤ Ｒ，ＧＩＲＯＳＩＩ Ｆ，ｅｔ ａ１．Ｔｒａｉｎｉｎｇ ｓｕｐｐｏｒｔ ｖｅｃｔｏｒ ｍａｃｈｉｎｅｓ：ａｎ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｔｏ ｆａｃｅ ｄｅｔｅｅｔｉｏｎ［ＥＢ／ＯＬ］．［２０１０－１１－２ｏ］．．ｈｎｐ：／／ ｉｅｅｅｘｐｌｏｒｅ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｘｐｌ／ｆｒｅｅａｂｓａｌ１．，ｊｓｐ？ａｒｎｕｍｂｅｒ＝６０９３ １０． ＿责任编辑：任健男 收稿日期：２０１１—０３－２１ ｅｉｔｅｓｅｅｒｘ．ｉｓｔ．ｐｓｕ，．ｅｄｕ／ｖｉｅｗｄｏｃ／ｓｕｍｍａｒｙ？ｄｏｉ＝１０．１．１．１２．１７１８． ◇ 作者简介： 张建－￣１１９８６－）．硕士生，主要研究方向为信号与信息处理； ［９】冀振元，李晨雷，唐文彦．支持向量机在车辆目标识别中的应用 ］． 系统工程与电子技术，２０１０，３２（２）：２８４－．２８６． 【ｌ０］ ＲⅣＴＪＮ Ｅ，ＲＵＤＺＳＫＹ Ｍ，ＧＯＬＤＥＮＢＥＲＧ Ｒ，ｅｔ￡１．Ａ Ｉｅａｌ一曲１ｅ ｓｙｓｔｅｍ 陈树越（１９６３－－）。教授．博士，主要研究方向为信号与信息处理。 责任编辑：任健男 收稿日期：２０１１—０１－．２４ ｆｏｒ ｃｌａｓｓｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｏｖｉｎｇ ｏｂｊｅｃｔｓ【ＥＢ／ＯＬ］．［２０１０－１ １－２０］．ｈｔｔｐ：／／ ２０１ １年第３５卷第１５期（总第３６５期） ｌ“ｏ匹”日ｌ＂ Ｐ ｒＩｎ １５
