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1 引 言 隨著(zhù)現代城市的發(fā)展，不論是在發(fā)展中國家還是發(fā)達國家，交通擁擠加劇，交通事故頻繁，交通環(huán)境惡化等問(wèn)題變得日益嚴重。智能交通系統(Intelligent Trans-portation System，ITS)已成為提高交通運行效率的重要技術(shù)手段。電子警察系統是智能交通執法系統的組成部分，作為違章取證的管理系統，對交通行為者起到了積極的規范作用。 基于ZigBee和ModBus的分布式電子警察系統，結合多種創(chuàng )新技術(shù)，是一款適應當今與未來(lái)智能交通發(fā)展方向的新一代電子警察系統。 2 ZigBee網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)方案 2．1 ZigBee簡(jiǎn)介 ZigBee是一組基于IEEE批準通過(guò)的802．15．4無(wú)線(xiàn)標準研制開(kāi)發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應用軟件方面的技術(shù)標準。相對于現有的各種無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)，ZigBee將是最低功耗和成本的技術(shù)之一。適用于短距離、小范圍的基于無(wú)線(xiàn)通信的控制領(lǐng)域，有著(zhù)廣泛的應用前景。 2．2 系統的ZigBee網(wǎng)絡(luò )組建方案 IEEE 802．15．4和ZigBee規范中明確定義了三種拓撲結構：星型結構、樹(shù)型結構和網(wǎng)狀結構。星型網(wǎng)絡(luò )由一個(gè)協(xié)調器(全功能設備FFD)和多個(gè)終端設備節點(diǎn)(簡(jiǎn)化功能設備RFD)構成，協(xié)調器是網(wǎng)絡(luò )的中心，負責處理整個(gè)網(wǎng)絡(luò )的工作，終端設備被分布在覆蓋范圍內的不同地點(diǎn)。星型網(wǎng)絡(luò )的控制和同步比較簡(jiǎn)單，適用于設備數量比較少的場(chǎng)合。樹(shù)型網(wǎng)絡(luò )是星型網(wǎng)絡(luò )的擴展，是一種多級的星型結構。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )是一種特殊的、按接力方式傳輸的點(diǎn)對點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò )結構，其路由可自動(dòng)建立和維護。樹(shù)型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò )能夠兩者相結合組建混合網(wǎng)，適用于網(wǎng)絡(luò )極其復雜的情況。 系統的ZigBee網(wǎng)絡(luò )通信部分由一臺主控制器、若干從控制器組成。系統的各個(gè)主、從控制器相對獨立，各主、從控制器之間通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格進(jìn)行通信，主控制器通過(guò)遠程無(wú)線(xiàn)通信與控制中心通信。網(wǎng)絡(luò )拓撲示意圖如圖1所示。 系統采用了ZigBee星型網(wǎng)絡(luò )拓撲結構。星型網(wǎng)絡(luò )以網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器為中心，所有設備只能與網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器進(jìn)行通信，因此在星型網(wǎng)絡(luò )的形成過(guò)程中，第一步就是建立網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器。主控制器作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器被首先激活，然后向周?chē)膹目刂破鞴濣c(diǎn)發(fā)送廣播，并為網(wǎng)絡(luò )選擇一個(gè)惟一的標識符；從控制器節點(diǎn)收到主控制器發(fā)來(lái)的廣播后，向其發(fā)出入網(wǎng)申請，并等待主控制器節點(diǎn)響應；主控制器節點(diǎn)收到一個(gè)入網(wǎng)申請后，將根據請求信息作出是否允許加入網(wǎng)絡(luò )的判斷，若允許加入，主控制器節點(diǎn)將發(fā)出請求響應，告知從控制器節點(diǎn)。從控制器節點(diǎn)收到請求響應后，將獲得一個(gè)主控制器節點(diǎn)分配給它的一個(gè)網(wǎng)絡(luò )地址作為在網(wǎng)絡(luò )內的惟一身份標識，從而成功加入網(wǎng)絡(luò )，網(wǎng)絡(luò )組建完成。 3 ModBus總線(xiàn)控制系統 3．1 系統概述 ModBus協(xié)議是應用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過(guò)此協(xié)議，控制器相互之間、控制器經(jīng)由網(wǎng)絡(luò )(例如以太網(wǎng))和其他設備之間可以通信。該協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認識使用的消息結構，描述了一控制器請求訪(fǎng)問(wèn)其他設備的過(guò)程，制定了消息域格局和內容的公共格式。ModBus已經(jīng)成為一通用工業(yè)標準，是一種有效支持分布式控制和實(shí)時(shí)控制的串行通信網(wǎng)絡(luò )。電子警察系統的車(chē)輛檢測單元、紅燈檢測器、高清攝像機、嵌入式工控機等單元占有同一ModBus現場(chǎng)總線(xiàn)。系統示意圖如圖2所示。 3．2 ModBus控制器設計 ModBus控制器結構如圖3所示。主要由微控制器、可編程系統器件、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、液晶模塊接口、鍵盤(pán)接口、輸入／輸出接口、光電隔離、ModBus驅動(dòng)器、其他串行通信模塊、復位電路、編程接口、擴展模塊接口等電路模塊組成。 ModBus控制器搭載有ZigBee通信模塊，可以作為ZigBee網(wǎng)絡(luò )的從設備，與系統的主、從控制器組建ZigBee網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)ZigBee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)格實(shí)現通信，接收來(lái)自系統主、從控制器的控制命令等信息，通過(guò)ModBus總線(xiàn)，實(shí)現對嵌入式工控機、紅燈檢測器、車(chē)輛檢測單元及高清攝像機等設備的控制。此外，控制器預留了其他串行通信接口(如RS 232)、鍵盤(pán)以及液晶模塊接口電路，可以方便地進(jìn)行現場(chǎng)維護及軟件的更新升級。 3．3 控制系統軟件設計 3．3．1 ModBus通信的實(shí)現 ModBus通信分為RTU和ASCII兩種模式。相對于A(yíng)SCII模式，RTU模式表達相同的信息需要較少的位數，且在相同通信速率下具有更大的數據流量，因此系統中采用RTU模式。在RTU模式中，新的消息幀以3．5個(gè)字節時(shí)間間隔的靜默時(shí)間開(kāi)始，緊接著(zhù)傳送第一個(gè)域——從站地址。每個(gè)域允許傳輸的字符都是16進(jìn)制數。網(wǎng)絡(luò )設備始終監視著(zhù)通信總線(xiàn)的活動(dòng)，包括靜默時(shí)間。當接收到第一個(gè)信息域(即地址信息)時(shí)，每個(gè)網(wǎng)絡(luò )中的設備都對此進(jìn)行譯碼，以確定所要尋址的設備；第二個(gè)信息域是功能碼，主站發(fā)送數據幀的功能碼表示從站需要執行的動(dòng)作，從站發(fā)送的功能碼與接收到的主站發(fā)送功能碼一致，表示從站響應主站進(jìn)行操作；數據域的數據值取決于功能碼，校驗域采用CRC校驗，CRC碼由發(fā)送設備計算，放置于發(fā)送信息的尾部；接收信息的設備再重新計算接收到信息的CRC碼，比較計算得到的CRC碼是否與接收到的相符，如果兩者不相符，則表明出錯。當一幀數據最后一個(gè)域傳輸完畢，再次產(chǎn)生一個(gè)3．5個(gè)字節時(shí)間間隔的靜默時(shí)間，表示該幀數據結束。ModBus RTU消息幀格式如表1所示。 3．3．2 ModBus控制器軟件設計 控制器完成初始化后開(kāi)始搜索并申請加入ZigBee網(wǎng)絡(luò )。加入ZigBee網(wǎng)絡(luò )后對信道進(jìn)行掃描，掃描是否接收到由網(wǎng)絡(luò )中其他控制器發(fā)送的數據幀。如果掃描過(guò)程中發(fā)現接收到數據幀，則對該幀依次進(jìn)行地址碼校驗，并檢查幀中的目的地址是否為本機地址。如果目的地址非本站地址，則丟棄該幀數據；如果目的地址與本機地址相同，則對數據幀進(jìn)行CRC校驗，并檢驗功能碼是否合法，若任何一項校驗未通過(guò)，則丟棄該幀數據；如校驗全部通過(guò)，則回發(fā)一個(gè)應答幀，并根據幀中的功能碼，向系統其他單元發(fā)送命令，軟件流程如圖4所示。 CRC_16校驗的算法實(shí)現程序如下： 4 結 語(yǔ) 在資源、環(huán)境矛盾越來(lái)越突出的今天，道路設施的增長(cháng)將受到限制。本文提出的基于ZigBee和ModBus的分布式電子警察系統架構，相對于目前的電子警察系統，更加節省占地空間，減少設備安裝施工量，降低施工成本，在智能交通領(lǐng)域有著(zhù)廣闊的應用前景。 |
