太阳能公路地面无线诱导系统Zigbee私有协议设计与思考
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收稿日期:2012-02-22
基金项目:浙江省重大科技专项(2010C11070);浙江省交通运输厅科技计划项目(2010H22)
作者简介:韩 霄(1980-),男,浙江杭州人,工程师,硕士,E-mail:hum1807431@qq1com。
浙江交通职业技术学院学报,第13卷第2期,2012年6月
JournalofZhejiangInstituteofCommunications
Vol113No12Jun12012
太阳能公路地面无线诱导系统
Zigbee私有协议设计与思考
韩 霄,杨 松,于 迪
(浙江省交通科学研究所,杭州 310006)
摘 要:ZigBee技术在本系统中的作用是使各个诱导装置无线连接,同步工作,由
于高速公路的应用环境特殊,采用私有协议来实现,本文对ZigBee私有协议及无
线功能的实现进行了思考与设计,对网络拓扑结构的选择,设备休眠与无线实时传
输的协调进行了重点研究。
关键词:Zigbee;私有协议;无线诱导系统
中图分类号:TN925193 文献标识码:A doi:1013969/j1issn11671-234X120121021010
文章编号:1671-234X(2012)02-0037-04
0 引 言
基于Zigbee技术的太阳能公路地面无线诱导系
统基本原理为利用太阳能光伏发电技术,通过LED
主动发光进行道路诱导,依靠Zigbee模块组成无线
网络,实现具备无需供电、同步闪烁并可以根据光
敏变化智能判断开关等功能的系统。本系统的核心
技术是Zigbee技术,该技术是一种低成本、低功
耗、低传输速率、抗干扰性好的无线组网技术,具
有组网方便、响应速度快、节能、低成本等突出优
点,非常适用于小范围、大数量布点的组网形态应
用。
1 Zigbee技术应用
Zigbee协议基于IEEE80211514标准,一般可分
为、物理层、MAC层、网络层和应用层。由于Zig-
bee协议具有自组网、自由路由、多跳特性、支持
星型、链型、网状网等特点,因此协议本身十分复
杂,实现起来非常困难。所以,通常的做法都是基
于IEEE80211514标准,借用MAC层来实现具有私
有协议的网络层和应用层程序[1]。对于本项目而
言,由于高速公路应用环境的特殊性,完全可以采
用私有协议来实现[2]。
2 拓扑结构选择及私有协议设计
为实现同步驱动LED发光闪烁,在Zigbee私
有协议中,Zigbee网络拓扑需要重点研究,另外设
备每接收到一帧数据后都需要配置时间延迟信息,
因为每个设备接收到一帧数据的时间有先有后,因
此需要进行补偿。设备的节能要求决定应具有睡眠
模式,这给Zigbee无线通信协议带来了很大的难度,也需要重点研究解决。根据设想,图1和图2给出了集中网络拓扑结构的形式,一种是星型结构,一种是链状结构。星型结构的特点是稳定,适用于数量较多的道钉联网工作,但相对成本较高,因为要增加很多中间路由节点,适合双向车道两侧
同时安装;链状结构的特点是直接高效、节省成
本,就高速公路道钉来说,只需安装单边,适合链
状结构网络[3]。
图1 星型网络
图2 链型网络
链型网可由1号道钉兼职协调器,数据通信
采用接力传递的方式。由协调器根据情况自动判断或受控于其他系统发出各种命令,命令顺着本地地址由低到高接力传递,直至本系统中本地地址最大的道钉。每个系统设置一个系统号,只有系统号相同的道钉才能相互通信,同一系统内的道钉从小到大依次编号。网络类型和地址等参数设置都可通过道钉配置器进行无线设置。在链型网里,若将协调器设为自动模式,则协调器将自动检测阳光强弱,当阳光很弱时,协调器就发出/亮灯0命令,命令沿着本地地址(在本系统地址下)逐个传递下去,直到最后。经过一定时间(几秒)后所有道钉都收到过这个命令,他们不仅转发了这个命令,还执行了这个开灯命令。在/开灯0命令里还包含了时间信息,使得所有道钉协调闪烁,可以是同步闪烁,也可以是其他的一些特效闪烁,如依次闪烁。此后每隔一段时间,协调器会再发一次开灯命令以修正每个道钉的计时误差。当阳光较强时,协调器
就发出/关灯0命令,/关灯0命令以同样方式样
传递下去,所有道钉LED熄灭。
平时,道钉的无线通信电路为了省电,大部分
时间处于低功耗模式,无法接收数据,每208ms唤
醒一次,处于接收状态6ms;发送方要发送数据
时,每隔4ms发一次,直到确定对方收到数据。若
对方迟迟未应答,则认为对方出现了问题,于是跳
过这个道钉直接向下一个道钉传递,如此最多可跳
过n个(软件设定)。一帧数据的发送耗时根据具
体数据量有所不同,一般为117毫秒左右。如果发
送的是开灯/同步信号,则每次发送前都要对数据
(时间参数)进行修改,这样对方收到的即时时间
才能与自己的相同。通信帧的格式如图3所示。
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图3 通信帧格式图
在Zigbee协议中,数据通信的基本帧格式和涉及的命令如下:
为简化协议与程序,所有帧的长度均为12个字节。使能逻辑地址,所以加上逻辑地址的话,MAC层
的数据长度为14字节。
前志码用ASCII码表示为CAS,用16进制数表示则为434153
帧命令说明帧命令
0x01地址配置0x01链型网关灯命令
0x02地址配置应答0x2*链型网开灯同步命令(仅使用左边LED)
0x03地址查询0x3*链型网特效闪烁开灯/同步命令(仅使用左边LED)
0x04地址查询的应答0x4*链型网开灯/同步命令(仅使用右边LED)
0x05高级参数配置0x5*链型网特效闪烁开灯/同步命令(仅使用右边LED)
0x06高级参数1查询0x6*链型网开灯/同步命令(使能所有LED)
0x07高级参数1查询应答0x7*链型网特效闪烁开灯/同步命令(使能所有LED)
0x08高级参数2配置
0x09高级参数2配置应答0x91星型网关灯命令
0x0A高级参数3配置0xA0*星型网开灯/同步/特效命令
0x0B高级参数3配置应答
0x0C远程控制
0x0D远程控制应答
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3 结 语
采用Zigbee技术构建Zigbee私有网络,通过配
置器设置每个道钉参数,应用链状网络实现道钉的
无线传输和自适应组织。通过在每个设备中增加
Zigbee单元使得各个设备之间可以通过Zigbee协议
组成无线网络,从而达到邻近设备LED同步驱动
同步闪烁的目标。另外,基于Zigbee技术,该设备
还可以根据光敏变化智能判断启动的时间或时间
段,也可以进行远程遥控启动等。由于Zigbee协议
的开放性和扩展性好,该设备也可与其它如室外气
象站、能见度仪等设备组成一个完整的、系统性的
高速公路行车安全地面诱导系统。
参考文献:
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DesignandThinkingaboutZigbeePrivateProtocolofSolarRoad
GroundRadioGuidanceSystem
HANXiao,YANGSong,YUDi
(ZhejiangScientificResearchInstituteofCommunication,Hangzhou310006,China)
Abstract:ZigBeetechnologyistherolethateachguidancedevicewirelessconnections,synchronousworkinthis
system,becausetheapplicationoftheenvironmentinhighwayisspecial,theprivateprotocolisadoptedtoachieve1The
ZigBeeprivateprotocolandtherealizationofthefunctionofwirelessarethoughtanddesigned1Theselectionofthenet-
worktopologystructureandthedevicedormancyandwirelessreal-timetransmissioncoordinationarestudied1
Keywords:Zigbee;privateprotocol;wirelessguidancedevice
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