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基于ZigBee技术的智能交通PDA设计.pdf

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内蒙古大学硕士学位论文A Design of Intelligent Transportation PDABased on ZigBee TechnologyABSTRACTIntelligent Transportation SystemsITSis the main development trend of ourfuture transport system.In recent years,more and more hightech equipments areemployed in ITS,and the use of PDA is particularly important in the setting ofvarious parameters of the traffic signal controllers placed at junctions or on thehighway.ZigBee communication technology,which is characterized by low-power,lowcost,high。reliability,could be applied in severe environment.In this paper it hasbeen designed an industrial grade PDA that uses ZigBee wireless technology tocommunicate.It can be used to complete configuration of the traffic signalcontroller’S parameters with wireless network.In addition,it proposed a nonblockingcommunication and verification s for the reliability of the communication.Inthat way,it is no longer difficult to set theharsh operating conditions.intelligent transportation’S parameters inThis paper selects AVR series microcontrollersATmega 1 2 8.1 6I,as the coreprocessor of the PDA,which has a low power consumption and high costperance and communicates with hardware chips through the 12C bus directlyThis paper also has a reasonable design of the power management andhuman。machine interface.The innovative point in the design of PDA s内蒙古大学硕士学位论文conmmnication module is it uses the core processor’S dual serial port to establish twokinds of data transmission.It can be connected with the traffic signal controller viaRS2332 serial,or ZigBee wireless communication network.Utilizing the SZ05-STDwireless communication module to serve as the ZigBee wireless transceiver deviceconnected via ZigBee network,this paper focuses on the establishment andapplication of ZigBee wireless communication network between the PDA and thetraffic signal controller,which broadens the use of PDA in the ITS.In addition,SO asto ensure the accuracy and completeness of the data communication,this paper alsoraises a Cyclic Redundancy CheckCRC of non-blocking communication.Finally,it bums the program to the PDA hardware plat,and then debugs thesystem.The results show that the system could achieve the predetermined function.KEYWORDSIntelligent Transportation System;PDA;ZigBee;NonBlockingCommunication内蒙古大学硕士学位论文目录第一章绪论11.1 研究背景及意义11.2 国内外研究现状21.2.1国外ITS研究现状21.2.2国内ITS研究现状.31.2.3 PDA在ITS领域的研究现状.41.3 ZigBee技术概述61.4论文组织结构91.4.1论文的主要研究内容.91.4.2论文的结构安排.9第二章PDA总体结构设计.102.1 PDA总体设计.102.2 PDA的嵌入式处理器选型.1 12.2.1嵌入式处理器简介1 12.2.2嵌入式处理器选型原则l 32.2.3 PDA所选处理器简介142.3 PDA使用总线介绍.152.3.1 12C总线原理..1 52.3.2 12C总线特点..1 62.3.3 12C总线的数据传送..1 72.3.4 12C数据传送格式..192.4 本章小结..20第三章PDA硬件平台设计与实现.223.1 PDA硬件平台设计.22lV内蒙古大学硕士学位论文3.2硬件开发环境..233.3主控模块设计..243.3.1核心处理器电路设计243.3.2存储器电路设计253.3.3时钟电路设计263.4通讯模块设计..293.4.1 RS232串口电路..303.4.2 ZigBee无线通讯网络3 l3.5 电源模块设计..383.6人机界面接口设计..393.7 本章小结一40第四章PDA软件设计与实现.4l4.1 软件设计原则..414.2软件开发环境..424.3软件系统设计一424.3.1主程序设计424.3.2初始化程序454.3.3键盘程序设计454.3.4 LCD液晶显示程序设计474.3.5 ZigBee通信程序设计484.3.6 RS232串口通信程序设计.554.3.7协议设计564.4无阻塞通信与校验..584.5本章小结6l第五章系统调试..625.1.ZigBee模块的功能配置.625.2.PDA系统调试.645.2.1系统调试过程645.2.2调试中遇到的问题以及解决方案675.3.本章小结一68V内蒙古大学硕士学位论文第六章总结与展望..696.1本文工作总结696.2下一步工作展望70参考文献71附录部分程序..73致谢.79攻读学位期间参与的科研项目与发表论文80内蒙古大学硕士学位论义第一章绪论弟一早三百比1.1研究背景及意义随着我国经济发展步伐和城市化进程的加快,人民生活水平不断提高,大量人口涌入城市,国内城市机动车的数量迅猛增加,路网通行能力己无法满足日益增长的交通需求。城市交通与社会经济生活的联系更加紧密,纵观我国乃至全世界,近年来,无论是发达国家还是发展中国家都面临着城市交通拥堵、交通事故频发,交通环境恶化以及能源短缺等问题带来的困扰,这些不断恶化的困扰成了当前世界各大城市经济发展和社会进步的瓶颈。传统上是通过增加城市交通基础设施建设来解决日益增长的交通需求,如修建更多的道路、立交桥、轻轨、地铁等,这种方法需要不断投入巨额资金,造成资源浪费,而且往往会受到城市布局和规划等问题的限制;经过长期和广泛的研究,很多国家逐渐转移到用高新技术来改造现有的道路交通系统及其管理体系,如建立先进的交通信号控制系统和公交系统等,这种方法能够提高路网的通行能力和服务质量,而且耗时短、见效快。近年来,随着计算机、通信和自动化技术发展,人们不断把各领域的理论和技术运用到智能交通系统Intelligent TransportSystem,ITS中来,这些研究对于解决城市交通问题具有非常重要的意义。在ITS工程应用中,随着越来越多高新科技设备的使用,PDAPersonal Digital Assistant的发展也是异常迅速。每个生产智能交通设备的企业都会有自己的PDA手持产品,与智能交通设备配套推广使用,用于方便现场作业。由于PDA本身就是一个典型的嵌入式系统,具有重量轻、体积小、性能稳定、成本低廉等特点,故受到很多生产商家的青睐。目前生产研发的手持PDA与智能交通设备如道路交通信号控制机的连接都是采用串口通信的有线通信方式,使用过程中暴露出现场作业不便、稳定性不够、电力难以维持、受环境影响等缺点。随着电子技术、计算机技术和无线通信技术的发展,具有无线通信功能的PDA将受到人们的重视。目前,国内外在无线传感网络方面的研究和应用十分广泛,本文在对比几种常见的无线通信技术后发现,ZigBee技术具有网络通讯支持极低成本、容易实现、短距离收发、数据传输可靠性高、功耗低和安全性能好等优点。将无线ZigBee通信技术应用于智能交通领域工业PDA的研究和开发将具有广阔的前景和良好的效益。内蒙古大学硕士学位论文1.2国内外研究现状智能交通系统l jITS是将先进的信息技术、通讯技术、传感技术、控制技术、运筹学、人工智能以及计算机技术等有效地集成运用于整个交通运输管理体系,在系统工程的综合集成思想指导下,建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的,实时、准确、高效的综合的运输和管理系统。实质上,ITS就是利用高新科技对传统的运输系统进行改造而形成的一种信息化、智能化、社会化的新型运输系统。它能使交通基础设施发挥出最大的效能,提高服务质量;同时使社会能够高效的使用交通设施和能源,从而获得巨大的社会经济效益。它不但可以缓解交通的拥堵,而且对交通事故的处理与救援、客货运输管理、道路收费系统等方面都会产生巨大的影响。ITS3N速了交通运输系统进入信息化时代的步伐,成为了当前交通管理领域的热门研究课题,也是现代化交通运输体系的发展方向。近几年,随着越来越多的高新科技设备在ITS中的应用,与之配套的PDA也应运而生。1.2.1国外ITS研究现状ITS的研究在国外发展相对较早,起步于上个世纪60.70年代,主要以欧洲、美国和日本为代表,当时相关研究项目有欧洲的COST30科学技术领域研究协作、美国的ERGS电子路线引导系统、日本的CACS汽车综合控制系统等r3l。80年代以来,日本、美国和西欧等发达国家为了解决共同面临的交通问题,竞相投入大量财力和人力,开始大规模的进行道路交通运输智能化的研究,当时称之为智能车辆道路系统Intelligent Vehicle Highway System, 简称IVHS。随着对道路功能和车辆智能化的深入研究,将其系统功能扩展到道路交通的全过程及其相关的服务部门,也就发展成为了当前带动整个道路交通现代化的智能交通系统ITS。80年代后期,欧洲开始重点实施以各国政府为主导的DRWE欧洲汽车安全专用道路设施和以民间为主导的PROMETHEUS欧洲高效安全道路交通计划智能交通系统研究项目。日本在CACS后相继推出了路车间通信系统RACS和新车辆交通通信系统。90年代以后,美国[5-q开始大规模的进行ITS的研究。1991年,美国国会通过了旨在利用高新技术和合理的交通分配提高路网效率的“综合地面运输效率方案ISTEA”。1997年,美国在加州进行了“自动驾驶公路系统AHS”项目的现场试验和演示,旨在现有道路的基础上,利用高新技术提高道路的安全性和畅通性。日本|。习积极参与了以美国为主导的的ITS国际合作。1995年,日本制定了道路、交通和车辆的信息化实施方针,拉开了ITS系统研究开发和实施的序幕。1996年7月,日本又制定了更加详细的ITS构思,构思目标是实现道路智能内蒙古大学硕士学位论义化,以及人、车、道路和环境四者能够和谐互动。构思的具体内容包括车辆信,皂、通信系统VICS、高性能车载导航仪、电子收费系统ETC、安全行车支持系统ASV以及其他各子系统。进入2l世纪,世界上以欧洲、美国和日本为代表的各发达国家““己将重点转移到用高新技术来改造现有道路运输体系及其管理方式上来,从而在一定程度上达到了提高路网通行能力和运输能力的目标。美国的ITSjcfl关技术已经产生了显著的效益,如电子收费系统ETC日本在ITS项目上已经形成了官方、民问以及学术机构的协调机制,同时推动了日本ITS的发展。ITS是构建城市智能发展的根基,越来越多的发达城市,由地方政府主导推动城市信息化建设,如瑞典的斯德哥尔摩,韩国的首尔,德国的不来梅等,这些城市在国际市场的竞争中一直表现亮眼,这与构建智能城市交通先行密不可分。国外比较有代表性的城市信息化,智能化发展理念主要有U.City信息和服务无所不在的城市、T.City智能城市、智慧城市等}“3l。由于国外对ITS的研究起步较早,目前技术相对已经成熟,在生活中已经得到了广泛的应用。其主要分布在以下四个方面交通监测与协调、电子收费与停车管理、辅助驾驶、货运追踪。1.2.2国内ITS研究现状我国对Ⅱ量的研究i l卜。I}|相对较晚,开始于70年代末,当时将电子信息技术应用到交通运输和管理中,称之为交通工程,交通工程的研究与应用是ITS初级阶段的工作,当时交通部公路科学研究所与北京市公安局合作,首次在我国进行计算机控制交通信号的试验。80年代初,国家科技攻关项目“津塘疏港公路交通工程研究”首次将计算机技术、通信技术和电子技术运用到高等公路的监视和管理系统中;80年代后期,我国开始了ITS的基础性研究开发工作,主要集中在优化道路交通管理、交通信号采集、驾驶员考试系统、车辆动态识别等。90年代,国家开展了交通管理系统方面的研究和工程实施,在城市交通管理、高速公路监控系统、收费系统和安全保障系统方面取得了一些成果,并且开发生产了车辆检测器、可变限速标志、监控地图板等专用设备,制定了标准和规范。90年代末,我国开始了对ITS的研究和推广应用。近十几年来,我国的智能交通建设和发展总体上取得了积极的成果,基本奠定了我国智能交通系统的基础,建设了一系列具有广泛影响的智能交通系统示范工程,在重大国际活动交通保障与服务中发挥了强有力的支撑作用。在系统的实际开发和应用方面il 5-1tij,我国已有了不少科技成果,在局部地区形成了ITS的雏形,实现了ITS系统的部分功能。其中,最主要的是电子收费系统ETC,全国已有不少省份及城市开始采用或者试行这种先进的管理方式。在一些高等级的公路上也出现了这内蒙古大学硕士学位论义样的收费系统,结合交通工程在新建的高速公路下埋设的光纤等信号传输线路,以及安装车辆探测装置和可变式信息显示装置,大大方便了其后的交通控制、管理和服务深圳市的闭路电视系统负责监控全市的交通,各主要路口都装有监控设备,并配有智能化的车辆违章抓拍设备和交通诱导指示装置,其中车辆车牌辨识系统,在发现有违章车辆时,会自动通知有关执法人员进行处理,全过程仅需几秒钟,交通诱导指示系统则可为驾驶员指明道路阻塞情况;在杭州、南京等城市,智能化的公交电子车牌可让候车人员知道公交车驶来的时问;北京、上海、广州、沈阳等城市都开始相继引进自适应交通信号控制系统。目前,我国的ITSl“j”l尚处于发展阶段,整体技术水平和应用规模与发达国家相比还有较大的差距,在前沿技术领域还比较落后,在ITS核心技术领域许多关键技术问题还有待突破。近年来,各地都在不遗余力地推进ITS的建设,并将它作为发展智慧城市的重要目标。我国政府高度重视智能交通的研究与应用,并作为未来交通建设与发展的优先领域给予重点支持,因此,ITS的研究和开发具有很好的基础和广阔的前景。1.2.3 PDA在ITS领域的研究现状PDA在狭义上是指电子记事本,它的功能较少,主要是对个人信息进行管理,并且其功能都是固化的,不会因为用户需求而改变功能,也不能安装常见的嵌入式操作系统和一些常用的应用软件。在广义上,PDA是指掌上电脑,具备了通信、网络、计算等新功能。广义PDA是基于开放式的系统,它可以使用功能强大的操作系统,OllWindows CE,Palm OS等。随着PDA技术的不断发展,它已经在各个行业都开始广泛应用,同时在功能上不断进行升级扩展,已经与多媒体、Intemet等新功能集合起来|二l I。近几年,PDA的设计和使用在消费品领域以及其他一些应用型领域如酒店管理中运用的点菜PDA等可谓日新月异。行业PDA与消费电子类PDA不同,它可以实现用户所要求的各项功能,如数据采集、设置、传送、保存等,它是众多嵌入式系统中方便携带的可移动信息终端,需要能够适应不同的工作场合和工作内容。因此行业PDA应具备以下特征1.功能强大,价格便宜;2.稳定性好,能够在复杂的环境中工作;3.可扩充性好,使用范围大;4.配置灵活,强调产品个性。在PDA平台上,可以针对不同领域和行业的需求进行专门的开发和应用。在智能交通工程中,ITS通常包括交通视频监控、交通信号控制、交通流量采集和评估、交通信息诱导和发布、车辆智能监测记录卡口、交通违法监测等六个分系统。随着越来越4内蒙古大学硕十学位论文多高新科技设备在ITS领域的应用,科研院所和企业相继研究开发了与之配套i]‘JPDA产品。例如,大连理工大学的刘庚’i对基于PDA的个人导航系统进行了研究和应用;长安大学的刘晓燕-。‘研究开发了基于PDA的实时交通信息发布系统,重点研究了电子地图的数据组织和实时显示交通信息。这些设计通过GPRS数据传输、GPS定位等方法,实现了图形显示、资料查询、路径选择等功能,大大方便了出行者和交通管理者。生产智能交通设备的企业都会有自己的PDA手持产品,与智能交通设备配套推广使用,用于方便现场作业,但是由于各个ITS设备生产企业的技术水平和生产标准不一,目前很多ITS领域的PDA能够完成一些简单的功能,但是稳定性不够,在一些特殊条件下无法使用,例如对于架设在高处的交通视频设备,以及城市外高速公路上交通设备的参数设置,手持PDA往往无法正常完成,大部分配置功能的完成仍需要借助手提笔记本电脑,无法从根本上解决现场作业难的问题。在智能交通系统中,交通信号控制分系统主要由数据库服务器、交通信号管理服务器、网络通讯设备、道路交通信号控制机组成。它是集现代计算机、通信和控制技术于一体的区域交通信号实时联网控制系统,可实现对路口交通信号的实时控制、进行区域协调控制、中心和本地的优化控制、路口状态的实时查询与监控,路口信号灯的故障定位,配时方案的实时上传与下载,操作日志的记录和管理、多用户的远程登录控制和权限管理等功能。其中,道路交通信号机Road Traffic Signal Controller,以下简称为交通信号机是交通信号控制分系统中最重要的设备,它是放置在道路交叉口,依靠改变道路交通信号灯顺序、调节配时,来引导车辆、行人快速顺利地通过道路口的装置。交通信号机具有大量需要设置的参数,并需要经常根据交警指挥现场等实际需求进行配置,很多交通信号机生产商家都会配备手持式操作终端PDA,用作现场修改和显示信号机的工作参数、控制方案等功能的实现。它们使用的多是嵌入式系统,具有重量轻、体积小、性能稳定、功耗低、成本低廉等特点。本人在安徽四创电子股份有限公司交通电子部实习期间,有机会参与了智能交通信号机的研发与安装调试工作,在调试和使用过程中发现一些有待改进的地方,例如,PDA与交通信号机的连接都是采用串口连接的有线方式进行通讯,与使用手提笔记本电脑无异,在雨天等恶劣环境下并不能很好的解决现场作业的难题而且手持PDA有时会出现电力难以维持的情况,使得外出作业不得不同时携带手提笔记本电脑以备所需。随着无线通信技术的不断发展和社会需求的不断增长,具有无线通信技术的PDA已成为当今研究的热点l 1 4i,通过无线通讯方式对交通信号机进行操作,可以真正的方便现场作业。本文所研究的内容,正是设计一种具有无线通信功能的手持终端工业级PDA,可用于现场修改户外交通设备参数,具有功能强大、性能稳定、功耗低、体积小、成本低廉等特点,能够实现数据的采集、设置、传送、保存等功能。
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