基于ZigBee和ModBus的分布式電子警察系統(tǒng)

1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)方案
1．1 ZigBee簡(jiǎn)介
ZigBee是一組基于IEEE批準(zhǔn)通過的802．15．4無線標(biāo)準(zhǔn)研制開發(fā)的，有關(guān)組網(wǎng)、安全和應(yīng)用軟件方面的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。相對(duì)于現(xiàn)有的各種無線通信技術(shù)，ZigBee將是最低功耗和成本的技術(shù)之一。適用于短距離、小范圍的基于無線通信的控制領(lǐng)域，有著廣泛的應(yīng)用前景。
1．2 系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)組建方案
IEEE 802．15．4和ZigBee規(guī)范中明確定義了三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：星型結(jié)構(gòu)、樹型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)由一個(gè)協(xié)調(diào)器(全功能設(shè)備FFD)和多個(gè)終端設(shè)備節(jié)點(diǎn)(簡(jiǎn)化功能設(shè)備RFD)構(gòu)成，協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的中心，負(fù)責(zé)處理整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的工作，終端設(shè)備被分布在覆蓋范圍內(nèi)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(shè)備數(shù)量比較少的場(chǎng)合。樹型網(wǎng)絡(luò)是星型網(wǎng)絡(luò)的擴(kuò)展，是一種多級(jí)的星型結(jié)構(gòu)。網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)是一種特殊的、按接力方式傳輸?shù)狞c(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其路由可自動(dòng)建立和維護(hù)。樹型和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)能夠兩者相結(jié)合組建混合網(wǎng)，適用于網(wǎng)絡(luò)極其復(fù)雜的情況。
系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信部分由一臺(tái)主控制器、若干從控制器組成。系統(tǒng)的各個(gè)主、從控制器相對(duì)獨(dú)立，各主、從控制器之間通過ZigBee無線網(wǎng)格進(jìn)行通信，主控制器通過遠(yuǎn)程無線通信與控制中心通信。網(wǎng)絡(luò)拓?fù)涫疽鈭D如圖1所示。

系統(tǒng)采用了ZigBee星型網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。星型網(wǎng)絡(luò)以網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器為中心，所有設(shè)備只能與網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器進(jìn)行通信，因此在星型網(wǎng)絡(luò)的形成過程中，第一步就是建立網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。主控制器作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器被首先激活，然后向周圍的從控制器節(jié)點(diǎn)發(fā)送廣播，并為網(wǎng)絡(luò)選擇一個(gè)惟一的標(biāo)識(shí)符；從控制器節(jié)點(diǎn)收到主控制器發(fā)來的廣播后，向其發(fā)出入網(wǎng)申請(qǐng)，并等待主控制器節(jié)點(diǎn)響應(yīng)；主控制器節(jié)點(diǎn)收到一個(gè)入網(wǎng)申請(qǐng)后，將根據(jù)請(qǐng)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(jié)點(diǎn)將發(fā)出請(qǐng)求響應(yīng)，告知從控制器節(jié)點(diǎn)。從控制器節(jié)點(diǎn)收到請(qǐng)求響應(yīng)后，將獲得一個(gè)主控制器節(jié)點(diǎn)分配給它的一個(gè)網(wǎng)絡(luò)地址作為在網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的惟一身份標(biāo)識(shí)，從而成功加入網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)組建完成。

2 ModBus總線控制系統(tǒng)
2．1 系統(tǒng)概述
ModBus協(xié)議是應(yīng)用于電子控制器上的一種通用語(yǔ)言。通過此協(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(shè)備之間可以通信。該協(xié)議定義了一個(gè)控制器能認(rèn)識(shí)使用的消息結(jié)構(gòu)，描述了一控制器請(qǐng)求訪問其他設(shè)備的過程，制定了消息域格局和內(nèi)容的公共格式。ModBus已經(jīng)成為一通用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，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(tǒng)的車輛檢測(cè)單元、紅燈檢測(cè)器、高清攝像機(jī)、嵌入式工控機(jī)等單元占有同一ModBus現(xiàn)場(chǎng)總線。系統(tǒng)示意圖如圖2所示。

2．2 ModBus控制器設(shè)計(jì)
ModBus控制器結(jié)構(gòu)如圖3所示。主要由微控制器、可編程系統(tǒng)器件、實(shí)時(shí)時(shí)鐘、液晶模塊接口、鍵盤接口、輸入／輸出接口、光電隔離、ModBus驅(qū)動(dòng)器、其他串行通信模塊、復(fù)位電路、編程接口、擴(kuò)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(shè)備，與系統(tǒng)的主、從控制器組建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，通過ZigBee無線網(wǎng)格實(shí)現(xiàn)通信，接收來自系統(tǒng)主、從控制器的控制命令等信息，通過ModBus總線，實(shí)現(xiàn)對(duì)嵌入式工控機(jī)、紅燈檢測(cè)器、車輛檢測(cè)單元及高清攝像機(jī)等設(shè)備的控制。此外，控制器預(yù)留了其他串行通信接口(如RS 232)、鍵盤以及液晶模塊接口電路，可以方便地進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)維護(hù)及軟件的更新升級(jí)。