陶剛1，胡海兵2，汪國慶2，崔世林2，楊建德2
?。?.安徽科力信息產業有限責任公司，安徽 合肥 230009；2.合肥工業大學，安徽 合肥 230009）
摘要：針對智能交通流檢測設計了持久耐用的無線低功耗交通數據采集系統。以TI MSP430MCU和CC1101低功耗多通道無線射頻內核的CC430F5137芯片為控制核心，所設計的傳感器節點可以采集路口的車流量、車輛速度和溫濕度環境參數。實驗研究表明，該系統具有可靠性高、超低功耗、后期管理和維護成本低等優點,具有廣闊的應用前景。
關鍵詞：CC430；低功耗；交通數據采集；無線傳感器網絡
0引言
針對路口交通數據處理，當前城市管理和交通運輸部門給出的監管系統多采用專用有線網絡視頻監控，或者采用投入成本較大的專業交通流數據采集儀。但是采用有線網絡的線路材料通常放在室外環境，常年的風吹日曬也會導致其風化破損，誘發系統的可靠性差、諸如漏電、短路帶來的安全隱患。
采用基于德州儀器的CC430F5137系統級芯片組建交通數據采集無線傳感器網絡能夠很好地解決上述問題，路口采集傳感器節點和中心接收終端節點所用CC430F5137芯片是TI的MSP430MCU與低功耗RF收發器的結合，可以實現無線傳感器網絡以超低功耗的節能模式運行,而且可靠性高，投入成本低，后期維護管理簡單。
1系統的總體設計
基于CC430F5137的低功耗交通數據采集系統主要由路口的傳感器探測節點和中心接收節點兩個部分。整體系統架構圖如圖1。
路口的傳感器探測節點主要由基于弱磁傳感器芯片HMC5883L的車輛檢測器組成，可以采集不同路口車流量（車型）、車速兩種關鍵的車流數據。路口傳感器節點采集的數據可以向中心接收終端多點對一點進行傳輸，不同路口采集的交通數據和路口中心接收節點基于SHT75傳感器采集的溫度、濕度兩種環境數據最終會經過中心接收節點GPRS模塊匯合至人工監測中心，然后發送給上位機進行數據處理和分析。
2系統的硬件設計
系統的采集節點與接收終端的電源用市面上常見的9 V電池，主要向數據采集系統中的各個模塊提供電壓穩定、使用可靠的電源。溫濕度傳感器采用微小體積、極低功耗的傳感器SHT75，它的傳感元件和信號處理電路集成在一塊微型電路板上［1］。路口采集節點原理圖如圖2所示。
2.1CC430MCU主控模塊與RF無線通信模塊
CC430MCU主控模塊與RF無線通信模塊是采集節點和接收終端的通用模塊。MCU具有高達25 MHz的峰值執行性能，主動模式功耗僅僅為160 μA/MHz;待機模式（LPM3 RTC模式）為2 μA；關閉模式（LPM4 RAM保留）為1 μA，處理器8 MHz僅1.3 mA［2］。
CC430芯片外部RF模塊使用26 MHz晶振，芯片內部也集成了超低功耗的振蕩電路供使用，程序設計通過讀取AD的模塊數值用一個定時器外部中斷控制。調試接口模塊采用最常用的標準調試接口JTAG接口，負責程序的下載。
每個采集節點單地磁檢測器的地址設置只需要8位撥碼開關撥到相應的數值。撥碼開關采用二進制表示，前4位表示接收單元地址，后四位表示地磁檢測器地址。接收單元和檢測器ID范圍均為0x00~0x0F，完全滿足構建小型無線交通數據采集網絡的需要。傳感器采集數據的發送，通過程序設計閃爍時間和頻率表明不同的狀態，LED通過300 Ω限流電阻接到單片機的P2.3和P2.4引腳。
低功耗RF收發器是CC1101Sub 1 GHz射頻收發器,包括一個完整芯片的LC VCO和一個對接模式的混頻器進行頻率合成。在本設計中使用的是433 MHz 的載波頻率，鑒于應用場合其要求的傳輸速率較低，因此選用的傳輸速率是3.2 kb/s,配以合適的阻抗電路,不同程度上決定著無線收發的能力和效率［3］。
2.2基于單地磁檢測器的車輛檢測采集模塊
通常檢測區域幾米范圍的地磁場分布可近似為均勻不變的,利用單個地磁檢測器,依據不同的鐵磁材質的車輛（長度和形狀不同）經過檢測器會對檢測區域的磁場分布分別產生相應的干擾。干擾引起不同的地磁場變化的畸變波形，通過波形匹配識別經過檢測器車輛的尺寸長度（即匹配的車型），結合車輛通過所用時間計算車速，同時保留車輛類型和累計車流量。
單地磁檢測器采用簡易的I2C總線接HMC5883L傳感器。HMC5883L采用無鉛表面封裝技術，帶有16個引腳，具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點。傳感器帶有的對于正交軸低敏感型的固相結構能用于測量地球磁場的方向和大小，在低磁場傳感器行業中是靈敏度最高和可靠性最好的傳感器，測量范圍從毫高斯到8高斯，滿足檢測需要。HMC5883L與CC430采用單電源連接設計，如圖3所示。
供電之后，傳感器可以將測量軸方向上的任何入射磁場轉變成一種差分電壓輸出。所有數據傳輸均由產生時鐘信號的CC430發起，數據傳輸是按8位進行，到第9個時鐘周期釋放SDA的線來確定是否響應接收。同時設計模式寄存器置為00完成單一測量模式切換到連續測量模式，之后將連續采集的磁場數據存儲到數據輸出寄存器［4］。
單地磁檢測器達到測速是主要目的，但考慮到單地磁檢測器節點的持久耐用，需要在主控芯片CC430軟件程序設計上盡可能地降低檢測器功耗。CC430單片機具有LPM0～LPM4等5種低功耗模式，通過使CC430完成一次采集后隨即進入功耗較低LPM3模式的待測狀態，一旦來車時由HMC5883L的中斷引腳周期喚醒CPU，兩次中斷的間隔時間約為33.3 ms，保證了采集過程的可靠穩定與高效節能［5］。
2.3中心接收終端的網絡路由電路設計
中心接收終端主要功能是將接收的數據集中由4G模塊發送至人工監控中心的指定服務器，同時該模塊SHT75傳感器采集的溫濕度數據會放入數據包。設計原理圖如圖4所示。
4G模塊選用華為技術成熟的ME909S821模塊，芯片與主控制器之間采用AT指令進行通信，其供電電壓和I/O口的邏輯電平與CC430不需電平轉換，通過串口進行通信。
3系統的軟件設計
采集系統要想最大效率地利用電池的能量，延長各個路口電池的使用壽命，除了選擇低電壓低功耗器件為硬件基礎外，還必須編制具有靈活的電源管理軟件程序系統控制CC430單片機。整體程序設計流程圖如圖5。
路口采集節點能耗的降低可以通過地磁傳感器的采集數據I/O口控制來實現，空閑時段均處于高阻態，數據采集過程時，處于輸入或輸出狀態。中心接收節點的MCU狀態可以由程序設計進行科學節能管理。間隔接收探測節點發來的數據，每隔3 h發送一次數據，可使CPU同樣常處于低功耗模式。LPM3電壓為3 V，頻率為32 768 Hz，該模式下的工作電流小于2 μA。
路口采集節點和中心接收節點上電后應該均對CC430進行初始化設置。然后系統進入低功耗狀態，等待定時器中斷、通信中斷。定時器中斷的作用是每隔一段時間更新采集到的數據。路口節點和中心節點在接收到采集數據后，CC430分別以傳感器網絡方式和4G網絡方式把數據發送到上位機的串口。以上就是一次完整的數據采集過程。
4實驗驗證與分析
根據電路原理圖制成的電路板，燒入程序。為了方便驗證，實驗時采用9 V鋰電池供電，然后把萬用表串聯接入，分別測量系統不同狀態下的電流消耗。相比于工作在2.4~2.5 GHz世界通用ISM頻段的單片無線收發器芯片nRF24L01所做類似數據傳送實驗，它具有更低的功耗。表１是測試結果對比。
分析實驗結果得出，系統在休眠狀態下的電流消耗僅為2~3 μA，因發送的數據量的不同，發送狀態下的電流消耗也不同。發送數據包越大，其產生電流能耗越大。CC430F5137在最大輸出功率時，433 MHz下最大的電流消耗是30 mA。系統由休眠轉入接收的電流消耗為20 mA左右。分析驗證表明，采用CC430的WOR(無線模塊喚醒)功能可以有效地降低系統功耗。
5結論
本文敘述了基于CC430 的交通數據采集系統的前端網絡架構，不僅能實現4種參數的數據低功耗無線采集，關鍵還能實現采集系統與上位機之間的遠距離數據傳遞，輕松實現偏遠地區低成本的交通管理需求，對于生產實踐、交通監控領域具有廣闊的應用和參考價值。
參考文獻
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