張 飆，周國清，楊小平，劉 源，程小輝，周 祥，劉毅龍

（1.桂林理工大學 信息科學與工程學院，廣西 桂林 541004；2.桂林理工大學 廣西空間信息與測繪重點實驗室，廣西 桂林 541004；3.桂林理工大學 機械與控制工程學院，廣西 桂林 541004）

1 引 言

LED交通誘導屏廣泛應用于城市道路和高速公路上，隨著人力成本增加，誘導屏維修成本也逐年提高，研發(fā)高可靠性、高穩(wěn)定性、低維修率的交通誘導屏已成為市場的必然。目前無線技術已經(jīng)在交通誘導屏中得到應用［1－2］，但這些應用僅局限于采用無線技術，包括 GSM，GPRS，3G，Zig－Bee等代替有線的串行通信實現(xiàn)對誘導屏的無線控制。分布式控制也在誘導屏上得以應用，不過這些應用是基于485通信的［3－4］。本文擬將物聯(lián)網(wǎng)中具有自組織、零費用的無線短距ZigBee網(wǎng)絡和分布式控制技術相結(jié)合應用于誘導屏，設計基于ZigBee網(wǎng)絡的分布式LED交通誘導屏系統(tǒng)。

2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

常規(guī)的LED交通誘導屏是由單個CPU控制，所有單元模塊采用串行方式級聯(lián)，一旦某個單元模塊發(fā)生故障，必然發(fā)生故障擴散，影響其后續(xù)模塊的顯示，造成大面積顯示失效。本設計運用分布式控制架構(gòu)將誘導屏劃分為N個子區(qū)域，每個子區(qū)域由獨立的CPU進行控制，如果某個子區(qū)域發(fā)生故障，則故障只影響該子區(qū)域，其他子區(qū)域不受影響，可見分布式控制能將故障限定在子區(qū)域內(nèi)，有效防止故障擴散。各子區(qū)域分開控制后必須解決子區(qū)域中的CPU與主控CPU的數(shù)據(jù)通信問題，該問題存在有線和無線兩種解決方案。有線方式下各子控制區(qū)域中的CPU都掛在總線上，其缺點是：需要額外的通信電纜和總線收發(fā)器，一旦總線發(fā)生故障會造成整個顯示系統(tǒng)失效。無線方式下不使用總線可避免總線故障引發(fā)的全屏顯示失效，提高了系統(tǒng)可靠性與穩(wěn)定性，同時還能節(jié)省通信線纜成本。本設計利用物聯(lián)網(wǎng)技術中的ZigBee無線短距網(wǎng)實現(xiàn)交通誘導屏內(nèi)部各子區(qū)域的通信。

CC2530用于2.4GHz頻段，遵循IEEE.802.15.4標準，其內(nèi)部集成高性能射頻收發(fā)器、增強型8051CPU、兩個多功能串口、12位ADC和21個I／O等，是美國TI公司ZigBee技術應用的SoC解決方案，具有自組織特性，能夠自動組建低成本ZigBee網(wǎng)絡［5］，經(jīng)本項目試驗測定其可靠通信距離超過60m。本設計系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，設計中將LED顯示屏劃分為N個小區(qū)域，每個小區(qū)域內(nèi)包含一片CC2530，構(gòu)成一個Zig－Bee網(wǎng)絡節(jié)點，CC2530控制16×16LED點陣的顯示，還負責采集溫度，濕度，并實現(xiàn)與協(xié)調(diào)器通信。協(xié)調(diào)器一方面負責與網(wǎng)內(nèi)各個ZigBee節(jié)點進行通信，另一方面與主控制模塊通信以獲取顯示及控制信息。主控制模塊從遠程通信模塊獲取顯示及控制信息，采集環(huán)境亮度，再經(jīng)內(nèi)部處理后下發(fā)給協(xié)調(diào)器，以實現(xiàn)LED顯示屏的顯示、控制、亮度調(diào)節(jié)等功能。遠程通信模塊用串口與主控制模塊相連，負責接收來自遠程控制中心的數(shù)據(jù)。遠程通信模塊形式多樣，可以是光纖轉(zhuǎn)串口，也可是3G或GPRS模塊轉(zhuǎn)串口，還可能是RS485轉(zhuǎn)串口等，具體為何種形式則由實際項目中的交通誘導屏網(wǎng)絡確定。

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的核心是ZigBee節(jié)點，各節(jié)點具有通用性，均具備終端、路由和協(xié)調(diào)器功能，具體成為何種節(jié)點只需軟件配置，終端節(jié)點沒有路由功能，路由節(jié)點或協(xié)調(diào)器節(jié)點時仍可實現(xiàn)終端節(jié)點的功能。由于每個ZigBee子網(wǎng)只能有一個協(xié)調(diào)器節(jié)點，因此本項目除配置一個協(xié)調(diào)器節(jié)點外，其余節(jié)點均具備控制LED顯示的功能，其中1／3的節(jié)點設置為路由顯示節(jié)點，2／3的節(jié)點設置為終端顯示節(jié)點，該配置方式具有較多的路由節(jié)點，使每個終端顯示節(jié)點都有多條路徑與協(xié)調(diào)器通信，即使某個路由節(jié)點失效，終端顯示節(jié)點仍然能通過其它路由節(jié)點與協(xié)調(diào)器通信，可有效避免大面積顯示失效，提高了顯示屏工作可靠性與穩(wěn)定性，減少維修頻度。但路由顯示節(jié)點需對其他節(jié)點發(fā)來的信息存儲、融合和轉(zhuǎn)發(fā)，會使其數(shù)據(jù)吞吐量增加，不過交通誘導屏信息更新快速性要求不高，這樣實現(xiàn)完全可行。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖Fig.1 Diagram of system architecture

3 硬件設計

3.1 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)設計

系統(tǒng)硬件的核心也是ZigBee節(jié)點，為提高節(jié)點硬件電路通用性和互換性并降低印刷電路板開模成本，每個節(jié)點都包含插接在一起的兩塊印制板：高頻核心板和低頻底板。CC2530單獨設計成核心板，高頻核心板設計為4層印刷電路板，面積較小，可節(jié)約制板成本，且所有節(jié)點的高頻核心板都相同。低頻底板使用雙層印制板，且所有節(jié)點的低頻底板都是通用的。

本系統(tǒng)ZigBee節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，每個節(jié)點由CC2530、LED顯示控制模塊、溫濕度采集模塊、串行通信模塊及電源模塊組成。CC2530是是整個節(jié)點的中樞，負責建立、維護通信網(wǎng)絡，實現(xiàn)無線信號傳輸、處理、轉(zhuǎn)發(fā)和控制等功能；LED顯示控制模塊用于控制16×16點陣LED顯示；溫濕度采集模塊采集該節(jié)點處的溫度和濕度；串行通信模塊用于節(jié)點硬件調(diào)試，對于協(xié)調(diào)器還通過串行通信模塊與主控制器通信；電源模塊負責節(jié)點供電。

圖2 節(jié)點硬件框圖Fig.2 Block diagram of node hardware

3.2 核心板電路設計

核心板電路原理圖如圖3所示。CC2530的P1.1，P1.2連接主控制模塊的串口，P1.4，P1.5用于調(diào)試實現(xiàn)上位計算機與CC2530串口通信；P2.0，P2.1分別連接溫度、濕度傳感器的數(shù)字輸出端；P0.0～P0.6用于驅(qū)動16×16LED點陣。RF＿P和RF＿N為射頻信號輸出端，P1為天線。

圖3 核心板電路原理圖Fig.3 Schematic of core board

3.3 底板電路設計

底板電路連接核心板與16×16LED顯示面板，核心板控制生成16×16LED點陣顯示時序，并讀取溫、濕度傳感器的值。底板上含有兩個串行通信插座，分別用于程序調(diào)試及與上位機通信。底板上還包含指示ZigBee網(wǎng)絡連接狀態(tài)和程序運行的LED指示燈；系統(tǒng)供電由底板輸入，經(jīng)1117M3電壓轉(zhuǎn)換芯片獲得3.3V電壓給CC2530供電。

3.4 LED顯示控制設計

LED驅(qū)動芯片采用含有7bit點校正功能的16通道恒流驅(qū)動器TLC5923，該芯片可以獨立調(diào)節(jié)OUT0～OUT15通道的電流值，調(diào)節(jié)級數(shù)為128級，各通道調(diào)整后的灌電流為：IOutN＝IMAX×DCN／127，其中IMAX是能夠設定的最大值，DCN表明第N（N＝0～15）通道輸出電流被調(diào)節(jié)在哪一級［6］。此項功能可以保證整個顯示屏具有均勻亮度。各通道的調(diào)節(jié)值是根據(jù)LED亮度測量值確定的，這是本文作者另一篇論文所研究的內(nèi)容，在此不再贅述。TLC5923還具有LED開路檢測和芯片溫升超限檢測功能，利用開路檢測與溫升超限檢測功能協(xié)調(diào)器可以獲知故障通道與故障驅(qū)動器，并將故障信息傳到控制中心。16×16LED顯示控制原理如圖4所示。

圖4 16×16LED顯示控制原理圖Fig.4 Schematic of display control for 16×16LED pixel matrix

TLC5923中的MODE（9腳）置H，L電平分別選擇點校正數(shù)據(jù)輸入與顯示數(shù)據(jù)輸入。當發(fā)生芯片溫升超限或LED開路故障XERR（連接在CC2530的P0.4）自動被 TLC5923拉低，CC2530通過定時查詢P0.4腳可及時發(fā)現(xiàn)故障，并可通過P0.6腳（TLC5923SOUT腳）串行讀入開路故障信息，從而判斷出發(fā)生開路故障的通道號。

由于采用分布式控制方式，按照交通誘導屏為紅、綠、黃三色計算，CC2530最多控制16×16點陣的顯示區(qū)域，即48×48LED管，共有144片TLC5923。交通誘導屏信息更新快速性要求不高，經(jīng)驗算和實際測試CC2530內(nèi)置增強型51內(nèi)核的速度已經(jīng)足夠，可見CC2530既能實現(xiàn)Zig－Bee通信協(xié)議又能勝任16×16LED點陣的顯示，這也是分布式系統(tǒng)將數(shù)據(jù)吞吐量轉(zhuǎn)換到多個CPU同時處理，從而降低單個CPU數(shù)據(jù)吞吐量優(yōu)點的體現(xiàn)。

3.5 主控制模塊設計

主控制模塊采用ST公司推出的ARM Cortex－M3架構(gòu)的STM32F103ZET6處理器作為CPU，其一端連接協(xié)調(diào)器，另一端連接遠程通信模塊，主控制模塊框圖如圖5所示。主要功能為：（1）解釋和處理誘導屏與遠程控制中心的通信協(xié)議；（2）根據(jù)顯示內(nèi)容在片內(nèi)點陣字庫Flash中讀取待顯示文字的點陣數(shù)據(jù)，并按照誘導屏所劃分的各個16×16LED點陣子區(qū)域分別打包。（3）將各子區(qū)域?qū)狞c陣數(shù)據(jù)包經(jīng)串行口發(fā)送給協(xié)調(diào)器。隨后協(xié)調(diào)器使用#播方式將這些數(shù)據(jù)包分別轉(zhuǎn)發(fā)給控制各子區(qū)域的終端顯示節(jié)點和路由顯示節(jié)點，最后各顯示節(jié)點中的CC2530負責在各自的16×16LED點陣上顯示信息。

圖5 主控制模塊框圖Fig.5 Block diagram of master control module

本設計采用并行總線 W29C040Flash，需要使用STM32F103處理器的FSMC（靈活的靜態(tài)存儲控制器）。FSMC接口支持SRAM、NAND FLASH、NOR FLASH 等存儲器，支持8／16／32位數(shù)據(jù)寬度。FSMC總共管理1Gb外部存儲空間，分為4個存儲Bank，每個Bank又分為4個區(qū)，每個區(qū)64Mb的存儲空間［7］。本設計使用Bank1的第4區(qū)，采用8位并行數(shù)據(jù)總線，使用異步Mode1方式控制。

4 應用軟件設計

4.1 Z－stack協(xié)議棧編程概述

基于Z－stack協(xié)議棧編程雖然在一些論文中已提及，但都沒有深入研究［8－9］，本文將深入探究Z－stack協(xié)議棧用戶程序設計方法。采用CC2530構(gòu)建的ZigBee無線網(wǎng)絡，其軟件系統(tǒng)是建立在TI公司開發(fā)的Z－stack協(xié)議棧上的。Z－stack協(xié)議棧本質(zhì)上是ZigBee協(xié)議的具體實現(xiàn)形式，同時也是ZigBee協(xié)議和用戶之間接口。按照現(xiàn)代軟件分層設計的思想，TI在Z－stack協(xié)議棧中實現(xiàn)了ZigBee協(xié)議物理層，MAC層和網(wǎng)絡層，但實現(xiàn)代碼不公開，用戶程序則在應用層上開發(fā)，需要使用底層服務時可調(diào)用Z－stack協(xié)議棧提供的API函數(shù)。

在Z－stack協(xié)議棧中，用戶只需實現(xiàn)應用程序框架，該框架最多可包含240個應用程序?qū)ο螅總€應用程序?qū)ο缶褪且粋€任務，每個任務又可以響應1個系統(tǒng)事件和15個用戶事件，可見應用程序框架包含一個支持多任務的資源分配機制，因此Z－Stack協(xié)議棧提供一個OSAL（操作系統(tǒng)抽象層）來調(diào)度程序，OSAL實現(xiàn)了操作系統(tǒng)才具備的以多任務為核心的任務調(diào)度及系統(tǒng)資源管理。因此CC2530與常規(guī)單片機編程方式完全不同，必須通過創(chuàng)建OSAL任務來運行應用程序，而且用戶程序設計是通過對例程代碼修改、增刪來實現(xiàn)的［10］。

4.2 本設計用戶任務工作流程

本項目設計的用戶任務在Z－stack協(xié)議棧中的工作流程如圖6所示，其中“系統(tǒng)初始化”由函數(shù)osal＿init＿system（）實現(xiàn)，該函數(shù)包含6個初始化函數(shù)，其中任務初始化函數(shù)osalInitTasks（）是用戶程序必須修改的。本設計在該函數(shù)最后增加用戶任務初始化函數(shù)SampleApp＿Init（taskID），該函數(shù)內(nèi)部分配任務號，初始化串行口，設置周期信息廣播地址和周期信息單播地址。周期信息廣播目標地址為：0xFFFF，用于協(xié)調(diào)器向所有顯示節(jié)點廣播信息；周期信息單播地址為：0x0000，用于顯示節(jié)點向協(xié)調(diào)器發(fā)送信息。運行操作系統(tǒng)由函數(shù)osal＿start＿system（）實現(xiàn)，該函數(shù)是任務系統(tǒng)輪詢函數(shù)，永遠不會返回，它負責查找發(fā)生的事件然后調(diào)用相應任務對該發(fā)生事件的處理函數(shù)，該函數(shù)中核心語句“events＝tasksEvents［idx］；”用來提取需要處理的任務事件，另一核心語句“events＝ （tasksArr［idx］）（idx，events）；”通過指針調(diào)用相應事件的任務處理函數(shù)。如果沒有事件發(fā)生，CC2530會自動進入省電模式。

4.3 串口通信程序設計

串口在用戶程序開發(fā)中有非常重要的作用，它是Z－stack協(xié)議棧與上位機的通信接口，本設計中，協(xié)調(diào)器通過串口與主控制模塊雙向通信；上位機通過串口實現(xiàn)顯示節(jié)點內(nèi)部程序調(diào)試。使用CC2530串口與普通單片機不同，需要在Z－stack協(xié)議棧中加入串口功能，使其納入OSAL統(tǒng)一管理中。

圖6 用戶任務工作流程圖Fig.6 Flow diagram for user task

串口使用前需要兩個初始化步驟：①串口初始化（設置波特率，是否使用流控制等），②登記任務號，如圖7所示這兩個步驟是在用戶任務初始化函數(shù)SampleApp＿Init（TaskID）進行的。由于串口已封裝在協(xié)議棧中，節(jié)點向串口發(fā)送數(shù)據(jù)包只需調(diào)用函數(shù) HalUARTWrite（uint8port，uint8＊buf，uint16len），其中port指串口號，本設計協(xié)調(diào)器使用串口0、1，顯示節(jié)點只使用串口0；＊buf是數(shù)組緩沖區(qū)指針，節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)需事先寫入這個緩沖區(qū)；len指字節(jié)為單位的數(shù)據(jù)長度。串口通信幀格式可自定義為：“幀頭＋地址＋命令字＋數(shù)據(jù)長度＋數(shù)據(jù)包＋校驗＋幀尾”。串口數(shù)據(jù)接收函數(shù)“MT＿UartProcessZToolData（…）”根據(jù)自定義幀格式修改為有限狀態(tài)機方式接收模式，實現(xiàn)過程如圖7所示，當正確接收幀尾后調(diào)用函數(shù)osal＿msg＿send（...）將數(shù)據(jù)包發(fā)送到OSAL層非常重要，調(diào)用該函數(shù)后，會產(chǎn)生觸發(fā)用戶任務的事件，響應觸發(fā)事件時，協(xié)調(diào)器可調(diào)用AF＿DataRequest（…）函數(shù)把串口接收的數(shù)據(jù)包發(fā)給各個顯示節(jié)點。

圖7 有限狀態(tài)機實現(xiàn)串口數(shù)據(jù)幀接收Fig.7 Receiving serial data frame by FSM

4.4 協(xié)調(diào)器通信程序設計

協(xié)調(diào)器通過串口實現(xiàn)與主控模塊通信，還接收顯示節(jié)點上傳的LED故障信息和溫、濕度數(shù)據(jù)，而且協(xié)調(diào)器能以廣播方式發(fā)數(shù)據(jù)包給顯示節(jié)點，主要實現(xiàn)兩個廣播功能，第一：協(xié)調(diào)器設置各顯示節(jié)點采集溫、濕度或讀取LED故障信息的周期值，一經(jīng)設置顯示節(jié)點就按新的周期采集或讀取信息然后以單播方式上傳協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到信息后則上傳主控制模塊。第二：主控制模塊通過協(xié)調(diào)器獲取顯示節(jié)點是否正常連接在網(wǎng)絡上，這是通過發(fā)送廣播命令獲取各顯示節(jié)點編號實現(xiàn)，每個收到該命令的顯示節(jié)點以單播方式發(fā)送本節(jié)點編號給協(xié)調(diào)器。協(xié)調(diào)器程序?qū)崿F(xiàn)流程如圖8所示。

圖8 協(xié)調(diào)器用戶軟件運行流程圖Fig.8 Flow diagram of user software for coordinator

4.5 顯示節(jié)點通信程序設計

顯示節(jié)點采用單播（點對點）方式定時向協(xié)調(diào)器傳送LED故障信息和溫、濕度數(shù)據(jù)。定時時間由協(xié)調(diào)器設定。單播與廣播程序代碼類似，只是目標地址不同。各顯示節(jié)點要實現(xiàn)串口通信，溫、濕度檢測，LED故障信息讀取，協(xié)調(diào)器要實現(xiàn)與主控制器通信。節(jié)點應用軟件運行流程如圖9所示。由圖8和圖9可見，無論單播通信還是廣播通信都使用同一個核心處理函數(shù)AF＿DataRequest（afAddrType＿t＊dstAddr，endPointDesc＿t＊srcEP，uint16cID，uint16len，uint8＊buf，int8＊transID，uint8options，uint8radius），單播與廣播方式由第1參數(shù)（目的地址），第3個參數(shù)（傳輸編號）決定，單播時顯示節(jié)點發(fā)送數(shù)據(jù)到協(xié)調(diào)器，目的地址＝0x0000；廣播時協(xié)調(diào)器發(fā)送信息至所有顯示節(jié)點，目的地址＝0xFFFF。傳輸編號由用戶程序定義，單播與廣播必須定義不同的傳輸編號。

圖9 顯示節(jié)點用戶軟件運行流程圖Fig.9 Flow diagram of user software for display node

4.6 字庫及交通位圖讀取

為節(jié)省帶寬和提高輪詢速度，遠程控制中心與主控制模塊間傳輸?shù)臐h字或交通位圖不是用點陣表示，而是用漢字內(nèi)碼和位圖編號表示。本系統(tǒng)采用GBK漢字編碼，每個漢字包含2個字節(jié)，高字節(jié)為區(qū)碼，范圍為0x81～0xFE，低節(jié)為區(qū)內(nèi)偏移碼，范圍為0x40～0x7E和0x80～0xFE。GBK編碼總共126個區(qū)，每區(qū)190個漢字。點陣字庫是按照此編碼規(guī)則從0x8140開始逐一建立，本設計顯示的漢字為16×16點陣，選用臺灣華邦的512kFlash芯片W29C040，字庫從W29C040的0地址開始存放，字庫后接著存放交通上使用的位圖。主控制模塊由遠程通信模塊接收到遠程控制中心發(fā)出的待顯示內(nèi)容后，則根據(jù)漢字內(nèi)碼或位圖編號計算出這些漢字或位圖在Flash中存儲的首地址，然后讀出相應漢字或位圖的點陣信息。

5 結(jié) 論

本文完成了基于ZigBee技術的無線分布式LED交通誘導屏設計，整塊交通誘導屏被分為多個子區(qū)域。每個子區(qū)域都成為一個ZigBee節(jié)點由一片CC2530控制實現(xiàn)顯示、通信、檢測等功能。設計制作了具有通用性和互換性的核心板＋底板結(jié)構(gòu)的節(jié)點硬件電路，節(jié)約了PCB板開模成本。在Z－stack協(xié)議棧應用層編寫了基于事件處理的用戶程序，實現(xiàn)了協(xié)調(diào)器與各節(jié)點的單播和廣播程序，以及基于有限狀態(tài)機的串口通信程序。本文將ZigBee技術與分布式控制相結(jié)合用于交通誘導屏設計，可將數(shù)據(jù)吞吐量分擔到多個CPU上，使整個系統(tǒng)成為多核并行處理機，既能有效防止故障擴散，又增加了交通誘導屏穩(wěn)定性和可靠性，還減少了維修頻度，為誘導屏系統(tǒng)提供了新的設計思路。經(jīng)實際運行證實：Zigbee無線網(wǎng)路可靠性高，系統(tǒng)工作穩(wěn)定，整體性能達到預期設計目標。

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