一种无线车辆检测传感节点及其检测车辆的方法
【专利摘要】本发明公开了一种无线车辆检测传感节点及其检测车辆的方法，无线车辆检测传感节点包括地磁传感器MMC3282、控制器MSP430F1611和433MHz无线收发模块CC1101，所述控制器MSP430F1611通过SPI接口和433M无线收发模块CC1101相连接，所述地磁传感器MMC3282通过I2C接口和控制器MSP430F1611相连接。本发明能够使得监测人员非常直观的观察到车辆的变化，还可以结合本地时间来查看这个变化，整个传输采用无线传输，传输不受地形的影响，部署简单，传输速度较快，效率高，上位机软件能够实时动态的显示数据，当车辆移动后，能够及时的通知监测人员，供工作人员及时处理，同时软件能够把大量的数据保存入数据库中，可以生成图表，供工作人员分析车辆流量等信息使用。
【专利说明】一种无线车辆检测传感节点及其检测车辆的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及车辆监测领域，具体涉及一种无线车辆检测传感节点及其检测车辆的 方法。
【背景技术】
[0002] 随着我国经济的快速发展，城市化进程的不断加快，伴随而来的是公路上的汽车 越来越多。也使汽车的疏导和停泊管理问题日趋严峻。使车辆检测系统的完善和提高成为 一个重要的课题。
[0003] 当前的通过地磁方法监测车辆的系统，大多采用磁阻传感器（AMR)，这些早期的2 轴或3轴的地磁传感器，精度大多不高，一般输出的都是模拟信号，还需要搭建相应的滤波 放大电路才能正常工作，信号的采集还需模数转换电路，其内部没有数字的1C，可操作性 差。
[0004] 这些系统的无线传感网络，几乎全部采用了 ZigBee协议，Zigbee协议的确是无线 传感网的一种重要组网方式，现在也非常成熟，但在该车辆检测的应用场景下，却有诸多不 适用的地方，Zigbee协议对于硬件的要求很高，给硬件成本带来极大的压力，最要的一点是 Zigbee的拓扑结构，它需要一些长期供电的设备，（Router, Coordinator)，这给工程的实施 带来极大的麻烦。
【发明内容】
[0005] 本发明的目的在于提供一种无线车辆检测传感节点及其检测车辆的方法，解决现 有的车辆检测存在场地工程实施、网络易部署复杂困难，适用范围和场景非常有限的问题。
[0006] 为解决上述的技术问题，本发明采用以下技术方案：
[0007] 一种无线车辆检测传感节点，包括地磁传感器MMC3282、控制器MSP430F1611和 433MHz无线收发模块CC1101，所述控制器MSP430F1611通过SPI接口和433M无线收发模 块CC1101相连接，所述地磁传感器MMC3282通过I2C接口和控制器MSP430F1611相连接。
[0008] 更进一步的技术方案是，所述控制器MSP430F1611通过SPI接口和433M无线收 发模块CC1101相连接具体是SPI时钟线SCLK_RF(控制器MSP430F1611的P5. 3引脚连接 433M无线收发模块CC1101的SCLK引脚）、SPI主到从数据线SI_RF(控制器MSP430F1611 的P5. 1引脚连接433M无线收发模块CC1101的SI引脚）、SPI从到主数据线S0_RF (控制 器MSP430F1611的P5. 2引脚连接433M无线收发模块CC1101的S0引脚）、SPI片选信号线 CSN_RF(控制器MSP430F1611的P5. 0引脚连接433M无线收发模块CC1101的CSN引脚）、 无线数据包接收完成中断线⑶〇〇(控制器MSP430F1611的PL 1引脚连接433M无线收发模 块CC1101的⑶00引脚），射频芯片就绪中断线⑶02(控制器MSP430F1611的P1.4引脚连 接433M无线收发模块CC1101的⑶02引脚）、电源VCC和地GND的连接。
[0009] 更进一步的技术方案是，所述地磁传感器MMC3282通过I2C接口和控制器 MSP430F1611相连接具体是I2C时钟线MAG_SCL(控制器MSP430F1611的P1. 2引脚连接 433M无线收发模块CC1101的SCL引脚）、I2C数据线MSG_SDA (控制器MSP430F1611的PL 3 引脚连接433M无线收发模块CC1101的SDA引脚）、电源VCC和地GND的连接。
[0010] 一种权利要求1所述的无线车辆检测传感节点检测车辆的方法，包括以下步骤：
[0011] 步骤一，控制器MSP430F1611周期性地控制地磁传感器MMC3282采集地磁信号数 据，数据包括Χ、γ、ζ三轴地磁信号各14位数据位；数据采集是由控制器通过I2C接口向地 磁传感器发出采集命令，地磁传感器接受命令后启动采集，在数据就绪后通过I2C接口向 控制器返回采集结果；
[0012] 步骤二，控制器MSP430F1611接收到地磁传感器MMC3282传出的地磁检测数据后 进行数据打包操作以便后续的无线数据发送，地磁检测数据无线传送的最终目的地址是与 监控计算机相连的汇聚节点，如果检测节点离汇聚节点距离较远，无法直接无线通讯，就必 须借助其他节点进行转发，即下一跳（hop)目的节点，当距离较远时需多次转发才能到达 汇聚节点，当控制器MSP430F1611将三轴的地磁检测数据加入数据包中的对应数据段，形 成应用层数据，然后加入网络层（NWK)报头和媒体访问控制层（MAC)报头，同时根据无线 传感器网络路由协议维护的路由表来选择发送的下一跳（hop)目的节点，在NWK报头填入 节点自身地址，在MAC层报头中填入下一跳（hop)目的节点，组成一个完整的报文，控制器 MSP430F1611完成组包操作后通过SPI接口控制433MHz无线收发模块CC1101把该数据包 无线发送出去；
[0013] 步骤三，控制器MSP430F1611周期性地启动433MHz无线收发模块CC1101检查有 无发给自己的无线数据包，如果本节点不是汇聚节点，还需根据路由表找到下一跳节点的 地址并更新数据包中MAC报头中的目的地址，将原始报文转发给再下一跳节点；
[0014] 步骤四，作为汇聚节点的无线传感节点将接收的完整的报文通过串口、USB 口或网 口传输至监控计算机中存入数据库，并根据历史数据判断是否存在车辆经过地磁检测节点 时引起的地磁数据变化，进而判断车辆的存在或运动状态，并最终将数据显示在计算机上。
[0015] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够使得监测人员非常直观的观 察到车辆的变化，还可以结合本地时间来查看这个变化，整个传输采用无线传输，传输不受 地形的影响，部署简单，传输速度较快，效率高，上位机软件能够实时动态的显示数据，当车 辆移动后，能够及时的通知监测人员，供工作人员及时处理，同时软件能够把大量的数据保 存入数据库中，可以生成图表，供工作人员分析车辆流量等信息使用。
【专利附图】
【附图说明】
[0016] 图1为本发明一种无线车辆检测传感节点一个实施例中控制器MSP430F1611的结 构示意图。
[0017] 图2为本发明一种无线车辆检测传感节点一个实施例中433MHz无线收发模块 CC1101的结构示意图。
[0018] 图3为本发明一种无线车辆检测传感节点一个实施例中地磁传感器MMC3282的结 构示意图。
[0019] 图4为本发明一种无线车辆检测传感节点检测车辆的方法一个实施例的网络系 统图。
[0020] 图5为本发明一种无线车辆检测传感节点检测车辆的方法一个实施例的流程示 意图。
[0021] 图6为MAC介质访问流程。
【具体实施方式】
[0022] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0023] 为克服这些弊端，国外的科研机构，厂商提出了新的解决方法，首先是推出了新型 的传感器即地磁传感器MMC3282,这种传感器的精度更高，并且集成度更高，集成了信号处 理和模数电路及1C，输出的是数字信号，芯片的面积更小，简化了监测节点的设计，减小了 节点的面积。而针对无线传感网，伯克利分校相继推出了基于嵌入式无线网络设计的开发 平台Tioy 0S，Open WSN，便于开发者自行开发适应各种场景的协议，目前已开发出多种具 有低功耗，多跳性的无线传感网络。
[0024] 图1-图4示出了本发明一种无线车辆检测传感节点的一个实施例：一种无线车 辆检测传感节点，包括地磁传感器MMC3282、控制器MSP430F1611和433MHz无线收发模块 CC1101，所述控制器MSP430F1611通过SPI接口和433M无线收发模块CC1101相连接，所述 地磁传感器MMC3282通过I2C接口和控制器MSP430F1611相连接。
[0025] 根据本发明一种无线车辆检测传感节点的一个优选实施例，
[0026] 所述控制器MSP430F1611通过SPI接口和433M无线收发模块CC1101相连接具体 是SPI时钟线SCLK_RF(控制器MSP430F1611的P5. 3弓丨脚连接433M无线收发模块CC1101 的SCLK引脚）、SPI主到从数据线SI_RF(控制器MSP430F1611的Ρ5· 1引脚连接433M无线 收发模块CC1101的SI引脚）、SPI从到主数据线S0_RF(控制器MSP430F1611的P5. 2引脚 连接433M无线收发模块CC1101的S0引脚）、SPI片选信号线CSN_RF(控制器MSP430F1611 的P5. 0引脚连接433M无线收发模块CC1101的CSN引脚）、无线数据包接收完成中断线 ⑶00(控制器MSP430F1611的PL 1引脚连接433M无线收发模块CC1101的⑶00引脚），射 频芯片就绪中断线⑶02 (控制器MSP430F1611的P1. 4引脚连接433M无线收发模块CC1101 的⑶02引脚）、电源VCC和地GND的连接。
[0027] 根据本发明一种无线车辆检测传感节点的另一个优选实施例，所述地磁传感器 MMC3282通过I2C接口和控制器MSP430F1611相连接具体是I2C时钟线MAG_SCL(控制器 MSP430F1611的P1.2引脚连接433M无线收发模块CC1101的SCL引脚）、I2C数据线MSG_ SDA(控制器MSP430F1611的P1. 3引脚连接433M无线收发模块CC1101的SDA引脚）、电源 VCC和地GND的连接。
[0028] 图5示出了本发明一种权利要求1所述的无线车辆检测传感节点检测车辆的方法 的一个实施例：一种权利要求1所述的无线车辆检测传感节点检测车辆的方法，包括以下 步骤：
[0029] 步骤一，控制器MSP430F1611周期性地控制地磁传感器MMC3282采集地磁信号数 据，数据包括X、Y、Z三轴地磁信号各14位数据位；数据采集是由控制器通过I2C接口向地 磁传感器发出采集命令，地磁传感器接受命令后启动采集，在数据就绪后通过I2C接口向 控制器返回采集结果；
[0030] 步骤二，控制器MSP430F1611接收到地磁传感器MMC3282传出的地磁检测数据后 进行数据打包操作以便后续的无线数据发送，地磁检测数据无线传送的最终目的地址是与 监控计算机相连的汇聚节点，如果检测节点离汇聚节点距离较远，无法直接无线通讯，就必 须借助其他节点进行转发，即下一跳（hop)目的节点，当距离较远时需多次转发才能到达 汇聚节点，当控制器MSP430F1611将三轴的地磁检测数据加入数据包中的对应数据段，形 成应用层数据，然后加入网络层（NWK)报头和媒体访问控制层（MAC)报头，同时根据无线 传感器网络路由协议维护的路由表来选择发送的下一跳（hop)目的节点，在NWK报头填入 节点自身地址，在MAC层报头中填入下一跳（hop)目的节点，组成一个完整的报文，控制器 MSP430F1611完成组包操作后通过SPI接口控制433MHz无线收发模块CC1101把该数据包 无线发送出去；
[0031] 步骤三，控制器MSP430F1611周期性地启动433MHz无线收发模块CC1101检查有 无发给自己的无线数据包，如果本节点不是汇聚节点，还需根据路由表找到下一跳节点的 地址并更新数据包中MAC报头中的目的地址，将原始报文转发给再下一跳节点；
[0032] 步骤四，作为汇聚节点的无线传感节点将接收的完整的报文通过串口、USB 口或网 口传输至监控计算机中存入数据库，并根据历史数据判断是否存在车辆经过地磁检测节点 时引起的地磁数据变化，进而判断车辆的存在或运动状态，并最终将数据显示在计算机上
[0033] MAC层协议
[0034] 如图6所示，在MAC层上，节点主要通过两个策略进行数据的传输，一个是 CCA (Clear Channel Assessment)信道评估，即在发送数据之前先对信道进行检查，是否处 于忙状态，另一个是随机数退避机制，即当信道为忙时，产生一个随机数时间，等待该时长 后尝试发送。
[0035] 路由协议
[0036] 广播生成树的树生成算法：
[0037] 1.节点在一跳氛围内周期广播HELLO报文，发送节点信息，探测链路状态。
[0038] 2.节点通过接收其它节点发出的HELLO报文，生成一跳范围拓扑结构表。
[0039] 3.加入网络的节点周期发送并接收由其它节点发送的HELLO报文，生成和
[0040] 更新自己的Link Table表。
[0041] 4.为新加入广播生成树的节点定义其节点级别和父子关系，更新STTT(Spanning Tree Topology Table)表。
[0042] 5.将STTT表封装在STC (Spanning Tree Control)报文里发送给邻居节点。
[0043] 6.各节点根据STTT表更新自己RT表。
[0044] 7.如此反复，直至所有的节点加入生成树。至此，广播生成树形成。
[0045] 广播生成树的维护算法
[0046] 1.当节点成功加入广播生成树之后，通过STC协议，周期性的向自己的父节点和 子节点发送特定格式的STC报文，以声明自己的存在。
[0047] 2.每个节点收到父节点和子节点的声明报文后，更新与之相关的定时器。
[0048] 3.若一定时间未收到STC报文，则说明自己与此邻居节点的连接中断。
[0049] 4.若子节点的定时器超时，则将通过节点更新协议将此子节点和此节点以下的 Desc节点从网络上删除。
[0050] 5.若父节点的定时器超时，则说明该节点及其子节点和Desc节点已经从网络上 脱离，这些节点将通过节点加入协议重新加入生成树。
[0051] 6.对于再次加入广播生成树的节点，当其在树上的位置发生了变化时，将通过节 点更新协议将此节点的新的位置信息通告给相关的节点。
[0052] 节点发现过程：在网络中的节点会不断的发送HELLO报文，告知一跳范围内的邻 居节点自己的存在。同时接收由其它一跳邻居节点发送来的HELLO报文，掌握一跳链路信 息，从而生成一跳链路信息表。当树上节点发现一跳范围内有新节点加入时，通过J〇IN_ MESSAGE报文将生成树信息发给新加入节点。新加入节点一旦收到J0IN_MESSAGE报文，得 知自己已经被加入生成树，立即生成STC报文，并在生成树上广播。新加入节点发送的STC 报文表明该节点已经加入生成树。
[0053] 树拓扑维护过程：当生成树上的节点计算MPR值生成新的树结构后，通过发送 J0IN_MESSAGE报文将此信息告诉被加入的节点，并周期性的发送STC报文维护树形拓扑结 构。新加入的节点接收到由树上节点发送的J〇IN_MESSAGE报文后，知道自己已经加入生成 树，会生成自己的STC报文，在树上以广播形式发送。
[0054] 树拓扑更新过程：节点更新协议用于节点之间交换有关生成树拓扑结构变化的信 息，即交换生成树拓扑结构表。生成树结构的更新可以由以下条件触发：
[0055] 1.新节点加入网络。
[0056] 2.节点自身离开网络。
[0057] 3.下级节点离开网络。
[0058] 4.节点重新加入网络。
[0059] 广播生成树路由协议中节点会不断的向邻居节点发送更新的STC报文，同时也会 不断接收到由邻居节点传来的STC报文。每当节点接收到该报文都以同一周期内最新一个 STC报文，即最后一个到达的STC报文作为标准来更新自己的STT表，以保证路由的最新。
[0060] 本发明用到的帧结构
[0061] 链路信息表（Link Table)
[0062]
【权利要求】
1. 一种无线车辆检测传感节点，其特征在于：包括地磁传感器MMC3282、控制器 MSP430F1611和433MHz无线收发模块CC1101，所述控制器MSP430F1611通过SPI接口 和433M无线收发模块CC1101相连接，所述地磁传感器MMC3282通过I2C接口和控制器 MSP430F1611 相连接。
2. 根据权利要求1所述的一种无线车辆检测传感节点，其特征在于：所述控制器 MSP430F1611通过SPI接口和433M无线收发模块CC1101相连接具体是SPI时钟线SCLK_ RF、SPI主到从数据线SI_RF、SPI从到主数据线SO_RF、SPI片选信号线CSN_RF、无线数据 包接收完成中断线⑶〇〇,射频芯片就绪中断线⑶02、电源VCC和地GND的连接。
3. 根据权利要求1或2所述的一种无线车辆检测传感节点，其特征在于：所述地磁传 感器MMC3282通过I2C接口和控制器MSP430F1611相连接具体是I2C时钟线MAG_SCL、I2C 数据线MSG_SDA、电源VCC和地GND的连接。
4. 一种权利要求1所述的无线车辆检测传感节点检测车辆的方法，其特征在于：包括 以下步骤： 步骤一，控制器MSP430F1611周期性地控制地磁传感器MMC3282采集地磁信号数据，数 据包括X、Y、Z三轴地磁信号各14位数据位；数据采集是由控制器通过I2C接口向地磁传 感器发出采集命令，地磁传感器接受命令后启动采集，在数据就绪后通过I2C接口向控制 器返回采集结果； 步骤二，控制器MSP430F1611接收到地磁传感器MMC3282传出的地磁检测数据后进 行数据打包操作以便后续的无线数据发送，地磁检测数据无线传送的最终目的地址是与监 控计算机相连的汇聚节点，如果检测节点离汇聚节点距离较远，无法直接无线通讯，就必须 借助其他节点进行转发，即下一跳目的节点，当距离较远时需多次转发才能到达汇聚节点， 当控制器MSP430F1611将三轴的地磁检测数据加入数据包中的对应数据段，形成应用层数 据，然后加入网络层报头和媒体访问控制层报头，同时根据无线传感器网络路由协议维护 的路由表来选择发送的下一跳目的节点，在NWK报头填入节点自身地址，在MAC层报头中填 入下一跳目的节点，组成一个完整的报文，控制器MSP430F1611完成组包操作后通过SPI接 口控制433MHz无线收发模块CC1101把该数据包无线发送出去； 步骤三，控制器MSP430F1611周期性地启动433MHz无线收发模块CC1101检查有无发 给自己的无线数据包，如果本节点不是汇聚节点，还需根据路由表找到下一跳节点的地址 并更新数据包中MAC报头中的目的地址，将原始报文转发给再下一跳节点； 步骤四，作为汇聚节点的无线传感节点将接收的完整的报文通过串口、USB 口或网口传 输至监控计算机中存入数据库，并根据历史数据判断是否存在车辆经过地磁检测节点时引 起的地磁数据变化，进而判断车辆的存在或运动状态，并最终将数据显示在计算机上。
【文档编号】H04W84/18GK104159326SQ201410415802
【公开日】2014年11月19日 申请日期:2014年8月21日 优先权日:2014年8月21日
【发明者】胡四泉, 佘春东, 王俊峰 申请人:四川大学