陶刚1，胡海兵2，汪国庆2，崔世林2，杨建德2
（1.安徽科力信息产业有限责任公司，安徽 合肥 230009；2.合肥工业大学，安徽 合肥 230009）
摘要：针对智能交通流检测设计了持久耐用的无线低功耗交通数据采集系统。以TI MSP430MCU和CC1101低功耗多通道无线射频内核的CC430F5137芯片为控制核心，所设计的传感器节点可以采集路口的车流量、车辆速度和温湿度环境参数。实验研究表明，该系统具有可靠性高、超低功耗、后期管理和维护成本低等优点,具有广阔的应用前景。
关键词：CC430；低功耗；交通数据采集；无线传感器网络
0引言
针对路口交通数据处理，当前城市管理和交通运输部门给出的监管系统多采用专用有线网络视频监控，或者采用投入成本较大的专业交通流数据采集仪。但是采用有线网络的线路材料通常放在室外环境，常年的风吹日晒也会导致其风化破损，诱发系统的可靠性差、诸如漏电、短路带来的安全隐患。
采用基于德州仪器的CC430F5137系统级芯片组建交通数据采集无线传感器网络能够很好地解决上述问题，路口采集传感器节点和中心接收终端节点所用CC430F5137芯片是TI的MSP430MCU与低功耗RF收发器的结合，可以实现无线传感器网络以超低功耗的节能模式运行,而且可靠性高，投入成本低，后期维护管理简单。
1系统的总体设计
基于CC430F5137的低功耗交通数据采集系统主要由路口的传感器探测节点和中心接收节点两个部分。整体系统架构图如图1。
路口的传感器探测节点主要由基于弱磁传感器芯片HMC5883L的车辆检测器组成，可以采集不同路口车流量（车型）、车速两种关键的车流数据。路口传感器节点采集的数据可以向中心接收终端多点对一点进行传输，不同路口采集的交通数据和路口中心接收节点基于SHT75传感器采集的温度、湿度两种环境数据最终会经过中心接收节点GPRS模块汇合至人工监测中心，然后发送给上位机进行数据处理和分析。
2系统的硬件设计
系统的采集节点与接收终端的电源用市面上常见的9 V电池，主要向数据采集系统中的各个模块提供电压稳定、使用可靠的电源。温湿度传感器采用微小体积、极低功耗的传感器SHT75，它的传感元件和信号处理电路集成在一块微型电路板上［1］。路口采集节点原理图如图2所示。
2.1CC430MCU主控模块与RF无线通信模块
CC430MCU主控模块与RF无线通信模块是采集节点和接收终端的通用模块。MCU具有高达25 MHz的峰值执行性能，主动模式功耗仅仅为160 μA/MHz;待机模式（LPM3 RTC模式）为2 μA；关闭模式（LPM4 RAM保留）为1 μA，处理器8 MHz仅1.3 mA［2］。
CC430芯片外部RF模块使用26 MHz晶振，芯片内部也集成了超低功耗的振荡电路供使用，程序设计通过读取AD的模块数值用一个定时器外部中断控制。调试接口模块采用最常用的标准调试接口JTAG接口，负责程序的下载。
每个采集节点单地磁检测器的地址设置只需要8位拨码开关拨到相应的数值。拨码开关采用二进制表示，前4位表示接收单元地址，后四位表示地磁检测器地址。接收单元和检测器ID范围均为0x00~0x0F，完全满足构建小型无线交通数据采集网络的需要。传感器采集数据的发送，通过程序设计闪烁时间和频率表明不同的状态，LED通过300 Ω限流电阻接到单片机的P2.3和P2.4引脚。
低功耗RF收发器是CC1101Sub 1 GHz射频收发器,包括一个完整芯片的LC VCO和一个对接模式的混频器进行频率合成。在本设计中使用的是433 MHz 的载波频率，鉴于应用场合其要求的传输速率较低，因此选用的传输速率是3.2 kb/s,配以合适的阻抗电路,不同程度上决定着无线收发的能力和效率［3］。
2.2基于单地磁检测器的车辆检测采集模块
通常检测区域几米范围的地磁场分布可近似为均匀不变的,利用单个地磁检测器,依据不同的铁磁材质的车辆（长度和形状不同）经过检测器会对检测区域的磁场分布分别产生相应的干扰。干扰引起不同的地磁场变化的畸变波形，通过波形匹配识别经过检测器车辆的尺寸长度（即匹配的车型），结合车辆通过所用时间计算车速，同时保留车辆类型和累计车流量。
单地磁检测器采用简易的I2C总线接HMC5883L传感器。HMC5883L采用无铅表面封装技术，带有16个引脚，具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点。传感器带有的对于正交轴低敏感型的固相结构能用于测量地球磁场的方向和大小，在低磁场传感器行业中是灵敏度最高和可靠性最好的传感器，测量范围从毫高斯到8高斯，满足检测需要。HMC5883L与CC430采用单电源连接设计，如图3所示。
供电之后，传感器可以将测量轴方向上的任何入射磁场转变成一种差分电压输出。所有数据传输均由产生时钟信号的CC430发起，数据传输是按8位进行，到第9个时钟周期释放SDA的线来确定是否响应接收。同时设计模式寄存器置为00完成单一测量模式切换到连续测量模式，之后将连续采集的磁场数据存储到数据输出寄存器［4］。
单地磁检测器达到测速是主要目的，但考虑到单地磁检测器节点的持久耐用，需要在主控芯片CC430软件程序设计上尽可能地降低检测器功耗。CC430单片机具有LPM0～LPM4等5种低功耗模式，通过使CC430完成一次采集后随即进入功耗较低LPM3模式的待测状态，一旦来车时由HMC5883L的中断引脚周期唤醒CPU，两次中断的间隔时间约为33.3 ms，保证了采集过程的可靠稳定与高效节能［5］。
2.3中心接收终端的网络路由电路设计
中心接收终端主要功能是将接收的数据集中由4G模块发送至人工监控中心的指定服务器，同时该模块SHT75传感器采集的温湿度数据会放入数据包。设计原理图如图4所示。
4G模块选用华为技术成熟的ME909S821模块，芯片与主控制器之间采用AT指令进行通信，其供电电压和I/O口的逻辑电平与CC430不需电平转换，通过串口进行通信。
3系统的软件设计
采集系统要想最大效率地利用电池的能量，延长各个路口电池的使用寿命，除了选择低电压低功耗器件为硬件基础外，还必须编制具有灵活的电源管理软件程序系统控制CC430单片机。整体程序设计流程图如图5。
路口采集节点能耗的降低可以通过地磁传感器的采集数据I/O口控制来实现，空闲时段均处于高阻态，数据采集过程时，处于输入或输出状态。中心接收节点的MCU状态可以由程序设计进行科学节能管理。间隔接收探测节点发来的数据，每隔3 h发送一次数据，可使CPU同样常处于低功耗模式。LPM3电压为3 V，频率为32 768 Hz，该模式下的工作电流小于2 μA。
路口采集节点和中心接收节点上电后应该均对CC430进行初始化设置。然后系统进入低功耗状态，等待定时器中断、通信中断。定时器中断的作用是每隔一段时间更新采集到的数据。路口节点和中心节点在接收到采集数据后，CC430分别以传感器网络方式和4G网络方式把数据发送到上位机的串口。以上就是一次完整的数据采集过程。
4实验验证与分析
根据电路原理图制成的电路板，烧入程序。为了方便验证，实验时采用9 V锂电池供电，然后把万用表串联接入，分别测量系统不同状态下的电流消耗。相比于工作在2.4~2.5 GHz世界通用ISM频段的单片无线收发器芯片nRF24L01所做类似数据传送实验，它具有更低的功耗。表１是测试结果对比。
分析实验结果得出，系统在休眠状态下的电流消耗仅为2~3 μA，因发送的数据量的不同，发送状态下的电流消耗也不同。发送数据包越大，其产生电流能耗越大。CC430F5137在最大输出功率时，433 MHz下最大的电流消耗是30 mA。系统由休眠转入接收的电流消耗为20 mA左右。分析验证表明，采用CC430的WOR(无线模块唤醒)功能可以有效地降低系统功耗。
5结论
本文叙述了基于CC430 的交通数据采集系统的前端网络架构，不仅能实现4种参数的数据低功耗无线采集，关键还能实现采集系统与上位机之间的远距离数据传递，轻松实现偏远地区低成本的交通管理需求，对于生产实践、交通监控领域具有广阔的应用和参考价值。
参考文献
［1］ Sensirion. SHT7X Datasheet ［EB/OL］. （2003-05-xx)［2016-03-22］．http://www.alldatasheet.com/datasheet pdf/pdf/159177/ETC1/SHT7X.
［2］ Texas Instruments. CC430F5137［EB/OL］. （2012-01-xx）［2016-04-12］. http://www.alldatasheet.com/datasheet pdf/pdf/465991/TI1/CC430F5137.
［3］ 刘森.基于SOC的低功耗无线温湿度采集系统［D］.南京：南京理工大学，2012.
［4］ Honeywell. HMC5883L Datasheet［EB/OL］.（2010-10-xx)［2016-05-02］.http://html.alldatasheet.com/htmlpdf/428790/HONEYWELL/HMC5883L/487/1/HMC5883L.
［5］ 赵中琦，陈永锐，易卫东.基于磁阻传感器的无线车辆检测器［J］.电子测量技术,2013,36(1)：1-7.