基于ZigBee和ModBus的分布式电子警察系统

1 ZigBee网络组网方案
1．1 ZigBee简介
ZigBee是一组基于IEEE批准通过的802．15．4无线标准研制开发的，有关组网、安全和应用软件方面的技术标准。相对于现有的各种无线通信技术，ZigBee将是最低功耗和成本的技术之一。适用于短距离、小范围的基于无线通信的控制领域，有着广泛的应用前景。
1．2 系统的ZigBee网络组建方案
IEEE 802．15．4和ZigBee规范中明确定义了三种拓扑结构：星型结构、树型结构和网状结构。星型网络由一个协调器(全功能设备FFD)和多个终端设备节点(简化功能设备RFD)构成，协调器是网络的中心，负责处理整个网络的工作，终端设备被分布在覆盖范围内的不同地点。星型网络的控制和同步比较简单，适用于设备数量比较少的场合。树型网络是星型网络的扩展，是一种多级的星型结构。网状网络是一种特殊的、按接力方式传输的点对点的网络结构，其路由可自动建立和维护。树型和网状网络能够两者相结合组建混合网，适用于网络极其复杂的情况。
系统的ZigBee网络通信部分由一台主控制器、若干从控制器组成。系统的各个主、从控制器相对独立，各主、从控制器之间通过ZigBee无线网格进行通信，主控制器通过远程无线通信与控制中心通信。网络拓扑示意图如图1所示。

系统采用了ZigBee星型网络拓扑结构。星型网络以网络协调器为中心，所有设备只能与网络协调器进行通信，因此在星型网络的形成过程中，第一步就是建立网络协调器。主控制器作为网络协调器被首先激活，然后向周围的从控制器节点发送广播，并为网络选择一个惟一的标识符；从控制器节点收到主控制器发来的广播后，向其发出入网申请，并等待主控制器节点响应；主控制器节点收到一个入网申请后，将根据请求信息作出是否允许加入网络的判断，若允许加入，主控制器节点将发出请求响应，告知从控制器节点。从控制器节点收到请求响应后，将获得一个主控制器节点分配给它的一个网络地址作为在网络内的惟一身份标识，从而成功加入网络，网络组建完成。

2 ModBus总线控制系统
2．1 系统概述
ModBus协议是应用于电子控制器上的一种通用语言。通过此协议，控制器相互之间、控制器经由网络(例如以太网)和其他设备之间可以通信。该协议定义了一个控制器能认识使用的消息结构，描述了一控制器请求访问其他设备的过程，制定了消息域格局和内容的公共格式。ModBus已经成为一通用工业标准，是一种有效支持分布式控制和实时控制的串行通信网络。电子警察系统的车辆检测单元、红灯检测器、高清摄像机、嵌入式工控机等单元占有同一ModBus现场总线。系统示意图如图2所示。

2．2 ModBus控制器设计
ModBus控制器结构如图3所示。主要由微控制器、可编程系统器件、实时时钟、液晶模块接口、键盘接口、输入／输出接口、光电隔离、ModBus驱动器、其他串行通信模块、复位电路、编程接口、扩展模块接口等电路模块组成。

ModBus控制器搭载有ZigBee通信模块，可以作为ZigBee网络的从设备，与系统的主、从控制器组建ZigBee网络，通过ZigBee无线网格实现通信，接收来自系统主、从控制器的控制命令等信息，通过ModBus总线，实现对嵌入式工控机、红灯检测器、车辆检测单元及高清摄像机等设备的控制。此外，控制器预留了其他串行通信接口(如RS 232)、键盘以及液晶模块接口电路，可以方便地进行现场维护及软件的更新升级。