基于ZigBee無線通信技術(shù)在智能交通控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張 健，鄭 春

（安徽三聯(lián)學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)系，安徽 合肥 230601）

基于ZigBee無線通信技術(shù)在智能交通控制系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張 健，鄭 春

（安徽三聯(lián)學(xué)院 計算機科學(xué)與技術(shù)系，安徽 合肥 230601）

隨著城市的發(fā)展和道路的建設(shè)，道路交通運輸變得愈加的繁忙.特別是汽車數(shù)量的迅速增長，進一步加大了城市交通的壓力.為了緩解當(dāng)前城市交通的壓力，保證道路交通的順暢，最有效的方法就是通過交通信號燈來合理地調(diào)配車輛的運行.傳統(tǒng)的交通信號燈只能進行設(shè)定的模式切換，而本文介紹了除了完成交通信號燈的基本功能之外，還可以做到對當(dāng)前道路的事實情況采集，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到主模塊進行分析，使用智能的優(yōu)化算法，來產(chǎn)生合理的交通信號配時方案，幫助管理部門和車輛更了解所處的路況環(huán)境，以便進行最合理的道路管理和道路選擇，提高道路運輸?shù)男蔥1,2].

ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)；傳感器；智能交通

隨著經(jīng)濟的發(fā)展和社會的進步，城市人口增多，汽車的數(shù)量持續(xù)增加，交通擁擠和堵塞現(xiàn)象日趨嚴(yán)重，由此引發(fā)的環(huán)境噪聲、大氣污染、能源消耗等已經(jīng)成為現(xiàn)在全球各工業(yè)發(fā)達國家和發(fā)展中國家面臨的嚴(yán)峻問題.智能交通系統(tǒng)（IIS，intelligent transportation system）作為近十年大規(guī)模興起的改善交通堵塞減緩交通擁擠的有效技術(shù)措施，越來越受到國內(nèi)外政府決策部門和專家學(xué)者的重視，在許多國家和地區(qū)也開始了廣泛的應(yīng)用[5].

在我國，普遍將交通控制和出行誘導(dǎo)作為現(xiàn)今城市交通的兩大重要管理手段，即先進的交通管理系統(tǒng)ATMS（Advanced Traffic Management System）和先進的出行者信息系統(tǒng) ATIS（Advanced TraveleRinformation System）.其中ATMS用于檢測控制和管理公路交通，并在道路、車輛和駕駛員之間提供通信聯(lián)系；ATIS依靠先進的交通檢測技術(shù)和計算機處理技術(shù)，獲取有關(guān)交通狀況的信息，并進行處理，及時向道路使用者發(fā)出誘導(dǎo)信號，從而達到有效管理交通的目的.目前交通信號的檢測與控制普遍采用由交通信號控制器集成并共享通信鏈路的方式.信號機的智能程度（傳感器類型和數(shù)目、路口控制算法、遠程通信能力）與可靠性直接影響到城市的交通的通行能力和智能交通系統(tǒng)的整體功能[4,8].

1 Zigbee技術(shù)特點

1.1 低功耗

在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長.這是ZigBee的突出優(yōu)勢.

1.2 低成本

通過大幅簡化協(xié)議（不到藍牙的1/10），降低了對通信控制器的要求，按預(yù)測分析，以8051的8位微控制器測算，全功能的主節(jié)點需要32KB代碼，子功能節(jié)點少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費.每塊芯片的價格大約為2美元.

1.3 低速率

ZigBee工作在20～250kbps的較低速率，分別提供250kbps(2.4GHz）、40kbps(915MHz）和 20kbps(868MHz)的原始數(shù)據(jù)吞吐率，滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求.

1.4 近距離

傳輸范圍一般介于10～100m之間，在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1～3km.這指的是相鄰節(jié)點間的距離.如果通過路由和節(jié)點間通信的接力，傳輸距離將可以更遠.

1.5 短時延

ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進一步節(jié)省了電能.相比較，藍牙需要3～10s、WiFi需要3s.

1.6 高容量

ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點；同時主節(jié)點還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理，最多可組成65000個節(jié)點的大網(wǎng).

1.7 高安全

ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單（ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)（AES 128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性.

2 利用ZigBee技術(shù)對本系統(tǒng)進行組網(wǎng)

利用ZigBee近距離、低復(fù)雜度、自組織、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的特點，對交通道路的信號燈系統(tǒng)進行組網(wǎng)，如圖1所示.

圖1 ZigBee組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

檢測節(jié)點的傳感器檢測到汽車數(shù)量與到達的時間戳后，將數(shù)據(jù)以廣播的方式傳遞給子節(jié)點，子節(jié)點與主控制器通信，然后將數(shù)據(jù)在主控節(jié)點中進行處理，得到下一時段的配時方案，再由主控制器以廣播的方式控制和協(xié)調(diào)子節(jié)點交通燈的時長.

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

3.1 信號機主控端模塊

主控制模塊通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)接收子模塊傳遞的信息，并對這些信息進行分析、計算，得出下一時刻得配時方案，同時對子模塊進行初始化操作，設(shè)計思路如圖2所示.

圖2 主控制器設(shè)計思路

主控制器的作用體現(xiàn)在兩個方面：

一是作為硬件和軟件系統(tǒng)的交互中轉(zhuǎn)站，通過ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)接收子模塊傳遞的車輛實時信息，作為分析數(shù)據(jù)的輸入?yún)?shù)，并且主模塊的算法分析，將控制命令無線下發(fā)給子模塊以設(shè)置其工作狀態(tài).

二是作為控制核心，完成實時信息存儲、全局時鐘同步等功能.

3.2 車流量信息采集模塊

在進入十字路口的每條車道上，分別放置兩個傳感器，檢測車流量與每輛車到達的時間戳，并將檢測到的數(shù)據(jù)通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到主控制器中.

車輛檢測模塊使用加速度傳感器和磁傳感器.磁傳感器用于檢測車輛經(jīng)過的數(shù)量，加速度傳感器用于喚醒磁傳感器.磁傳感器并不是始終處于工作狀態(tài)，而是在有車輛經(jīng)過時才開始工作.

當(dāng)有車輛到來時，加速度傳感器檢測到有車輛靠近，此時它會發(fā)出信號喚醒磁傳感器，此時，磁傳感器將車輛通過路面時對于地磁的擾動轉(zhuǎn)換為電信號，經(jīng)過運放調(diào)理電路的放大、濾波和處理，變?yōu)槟軌蜃R別的標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號，MCU通過比較擾動的強弱來判斷車輛是否到達，同時通過無線網(wǎng)絡(luò)上報給主控制模塊[9].

3.3 緊急干預(yù)模塊

在系統(tǒng)中加載遙控電路，以支持用紅外遙控器作緊急干預(yù).采用8通道紅外發(fā)射/接收專用集成電路BA5104/BA5204，它能發(fā)射6個持續(xù)信號2個單次信號，串行口接入方便，且價格低，穩(wěn)定性強.紅外接收端與信號機控制板總線相連，可以將遙控器按鍵信號傳遞至信號機主控端進行中斷處理，且優(yōu)先級最高.

3.4 故障檢測模塊

交通信號燈工作環(huán)境較為復(fù)雜，可能存在各種難以預(yù)測的電源、電磁干擾及信號機自身的隨機性障礙.為了保證系統(tǒng)的可靠運行，除了采用軟件對策外，專門引入了硬件看門狗復(fù)位電路MAX708CPA,該器件具有μP復(fù)位、掉電監(jiān)測、手動復(fù)位等功能，可以起到較好的保護作用.此外，利用含有電壓檢測與電流檢測的故障檢測電路，對信號燈控制器和信號燈作出實時檢測，將返回的TTL電平信號傳遞至信號機主控板，信號機系統(tǒng)可以根據(jù)不同的結(jié)果選擇繼續(xù)執(zhí)行，或者向上報警，甚至自行關(guān)機[5,8].

3.5 信號燈控制器模塊

信號燈控制器是信號機與信號燈之間必需的硬件連接.路口信號燈的各種燈色狀態(tài)是由信號燈控制器對信號機數(shù)據(jù)進行處理轉(zhuǎn)化而成的.

3.6 地區(qū)聯(lián)動模塊

本地信號燈系統(tǒng)與地區(qū)信號燈系統(tǒng)管理端采用局域網(wǎng)絡(luò)（LAN）進行雙向通訊.本地信號機控制端將待處理的數(shù)據(jù)信息通過Web Service應(yīng)用程序接口封裝好發(fā)給地區(qū)信號燈系統(tǒng)控制端，處理工作由后者完成，再把最終結(jié)果返回給本地信號機.Web Service技術(shù)充分利用地區(qū)信號燈系統(tǒng)控制單元的計算能力，減輕了本地信號機的處理器開銷，使得信號燈系統(tǒng)更加穩(wěn)定和易于維護.

4 軟件實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用廣播的方式，設(shè)定固定的頻段作為各子模塊和主模塊的頻段，數(shù)據(jù)幀中加入校驗位，由子模塊不斷地進行信息的發(fā)送，主模塊進行檢測.當(dāng)校驗位與設(shè)定頻段相同，則加入網(wǎng)絡(luò)，連接建立，如圖3所示.

圖3 組網(wǎng)流程圖

交通信號燈系統(tǒng)程序可分為以下幾個模塊[1,3,4]：

（1）信號機主程序模塊是整個系統(tǒng)的主要模塊，它按優(yōu)先級利用其它模塊的執(zhí)行結(jié)果，生成當(dāng)前信號燈周期.

（2）定時控制程序模塊支持通過鍵盤輸入固定的時間數(shù)值，改變當(dāng)前所執(zhí)行的信號燈周期，以人工經(jīng)驗與系統(tǒng)相結(jié)合，體現(xiàn)出人機交互能力.

（3）定時調(diào)節(jié)程序模塊是針對已經(jīng)形成一定路況規(guī)律的路段而設(shè)置的.可以一次性預(yù)先設(shè)定每天不同時段對應(yīng)不同的信號燈周期.比如，晚上車流量較少，可做定時調(diào)節(jié)將紅綠燈改成閃爍的黃燈，當(dāng)?shù)诙熘付〞r刻到來時，自動恢復(fù)紅綠燈.

黃閃警告程序模塊可以立刻中斷所有的紅綠燈，全部改成閃爍黃燈.主要是在車流量很小的時段使用，可以提高通行效率.

（4）遙控強置程序模塊是為交警現(xiàn)場指揮交通而設(shè)計的，只需用遙控器對紅外接收端按下特定的按鈕，就可以對現(xiàn)場的信號燈相位全部強制重置，特別適用于單向塞車車流的調(diào)節(jié)和像救護車救火車這樣需要無障礙通行的交通工具快速通過路口.

聯(lián)動處理程序模塊是用來處理上位機（交警聯(lián)動中心控制機）所發(fā)來的指令.信號燈聯(lián)網(wǎng)以后，整個區(qū)域的交通路口就可以進行協(xié)調(diào)聯(lián)動控制，如果一個路口發(fā)生擁堵，聯(lián)動中心可以發(fā)來指令，適當(dāng)延長相鄰路口信號燈來車方向的通行時間，有效疏導(dǎo)交通.

（5）“看門狗”程序模塊在主程序運行異常時可產(chǎn)生的一個溢出信號，并通過引腳向處理器發(fā)送復(fù)位信號，使主程序重新開始運行.

（6）系統(tǒng)檢測及報警程序模塊是應(yīng)對信號燈故障而設(shè)置的，它根據(jù)返回的TTL電平信號作出判斷，一旦發(fā)現(xiàn)問題，將把出錯信息實時向上反映，為進一步的系統(tǒng)維護提供依據(jù).

5 小結(jié)

目前，在理論設(shè)計中所使用的傳感器已經(jīng)能夠達到所需的靈敏度與檢測距離的要求，并且可以穩(wěn)定的工作.并具有數(shù)據(jù)采集、處理、顯示等基本功能.但由于巨磁阻傳感器靈敏度較高，為了使其能夠在更加復(fù)雜的環(huán)境下穩(wěn)定工作，進一步擴大傳感器的應(yīng)用范圍，還需要對傳感器的結(jié)構(gòu)及電路進行改進以改善檢測距離和穩(wěn)定性等性能.并且可以進行進一步的智能化設(shè)計，提供更加方便的智能化系統(tǒng)，使交通狀況變得越來越好.

〔1〕Arno Hinberger,Horst Wieker,Gerd Regelnut h,et al.Benefit s and technology of an intelligent road side unit systeMFor vehicle to infrastructure2and infrastructure to centre communication [J].Transportation Research Part C 10,2006(10):186-192.

〔2〕曹元軍，周志成，徐偉，等.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的交通信號燈控制[J].計算機與信息技術(shù)，2008（3）.

〔3〕崔維新,梁光勝.智能信號燈控制系統(tǒng)的設(shè)計[J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，20(235)：22－24.

〔4〕齊楠,韓波,李平.智能交通系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用[J].機電工程，2007（10）.

〔5〕徐程,董德存,朱健,黃承.智能交通系統(tǒng)中的無線通信技術(shù).同濟大學(xué)交通信息工程及控制研究所.

〔6〕李野,王晶波,董利波.物聯(lián)網(wǎng)在智能交通中的應(yīng)用研究[J].移動通信,2010(15):30-34.

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TN929.5

A

1673-260X（2012）05-0045-03

安徽三聯(lián)學(xué)院2012年度院級自然科學(xué)研究項目2012010“網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實驗室的網(wǎng)絡(luò)安全研究”，項目編號：