基于Zigbee的交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉占宇 郭楚濱 楊宗旺 韓瑜

摘要 隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)和汽車制造業(yè)的飛速發(fā)展，城市交通所面臨的擁堵問(wèn)題倍受人們關(guān)注，針對(duì)這一現(xiàn)象，提出了一種基于Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)。交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)主要由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)綜合管理子系統(tǒng)，路況信息采集子系統(tǒng)以及交通信號(hào)燈控制子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)通過(guò)Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息互通。系統(tǒng)與現(xiàn)代化信息技術(shù)理念相融合，實(shí)時(shí)處理路況信息，擔(dān)負(fù)起協(xié)調(diào)人、車、路三者關(guān)系的重任。具有可靠性高，體積小、低功耗，靈活配置，多節(jié)點(diǎn)關(guān)聯(lián)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】智能交通 Zigbee無(wú)線網(wǎng)絡(luò) 交通治理

1 引言

隨著當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)的日益發(fā)展，對(duì)交通的依賴不容小視。原有的交通系統(tǒng)由于存在著需要布線安裝的特點(diǎn)。對(duì)于交通的改造維護(hù)不僅帶來(lái)了不必要的人力物力的投入，同時(shí)也存在著出現(xiàn)問(wèn)題難以發(fā)現(xiàn)的弊端。在一定程度上限制了城市交通的改進(jìn)與發(fā)展。本文設(shè)計(jì)了基于Zigbee的交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，具有成本低、方便增加節(jié)點(diǎn)、高穩(wěn)定性等特點(diǎn)?？蓪?duì)車輛信息就行無(wú)線傳輸，對(duì)交通信號(hào)燈進(jìn)行無(wú)線控制，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)交通管制，擔(dān)負(fù)起解決交通擁堵問(wèn)題的重任。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)控制方案如圖1所示。

該系統(tǒng)由交通信號(hào)燈控制設(shè)備，檢測(cè)信號(hào)接收機(jī)，路況信息采集設(shè)備，信號(hào)控制柜，手動(dòng)控制設(shè)備組成。

如圖2所示系統(tǒng)交通道路模擬圖。

為了準(zhǔn)確判斷擁堵車車道的準(zhǔn)確信息，可根據(jù)實(shí)際的道路情況為每條道路進(jìn)行編號(hào)。

在每個(gè)交通路口的北、西、南、東均設(shè)有路況信息采集設(shè)備和檢測(cè)信號(hào)接收機(jī)用于采集路況信息并實(shí)時(shí)向遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)綜合管理設(shè)備發(fā)出信號(hào)。其中各個(gè)方向依次編碼。

（1）如放置的地磁車輛檢測(cè)器未檢測(cè)到車輛或檢測(cè)到有車輛時(shí)，但在檢測(cè)范圍持續(xù)時(shí)間不超過(guò)5s時(shí)，由檢測(cè)信號(hào)接收機(jī)向遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)綜合管理設(shè)備傳達(dá)道路狀態(tài)良好并延時(shí)一段時(shí)間。

（2）如沿路口放置的第一個(gè)地磁車輛檢測(cè)器檢測(cè)到有車輛時(shí)，并在其檢測(cè)范圍內(nèi)保持時(shí)間超過(guò)5s，而其他地磁車輛檢測(cè)器未檢測(cè)到在其范圍內(nèi)有車輛時(shí)，由檢測(cè)信號(hào)接收機(jī)向遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)綜合管理設(shè)備傳達(dá)道路狀態(tài)良好并延時(shí)一段時(shí)間。

（3）如沿路口放置的三個(gè)地磁車輛檢測(cè)器同時(shí)檢測(cè)到有車輛時(shí)，并在其檢測(cè)范圍內(nèi)保持時(shí)間超過(guò)5s，由檢測(cè)信號(hào)接收機(jī)向遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)綜合管理設(shè)備傳達(dá)道路通行擁堵并延時(shí)一段時(shí)間。

3 硬件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

三個(gè)子系統(tǒng)協(xié)同工作，構(gòu)成閉環(huán)控制網(wǎng)絡(luò)，動(dòng)態(tài)處理交通分流問(wèn)題。此外附有人工控制器和紅外接受單元來(lái)處理由于交通道路狀況突發(fā)情況不可預(yù)測(cè)事故。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框圖如圖3所示。

3.1 控制模塊

控制核心為STM32F103xx增強(qiáng)型系列單片機(jī)。STM32F103xx型系列單片機(jī)內(nèi)置ARM/Cortex-M3/32位RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，滿足控制計(jì)算量要求。如此同時(shí)豐富的I，/O端口滿足與外部紅外模塊、LCD顯示屏、Zigbee通信等模塊的需求。其中本型號(hào)的內(nèi)部外設(shè)都包含2個(gè)12位的ADC、3個(gè)通用16位定時(shí)器和一個(gè)PWM定時(shí)器，還包含標(biāo)準(zhǔn)和先進(jìn)的通信接口：多達(dá)2個(gè)I2C和SPI、3個(gè)USART、一個(gè)USB和一個(gè)CAN?？梢詽M足使用者的快捷方便的建立與外部空間的通訊與控制。

3.2 感測(cè)模塊

由于近年物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，帶動(dòng)了高靈敏度磁敏檢測(cè)原件的工業(yè)化進(jìn)程。其中就包括快速發(fā)展的無(wú)線磁敏車輛檢測(cè)技術(shù)，解決了老式傳感器穩(wěn)定性和壽命傷的欠缺，應(yīng)用無(wú)線組網(wǎng)芯片，實(shí)現(xiàn)了射頻組網(wǎng)傳輸?shù)母呖煽亢偷凸β?，開(kāi)放的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議和標(biāo)準(zhǔn)為高靈敏度磁敏檢測(cè)原件的進(jìn)步提供了不可或缺的穩(wěn)定因素，對(duì)其升級(jí)換代有著不可磨滅的作用。具有基于IEEE 802.15.4規(guī)范的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，具備如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）芯片由較強(qiáng)的組網(wǎng)能力，節(jié)點(diǎn)可根據(jù)需要任意添加。

（2）芯片低功耗，化學(xué)電池至少5年壽命。

（3）芯片具有簡(jiǎn)易的ZigBee協(xié)議棧。

（4）芯片具備多級(jí)安全模式，性能可靠。

基于地球磁場(chǎng)在鐵磁物體通過(guò)時(shí)的變化來(lái)檢測(cè)車輛的AMR磁阻同時(shí)還具有制成的車輛探測(cè)器外不易變形，具有較高的實(shí)用性，并且安裝簡(jiǎn)單，維護(hù)方便的優(yōu)點(diǎn)。當(dāng)車輛通過(guò)時(shí)檢測(cè)的頻率變化就可以被單片機(jī)識(shí)別，通過(guò)多個(gè)檢測(cè)器按一定的比例放置，便可以計(jì)算出汽車的通過(guò)速度。來(lái)判斷擁堵程度。

3.3 通信模塊

Zigbee是一種遠(yuǎn)距離、低功耗、無(wú)線傳感技術(shù)，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)是基于IEEE802.15.4協(xié)議的一種通訊方式。具有以下優(yōu)點(diǎn)：

系統(tǒng)內(nèi)自動(dòng)組網(wǎng)，網(wǎng)絡(luò)容納節(jié)點(diǎn)多，并且任意節(jié)點(diǎn)可以實(shí)現(xiàn)互通。具有模塊退出網(wǎng)路重組功能。網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)通常包括星狀、片狀。

網(wǎng)關(guān)作為整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的建立者和控制器，它是ZigBee網(wǎng)絡(luò)的核心，手動(dòng)控制，檢測(cè)信號(hào)接收機(jī)，信號(hào)控制柜路由器加入ZigBee網(wǎng)絡(luò)，組成樹(shù)狀Zigbee控制網(wǎng)絡(luò)，這些設(shè)備只負(fù)責(zé)與遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)綜合管理設(shè)備及其子節(jié)點(diǎn)之間的通信，他們相互之間不能實(shí)現(xiàn)互相通信。

通信模塊主芯片CC2530自帶RF內(nèi)核，同時(shí)預(yù)留有控制器和無(wú)線模塊連接的接口，可以實(shí)現(xiàn)通過(guò)芯片接口發(fā)出特定命令對(duì)通訊事件排序。發(fā)送和接受FIFO以及大部分動(dòng)態(tài)受控的模擬信號(hào)。硬件包含MAG安全加密機(jī)制、CSMA-CA算法以及地址識(shí)別等功能，可滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

控制核心上電后首先進(jìn)行初始化，其中包括是對(duì)單片機(jī)和實(shí)時(shí)鐘的設(shè)置，建立與Zigbee網(wǎng)絡(luò)的通信，LCD屏幕的初始化等。完畢后進(jìn)入主程序循環(huán)段，每隔一段時(shí)間采集各個(gè)節(jié)點(diǎn)的車流量信息，通過(guò)判斷算法評(píng)估擁堵程度后向各個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸合理化交通控制信息。

程序還包括兩個(gè)外部中斷和兩個(gè)內(nèi)部中斷處理程序，分別處理本機(jī)鍵盤(pán)操作、實(shí)時(shí)鐘時(shí)間更新、串口讀寫(xiě)、及LED顯示刷新。而單片機(jī)的另一個(gè)定時(shí)器則以查詢的方式實(shí)現(xiàn)50ms延時(shí)。

5 結(jié)論

基于Zigbee的交通網(wǎng)絡(luò)控制系統(tǒng)，融合了現(xiàn)代信息技術(shù)，對(duì)信息進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，實(shí)時(shí)進(jìn)行交通控制。經(jīng)調(diào)試運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)各功能模塊運(yùn)行正常，基本實(shí)現(xiàn)既定的工作目標(biāo)。下一步將融合更多的控制模塊，并對(duì)其交通控制算法進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)。

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