ZigBee無線技術(shù)在智能交通信號采集系統(tǒng)設(shè)計中的運用

程俊博 曹東輝

摘 要： 基于ZigBee無線通信技術(shù)設(shè)計了智能交通信號采集系統(tǒng)。通過強化信號系統(tǒng)與各設(shè)備之間的通信效率，利用磁阻傳感器采集交叉路口車輛信息，將采集信息反饋給主控中心進行信號燈控制來解決當(dāng)前城市交通信號控制效率低等所造成的交通擁堵問題。給出了系統(tǒng)整體設(shè)計，涉及的關(guān)鍵技術(shù)以及硬件設(shè)計、軟件設(shè)計，系統(tǒng)測試分析。本系統(tǒng)可望對改善當(dāng)前我國城市交通擁堵問題提供有益參考。

關(guān)鍵詞： ZigBee;信號采集系統(tǒng);系統(tǒng)設(shè)計

中圖分類號： TG409

文獻標(biāo)志碼： A

文章編號：1007-757X（2019）06-0024-03

Abstract： In this paper， an intelligent traffic signal acquisition system is designed based on ZigBee wireless communication technology. Through strengthening communication between signal system and the equipment efficiency， the magnetic resistance sensor is used to collect the intersection vehicle information， and the information is feedbacked to the control center for light control to solve the traffic congestion problem caused by the low efficiency of urban traffic signal control. This paper is mainly composed of five parts， i.e.， the overall system design， the key technologies involved， hardware design， software design and system test analysis. It is hoped that this design can solve the problem of urban traffic congestion in China and provides useful reference for readers.

Key words： ZigBee; Signal acquisition system; System design

0?引言

根據(jù)我國公安部交通管理局2018年9月數(shù)據(jù)，我國機動車保有量已達3.22億輛，汽車保有量（car parc）已達2.35億。交通擁堵問題成為城市發(fā)展的難題之一，直接或間接對于城市經(jīng)濟發(fā)展造成了發(fā)展阻礙。改善當(dāng)前我國交通擁堵問題，除了擴建現(xiàn)有道路外，還可采用安裝智能交通系統(tǒng)，利用新技術(shù)手段為交通控制服務(wù)。ZigBee是無線通信技術(shù)的一種，具有低功耗、超大網(wǎng)絡(luò)容量等優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用到綜合交通管理系統(tǒng)中。

1?三層架構(gòu)智能交通信號采集系統(tǒng)設(shè)計

基于ZigBee的智能交通信號采集系統(tǒng)采用三層架構(gòu)形式，即數(shù)據(jù)采集層、傳輸層、管理層。如圖1所示。

三層架構(gòu)智能交通信號采集系統(tǒng)其基本運行原理為：利用傳感器采集交叉路口的車流量信息，然后利用ZigBee無線技術(shù)將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絺鬏攲?，?jīng)由它反饋給主控中心進行分析處理，將數(shù)據(jù)分析結(jié)果反饋給控制中心的計算機;利用數(shù)據(jù)管理軟件進行數(shù)據(jù)保存，以便控制中心的工作人員可以保存和查詢數(shù)據(jù)。管理層對交叉路口信號燈進行智能監(jiān)控，判斷車流量的變化情況，合理調(diào)整各信號燈，讓車流量的通道優(yōu)先通過，充分利用道路資源[1]。

ZigBee的智能交通信號采集系統(tǒng)，隸屬上述系統(tǒng)的采集層子系統(tǒng)，采用磁阻傳感器采集道路車流量信息，通過在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置終端、路由器、協(xié)調(diào)器節(jié)點，將終端節(jié)點采集的數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)铰酚善鞴?jié)點，進行中轉(zhuǎn)后再傳輸?shù)絽f(xié)調(diào)器節(jié)點，最后將通過串口將數(shù)據(jù)反饋給主控中心。如圖2所示。

根據(jù)圖2三層架構(gòu)智能交通信號采集系統(tǒng)可知，ZigBee作為一種短途無線通信技術(shù)構(gòu)建出的通訊作用域全覆蓋終端節(jié)點磁阻傳感器、路由器、協(xié)調(diào)器、主控中心各數(shù)據(jù)傳輸路徑。各節(jié)點始終處于ZigBee通信范圍內(nèi)，使得各節(jié)點之間通信路徑暢通無阻。三層架構(gòu)智能交通信號采集系統(tǒng)采用ZigBee基本單元實現(xiàn)數(shù)據(jù)接收發(fā)送。三層架構(gòu)智能交通信號采集系統(tǒng)終端節(jié)點由磁阻傳感器模塊組成，大量的磁阻傳感器模塊能夠快速、高效、實時的對所監(jiān)控道路車流量信息進行整合后傳遞至路由節(jié)點。路由節(jié)點的基本單元則主要將磁阻傳感器模塊收集的大量數(shù)據(jù)向協(xié)調(diào)器進行轉(zhuǎn)發(fā)。協(xié)調(diào)器節(jié)點的基本單元，與路由器節(jié)點一樣，只是添加了串口通信模塊，通過它以無線通信方式將數(shù)據(jù)傳輸至主控中心[2]。

2?關(guān)鍵技術(shù)以及硬件設(shè)計

2.1?ZigBee技術(shù)特點

ZigBee是新興的WSN無線通信技術(shù)，相比其他無線通信技術(shù)它的功耗更低，具有極強的組網(wǎng)能力，適用于短途自動控制領(lǐng)域。ZigBee的波段頻率為2.4 GHz，基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)，一個ZigBee主節(jié)點可以連接254個子節(jié)點，適用領(lǐng)域涉及軍事、醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測、智能家居、城市管理等。

根據(jù)我國相關(guān)規(guī)定，ZigBee在2.4 GHz的頻率下，可以免費使用250 kb/s的傳輸速率，同時頻段變換也不需要注冊或申請，允許在同一區(qū)域使用。ZigBee對于MCU資源要求低，應(yīng)用和普及的成本較低。除此之外，ZigBee還具有靈活、高容量的特點，組網(wǎng)結(jié)構(gòu)有星狀、網(wǎng)狀的選擇，通過各節(jié)點的合理設(shè)置，最多可以組成包含65000個節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)。ZigBee協(xié)議棧結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

與其他無線通信技術(shù)相比，ZigBee在功耗、組網(wǎng)成本方面比WiFi技術(shù)更低;技術(shù)使用更具便攜性、安全性比藍牙技術(shù)更高。WiFi技術(shù)對于帶寬的需求較高，用以組建無線局域網(wǎng)，藍牙技術(shù)能夠滿足語音、視頻等數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)應(yīng)用場景比較，ZigBee適用于環(huán)境監(jiān)測、自動化控制等，對于組網(wǎng)規(guī)模要求大、通信數(shù)據(jù)量小的場景。利用ZigBee功耗低的特點，對于不通電的區(qū)域，可以使用電池為網(wǎng)絡(luò)節(jié)點供電，在低功耗模式下轉(zhuǎn)換為休眠狀態(tài)節(jié)省電量[3]。

2.2?硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件設(shè)計主要對三個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的基本單元和功能模塊進行設(shè)計，三個節(jié)點的基本單元功能一致，差異表現(xiàn)在終端節(jié)點的傳感器模塊，以及協(xié)調(diào)器節(jié)點的串口通信模塊。系統(tǒng)設(shè)計硬件的型號和標(biāo)準(zhǔn)，如表1所示。

2.2.1?基本單元

采用德州儀器生產(chǎn)的型號為CC2530的SOC作為三個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的基本單元，CC2530兼容IEEE802.15.4的ZigBee標(biāo)準(zhǔn)，它在功耗、抑制噪音、ESD防護方面有突出的表現(xiàn)?；締卧獎澐譃榈退俸透咚倬д?，按照連接的引腳處和連接頻率劃分晶振電路。當(dāng)基本單元處于工作狀態(tài)時，連接第22、23引腳，連接頻率為32 MHz;當(dāng)處于休眠模式時，連接第32、33引腳，連接頻率為32.765 KHz，保持較低的運行功耗。

CC2530芯片的第25、26引腳，分別對應(yīng)RE_P、RF_N功能引腳，整個硬件中發(fā)揮匹配電路連接端，接收差分信號的作用。終端節(jié)點的基本單元，芯片的P1_2和P1_3，以I2C_SDA、I2C_SCL功能引腳連接磁阻傳感器模塊，通過I2C總線實現(xiàn)芯片與傳感器數(shù)據(jù)交換。設(shè)置在協(xié)調(diào)器節(jié)點的芯片，以PO_2和PO_3引腳，分別作為RX、TX功能引腳，連接串口通信模塊，并將車流量數(shù)據(jù)通過通信模塊傳輸至主控中心。CC2530芯片工作電壓為3.3 V，利用兩個LM317繼承穩(wěn)壓器，將12V電壓轉(zhuǎn)化為3V的輸出電壓[4]。

2.2.2?傳感器模塊

終端節(jié)點的傳感器模塊，選用HMC5883L三軸磁阻傳感器，基于磁阻效應(yīng)判斷車輛通行路口的信息，根據(jù)地面磁場方向、大小變化，由此檢測車輛是否停留在街道。之所以采用這一型號的傳感器，主要是考慮其功耗低的運行特點，在工作電壓、電流分別為2.16～3.6 V、100 μA的情況下運行，滿足監(jiān)測數(shù)據(jù)的需求。磁阻傳感器與基本單元的數(shù)據(jù)交換，主要是通過I2C總線進行。

2.2.3?串口通信模塊

協(xié)調(diào)器節(jié)點的功能模塊為通信模塊，其發(fā)揮的作用是將中轉(zhuǎn)的數(shù)據(jù)傳輸至主控中心串口芯片F(xiàn)T232的第1引腳TXD引腳連接，CC2530的P02引腳，F(xiàn)T232的第5引腳RXD連接CC2530的P03引腳，實現(xiàn)串口通信。FT232芯片的第15和第16引腳連接USB接口，即該模塊采用USB接口，目的是使電路板小巧。

3?軟件設(shè)計以及系統(tǒng)測試分析

3.1?軟件設(shè)計

軟件設(shè)計范圍為ZigBee智能交通信號采集系統(tǒng)的3個節(jié)點，包括3個節(jié)點的程序流程設(shè)計，軟件開發(fā)基于Z-Stack協(xié)議棧進行，編程語言為C語言。

3.1.1?終端節(jié)點的軟件設(shè)計

它的硬件由磁阻傳感器（CC2530）和基本單元組成（HMC5883L）組成。在系統(tǒng)運行過程主要發(fā)揮作用，是將監(jiān)測范圍內(nèi)的路面車輛信息進行采集，然后傳輸至路由器、協(xié)調(diào)器節(jié)點。上電后，首先對協(xié)議棧和磁阻傳感器進行初始化，然后監(jiān)測是否有其他網(wǎng)絡(luò)加入，若是有其他節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)申請加入則自動加入網(wǎng)絡(luò)，然后利用終端節(jié)點的傳感器將監(jiān)測的車流量信息傳輸至路由器、協(xié)調(diào)器節(jié)點。為了最大程度降低終端節(jié)點的運行功耗，采用定式休眠、喚醒機制。

3.1.2?路由器節(jié)點軟件設(shè)計

由于路由器節(jié)點不設(shè)置功能模塊，其在智能交通信號采集系統(tǒng)中，僅僅發(fā)揮轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的作用，將終端節(jié)點的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)存至協(xié)調(diào)器。因此運行程序流程，同樣也是在上電后初始化，然后檢測是否有網(wǎng)絡(luò)加入本網(wǎng)絡(luò)，持續(xù)檢測新數(shù)據(jù)發(fā)送過來的新數(shù)據(jù)，并將其轉(zhuǎn)發(fā)至協(xié)調(diào)器節(jié)點。因為這一功能，因此路由器節(jié)點不采用定式休眠、喚醒機制。其大致流程如下表現(xiàn)：1、開始，軟硬件資源初始化;2、等待加入網(wǎng)絡(luò)，確認“是”與“否”新數(shù)據(jù);3、“是”則接收入網(wǎng)數(shù)據(jù)，“否”則直接略此步驟;4、將入網(wǎng)數(shù)據(jù)發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點，結(jié)束。

3.1.3?協(xié)調(diào)器節(jié)點軟件設(shè)計

其基本單元與其他兩個節(jié)點一致，區(qū)別在于功能模塊為串口通信模塊，主要作用為監(jiān)測路面數(shù)據(jù)發(fā)送到主控中心，同時建立和控制其他節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)?；具\行流程：1、開始，軟硬件資源初始化，建立ZigBee網(wǎng)絡(luò);2、進入無線偵聽狀態(tài)，對于確認節(jié)點入網(wǎng)請求的“是”與“否”狀態(tài)，“是”則分配網(wǎng)絡(luò)地址允許節(jié)點加入，“否”則繼續(xù)重復(fù)節(jié)點入網(wǎng)請求;3、將接收到的節(jié)點入網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過串口通信模塊，發(fā)送給主控中心。

3.2?系統(tǒng)功能實現(xiàn)

智能交通信號采集系統(tǒng)，采用星型拓撲的網(wǎng)絡(luò)機構(gòu)，將十字路口視為一個節(jié)點，以節(jié)點為中心構(gòu)成路面交通數(shù)據(jù)的小型無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，針對交通數(shù)據(jù)進行采集[5]。

當(dāng)車輛通過時，監(jiān)測區(qū)域的磁場變化使得間距為5～10 m的磁阻傳感器采集數(shù)據(jù)，將磁場信號放大并通過A/D轉(zhuǎn)換器送入路由器、協(xié)調(diào)器節(jié)點，利用設(shè)置的定時器將車輛通行時刻信息記錄下來。當(dāng)檢測到車輛后，計時器開啟直到下一輛車駛?cè)胪Ｖ?，信號采集系統(tǒng)利用兩組傳感器判斷車輛行駛方向，協(xié)調(diào)器節(jié)點再將最終分析數(shù)據(jù)傳輸至主控中心。利用終端節(jié)點，不僅能夠?qū)嚨郎系男旭傑囕v進行實時監(jiān)測，同時還可對因擁堵問題滯留在車道上的車輛進行監(jiān)測，計算排隊車輛的長度上，然后利用協(xié)調(diào)器節(jié)點將信息數(shù)據(jù)反饋給主控中心，實現(xiàn)交通信號針對性調(diào)節(jié)。

3.3?系統(tǒng)測試分析

為了確保設(shè)計的系統(tǒng)通信功能、質(zhì)量符號要求，分別選取一個終端節(jié)點和協(xié)調(diào)器節(jié)點，ZigBee節(jié)點為電池供電，在終端節(jié)點每隔500 ms發(fā)送字符串“EndDevice1Send：0X010203040506070809ABCDEF＼r＼n”至協(xié)調(diào)器節(jié)點。[6]在測試的過程中，發(fā)送持續(xù)了1分鐘，共發(fā)送了5 400字節(jié)，對系統(tǒng)的丟包率進行檢測，發(fā)現(xiàn)丟包率為零。通過本次測算，可以確定基于ZigBee技術(shù)設(shè)計的智能交通信號采集系統(tǒng)的通信功能和通信質(zhì)量符合要求，在數(shù)據(jù)傳輸過程中始終保持穩(wěn)定、可靠的質(zhì)量，在500 ms內(nèi)無丟包現(xiàn)象，綜上可以確認系統(tǒng)滿足設(shè)計需求，關(guān)于系統(tǒng)的檢測精度，需要進一步論證。

4?總結(jié)

ZigBee技術(shù)具有功耗低、組網(wǎng)靈活、支持節(jié)點多的優(yōu)點，終端、路由器、協(xié)調(diào)器節(jié)點采用電池供電的方式，保證數(shù)據(jù)采集、傳輸?shù)男枰＠么抛鑲鞲衅鞑杉徊媛房谲囕v信息，經(jīng)由路由器、協(xié)調(diào)器節(jié)點，傳輸給主控中心，實現(xiàn)對交通信號燈智能控制。本文智能交通信號采集系統(tǒng)的設(shè)計是基于ZigBee無線通信技術(shù)，通過強化信號系統(tǒng)與各設(shè)備之間的通信效率，利用磁阻傳感器采集交叉路口車輛信息，將采集信息反饋給主控中心進行信號燈控制來解決當(dāng)前城市交通信號控制效率低等所造成的交通擁堵問題。本文設(shè)計的基于Zig Bee的智能交通信號采集系統(tǒng)非常符合當(dāng)前流行的物聯(lián)網(wǎng)思想，并較詳細的探討了系統(tǒng)整體設(shè)計、涉及的關(guān)鍵技術(shù)以及硬件設(shè)計、軟件設(shè)計、系統(tǒng)測試分析等部分。為交通信號燈的智能化控制提供了一定的技術(shù)支撐。

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（收稿日期： 2018.12.03）