張 健，鄭 春

（安徽三聯(lián)學(xué)院 計(jì)算機(jī)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(jì)算機(jī)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(yùn)輸變得愈加的繁忙.特別是汽車數(shù)量的迅速增長(zhǎng)，進(jìn)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(hào)燈來合理地調(diào)配車輛的運(yùn)行.傳統(tǒng)的交通信號(hào)燈只能進(jìn)行設(shè)定的模式切換，而本文介紹了除了完成交通信號(hào)燈的基本功能之外，還可以做到對(duì)當(dāng)前道路的事實(shí)情況采集，通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送到主模塊進(jìn)行分析，使用智能的優(yōu)化算法，來產(chǎn)生合理的交通信號(hào)配時(shí)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(jìn)行最合理的道路管理和道路選擇，提高道路運(yùn)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(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)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(dá)國(guó)家和發(fā)展中國(guó)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(guó)內(nèi)外政府決策部門和專家學(xué)者的重視，在許多國(guó)家和地區(qū)也開始了廣泛的應(yīng)用[5].

在我國(guó)，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(jìn)的交通管理系統(tǒng)ATMS（Advanced Traffic Management System）和先進(jìn)的出行者信息系統(tǒng) ATIS（Advanced TraveleRinformation System）.其中ATMS用于檢測(cè)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(jìn)的交通檢測(cè)技術(shù)和計(jì)算機(jī)處理技術(shù)，獲取有關(guān)交通狀況的信息，并進(jìn)行處理，及時(shí)向道路使用者發(fā)出誘導(dǎo)信號(hào)，從而達(dá)到有效管理交通的目的.目前交通信號(hào)的檢測(cè)與控制普遍采用由交通信號(hào)控制器集成并共享通信鏈路的方式.信號(hào)機(jī)的智能程度（傳感器類型和數(shù)目、路口控制算法、遠(yuǎn)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(diǎn)

1.1 低功耗

在低耗電待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月，甚至更長(zhǎng).這是ZigBee的突出優(yōu)勢(shì).

1.2 低成本

通過大幅簡(jiǎn)化協(xié)議（不到藍(lán)牙的1/10），降低了對(duì)通信控制器的要求，按預(yù)測(cè)分析，以8051的8位微控制器測(cè)算，全功能的主節(jié)點(diǎn)需要32KB代碼，子功能節(jié)點(diǎn)少至4KB代碼，而且ZigBee免協(xié)議專利費(fèi).每塊芯片的價(jià)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(diǎn)間的距離.如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力，傳輸距離將可以更遠(yuǎn).

1.5 短時(shí)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(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進(jìn)一步節(jié)省了電能.相比較，藍(lán)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(gè)主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)，最多一個(gè)主節(jié)點(diǎn)可管理254個(gè)子節(jié)點(diǎn)；同時(shí)主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理，最多可組成65000個(gè)節(jié)點(diǎn)的大網(wǎng).

1.7 高安全

ZigBee提供了三級(jí)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(jí)加密標(biāo)準(zhǔn)（AES 128)的對(duì)稱密碼，以靈活確定其安全屬性.

2 利用ZigBee技術(shù)對(duì)本系統(tǒng)進(jìn)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(diǎn)，對(duì)交通道路的信號(hào)燈系統(tǒng)進(jìn)行組網(wǎng)，如圖1所示.

圖1 ZigBee組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的傳感器檢測(cè)到汽車數(shù)量與到達(dá)的時(shí)間戳后，將數(shù)據(jù)以廣播的方式傳遞給子節(jié)點(diǎn)，子節(jié)點(diǎn)與主控制器通信，然后將數(shù)據(jù)在主控節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行處理，得到下一時(shí)段的配時(shí)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(diǎn)交通燈的時(shí)長(zhǎng).

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)機(jī)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(duì)這些信息進(jìn)行分析、計(jì)算，得出下一時(shí)刻得配時(shí)方案，同時(shí)對(duì)子模塊進(jìn)行初始化操作，設(shè)計(jì)思路如圖2所示.

圖2 主控制器設(shè)計(jì)思路

主控制器的作用體現(xiàn)在兩個(gè)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(shí)時(shí)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(shí)時(shí)信息存儲(chǔ)、全局時(shí)鐘同步等功能.

3.2 車流量信息采集模塊

在進(jìn)入十字路口的每條車道上，分別放置兩個(gè)傳感器，檢測(cè)車流量與每輛車到達(dá)的時(shí)間戳，并將檢測(cè)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(cè)模塊使用加速度傳感器和磁傳感器.磁傳感器用于檢測(cè)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(shí)才開始工作.

當(dāng)有車輛到來時(shí)，加速度傳感器檢測(cè)到有車輛靠近，此時(shí)它會(huì)發(fā)出信號(hào)喚醒磁傳感器，此時(shí)，磁傳感器將車輛通過路面時(shí)對(duì)于地磁的擾動(dòng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，經(jīng)過運(yùn)放調(diào)理電路的放大、濾波和處理，變?yōu)槟軌蜃R(shí)別的標(biāo)準(zhǔn)的TTL電平信號(hào)，MCU通過比較擾動(dòng)的強(qiáng)弱來判斷車輛是否到達(dá)，同時(shí)通過無線網(wǎng)絡(luò)上報(bào)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(gè)持續(xù)信號(hào)2個(gè)單次信號(hào)，串行口接入方便，且價(jià)格低，穩(wěn)定性強(qiáng).紅外接收端與信號(hào)機(jī)控制板總線相連，可以將遙控器按鍵信號(hào)傳遞至信號(hào)機(jī)主控端進(jìn)行中斷處理，且優(yōu)先級(jí)最高.

3.4 故障檢測(cè)模塊

交通信號(hào)燈工作環(huán)境較為復(fù)雜，可能存在各種難以預(yù)測(cè)的電源、電磁干擾及信號(hào)機(jī)自身的隨機(jī)性障礙.為了保證系統(tǒng)的可靠運(yùn)行，除了采用軟件對(duì)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(cè)、手動(dòng)復(fù)位等功能，可以起到較好的保護(hù)作用.此外，利用含有電壓檢測(cè)與電流檢測(cè)的故障檢測(cè)電路，對(duì)信號(hào)燈控制器和信號(hào)燈作出實(shí)時(shí)檢測(cè)，將返回的TTL電平信號(hào)傳遞至信號(hào)機(jī)主控板，信號(hào)機(jī)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(bào)警，甚至自行關(guān)機(jī)[5,8].

3.5 信號(hào)燈控制器模塊

信號(hào)燈控制器是信號(hào)機(jī)與信號(hào)燈之間必需的硬件連接.路口信號(hào)燈的各種燈色狀態(tài)是由信號(hào)燈控制器對(duì)信號(hào)機(jī)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理轉(zhuǎn)化而成的.

3.6 地區(qū)聯(lián)動(dòng)模塊

本地信號(hào)燈系統(tǒng)與地區(qū)信號(hào)燈系統(tǒng)管理端采用局域網(wǎng)絡(luò)（LAN）進(jìn)行雙向通訊.本地信號(hào)機(jī)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(hào)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(hào)機(jī).Web Service技術(shù)充分利用地區(qū)信號(hào)燈系統(tǒng)控制單元的計(jì)算能力，減輕了本地信號(hào)機(jī)的處理器開銷，使得信號(hào)燈系統(tǒng)更加穩(wěn)定和易于維護(hù).

4 軟件實(shí)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(yàn)位，由子模塊不斷地進(jìn)行信息的發(fā)送，主模塊進(jìn)行檢測(cè).當(dāng)校驗(yàn)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(hào)燈系統(tǒng)程序可分為以下幾個(gè)模塊[1,3,4]：

（1）信號(hào)機(jī)主程序模塊是整個(gè)系統(tǒng)的主要模塊，它按優(yōu)先級(jí)利用其它模塊的執(zhí)行結(jié)果，生成當(dāng)前信號(hào)燈周期.

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

（3）定時(shí)調(diào)節(jié)程序模塊是針對(duì)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(shí)段對(duì)應(yīng)不同的信號(hào)燈周期.比如，晚上車流量較少，可做定時(shí)調(diào)節(jié)將紅綠燈改成閃爍的黃燈，當(dāng)?shù)诙熘付〞r(shí)刻到來時(shí)，自動(dòng)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(shí)段使用，可以提高通行效率.

（4）遙控強(qiáng)置程序模塊是為交警現(xiàn)場(chǎng)指揮交通而設(shè)計(jì)的，只需用遙控器對(duì)紅外接收端按下特定的按鈕，就可以對(duì)現(xiàn)場(chǎng)的信號(hào)燈相位全部強(qiáng)制重置，特別適用于單向塞車車流的調(diào)節(jié)和像救護(hù)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(dòng)處理程序模塊是用來處理上位機(jī)（交警聯(lián)動(dòng)中心控制機(jī)）所發(fā)來的指令.信號(hào)燈聯(lián)網(wǎng)以后，整個(gè)區(qū)域的交通路口就可以進(jìn)行協(xié)調(diào)聯(lián)動(dòng)控制，如果一個(gè)路口發(fā)生擁堵，聯(lián)動(dòng)中心可以發(fā)來指令，適當(dāng)延長(zhǎng)相鄰路口信號(hào)燈來車方向的通行時(shí)間，有效疏導(dǎo)交通.

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

（6）系統(tǒng)檢測(cè)及報(bào)警程序模塊是應(yīng)對(duì)信號(hào)燈故障而設(shè)置的，它根據(jù)返回的TTL電平信號(hào)作出判斷，一旦發(fā)現(xiàn)問題，將把出錯(cuò)信息實(shí)時(shí)向上反映，為進(jìn)一步的系統(tǒng)維護(hù)提供依據(jù).

5 小結(jié)

目前，在理論設(shè)計(jì)中所使用的傳感器已經(jīng)能夠達(dá)到所需的靈敏度與檢測(cè)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(jìn)一步擴(kuò)大傳感器的應(yīng)用范圍，還需要對(duì)傳感器的結(jié)構(gòu)及電路進(jìn)行改進(jìn)以改善檢測(cè)距離和穩(wěn)定性等性能.并且可以進(jìn)行進(jìn)一步的智能化設(shè)計(jì)，提供更加方便的智能化系統(tǒng)，使交通狀況變得越來越好.

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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(jí)自然科學(xué)研究項(xiàng)目2012010“網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的網(wǎng)絡(luò)安全研究”，項(xiàng)目編號(hào)：