基于Zigbee和新型智能信号机的车载移动终端设计

陈 杰,宋志洪,王 琳

基于Zigbee和新型智能信号机的车载移动终端设计

陈 杰1,2,宋志洪1,2,王 琳1,2

（1.城市交通管理集成与优化技术公安部重点实验室,安徽合肥,230088；2.安徽科力信息产业有限责任公司,安徽合肥,230088）

基于ZigBee无线通讯技术，结合新型智能信号机，提出了一种实现公交优先控制的车载终端的设计，重点对该车载终端的总体设计及硬件结构进行了介绍。该设计能实现公交优先的控制功能，是车路协同的重要内容之一，能为车辆优先控制的实现提供参考依据。

ZigBee；智能信号机；车载终端；优先控制

0 引言

ZigBee技术作为一种低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术，越来越广泛的被应用于智能交通领域。车辆与路侧设备之间高效的通信通过ZigBee技术来实现。本文基于Zigbee和新型智能信号机，设计一种基于新型智能信号机实现信号优先控制功能的车载移动终端，以实现车路协同控制。

1 功能需求分析

公交优先控制功能是通过新型智能交通信号控制机计算出公交车辆到达交叉口的时间，计算公交车辆在路口是否需要给予优先（可选择乘客数量作为优先权重），然后选择适当的优先控制策略，在保证路口交通信号正常放行秩序的前提下，通过绿灯延时或红灯早断等调整路口绿信比的方式达到公交车相对优先放行的目的。

公交车辆行驶过程中，通过车载终端设备实时捕捉到路侧电子标签发回的信息，进行车辆精确定位，并与路口信号机通过Zigbee无线传感网络进行数据交互，最终在车载显示屏 上显示公交优先处理过程和结果，在保证公交优先响应时间的前提下，发出优先请求的公交车可以顺利优先通过路口，减少其在路口的等待时间。

公交优先的控制方式包括绝对优先：可在任何相位进行，能实现插入相位、早断、延时；相对优先：只在协调相位、协调相位的上一个相位进行，只能实现早断、延时；不优先：功能屏蔽，可在绿波协调控制的前提下实现公交优先。

2 总体设计

车载移动终端的设计遵循使用功能易于扩展的原则，进行模块化设计。其硬件总体结构包括主控器、显示屏、RFID电子标签读写器、Zigbee短距通讯模块、GPS辅助定位和GSM短信收发。

车载终端核心底板与各模块间通过串行接口进行有线通讯；路侧电子标签采用“主动式”工作模式，即向外主动发送信号，供车载终端读卡模块接收（车辆行驶速度在0～100公里范围左右），通过核心底板软件处理后，再经过终端Zigbee移动节点模块向路口Zigbee中继节点发送相关信息，后者将信息转发至主机，即该路口交通信号控制机通讯单元，该单元响应或处理的同时，将指令通过Zigbee主机模块，经Zigbee中继回传至车载终端，车载终端则依据收到的指令，将相关状态通过车载显示屏界面直观显示出来，供驾驶员参考。

3 硬件设计3.1 结构设计

车载移动终端硬件电路结构关系如图1所示：

图1 车载移动终端硬件电路结构关系图

3.2 主控器

主控器内部CPU采用STM32F407，5路独立的全双工串口,其中三路与位于主控器内部GPS模块、Zigbee移动节点模块、GSM/GPRS模块进行数据交互。其主要功能是用来处理Zigbee数据的收发，以及通过RFID主机读取路侧的标签信息。

3.3 车载显示屏

车载显示屏与主控器之间用带护线套的线缆相连，以便通过串口接受后者指令来显示相应内容。车载显示屏的具体功能包括：开机显示；待机状态显示；公交优先开始响应的显示；公交优先执行时的显示；公交优先控制结束的显示。

3.4 RFID车辆定位

RFID车辆定位系统是公交优先系统主要硬件单元，采用全球开放的ISM微波频段，对人身无伤害，且具有高抗干扰性。分为车载、路侧两部分：

（1）车载部分是RFID读卡器，RFID读卡器具有对电子标签识别距离3～50米通过软件可调的能力，其天线接收范围为180°扇面，采用“被动式”工作模式，当车辆以0～100公里/小时速度范围内行驶期间，能够实时捕获到路侧有源电子标签发回的信息，并转发至车载终端处理。

（2）路侧部分是有源电子标签，有源电子标签采用“主动式”工作模式，主动发射信号供车载RFID读卡器捕获，其内部拥有高能电池，采用低功耗技术，每次发送功率仅为几个微瓦，使得此类标签可持续工作3～5年。

3.5 无线短距通讯

选择符合智能交通系统中相关应用的需求的协议作为无线短距通讯的协议。本设计中无线短距通讯采用新一代2.4GHz ISM波段的高频Zigbee短距通讯技术实现。Zigbee是基于IEEE802.15.4标准的低功耗个域网协议，是一种低成本低功耗的近距离无线组网通讯技术。

4 功能特点

基于Zigbee和新型智能信号机的车载移动终端设备具备以下几个功能特点：

（1）通过Zigbee无线传感网络与路口信号机进行数据交互，能够实现单独灯组驱动的秒级精细化公交优先控制；

（2）采用有源RFID的进行公交车辆的精确定位检测以及采用GPS辅助定位；

（3）具备显示屏显示信号机处理的过程和结果，显示简洁明了，无需用户操作；

（4）可获取到本车所属RFID读卡器、Zigbee模块、路侧电子标签的工作状态，通过板载GSM模块，以短信消息的方式发至后台调度中心，具备设备故障检测功能；

（5）预留有CAN总线接口与GPIO开关量输入检测接口，具有功能扩展，能够获取车辆行驶过程中的开关门、自动报站等各种信息。

5 结语

本文基于Zigbee和新型智能信号机提出了一种实现公交优先控制的车载移动终端设计，根据公交优先的功能需求，给出了车载移动终端的总体设计，并详细介绍了该移动终端的硬件结构及功能特点。基于Zigbee和新型智能信号机的车载移动终端设计为其他特种车辆（如消防车、救护车等）的优先控制提供了思路，是未来交通智能化的发展方向。

[1]罗亮红.基于ZigBee的车路协同关键技术研究[D]：[硕士学位论文].广州：华南理工大学,2010.

[2]杨兆升.智能运输系统概论[M].北京:人民交通出版社，2003

[3]王国锋,宋鹏飞,张蕴灵.智能交通系统发展与展望[J].公路,2012,(5):217 - 222

Based on the Zigbee and new intelligent signal vehicle-mounted mobile terminal design

Chen Jie1,2,Song Zhihong1,2,Wang Lin1,2
（1.integration and optimization of urban traffic management technology key laboratory of the ministry of public security, hefei,anhui,230088）; 2.Anhui branch force information industry co.,LTD.,in hefei,anhui province,230088)

Based on the ZigBee wireless communication technology and new intelligent signal,this article presents a vehicle terminal design realizing bus priority control.Overall design and hardware structure of the vehicle terminal are emphasised.This design enables bus priority control function, being an important part of the carriageway collaboration,and it can provide a reference for the realization of priority control of the vehicle.

ZigBee；intelligent traffic signal；car terminal；priority control

国家科技支撑项目课题:基于数据驱动的城市交通智能联网联控关键技术与示范（编号2014BAG03B02）