ZigBee无线技术在智能交通信号采集系统设计中的运用

程俊博 曹东辉

摘 要： 基于ZigBee无线通信技术设计了智能交通信号采集系统。通过强化信号系统与各设备之间的通信效率，利用磁阻传感器采集交叉路口车辆信息，将采集信息反馈给主控中心进行信号灯控制来解决当前城市交通信号控制效率低等所造成的交通拥堵问题。给出了系统整体设计，涉及的关键技术以及硬件设计、软件设计，系统测试分析。本系统可望对改善当前我国城市交通拥堵问题提供有益参考。

关键词： ZigBee;信号采集系统;系统设计

中图分类号： TG409

文献标志码： A

文章编号：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

根據我国公安部交通管理局2018年9月数据，我国机动车保有量已达3.22亿辆，汽车保有量（car parc）已达2.35亿。交通拥堵问题成为城市发展的难题之一，直接或间接对于城市经济发展造成了发展阻碍。改善当前我国交通拥堵问题，除了扩建现有道路外，还可采用安装智能交通系统，利用新技术手段为交通控制服务。ZigBee是无线通信技术的一种，具有低功耗、超大网络容量等优势，被广泛应用到综合交通管理系统中。

1 三层架构智能交通信号采集系统设计

基于ZigBee的智能交通信号采集系统采用三层架构形式，即数据采集层、传输层、管理层。如图1所示。

三层架构智能交通信号采集系统其基本运行原理为：利用传感器采集交叉路口的车流量信息，然后利用ZigBee无线技术将数据传输到传输层，经由它反馈给主控中心进行分析处理，将数据分析结果反馈给控制中心的计算机;利用数据管理软件进行数据保存，以便控制中心的工作人员可以保存和查询数据。管理层对交叉路口信号灯进行智能监控，判断车流量的变化情况，合理调整各信号灯，让车流量的通道优先通过，充分利用道路资源[1]。

ZigBee的智能交通信号采集系统，隶属上述系统的采集层子系统，采用磁阻传感器采集道路车流量信息，通过在ZigBee网络中设置终端、路由器、协调器节点，将终端节点采集的数据信息传输到路由器节点，进行中转后再传输到协调器节点，最后将通过串口将数据反馈给主控中心。如图2所示。

根据图2三层架构智能交通信号采集系统可知，ZigBee作为一种短途无线通信技术构建出的通讯作用域全覆盖终端节点磁阻传感器、路由器、协调器、主控中心各数据传输路径。各节点始终处于ZigBee通信范围内，使得各节点之间通信路径畅通无阻。三层架构智能交通信号采集系统采用ZigBee基本单元实现数据接收发送。三层架构智能交通信号采集系统终端节点由磁阻传感器模块组成，大量的磁阻传感器模块能够快速、高效、实时的对所监控道路车流量信息进行整合后传递至路由节点。路由节点的基本单元则主要将磁阻传感器模块收集的大量数据向协调器进行转发。协调器节点的基本单元，与路由器节点一样，只是添加了串口通信模块，通过它以无线通信方式将数据传输至主控中心[2]。

2 关键技术以及硬件设计

2.1 ZigBee技术特点

ZigBee是新兴的WSN无线通信技术，相比其他无线通信技术它的功耗更低，具有极强的组网能力，适用于短途自动控制领域。ZigBee的波段频率为2.4 GHz，基于IEEE802.15.4标准，一个ZigBee主节点可以连接254个子节点，适用领域涉及军事、医疗、环境监测、智能家居、城市管理等。

根据我国相关规定，ZigBee在2.4 GHz的频率下，可以免费使用250 kb/s的传输速率，同时频段变换也不需要注册或申请，允许在同一区域使用。ZigBee对于MCU资源要求低，应用和普及的成本较低。除此之外，ZigBee还具有灵活、高容量的特点，组网结构有星状、网状的选择，通过各节点的合理设置，最多可以组成包含65000个节点的网络。ZigBee协议栈结构图如图3所示。

与其他无线通信技术相比，ZigBee在功耗、组网成本方面比WiFi技术更低;技术使用更具便携性、安全性比蓝牙技术更高。WiFi技術对于带宽的需求较高，用以组建无线局域网，蓝牙技术能够满足语音、视频等数据传输。根据应用场景比较，ZigBee适用于环境监测、自动化控制等，对于组网规模要求大、通信数据量小的场景。利用ZigBee功耗低的特点，对于不通电的区域，可以使用电池为网络节点供电，在低功耗模式下转换为休眠状态节省电量[3]。

2.2 硬件设计

系统硬件设计主要对三个网络节点的基本单元和功能模块进行设计，三个节点的基本单元功能一致，差异表现在终端节点的传感器模块，以及协调器节点的串口通信模块。系统设计硬件的型号和标准，如表1所示。

2.2.1 基本单元

采用德州仪器生产的型号为CC2530的SOC作为三个网络节点的基本单元，CC2530兼容IEEE802.15.4的ZigBee标准，它在功耗、抑制噪音、ESD防护方面有突出的表现。基本单元划分为低速和高速晶振，按照连接的引脚处和连接频率划分晶振电路。当基本单元处于工作状态时，连接第22、23引脚，连接频率为32 MHz;当处于休眠模式时，连接第32、33引脚，连接频率为32.765 KHz，保持较低的运行功耗。

CC2530芯片的第25、26引脚，分别对应RE_P、RF_N功能引脚，整个硬件中发挥匹配电路连接端，接收差分信号的作用。终端节点的基本单元，芯片的P1_2和P1_3，以I2C_SDA、I2C_SCL功能引脚连接磁阻传感器模块，通过I2C总线实现芯片与传感器数据交换。设置在协调器节点的芯片，以PO_2和PO_3引脚，分别作为RX、TX功能引脚，连接串口通信模块，并将车流量数据通过通信模块传输至主控中心。CC2530芯片工作电压为3.3 V，利用两个LM317继承稳压器，将12V电压转化为3V的输出电压[4]。

2.2.2 传感器模块

终端节点的传感器模块，选用HMC5883L三轴磁阻传感器，基于磁阻效应判断车辆通行路口的信息，根据地面磁场方向、大小变化，由此检测车辆是否停留在街道。之所以采用这一型号的传感器，主要是考虑其功耗低的运行特点，在工作电压、电流分别为2.16～3.6 V、100 μA的情况下运行，满足监测数据的需求。磁阻传感器与基本单元的数据交换，主要是通过I2C总线进行。

2.2.3 串口通信模块

协调器节点的功能模块为通信模块，其发挥的作用是将中转的数据传输至主控中心串口芯片FT232的第1引脚TXD引脚连接，CC2530的P02引脚，FT232的第5引脚RXD连接CC2530的P03引脚，实现串口通信。FT232芯片的第15和第16引脚连接USB接口，即该模块采用USB接口，目的是使电路板小巧。

3 软件设计以及系统测试分析

3.1 软件设计

软件设计范围为ZigBee智能交通信号采集系统的3个节点，包括3个节点的程序流程设计，软件开发基于Z-Stack协议栈进行，编程语言为C语言。

3.1.1 终端节点的软件设计

它的硬件由磁阻传感器（CC2530）和基本单元组成（HMC5883L）组成。在系统运行过程主要发挥作用，是将监测范围内的路面车辆信息进行采集，然后传输至路由器、协调器节点。上电后，首先对协议栈和磁阻传感器进行初始化，然后监测是否有其他网络加入，若是有其他节点的网络申请加入则自动加入网络，然后利用终端节点的传感器将监测的车流量信息传输至路由器、协调器节点。为了最大程度降低终端节点的运行功耗，采用定式休眠、唤醒机制。

3.1.2 路由器节点软件设计

由于路由器节点不设置功能模块，其在智能交通信号采集系统中，仅仅发挥转发数据的作用，将终端节点的数据转存至协调器。因此运行程序流程，同样也是在上电后初始化，然后检测是否有网络加入本网络，持续检测新数据发送过来的新数据，并将其转发至协调器节点。因为这一功能，因此路由器节点不采用定式休眠、唤醒机制。其大致流程如下表现：1、开始，软硬件资源初始化;2、等待加入网络，确认“是”与“否”新数据;3、“是”则接收入网数据，“否”则直接略此步骤;4、将入网数据发送至协调器节点，结束。

3.1.3 协调器节点软件设计

其基本单元与其他两个节点一致，区别在于功能模块为串口通信模块，主要作用为监测路面数据发送到主控中心，同时建立和控制其他节点加入网络。基本运行流程：1、开始，软硬件资源初始化，建立ZigBee网络;2、进入无线侦听状态，对于确认节点入网请求的“是”与“否”状态，“是”则分配网络地址允许节点加入，“否”则继续重复节点入网请求;3、将接收到的节点入网数据，通过串口通信模块，发送给主控中心。

3.2 系统功能实现

智能交通信号采集系统，采用星型拓扑的网络机构，将十字路口视为一个节点，以节点为中心构成路面交通数据的小型无线传感器网络，针对交通数据进行采集[5]。

当车辆通过时，监测区域的磁场变化使得间距为5～10 m的磁阻传感器采集数据，将磁场信号放大并通过A/D转换器送入路由器、协调器节点，利用设置的定时器将车辆通行时刻信息记录下来。当检测到车辆后，计时器开启直到下一辆车驶入停止，信号采集系统利用两组传感器判断车辆行驶方向，协调器节点再将最终分析数据传输至主控中心。利用终端节点，不仅能够对车道上的行驶车辆进行实时监测，同时还可对因拥堵问题滞留在车道上的车辆进行监测，计算排队车辆的长度上，然后利用协调器节点将信息数据反馈给主控中心，实现交通信号针对性调节。

3.3 系统测试分析

为了确保设计的系统通信功能、质量符号要求，分别选取一个终端节点和协调器节点，ZigBee节点为电池供电，在终端节点每隔500 ms发送字符串“EndDevice1Send：0X010203040506070809ABCDEF＼r＼n”至协调器节点。[6]在测试的过程中，发送持续了1分钟，共发送了5 400字节，对系统的丢包率进行检测，发现丢包率为零。通过本次测算，可以确定基于ZigBee技术设计的智能交通信号采集系统的通信功能和通信质量符合要求，在数据传输过程中始终保持稳定、可靠的質量，在500 ms内无丢包现象，综上可以确认系统满足设计需求，关于系统的检测精度，需要进一步论证。

4 总结

ZigBee技术具有功耗低、组网灵活、支持节点多的优点，终端、路由器、协调器节点采用电池供电的方式，保证数据采集、传输的需要。利用磁阻传感器采集交叉路口车辆信息，经由路由器、协调器节点，传输给主控中心，实现对交通信号灯智能控制。本文智能交通信号采集系统的设计是基于ZigBee无线通信技术，通过强化信号系统与各设备之间的通信效率，利用磁阻传感器采集交叉路口车辆信息，将采集信息反馈给主控中心进行信号灯控制来解决当前城市交通信号控制效率低等所造成的交通拥堵问题。本文设计的基于Zig Bee的智能交通信号采集系统非常符合当前流行的物联网思想，并较详细的探讨了系统整体设计、涉及的关键技术以及硬件设计、软件设计、系统测试分析等部分。为交通信号灯的智能化控制提供了一定的技术支撑。

参考文献

[1] 柳长源，孔凡宁，冯晋文.基于GPS和SD卡存储的交通信号采集系统[J].哈尔滨理工大学学报，2017，22（3）：25-30.

[2] 李洋.城市轨道交通信号系统采集和驱动电路雷击试验方法[J].城市轨道交通研究，2017，20（4）：82-85.

[3] 马海波.轨道交通信号系统计算机联锁采集方式的分析[J].城市轨道交通研究，2016，19（S1）：46-47.

[4] 安春兰.轨道交通信号系统计算机联锁采集接口电路安全性分析[J].城市轨道交通研究，2013，16（9）：67-69.

[5] 吴欢欢. RFID电子标签在智能交通信号控制系统中的应用研究[D].乌鲁木齐：新疆大学，2013.

[6] 郭志冬，基于Zig Bee的智能交通信号采集系统设计[J].武汉交通职业学院学报，2018（9）：97-98.

[7] 袁黎，何娟，蔡明杰，等.基于安全熵的信号控制路段行人过街风险评估模型[J]. 中国安全科学学报， 2018（8）：32-33

[8] 石冬花，田国亮，闫彭.道路交叉口信号控制方法的发展现状与趋势[J]. 交通标准化， 2011（7）：11-12

[9] 俞灏，刘攀，徐铖铖，等.交通诱导与信号控制协同优化策略仿真[J].东南大学学报（自然科学版），2017（5）：46-48.

（收稿日期： 2018.12.03）