基于ZigBee技术的交通信号灯监测系统设计和应用分析

孙乐乐

（上海久揽视讯科技有限公司，上海 200940）

1 前言

近年来，我国城镇道路建设蓬勃发展，全国各地区交通信号灯安装规模不断扩大，其中相当一部分交通信号灯，因为设备老旧、线路老化，经常出现信号灯意外熄灭或错跳，对行人和机动车的正常行驶造成重大威胁，极易引发伤亡事故。

目前，全国各信号灯管养单位为了防止信号灯失灵引发事故，尤其是人员伤亡事故，多采取定期或不定期地组织维护人员对辖区内的信号灯及线路作隐患排查，24小时值班接听群众投诉电话以及组织巡查人员上路巡视等制度。尽管采取了各种防范措施，但是，我们遗憾地看到因为信号灯故障导致的交通意外事件依然时有发生。

针对目前全国交通信号灯运维监测的局限性，本文思考一种基于ZigBee无线网络的交通信号灯故障监测解决方案。在此基础上，设计了交通信号灯远程在线监测系统。该监测系统由信号灯监测终端和集中器组成。巡检人员只需通过监控中心原有的主控电脑上的上位机软件就可以不亲临现场了解到每台信号灯的实时工作状态信息。当信号灯出现故障时，系统会采集实时监测数据和故障信息，并及时报警至监控中心，协助监控中心准确定位故障地点并及时处理，真正地实现了信号灯故障远程在线监测。

2 设计思路

首先需要研究ZigBee技术标准,重点分析组网流程，结合现场节点的实际情况,设计满足低功耗、低成本、高稳定性的系统网络。由于ZigBee技术具有低成本、低功耗、低数据传输速率、采用多跳网络通讯可延长通讯距离、采用加密算法可提高AES-128安全可靠等优点而得以广泛应用。这种无需基础支撑的无线局域网，其对构成网络本身的节点数量没有强制要求，任意一个或多个ZigBee节点都可以随时构建无线通讯链路。每一个网络的协调器随时保持监听状态，新添加的监测终端会被网络自动捕捉到，新添加的节点信息会沿父节点链路发送给协调器，由协调器自动分配网络地址，并保存该新添加节点的链路信息，同时还会及时刷新通信链路的数据转发表和所属的设备关联表。因此需要研究各个监测终端（router）和协调器（Coordinator）之间的通信协议，建立一个通信规约。

2．1 总体架构设计

本系统分为3个部分：

（1）系统下层：基于ZigBee网络的交通信号灯监测终端，该单元由一个协调器（Coordinator）和多个监测终端（router）组成。监测终端负责采集交通信号灯实时电压和电流模拟量，在市电输入电压低于正常范围（220V±15%）和电流小于正常工作范围时（500mA～1A）主动报警。协调器负责和支路控制器通信，将监测终端（router）上报的信息反馈给监控中心。

（2）系统中间层：信号灯协调器（Coordinator），拥有远程数据通信、控制执行上位机命令、负责本地网络组建等功能。主要负责本地各类数据（如电缆运行状态信息、故障报警信息等）的采集和对上位机控制指令的执行。同时可通过4G/5G网络和监控中心通信。

（3）系统上层：信号灯管理单位安装的监控中心，监控中心通过对协调器的控制，实现灯具的访问和控制，包括开关配电柜交流接触器、运行参数的配置、实时状态查询、故障报警等。监控中心具有集中处理协调器反馈信息的功能。

2．2 网络拓扑

ZigBee无线传感网技术主要是应用在数据传输量小，数据传输速率慢，数据传输距离短特定场景。

本设计选择ZigBee无线传感网的原因如下：

（1）ZigBee网络拥有良好的健壮性。ZigBee技术支持多频段多跳自主网络，当有新节点加入网络或者原节点掉线退出网络的时候，其余ZigBee节点都可以自行寻找是否存在其他的ZigBee节点作为通信路由，在部分节点失效时，依然可以保证健康节点的正常通信。

（2）建设成本具有明显优势。自2003年起，许多设备生产商都正式推出了自己的ZigBee芯片，市场竞争激烈，相比无线蓝牙等通信模块而言各种ZigBee无线传感芯片更具备价格上的优势。

（3）支持休眠模式，节能环保。在实际应用场景中，信号灯正常工作时间大大高于其故障时间，所以路口网络无需一直保活，ZigBee网络支持路由节点自由进入休眠模式，随用随组，大大降低了系统的能源损耗。

（4）ZigBee网络提供了2.4G免费工作频段。在该频段下，ZigBee网络的数据传输速率为10～250kb/s，因为本系统交互信息全部是结构化文本数据，所以完全满足设计需求。

（5）ZigBee网络组网迅速。当采集的信号灯电流电压模拟量超过报警阈值时，整个网络的接入延时和重启激活延时平均仅为15ms，而搜索设备延时时间平均仅为30ms。

ZigBee网络支持3个工作频率2.4G、868M和915M，总共27个信道的通信，其中2.4G频段允许16个信道通信，本系统工作在2.4G的频率上。2.4G频段为全球统一免费频段。这个频段优势在于可通过采用高阶调制技术支持高达250Kbps的传输速率，对取得更大的数据吞吐量、更短暂的通讯延时和工作周期十分有利，从而更加省电。

ZigBee无线传感网络可以根据不同需求搭建成星型、网状和树状三种拓扑结构，星型拓扑要求所有的路由器和终端设备都必须与协调器通信，在星型拓扑结构中路由器实际上不具备路由功能。星型拓扑通常被运用在智能家居、PC机外设以及家庭安全管理等小范围的室内场景中；与之相比，网状网络(Mesh)只需路由器和路由器，路由器和终端设备在对方的无线辐射范围内，任意精简功能设备之间都能直接通信，在网状拓扑中每一个全功能设备都可以当作路由器，都具备对命令的路由转发功能，网状拓扑在网络搭建时相对困难一些，路由需维护大量的数据；在树状网络中，协调器、路由器和终端设备的功能划分上来说相对清晰，与其他拓扑结构相比，搭建树状网络相对方便，占用资源少，同时具备了网络的路由转发功能，相当于扩大了网络的通信范围。

根据应用场景，选择树形网络拓扑。每个配电柜由一个协调器（Coordinator）和归属于该协调器的多个监测终端(router)组成多跳通信网络。在这个网络中，每个监测终端（router）都可以包含自己的子节点，且只和自己的子节点、父节点通信。信息具有唯一的路由通道。当通道中的某一节点掉线时，可以重新选择附近路由表空间未满的其他满足LQI门槛值的父节点加入。

3 系统硬件设计

本系统的硬件电路设计分为监测终端硬件电路设计和协调器硬件电路设计两个部分。监测终端是整个监控系统的信息采集单元，通过数据采集模块中单相多功能计量芯片对应的电流采样通道和电压采样通道，经放大、滤波、采样、计算，计算出瞬时功率，并根据周期计数寄存器内设定的计数周期计算出电压电流有效值、电压频率和电压电流相位，同步把相应数据存入对应寄存器中，再通过通讯收发器传送到协调器。其硬件框图如图1所示。

图1 监测终端硬件框图

在协调器硬件电路设计中，其通讯控制单元和电源模块与监测终端硬件设计相同，同时增加了RS-485接口、基于FM25CL64B的外部存储单元和基于DS1302的外围时钟电路。其中RS-485接口用来和网络数据通信。外部存储单元用来存储报警信息，外围时钟电路提供事故发生的时间信息，其结构框图如图2所示。

图2 协调器硬件框图

4 系统软件设计

本系统的软件设计主要分为两部分：各监测终端模块软件设计和协调器软件设计。其中监测终端的软件组成部分包括：ZigBee协议栈，数据采集和报警；协调器软件组成部分包括实时巡检和报警上传。

本系统总体流程图如图3所示。

图3 系统总流程框图

4．1 组建通信网络

协调器（coordinatior）是整个通信网络的发起者，在新组建一个信号灯监测系统的外场ZigBee通信网络时，首先初始化协调器（coordinatior）的网络协议栈，然后初始化协调器LQI链表，确认LQI入网阈值。本设计中默认网络选定2.4G免费频段，协调器建立路由域标志符后，该网络即被标识。协调器允许路由设备接入网络的请求并应答。图4描述了ZigBee网络的建立过程。

图4 ZigBee网络建立的过程

4．2 监测终端软件设计

监测终端是整个系统数据采集和巡检设备的主要执行对象，它的主要功能是接收协调器的命令信息，通过ATT7053AU芯片采集信号灯电压和电流模拟量，并通过ZigBee网络将报警信息发送给协调器，软件流程如图5和图6所示。

图5 监测终端软件流程

图6 ATT7053AU读/写软件流程

4．3 协调器软件设计

协调器主要功能是对信号灯监测系统的外场通信网络中的所有监测终端进行管理，接收各个监测终端信号灯报警并将报警信息上传给支路控制器。其工作流程如图7所示。

图7 协调器软件流程

5 网络质量测试

在协调器和监测终端成功组网之后，需要对整个网络的通信质量进行测试。目前国内城市主干路交叉口平均断面宽度不超过100m，所以将通讯测试距离设定在50、100、150m，模拟一个标准十字路口上的12台信号灯监测终端（4个机动车信号灯和4对人行道信号灯）之间的传输1000个数据包的丢包率。测试结果如表1所示。

表1 网络通信质量测试结果

从测试结果看，12台监测终端在通信距离50m和100m内，丢包率为0。150m时，丢包率低于0.03%，完全可以满足现在的全国各地区普遍的路面状况。

6 结语

通过对信号灯在线监测系统的ZigBee网络架构和技术应用的分析研究，对信号灯在线监测系统进行合理设计，用人工智能全自动在线监测方式代替信号灯管理养护单位原有的人工被动巡检方式。本文中设计的基于ZigBee的信号灯监测系统，实现了对一个路口范围内所有信号灯的实时监测，通过监测终端和协调器及时将信息上传至监控中心，从而大大简化巡检任务。在2020年上海城运系统公安道路交通管理子系统（IDPS）嘉定区建设项目中，该系统作为一项极重要的云平台智能化应用接入项目运营数据底座，全面覆盖嘉定老城区50条交通主干道，相信该系统的落地一定可以将因为信号灯故障导致的交通事故风险降到最低。