ZigBee技术在智能交通信号灯控制中的应用研究

1、工 程 科 技2014 年第 6 期ZigBee 技术在智能交通信号灯控制中的应用研究张健（安徽三联学院， 安徽 合肥230001）摘 要： 针对传统的定时切换交通信号控制模型已无法满足日益增长的交通需求， 采用 ZigBee 无线传感器网络技 术，设计一种智能控制信号灯系统，根据当前道路的实时情况，将采集的实时信息，通过 ZigBee 网络，发送到 子控制模块，由子控制模块传输到主控制模块，主控制模块对数据进行处理，产生合理的交通信号灯动态配 时方案，进行较为合理的道路管理，提高交通效率。 实验结果证明该系统利用巨磁阻传感器和加速度传感器， 结合对道路情况实时采集，通过 ZigBee 无线网

2、络传送信息；设备之间通过无线网络连接，无需挖路布线，在智 能交通领域具有一定的应用价值。关键词： ZigBee 技术； 智能配时； 传感器； 交通信号灯； 智能控制； 无线网络中图分类号：TP399文献标识码： A文章编号： 1672-0547（2014）06-0115-041 概述随着中国经济的快速发展，私家车数量日益增 加，然而交通管制还是延续传统的定时控制，而不考 虑交通路况的实时流量，导致在交叉路口的交通拥挤 和混乱，对人们交通出行造成了严重的影响。因此，信 号灯的动态控制，对于缓解城市交通拥塞，减少交通 事故有着十分重要的意义 1。目前智能交通系统以道路和车辆定位为研究对 象，提高道

3、路通行能力和安全性为主要研究目标的新 一代交通控制系统，其主要利用 GPS 和 GPRS 通信技 术实现车辆定位，然而，这些通信技术还存在一些局 限性：（1）由于城市建筑物，立交桥和其他高层建筑的 影响，卫星接收范围受到限制，定位精度从而降低；（2）受到障碍物或阴影影响，减弱了 GPS 接收机 接收信号的强度，甚至造成信号中断；（3）受多路径效应影响，车辆 GPS 天线不能太 高，因此，由天线接收到的信号将包含其他物体折射 的信号；（4）GPRS 可靠性受到通信链路影响，在城市道 路中，利用 GPS（GPRS）接收机捕获卫星一般会少于 4 颗，无法提供实时的定位导航信息，适合高速公路和 其他障

4、碍物相对较少的路段。ZigBee 技术具有成本低，功耗低，距离短等特点， 使无线数据传输技术在交通控制系统中的应用成为 可能。基于 ZigBee 技术的交通控制系统，将能够克服 这些技术缺陷 23。2 ZigBee 无线通信技术21ZigBee 概述ZigBee 是基于 IEEE802154 标准建立，其标准 化由 ZigBee 联盟完成。主要适用于智能控制和远程 控制领域，可以嵌入各种设备 4。 ZigBee 具有以下技 术优势：低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高 容量、高安全、免执照频段。ZigBee 位于 IEEE802154 物理层（PHY）和媒体 访问控制层（MAC）的上面，

5、每一层为它的上层提供一 套特定的服务。每一个服务实体通过一个服务访问点（SAP）为上层提供服务 5。ZigBee 协议栈体系结构如 图 1 所示。图 1ZigBee 协议栈体系结构22ZigBee 无线片上系统 CC2430CC2430 是 TI 的无线芯片巨头公司收购 Chipcon公司后的 ZigBee 无线芯片。CC2430 芯片继续使用以前的 CC2420 芯片的体 系结构，受 CC2420 的 ZigBee 协议栈的限制，CC2430 使用 128KB 的可编程闪存和 8KB RAM，在接收和发 射模式下，电流损耗分别低于 27 mA 或 25 mA 56。收稿日期： 2014-09

6、-29作者简介： 张 健（1979），男，安徽三联学院讲师，硕士研究生，研究方向：无线传感器网络。基 金 项 目 ： 2013 年 度 安 徽 省 教 育 厅 高 等 学 校 省 级 自 然 科 研 项 目 “ 基 于 ZigBee 无 线 网 络 技 术 在 智 能 交 通 信 号 灯 控 制 中 的 应 用 ”（KJ2013B090）。2014 年第 6 期23利用 ZigBee 技术对本系统进行组网该系统采用 ZigBee 对智能交通系统进行组网， 路由选择算法选用无线自组网按需平面距离矢量路 由协议（ADOV）进行信息的传递 7。ZigBee 中，ZigBee 网络由个域网 PAN 协

7、调器创 建。 当 ZigBee 协调器希望建立一个新的网络，它扫 描空闲信道来创建一个新的网络。如果找到一个合适 的信道，将产生一个新的 PAN 协调器标识符（PAN 标 识符是用来标识整个网络，且一个网络的 PAN 标识 符是唯一的），表示网络已经建立。如果有另一个 ZigBee 协调点扫描到空闲信道，产生另一个 PAN 协 调器标识符，并向网络宣布它的存在。ZigBee 网络建立后，允许新的节点连入其网络。 当一个节点要加入网络时，会先通过搜索信道，如果 发现一个网络，它将会申请加入该网络，只有路由节 点可以允许其他节点通过它接入网络。如果网络中的 一个节点与网络失去联系后，要重新加入网络

8、，它可 以询问路由器节点，申请重新加入该网络。网络中路 由器节点功能是维护路由表，分组转发，路由发现和 路由维护，以及网络的扩展等 8。3系统硬件和软件设计与实现31 系统需求分析安徽三联事故预防研究所是一家专门从事交通 事故预防，交通驾驶，智能交通工程等高科技研究企 业。在 2011 年由科技部正式批准设立“国家车辆驾 驶安全工程技术研究中心”。该中心自成立以来，积极 跟踪国际交通事故预防和智能交通技术前沿，针对建 设国家交通安全和智能交通的需要，近年来该中心承 担了一系列国家和省级部门，市重大科研项目，重点 攻克一批重大科学研究系统技术，配套技术和工程上 的困难，提高科技成果的工程和集成化

9、水平。传统的定时切换交通信号控制模型已无法满足日 益增长的交通需求，信号灯智能配时方案合理进行智 能交通诱导。缓解当前城市交通压力，成为保障道路交 通顺利通行的有效手段之一。根据交通流车辆检测模 块测量车流量来调整绿灯时间，减少车辆等待红灯时 间，即智能配时方案动态的控制交通信号灯时间9。32 系统硬件设计321 主控制模块设计 主控制模块架设在交叉路口附近位置。 主控制模块通过 ZigBee 网络接收子控制模块发送的信息， 并对这些信息进行分析处理，得出下一时段的配时方 案，同时初始化子控制模块 89。主控制模块结构如图 2 所示。322 子控制模块设计 东、西、南、北四个方向的子控制模块的

10、结构和功图 2主控制模块结构能类似，子控制模块负责将车辆检测模块收集到的信息通过 ZigBee 网络传送给主控制模块，或将主控制 模块的处理结果传送给终端节点，对 LED 点阵信号 灯进行智能控制 8，9。323 车辆检测模块设计 车辆检测模块架设在任一方向的下行位置，终端检测节点（传感器）检测工作区域内的车流量与每辆车 到达的时间戳等数据，并将检该数据通过 ZigBee 网络 发送到主控制模块。车辆检测模块结构如图 3 所示。图 3车辆检测模块结构当车辆驶入监测区域，加速度传感器检测到该车 辆，此时加速度传感器唤醒电磁传感器，电磁传感器 通过调理电路对地磁干扰信号进行放大、过滤和处 理，产生

11、能够识别的标准的 TTL 电平信号，通过无线 网络，传向主控制模块 89。33 系统软件设计331 车辆检测模块车辆检测模块主要是统计在其工作区域内经过 车辆的数量信息，在每条车道的下行位置处，各放置 两个传感器，用于检测车流量与每辆车到达的时间 戳，传送给子控制模块，子控制模块通过 ZigBee 网络 将信息传送给主控制模块，主控制模块对接收到的信 息进行分析处理，得出下一时段较为合理的交通信号 灯配时方案，主控制模块将方案以指令的形式通过 ZigBee 网络传送给子控制模块，达到合理调配车辆通 行的目的 89。主要代码如下：include stdiohinclude stdlibhint

12、SMB380State0； SMB380 未激活状态int HMC1502State 0； HMC1502 未激活状态int isEnabled 0； 是否有车，默认为无车void main（）SMB380Init（）； 初始化 SMB380 HMC1502Init（）； 初始化 HMC1502 SMB380Listener（）； 开启 SMB380 监控，检测是-116-2014 年第 6 期否有车经过void SMB380Init（）SMB380State 1； SMB380 激活状态void HMC1502Init（）HMC1502State 1； HMC1502 休眠状态void SM

13、B380Listener（） SMB380 传感器监控检测是否有车辆经过，若 有则设置 isEnabled1if（isEnabled1）HMC1502UploadData （HMC1502Check（）； 检 测车辆流量int HMC1502Check（） HMC1502State2； HMC1502 唤醒状态 返回 HMC1502 检测到的车流量数据332 主控制模块驱动流程（1）主控制模块工作驱动 初始时，主控制模块初始化 ZigBee 协议栈中的各个层。然后主控制模块开始组建网络，检测各个子 控制模块发送来的信息，对频段的校验帧确认后，子 控制模块可以被允许加入该网络，主控制模块对每个

14、子控制模块进行初始化，使各子控制模块进入默认工 作状态。同时对子控制模块发送来的数据进行分析计 算，得出下一时段的配时方案和进行时钟同步 10。（2）信号灯智能配时方案1）初始时，信号灯采用定时配置，任一方向的信 号灯运行时间设置为 30 秒。2）若任一方向的车流量速度超过每分钟 20 辆，通行时间增加 5 秒，当通行时间达 2 分钟，停止增加。3）若任一方向的车流量速度降到每分钟 10 辆，通 行时间减少 5 秒，当通行时间降至 20 秒，停止降低。4）车辆检测模块每个 2 分钟将检测的车流量上传 给主控制模块 4。（3）误差分析1）该方案只考虑机动车流量速度对信号灯控制的 影响，没有把非机

15、动车作为检测对象，方案还需要进 行改进。2）数据采集时，车辆行驶速度很快时可能出现漏 检等情况，导致数据不够精准。333 子控制模块驱动工作流程 初始时，子控制模块初始化 ZigBee 协议栈各个层，然后搜索信道，加入主控制模块已经建立的网络 中。主控制模块对新加入的子控制模块进行初始化操 作；ZigBee 终端节点（传感器）不断将收集的车辆信息 发送给子控制模块，子控制模块将这些信息通过 Zig Bee 网络传送给主控制模块，主控制模块对这些信息 进行分析处理，得出的智能配时方案通过 ZigBee 网 络由子控制模块传送给 ZigBee 终端节点 11，12。4 ZigBee 数据通信测试4

16、1 系统开发环境TI 公司的 ZStack 的原型最早是为了 CC2430 Development Kit 而开发，但在 HBEUbiCC3430 节点 上不能正常工作。为了能在 HBEUbiCC3430 节点上 运行，韩伯电子技术研究所修改了 ZStack 代码，修改 过的 ZStack 版本被放在 ZStack 文件夹中。为了编译 此程序，并下载到 HBEUbiCC3430 节点上13。42 测试平台的搭建使用 ZigBee 协调器（Coordinator）通过串口连接 到计算机上，各个 ZigBee 终端设备（传感器节点）将 采集到的信息通过 ZigBee 网络传送到 ZigBee 协调

17、 器，计算机上使用超级终端软件显示 ZigBee 协调器 接收的数据信息 14。ZigBee 测试平台如图 4 所示。图 4ZigBee 测试平台43 ZigBee 通信测试ZigBee 协调器连接的计算机超级终端 COM1 端 口配置如下：19200bps，8bit 数据位、1bit 停止位、无 奇偶校验和数据流控制位。ZigBee 协调器上电后，就可以在计算机超级终端 中看到下面的信息，如图 5 所示。图 5ZigBee 网络建立-117-2014 年第 6 期表示 ZigBee 协调器已经建立好了 一 个 ID 为 40836 的个域网（PAN），此时只有 ZigBee 协调器。当 任一

18、方向 ZigBee 路由器节点申请加入该网络成功 后，就可以在超级终端中看到被分配地址 0x156d，此 时它向 ZigBee 协调器发送检测到该方向下行的每分 钟 车 流 量 ：“number of current vehicle ：21，07：45 20130807”。当任一方向新的 ZigBee 路由器节点申请加入网 络后，分配地址为 Ox12，该节点向 ZigBee 协调器发送 检测到该方向下行当前每分钟车流量“number of cur rent vehicle ：25，17：45 20130807”，如图 6 所示。图 6接收到节点 0x156d 和 0x12 发送的数据上述结果表

19、明，车辆检测模块对车辆信息进行采 集处理，通过 ZigBee 网络发送到子控制模块，再由子 控制模块传输到主控制模块，主控制模块将数据进行 分析处理，并将结果反馈给子控制模块，子控制模块 根据接收到的控制命令驱动信号灯发光二极管阵列 的显示。5 结束语本文提出了一种 ZigBee 无线传感器网络技术在 智能交通信号灯控制系统中的初步设计方案，并通过 实验证明子控制模块和主控制模块之间的数据通信。 该方案通过 ZigBee 无线网络进行数据传输，无需开 挖布线，降低成本；通过检测车流量信息合理产生智能配时方案，成为保障道路交通顺利通行的有效手段 之一。然而，智能交通控制技术在不断地发展，因此，

20、下一步将对本系统在信息采集和智能配时方案方面 作进一步的分析研究。参考文献：1黄武陵，艾云峰无线传感器网络在智能交通系统中的应用 J电子产品世界，2008，（6）：48502杨志伟基于 ZigBee 交通信号管理系统的研究与设计 D 长春：长春工业大学，20103崔维新，梁光胜智能信号灯控制系 统 的 设 计 J现 代 电 子 技术，2006，20（235）：22244瞿 雷 ，刘 盛 德 ，胡 咸 斌 ZigBee 技 术 及 其 应 用 M北 京 ： 北 京航空航天大学出版社，20075 韩 旭 东 ， 张 春 业 ， 李 鹏 传感器无线互联标准及实现 J 2004，（4）：43476宋生

21、宇，张紫楠，王亚弟，李俊峰物联网中移动节点抗克隆攻 击的 UC 安全认证协议J计算机科学，2014，41（4）：1681717Lin SZ，Liu JY，Fang YJ ZigBee Based Wireless Sensor Net- works and Its Applications in IndustrialJProeeedings of the IEEE International Conference on Automation and Logisties Jinan，2007：197919838成小良，邓志东基于 ZigBee 规范构建大规模无线传感器网 络J通信学报，2008，

22、29（11）：1581649张健基于 ZigBee 无线网络技术在智能交通信号灯控制 中 的应用J铜陵学院学报，2013，（2）：10310610张健ZigBee 无线传感器网络在智能交通系统中的应用研 究D合肥：合肥工业大学，201311周贤伟，韦炜，覃伯平无线传感器网络的时间同步算法研 究J传感技术学报，2006，19（1）：1005100912邱灵枝，刘宏立Internet 和 ZigBee 在智能公交通信网络中 的应用研究J测控技术，28（1）：6769113ZigBee 入门指导 （一） 基于 CC2430 的 ZigBee 开发环境 的建立EB OL http： blogcsdnn

23、et logiclimit article details 5610744，2014021914ZigBee 入门指导（二） 运行 ZigBee 例程EB OL http： blogcsdnnet logiclimit article details 5681932，20140310Research on Application of ZigBee Technology in Intelligent Traffic Signal ControlZhang Jian（Anhui Sanlian University， Anhui Hefei 230001，China）Abstract：Aimin

24、g at the problem that Traditional timing switch control model of traffic signal has been unable to meet the growing traffic demand By using the ZigBee wireless sensor network technology， an intelligent control signal system is designed in this paper the system can send the realtime information it collects to the subcontrol module in accordance wi