基于ZigBee的城市交通中的塞车状况自动预警系统

姜云国

（长安大学 信息工程学院，陕西 西安 710064）

随着经济发展，道路建设跟不上机动车辆的数量急剧增加，现已带来了城市交通的严重拥挤问题。由城市消费维权联盟主办的以“消费维权与两型社会建设”为主题的论坛在武汉举行，论坛上公布了“中国城市居民出行方式性选择调查报告”。报告显示，七成以上居民认为交通拥堵是城市交通最大的问题。为尽可能有效地缓解交通拥挤的问题，众多措施已经被提出与实施，比如根据车牌号限行、交通疏导等。这些措施在一定程度上缓解了交通压力，但都不能实时掌握当前的交通状况。若能实时掌握交通运行状况，就可以给机动车辆以及出行人员提供实时的交通流状况，会使他们预先做出一定判断，来决定下一步的行车路线。

鉴于以上情况，设想可以不可以实现一种利用机动车辆本身来自动实现对交通中车流量以及车速信息的数据进行实时处理，并根据建立的交通流模型自动分析结果判断是否出现塞车现象，若出现或者极可能出现塞车状况的信息接力传输给其他车辆，对交通中的某路段塞车状况进行预先警告的一种设计方案呢，文中对这个问题做了肯定的回答。文中提出了一种利用ZigBee无线传感与自组网技术把公交车、私家车以及道路设施单元组织成一个巨大的无线传感网络，根据车辆速度传感器等采集的数据，经过数据处理中心处理算法自动判断与分析车流量与车速得出是否塞车，将结果自动通过道路两旁的接力传输设施进程接力传输给其他车辆，进而为出行车辆以及出行人员预先选择出行路线提供极大方便并且极大地减轻了交通压力的方案。

1 预警系统的总体设计方案和工作原理

系统的设计关键是利用ZigBee无线组网技术[1-3]结合嵌入式ARM技术来实现一种城市交通系统中对路段中出现塞车现象的信息进行接力传输并且可以实现远程监控[2]。系统主要由预警信息处理与转发中心（以下简称预警中心）和车载预警信息收发终端（以下简称预警终端）两个核心部分组成，而预警中心主要包括嵌入式ARM系统模块、具有路由功能的ZigBee协调器模块以及GPRS[4]无线传输模块等；预警终端主要由不具有路由功能的ZigBee模块以及速度传感器模块、汉字显示模块以及语音播报模块等构成。预警中心安装要相互间隔一定的50 m左右的距离，因此可安装在城市的道路两旁电线杆上；而预警终端安装在交通工具上，主要是给公交车以及私家车驾驶位置的旁边安装。其中自动预警系统整体如图1所示。

系统在正常启动后，ZigBee网络自动建立起以其中一个固定的预警中心为无线网络协调器节点，而使其他固定的预警中心自动成为路由节点，以移动的预警终端为传感网络边缘节点的无线传感网状网络。整个无线网状网络系统中，预警中心负责主动采集一段时间内车速和统计车流量，并对其进行处理，若根据数据得出车辆前方周围的道路很可能会塞车状况的级别的结果转发给其它预警中心，继而转发到其它车辆；安装在车辆上的预警终端负责接收其它预警中心传输过来的塞车预警等级，并进行LCD显示与自动语音播报等，以及根据预警中心的请求发送车辆本身的速度数据。对于驾驶员或乘客来说，此时就可以根据传输过来的预警级别信息等来来判读前方是否发生堵车现象等，从而提前为驾驶员或乘客做一步路线规划等，从而实现了人为分流交通流的目的，缓解了交通的拥挤状况。

图1 自动预警系统整体简图Fig.1 Overall schematic diagram of automatic warning system diagram

2 预警系统的硬件设计

根据系统的整体方案及其原理，将系统主要分为预警中心硬件系统以及预警终端硬件系统两个部分来设计。其中系统中的数据传输功能主要由预警中心的ZIGBEE模块以及预警终端的ZIGBEE模块来完成。

2.1 预警中心硬件设计

预警中心模块设计主要包括S3C6410核心系统、GPRS通信模块、ZIGBEE通信模块、存储器接口以及内存接口电路设计等，安装在道路的两边电线杆上，主要负责采集周围车辆的车流量信息以及车速，然后再由中心处理后转发给其他车辆，其本文只简要给出串口接口电路，如图2所示。

图2 预警中心串口接口电路Fig.2 Early warning center serial interface circuit

中心的主体部分是基于ARM的嵌入式系统[5]，核心控制芯片是三星的s3c6410芯片，负责发送请求命令以及处理相关的数据，还负责与GPRS进行远距离的通信。对于电路硬件电路设计来说，首要设计的是可以使ARM正常启动所需的外围电路，包括电源电路、RAM电路、flash电路、复位电路以及看门狗电路等。由于还要通过串口与ZigBee模块以及GPRS模块进行连接，因此根据需需要设计相应的RS232标准串口电路。

中心节点的ZigBee模块主要是负责建立无线网络以及实现数据的路由转发，以及通过射频发送由ARM生成的采集速度等数据的命令。本节点中的ZigBee模块采用的是射频芯片CC2530作为核心其芯片，CC2530适用于各种ZigBee的无线网络节点，包括协调器、路由器和终端设备。处理器S3C6410与ZigBee通信模块的通信方式通过USB串行口实现，在设计中采用外围电路设计简单且功能稳定的CP2102作为USB与串口转换芯片。

GPRS模块是客户端的监控[6]中心远程来访问接力传输节点并采集相关信息的基础。GPRS模块与主控ARM芯片的是通过RS232标准串口来进行连接，设计成串口的连接形式方便以后扩展。由于接口的电源标准不同，它们之间还要通过MAX232芯片来完成电平的转换。

2.2 预警终端硬件设计

预警终端无线数据部分主要采用也是基于射频芯片CC2530设计出无线ZIGBEE模块，负责接收接力传输中心发送的命令、传输的车流量数据以及向接力传输中心发送车流量信息等数据。车载终端还要完成LCD字符显示、语音自动播报等功能。因此在硬件电路设计上主要包括ZIGBEE模块基本最小系统电路、速度传感电路、基本控制电路、语音电路以及LCD屏幕显示电路等设计，其主要芯片CC2530外围最小系统电路如图3所示。

图3 CC2530最小系统Fig.3 CC2530 minimum system

路况信息显示电路设计，主要通过LCD模块可以显示接收到由预警中心转发的塞车级别等信息，方便驾驶员或乘客了解前方周围的路况信息。其中LCD采用的是点阵为128×64的HY12864液晶模块，在设计电路时采用两片HD61202作为列驱动器，同时使用一片HD61203作为行驱动器。

语音播报电路的设计主要是为了实现可以进行自动播放[7]当前收到的路况信息，也可以通过控制电路选择禁止播报。本播报电路采用的是ISD4004-8语音录放集成芯片，芯片采用多电平直接模拟量存贮技术，每个采样值直接存贮在片内的闪烁存贮器中，因此能够非常真实、自然地再现语音。

3 预警系统软件设计

3.1 预警中心软件设计

预警中心节点是被固定到道路的两旁电线杆上，当网络自组成功后，所有的节点会重新被分成一个协调器节点和多个路由节器点，作为路由节点的节点将陆续申请加入无线网络，同时在道路中的车辆也会随时申请加入网络。无线传感网络建立后，由中心节点间隔发送给车载终端采集车辆速度的命令等，将采集的一定路段的速度数据进行相应的处理，与已经经过采样人为建立的速度统计模型进行对比，将处理后的结果根据一定的条件进行转发给其他车辆或者转发给其他接力中心，再由其发送给其他车辆。这样在一定区域内的加入网络的车辆就会收到相应的前方周围路段的塞车信息等，驾驶员或乘客就可以根据信息进行人为的交通车辆的分流，进而减轻的交通拥挤的程度。

根据实际要求，中心节点软件要实现Zigbee的路由转发功能、ARM与GPRS进行信息交换的功能，ARM与车载终端进行数据交换的功能、ARM对数据进行解析的功能以及驱动一些芯片的功能等。中心节点的可编程芯片是S3C6410和CC2530，因此要移植嵌入式linux系统以及移植Zigbee协议栈等，编程语主要采用C语言，系统程序的流程图（其中作为路由节点的程序流程图未画出）如图4所示。

图4 预警中心软件设计流程图Fig.4 Flow chart of the software design of early warning center

3.2 预警终端软件设计

预警终端节点主要是安装在公交车或者私家车上面的节点，在实际应用中的其硬件电路会不尽相同，要为功能不同的预警终端设计相应的软件程序。当预警终端加入由传输中心节点建立的网络后，它便时刻处于监听状态随时接收有传输接力中心发送的命令以及接力传输中心发送车流量信息等。预警终端节点位于无线传感网络的边缘，它不具有路由功能，只是将接收的到的塞车级别等信息进行自动播报、通过LCD来显示路况信息以及向接力传输中心节点发送速度信息等。

文中设计的硬件电路主要是一种可以完成基本应用的车载终端节点，包括自动语音播报功能以及屏幕汉字自动显示功能，以及极为重要的速度采集功能等。因此在设计中主要编写速度采集程序、语音芯片驱动程序与语音播报程序、LCD驱动程序、汉字或英文字符调用与显示程序以及控制按钮程序等。预警终端节点的程序流程如图5所示。

图5 预警终端软件设计流程图Fig.5 Flow chart the of software design of early warning terminal

4 结束语

文中设计的基于ZigBee的城市交通系统中的塞车预警系统实现了在借助于公交系统中公交车以及私家车的来完成数据接力传输的功能。预警处理中心节点实现了接力转发传输功能，车载终端实现了自动语音播报以及汉字显示路况信息的功能，使得驾驶员通过阅读屏幕信息和收听语音信息来了解其他路段的实时路况信息，从而为驾驶员和乘客对行程的安排起到了重要作用，促使交通资源实现最大化利用。伴随着智能交通设施的不断完善，城市交通中的塞车预警系统将会越来越体现出的本身的优越性，也必将有很广阔的应用前景，同时也给以后的研究提供了实例。

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