基于ZigBee的智能交通信号采集系统设计*

郭志冬

（1.河南省高校节能照明工程技术研究中心，河南 三门峡 472000；2.三门峡职业技术学院 机电工程学院，河南 三门峡 472000）

伴随着社会的进步和经济的发展以及人们生活水平的提高，近年来我国各城市的汽车拥有量迅速增加，汽车在带给人们方便的同时也带来了越来越严重的交通拥堵。交通拥堵给城市带来很多负面影响，包括交通拥堵会带来直接或间接经济损失，交通拥堵容易引发交通事故，交通拥堵使汽车排放更多尾气，消耗更多能源等［1］。交通拥堵的日益严重已经制约了城市的可持续发展，解决交通拥堵问题迫在眉睫。有限的城市土地资源使得总是依靠扩建道路来解决交通拥堵变得不现实，因此，智能交通系统（Intelligent Transportation System，ITS）便应运而生。智能交通系统（ITS）是一个基于现代电子信息技术面向交通运输的服务系统［2］，它综合运用计算机技术、数据通讯传输技术、信息技术、智能控制技术、传感技术等多种技术建立起一种准确、实时、高效的全方位、大范围的综合的交通管理系统，能够运用到整个地面交通管理系统中。智能交通信号控制系统是智能交通系统（ITS）的一个重要子系统。利用智能交通信号控制系统对交叉路口的信号灯进行智能控制，指挥各方向的交通流合理有序、安全高效地通过路口，对于减少交通拥堵、提高交通安全性、节约能源、减少环境污染和提高运输效率等方面都有非常重要的意义。

ZigBee技术作为一种新兴的无线通信技术，以其低功耗、超大网络容量的突出优势，在越来越多的领域得到应用，也受到越来越多研究者的关注。在中国知网数据资源总库（CNKI）中，时间范围在2003-2017年间，以“ZigBee技术”为主题进行检索，共有研究文献4220篇，基本呈逐年上升趋势，绝大多数文献都是ZigBee技术在各个领域的应用研究。其中，Zigbee技术应用于交通运输领域的文献有115篇，约占总文献量的2.7%，具体应用到智能交通信号控制系统的研究文献有20多篇，其中不乏给出合理设计方案的优秀论文成果。本文在查阅大量相关文献的基础上，结合当前城市交通信号控制系统的不足和需求，将Zig⁃Bee技术应用到智能交通信号控制系统中，从硬件和软件两个方面研究设计了基于ZigBee技术的智能交通信号采集系统。

1 基于ZigBee技术的智能交通信号采集系统整体设计

智能交通信号控制系统采用三层架构：数据采集层、数据传输层、数据管理层，如图1所示。系统具体工作过程如下：通过数据采集层的传感器采集交叉路口的车流量数据，经ZigBee无线传感网络传送到数据传输层；数据传输层将收到的数据经主控中心（ARM）分析处理后利用互联网把数据远程发送到交通管理中心的计算机，计算机上安装有数据管理软件，即数据管理层；数据管理层负责对数据进行保存、显示、查询等操作，并远程发出控制命令从而实现交叉路口交通信号灯的智能监控，使信号灯能够根据各个方向车流的实际情况实时调整通行时间，提高车辆通行效率和道路资源利用率［3］。

图1 智能交通信号控制系统三层架构

本文研究的基于ZigBee的智能交通信号采集系统属于智能交通信号控制系统整体结构中的数据采集子层。基于ZigBee技术的智能交通信号采集系统借助磁阻传感器利用ZigBee无线传感网络技术采集车流量等信息。ZigBee无线传感网络中有三种节点：终端节点、路由器节点、协调器节点。磁阻传感器连接于终端节点，其主要作用是采集车流量信息并把采集到的数据信息传输给路由器节点，经路由器节点中转后数据被发送到协调器节点，协调器节点通过串口把数据信息发送给主控中心。由于ZigBee属于短程无线通信技术，该信号采集系统中，一般情况下车流量数据由终端节点采集得到后先传送至路由器节点再由路由器节点传输至协调器节点，实际实施过程中，当终端节点与协调器节点的距离没有超出ZigBee的通信范围时，两者可以直接通信。

基于ZigBee的智能交通信号采集系统中三种ZigBee节点：终端节点、路由器节点和协调器节点，均包括ZigBee基本单元和相应的功能模块，ZigBee基本单元实现数据信息的接收发送。终端节点的任务是采集车流量信息，所以由ZigBee基本单元和磁阻传感器模块构成；路由器节点的任务是转发数据，只需ZigBee基本单元；协调器节点的任务是收集数据后利用串口将数据信息传输到主控中心，所以由ZigBee基本单元和串口模块组成。基于ZigBee技术的智能交通信号采集系统的整体结构如图2所示。

图2 基于ZigBee的智能交通信号采集系统整体结构框图

2 系统关键技术

2.1 ZigBee技术简介

ZigBee是新兴的无线传感网络（WSN）无线通信技术，最大的优势就是功耗很低，组网能力强，最适合用在自动控制领域。ZigBee技术使用2.4GHz波段，采用跳频技术和扩频技术，其基础是IEEE802.15.4标准，故被称作IEEE802.15.4（ZigBee）技术标准。一个ZigBee主节点能联结254个子节点，一个ZigBee网络最多包括65000个节点。当前，ZigBee技术因其自身的优点应用于各个领域，包括：军事侦察、环境监测、医疗健康监测、建筑物监安全测、智能家居、智能交通、城市管理、工农业自动化生产等。

ZigBee具有以下几个特点。

1）工作频段灵活

2.4GHz是我国ZigBee无线通信使用的频段，具有250kb/s的传输速率，可免费使用。此外，ZigBee无线通信频段的变换也不用注册直接能使用，而且不同的ZigBee网络被允许在同一个区域共同存在，还不会互相干扰。

2）对MCU的资源要求低

ZigBee技术的协议简单，对MCU资源要求较低，因此常用于成本较低的场合。

3）数据传输安全可靠

ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用 ACL（Access Contorl List）即接入控制清单以防止非法获取数据、采用AES-28（高级加密标准）的对称密码，从而使其安全属性可以灵活确定。

4）功耗低

ZigBee只有1mW的发射功率，工作在休眠的低功耗待电模式时，2节普通5号干电池就可以支持一个节点工作半年到两年，甚至更长时间。这是ZigBee最突出的优势。

5）网络结构灵活、高容量

ZigBee可以采用星状、片状、网状等网络结构。一个主节点管理若干子节点，节点之间可以接力，最多可组成65000个节点的大网［4］。

ZigBee协议栈的结构图，如图3所示。

图3 ZigBee协议栈结构

2.2 ZigBee与其它无线通信技术的比较

当前，应用于无线传感网络的无线通信技术主要有：ZigBee技术、WiFi技术（无线局域网）、Bluetooth技术（蓝牙）等。表1为这三种无线典型无线通信技术的对比。可以看出，应用较成熟的WiFi技术具有使用灵活、网络速度快等优点，但缺点是成本髙、功耗大；Bluetooth技术成本低、使用便捷，但协议栈复杂、安全性低；新兴ZigBee通信技术节点容量大、带宽小、功耗极低、寿命长、成本低。通过对比，WiFi技术适用于组建无线局域网络等对带宽要求很高的领域；Bluetooth技术适用于手机语音、耳机业务等音频、视频文件传输和数字交互式娱乐应用场合；ZigBee技术更适合应用在监测或控制等领域，如环境监测、工业自动化控制等大规模网络、数据业务量较小、实时性强的应用场合。目前，ZigBee技术是多数研究者普遍认为的最适合无线传感网络的无线通信技术。

在本文研究的基于ZigBee的智能交通信号采集系统中，众多交叉路口需要大量的无线传感网络节点，这些节点由电池供电，需要在低功耗模式时处于休眠状态，以节省电池电量。因此，从以上三种典型无线通信技术比较来看，ZigBee技术低成本、低功耗、低速率、短距离的特点非常符合本系统的要求。采用ZigBee技术设计智能交通信号采集系统有很多优势：一是提高交通信号采集系统无线传感网络通信的可靠性，ZigBee技术提高通信可靠性的措施有很多，比如，16位的循环冗余校验可保证数据传输准确无误；二是降低系统功耗，ZigBee电路在收发数据时最大工作电流不足60mA，ZigBee电路休眠时基本上不消耗能量；三是ZigBee无线传感网络容量大，更重要的是具有相当强的组网能力，网络维护方便，当替换故障节点和增加节点时，只需要把新的节点安装在需要的位置即可。故本系统选用ZigBee技术作为无线通信方式。

3 基于ZigBee的智能交通信号采集系统硬件设计

基于ZigBee的智能交通信号采集系统硬件设计主要包括ZigBee基本单元的设计和各个功能模块的设计，三种节点的ZigBee基本单元相同，功能模块则为：终端节点有传感器模块；协调器节点有串口通信模块［2，5］。

3.1 ZigBee基本单元

本文设计的基于ZigBee的智能交通信号采集系统中选择CC2530作为ZigBee无线传感器节点的核心控制模块。CC2530是TI（德州仪器）新一代SOC，兼容IEEE 802.15.4，是高集成度、高性价比的ZigBee解决方案［5］。与上一代SOC射频芯片CC2430相比，CC2530在很多方面有非常大的提升，例如：功耗更低、抑制射频噪声能力更强、ESD防护能力更强、地址识别能力更强、强大的数据包处理引擎、更小的封装等方面。所以，在本系统中，采用CC2530作为ZigBee模块。

利用CC2530芯片设计的ZigBee基本单元电路如图4所示。

图4中，ZigBee基本单元有低速和高速两个晶振。当处理器收发数据时使用CC2530芯片的第22引脚和第23引脚连接的32MHz的高速晶振电路；当处理器处于休眠状态时使用的是CC2530第32引脚和第33引脚连接的32.768KHz低速晶振电路，实现很低的功耗。

表1 典型无线通信技术的特点

图4 基于CC2530的ZigBee基本单元电路

CC2530芯片第25引脚和第26引脚分别是RF_P和RF_N功能引脚，作为天线匹配电路连接端，收发差分信号。

若ZigBee节点为终端节点时，CC2530芯片的P1_2和P1_3分别作为I2C_SDA和I2C_SCL功能引脚，连接磁阻传感器模块，通过I2C总线实现磁阻传感器与CC2530的数据交换；若ZigBee节点为协调器节点时，CC2530芯片的P0_2和P0_3引脚分别作为RX和TX功能引脚，连接串口通信模块，以实现将采集到的车流量信息通过串口传输到主控中心。

图5为ZigBee模块的电源电路。CC2530芯片的工作电压为3.3V，图5中，3.3V电源电路由两个LM317三端集成稳压器及其外围电路将12V电压转换为3.3V电压输出。

图5 3.3V电源电路

3.2 传感器模块

终端节点除了ZigBee基本单元外还有传感器模块，如图6所示。本系统选用HMC5883L三轴磁阻传感器［6］，该磁阻传感器基于磁阻效应原理，当车辆通过路口时，会对地面磁场产生扰动，地面磁场的方向和大小就通过各向异性磁阻技术测量出来，进而检测出车辆是否存在。该传感器功耗极低，仅 100uA，工作电压为 2.16V-3.6V，HMC5883L内部集成I2C总线接口，SCL是该模块I2C接口的时钟引脚，SDA是该模块I2C接口的数据引脚，这两个引脚分别连接CC2530的P1_2和P1_3引脚。HMC5883L磁阻传感器与CC2530的数据通信和配置可通过I2C总线进行。

图6 传感器模块电路图

图7 串口模块电路图

3.3 串口通信模块

协调器节点除了ZigBee基本单元外还有串口通信模块，如图7所示。串口通信模块的作用是实现协调器节点与主控中心之间的通信。图7中串口芯片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。

4 基于ZigBee的智能交通信号采集系统软件设计

基于ZigBee的智能交通信号采集系统的软件设计主要是三种ZigBee节点的软件开发，包括协调器节点程序流程设计、路由器节点程序流程设计和终端节点程序流程设计［7］。三种ZigBee节点的软件开发基于Z-Stack协议栈进行，选用C语言进行程序设计。

4.1 终端节点软件设计

终端节点由ZigBee基本单元和磁阻传感器HMC5883L组成，其作用是采集交叉路口车流量信息后，将采集到的数据信息传送至路由器或协调器节点。上电后，先初始化，主要针对协议栈和磁阻传感器进行初始化；然后开始检测有无网络若有网络就自动加入网络；之后启动磁阻传感器检测车流量信息，并把检测所得数据信息发送至上层路由器或协调器节点。终端节点的程序流程如图8所示，其中采集车流量信息使用了定时休眠唤醒机制，目的是降低功耗。

图8 终端节点程序流程图

4.2 路由器节点软件设计

路由器节点仅包含Zig Bee基本单元，其作用是转发数据，将终端节点采集的车流量信息数据转发至协调器。上电后，先初始化，再检测网络是否存在若有网络就加入网络，然后开始持续检测有没有数据传过来，若有数据传来，就接收数据并发送至协调器节点。路由器节点要一直持续检测是否收到终端节点传来的数据，一收到数据就转发至协调器节点，所以不能休眠。路由节点的程序流程如图9所示。

4.3 协调器节点软件设计

协调器节点在交通信号采集系统的ZigBee网络中只有一个，它由ZigBee基本单元和串口通信模块组成。该节点的作用至关重要，它不但要承担建立网络和控制其它节点加入网络的任务，还要把路由器转发过来的数据信息经串口传输到主控中心。协调器节点上电后，首先初始化，然后组建ZigBee网络，之后就进入无线扫描侦听状态，若有其它节点请求入网就为其分配网络地址同意其入网请求，若收到数据就调用串口发送函数将数据信息发送至主控中心。协调器节点程序流程如图10所示。

图9 路由器节点工作流程图

图10 路由器节点工作流程图

5 系统测试分析

本系统的测试主要进行ZigBee网络的通信功能测试。选取1个终端节点和1个协调器节点，ZigBee节点采用电池供电。终端节点每隔500ms发送字符串“EndDevice1 Send：0X01020304050 6070809ABCDEF ”至协调器节点，该测试字符串为45字节，持续发送1分钟，一共发送5400字节。经过测试，1分钟内协调器节点收到数据共有5400字节，无丢包现象。测试结果表明，该系统ZigBee无线网络通信功能正常，信息传输稳定、可靠。在该交通信号采集系统中，设置终端节点定时检测车辆采集数据，根据测试结果可知500ms内无丢包，故基本能满足系统实际需求。关于系统的监测精度等性能指标还需要进一步的研究验证。

6 结语

智能交通信号控制系统可以实时了解路口的交通状况并能根据实际情况控制交通信号灯，提高路口车辆通行效率，有效缓解交通拥堵，提高交通效益，减少环境污染。本文从硬件和软件两个方面对智能交通信号控制系统的重要组成部分——交通信号采集系统进行了设计，利用磁阻传感器基于ZigBee无线传感网络技术采集交叉路口车辆信息，并传输给主控中心进而实现交通信号灯的智能控制。系统测试结果表明，该系统Zig⁃Bee无线网络通信功能正常，数据传输稳定、可靠。本文设计的基于ZigBee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，为交通信号灯的智能化控制提供了一定的技术支撑。