基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的交通信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)①

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(1.安徽機(jī)電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽工程大學(xué)電氣工程學(xué)院，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

目前，交通信息采集系統(tǒng)是資本和企業(yè)追逐的熱點(diǎn)。但要真正實(shí)現(xiàn)全面的交通信息采集，需要通過(guò)完整的智能交通系統(tǒng)，包括車流量檢測(cè)、天氣狀況檢測(cè)等。近年來(lái)，經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，人們收入的逐步提高，導(dǎo)致家庭車輛的擁有率迅速提升，這就大大增加了交通的壓力。雖然很多城市不斷的增加高架、高鐵、地鐵等建設(shè)，但是其增長(zhǎng)率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于車輛提升的速率，并且也成為了城市交通的主要矛盾。

車流量的迅速增長(zhǎng)同時(shí)也伴隨著交通事故的相繼發(fā)生，降低事故的發(fā)生便成為一大難題，分析事故發(fā)生的種種因素，路面狀況和霧霾因素常常容易被人們忽視，道路結(jié)冰引發(fā)交通事故據(jù)統(tǒng)計(jì)2013年僅在首都北京就有2000余起，因霧霾引起的交通事故亦是如此。那么重視其中的兩個(gè)突出因素尤為重要；與此同時(shí)，交通車流量的實(shí)時(shí)信息也有著不可忽視的地位，它不僅為交通控制方式的選擇提供可靠的信息，而且反映出路況信息，因此，基于以上我國(guó)交通的狀況，設(shè)計(jì)一種及時(shí)、高效的交通信息系統(tǒng)是非常有必要的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案

交通信息采集系統(tǒng)主要由終端數(shù)據(jù)采集模塊、路由器模塊、協(xié)調(diào)器模塊以及監(jiān)控中心組成，其原理框架如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要是對(duì)交通的溫度、濕度和車流量數(shù)據(jù)的采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線傳輸?shù)姆绞絺鬏斀o路由器，利用路由器的中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，監(jiān)控主機(jī)經(jīng)過(guò)串口接受協(xié)調(diào)器傳來(lái)的數(shù)據(jù)，當(dāng)檢測(cè)到溫度過(guò)低(小于等于0℃)、濕度過(guò)高(大于等于80%RH)或者車流量非常稀少時(shí)(甚至是0V/h,夜間除外)，這時(shí)便會(huì)發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

圖1 交通信息采集系統(tǒng)框架圖

1.1 ZigBee結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

ZigBee技術(shù)是一種無(wú)線通信技術(shù)，主要包括低功耗、較遠(yuǎn)距離傳輸、低速率、性價(jià)比高等特點(diǎn)。主要有三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，依次為：星型結(jié)構(gòu)、樹型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

星型結(jié)構(gòu)主要是以一個(gè)協(xié)調(diào)器為中心，多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)與之相互通信，適合在家庭此類小范圍內(nèi)使用；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)最重要的特點(diǎn)是對(duì)于每個(gè)節(jié)點(diǎn)來(lái)說(shuō)通信都是對(duì)等的，任何一個(gè)節(jié)點(diǎn)都可以與其它的節(jié)點(diǎn)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)路徑來(lái)進(jìn)行通信，但是它需要很多節(jié)點(diǎn)，建立比較復(fù)雜，適用于大型網(wǎng)絡(luò)；樹型結(jié)構(gòu)主要是以一個(gè)協(xié)調(diào)器為中心，多個(gè)星型網(wǎng)絡(luò)與之相通信所構(gòu)成，適用于一些較大規(guī)模但又無(wú)需大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)沫h(huán)境。與星型結(jié)構(gòu)組成的網(wǎng)絡(luò)相比，樹型網(wǎng)絡(luò)具有較大通信范圍和數(shù)據(jù)傳輸量，與網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)相比，樹型網(wǎng)絡(luò)所占有的存儲(chǔ)空間相對(duì)較少并且較為簡(jiǎn)單，因此系統(tǒng)采用樹型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 終端節(jié)點(diǎn)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中，終端節(jié)點(diǎn)主要安裝在各個(gè)交通路口，主要進(jìn)行環(huán)境溫度、濕度的采集以及各個(gè)路口車流量的采集，并且將數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器以及接受協(xié)調(diào)器發(fā)來(lái)的指令，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)中的LED燈來(lái)指示網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，當(dāng)LED不停閃爍時(shí)表示正在等待加入網(wǎng)絡(luò)，一旦LED變?yōu)槌Ａ羷t表示已經(jīng)加入網(wǎng)絡(luò)。溫濕度傳感器采用DHT11傳感器，具有性價(jià)比高、響應(yīng)速度快等特點(diǎn)，適用于長(zhǎng)期使用的環(huán)境；車流量檢測(cè)主要采用霍尼韋爾HMC1512型號(hào)磁阻傳感器，通過(guò)霍尼韋爾磁場(chǎng)傳感器與磁力計(jì)相結(jié)合，具有很高的精度。終端節(jié)點(diǎn)主要有傳感器模塊、ZigBee無(wú)線收發(fā)模塊等，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 遠(yuǎn)距離無(wú)線傳輸模塊的設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式是采用有線傳輸，由于自然因素的影響易出現(xiàn)故障、老化等現(xiàn)象，因此未能得到廣泛使用。因此，系統(tǒng)中采用德州儀器研發(fā)的CC2530芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)的無(wú)線傳輸，該芯片主要是由增強(qiáng)型8051微處理器以及ZigBee射頻芯片組成。其相對(duì)之前傳統(tǒng)的傳輸方式，不但增加了傳輸?shù)木嚯x，而且減小了功耗與體積。

考慮到路口彼此之間距離存在差異性，為增強(qiáng)遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸能力，減少甚至避免傳輸中數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，系統(tǒng)中增加了同為德州儀器生產(chǎn)的無(wú)線遠(yuǎn)距離信號(hào)增強(qiáng)模塊CC2592，它能夠使CC2530的輸出功率從4.5dBm增強(qiáng)到22dBm，大大增加了傳輸距離。CC2530與CC2592連接的遠(yuǎn)距離無(wú)線擴(kuò)展模塊原理圖如圖4所示：

圖4 遠(yuǎn)距離無(wú)線擴(kuò)展模塊原理圖

2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)是整個(gè)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的核心，主要進(jìn)行整個(gè)系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的建立、負(fù)責(zé)將終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)牟杉瘮?shù)據(jù)通過(guò)串口RS-485傳輸給上位機(jī)以及對(duì)終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制，并通過(guò)節(jié)點(diǎn)中的LED燈來(lái)指示網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)，當(dāng)LED常亮?xí)r表示無(wú)線網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)建立，一旦LED變?yōu)椴煌ｉW爍時(shí)則表示有節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示：

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要包括溫濕度及車流量數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器模塊。

3.1 溫濕度及車流量采集模塊軟件設(shè)計(jì)

溫濕度及車流量數(shù)據(jù)采集模塊主要進(jìn)行各個(gè)路口溫度、濕度以及路口車流量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集，并通過(guò)請(qǐng)求加入?yún)f(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)的形式將數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器，與此同時(shí)，實(shí)時(shí)更新等待協(xié)調(diào)器的指令，以下流程圖的設(shè)計(jì)以某市中心地段一個(gè)十字路口為樣本。

當(dāng)各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)在上電后，首先進(jìn)行模塊的軟硬件初始化，然后實(shí)時(shí)掃描網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)通道請(qǐng)求加入由協(xié)調(diào)器所構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)，在協(xié)調(diào)器響應(yīng)節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求時(shí)，將采集到溫濕度以及車流量數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器。溫濕度及車流量數(shù)據(jù)采集模塊流程圖如圖6所示。

圖6 氣體濃度采集模塊流程圖

3.2 無(wú)線協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

無(wú)線協(xié)調(diào)器主要是構(gòu)建整個(gè)系統(tǒng)的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，在協(xié)調(diào)器上電后，同樣進(jìn)行系統(tǒng)軟硬件初始化，并構(gòu)建無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)節(jié)點(diǎn)請(qǐng)求加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)，將對(duì)其進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)地址的分配，最后通過(guò)串口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機(jī)。其無(wú)線協(xié)調(diào)器模塊流程圖如圖7所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

系統(tǒng)設(shè)計(jì)完畢后，在實(shí)驗(yàn)室條件允許情況下運(yùn)行了實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)以某市一個(gè)十字路口為檢測(cè)樣本，檢測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)matlab仿真實(shí)現(xiàn)，具體見圖8和圖9。

由圖8為溫濕度的檢測(cè)數(shù)據(jù)仿真圖，不難看出濕度較大的是94%RH，對(duì)應(yīng)所測(cè)出的車流量為圖8紅色曲線；同樣，溫度所影響車流量為藍(lán)色曲線，較明顯的是在冬季，通過(guò)圖9的三條曲線對(duì)比可知，溫濕度對(duì)車流量的影響比較大的，因此，分析數(shù)據(jù)應(yīng)及時(shí)通知相關(guān)人員采取相應(yīng)的措施來(lái)疏通交通流量，從而避免交通堵塞，減少道路占有率和事故的發(fā)生。

圖7 無(wú)線協(xié)調(diào)器模塊流程圖

圖8 溫濕度的仿真圖

圖9 不同條件下車流量的對(duì)比仿真圖

5 總 結(jié)

基于ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的交通信息采集系統(tǒng)，利用CC2530單片機(jī)與射頻前端CC2592相結(jié)合，通過(guò)建立較為可靠的樹形無(wú)線傳感網(wǎng)路，對(duì)車流量以及溫濕度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，提高了傳輸距離，增大了無(wú)線傳輸?shù)姆秶?，從而可以根?jù)交通信息的變化對(duì)突發(fā)事件進(jìn)行及時(shí)的處理。方案進(jìn)一步完善了交通信息采集系統(tǒng)，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、傳輸距離更遠(yuǎn)、穩(wěn)定性好以及成本低等特點(diǎn)，使其在交通系統(tǒng)等領(lǐng)域具有很高的使用和市場(chǎng)價(jià)值。

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