車載交通信號燈狀態(tài)采集和顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉恒源　彭衛(wèi)青　裴博　肖建利　張目雷　王法社

【摘 要】本設(shè)計(jì)為車載信號燈狀態(tài)采集和顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)由交通燈控制模塊、Zigbee協(xié)調(diào)器模塊，Zigbee終端等模塊構(gòu)成。交通燈模塊通過串口將信號燈狀態(tài)信息傳送到協(xié)調(diào)器，利用Zigbee無線通信技術(shù)將信號燈狀態(tài)信息發(fā)送給終端并顯示。利用CC2530及外圍接口搭建硬件，Z-stack協(xié)議棧編寫底層軟件。測試結(jié)果表明：該系統(tǒng)能及時(shí)、準(zhǔn)確的采集、顯示交通燈狀態(tài)信息。

【關(guān)鍵詞】交通信號燈;無線通信;Zigbee技術(shù)

中國分類號：U495 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號： 2095-2457（2019）05-0061-003

0 引言

隨著汽車的逐漸普及，城市交通安全和路口通行效率等問題日益突出。如何抑制交通事故的上升趨勢，成為當(dāng)今智能交通[1-3]系統(tǒng)的主要研究方向，針對惡劣天氣（大雨、大霧、強(qiáng)光環(huán)境）以及有阻擋物使汽車駕駛員無法準(zhǔn)確觀察和判斷交通信號燈的問題，交通燈狀態(tài)信息采集是關(guān)鍵。電子信息技術(shù)的進(jìn)步加速了智能系統(tǒng)的研發(fā)進(jìn)程。但由于交通場景復(fù)雜，且各國標(biāo)準(zhǔn)的不一，導(dǎo)致至今仍然沒有一種行之有效的交通燈信息采集和狀態(tài)顯示系統(tǒng)。本文設(shè)計(jì)了一種車載交通燈信息采集和顯示系統(tǒng)，不但能夠給駕駛者提供交通燈狀態(tài)的時(shí)間信息，駕駛者能對交通狀態(tài)做出預(yù)判，能有效地降低路口交通事故發(fā)生率，同時(shí)為當(dāng)前日益發(fā)展的智能交通和智能車輛交通燈信息采集提供一種解決方案。

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

基于Zigbee的車載交通信號燈狀態(tài)采集和顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)，它是由交通燈控制模塊、無線通信及顯示模塊構(gòu)成，它可以實(shí)現(xiàn)將交通信號燈所傳達(dá)的視覺信息通過無線的方式傳達(dá)給車內(nèi)的駕駛員。

圖1中，ZigBee協(xié)調(diào)器模塊與ZigBee接收終端模塊主要是由CC2530芯片組成。其中，協(xié)調(diào)器模塊與交通燈控制模塊通過UART串口相連，協(xié)調(diào)器模塊主要是負(fù)責(zé)建立協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)獲取信號燈的狀態(tài)信息，并允許設(shè)備加入到網(wǎng)絡(luò)中;接收終端模塊與車內(nèi)的顯示模塊相連，接收終端模塊是將獲取的信息狀態(tài)傳輸給顯示模塊。ZigBee協(xié)調(diào)器模塊與ZigBee接收終端模塊共同組成了無線通信網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)交通燈信號的實(shí)時(shí)傳輸。當(dāng)車輛進(jìn)入到信號發(fā)射半徑內(nèi)時(shí)，由ZigBee特有的自組網(wǎng)功能，ZigBee接收終端模塊會(huì)自動(dòng)作為終端節(jié)點(diǎn)加入到網(wǎng)絡(luò)中，由此獲取交通燈的狀態(tài)。通過基于ZigBee技術(shù)的車載交通信號燈狀態(tài)采集和顯示系統(tǒng)，能夠體現(xiàn)出其信息傳輸?shù)臅r(shí)效性。

2 硬件設(shè)計(jì)

此系統(tǒng)屬于傳輸?shù)脑敿?xì)內(nèi)容為：交通燈控制模塊控制的交通燈周期性變化，然后又由協(xié)調(diào)器模塊通過串口接收來自交通燈周期性變化的信息，接著協(xié)調(diào)器模塊會(huì)將信息通過網(wǎng)絡(luò)傳達(dá)給接收終端模塊，最后接收終端模塊會(huì)將收集到的信息處理后由車載顯示模塊顯示出來。

2.1 發(fā)送端設(shè)計(jì)

發(fā)送端硬件設(shè)計(jì)主要由電源模塊、交通燈控制模塊、協(xié)調(diào)器模塊和指示燈組成，如圖2所示。電源模塊為交通燈控制模塊和CC2530提供3.3V電源，交通燈模塊和ZIgBee協(xié)調(diào)器模塊通過USART串口相連，ZigBee節(jié)點(diǎn)的作用是獲取交通燈信息，自組織網(wǎng)絡(luò)并把信息發(fā)到自組織網(wǎng)絡(luò)中，指示燈模塊顯示為了顯示節(jié)點(diǎn)以及網(wǎng)絡(luò)的連接。

2.2 接收端設(shè)計(jì)

接收端設(shè)計(jì)如圖3所示電源模塊由汽車供電，通過電壓轉(zhuǎn)換為接收終端模塊和顯示模塊供電，LED指示是用來顯示終加入網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)，顯示模塊模擬交通燈的狀態(tài)和時(shí)間顯示。

3 軟件設(shè)計(jì)

ZigBee網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由物理層（PHY）、MAC層、網(wǎng)絡(luò)層（NWK）、應(yīng)用程序支持子層（APS）、應(yīng)用層（APL）組成，其中前兩層（PHY和MAC）由IEEE802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)定義[1-2]。后三層則由ZigBee聯(lián)盟定義。物理層定義了物理無線信道，工作頻段的分配，為MAC層提供數(shù)據(jù)服務(wù)和管理服務(wù)。MAC層負(fù)責(zé)處理所有的物理無線信道訪問，由此并產(chǎn)生網(wǎng)絡(luò)信號、同步信號;支持PAN連接和分離，提供兩個(gè)MAC實(shí)體之間可靠的鏈路。在以上基礎(chǔ)上定義了網(wǎng)絡(luò)層（NWK）和應(yīng)用層（ APL）架構(gòu)。在應(yīng)用層內(nèi)提供了應(yīng)用支持子層（APS）和ZigBee設(shè)備對象（ZDO），應(yīng)用框架中則加入了自定義的應(yīng)用對象。具有Z-Stack協(xié)議棧系統(tǒng)的CC2530設(shè)備在通電后會(huì)形成自組網(wǎng)絡(luò)[3-4]。其中ZigBee協(xié)調(diào)器模塊、終端路由設(shè)備均進(jìn)行Z-Stack協(xié)議棧移植。Zsatck協(xié)議棧包含了Zigbee協(xié)議所規(guī)定的基本功能，這些功能大部分是通過函數(shù)的形式（即模塊化）實(shí)現(xiàn)的。為了便于管理這些函數(shù)集，Zstack協(xié)議棧中加入了實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，稱為OSAL[5-7]（Operating System Abstraction Layer，操作系統(tǒng)抽象層）。

3.1 協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器模塊主要功能是建立網(wǎng)絡(luò)且允許其它的節(jié)點(diǎn)加入到該網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)還可以和交通信燈控制模塊通過串口完成信息傳送，并把交通燈狀態(tài)信息發(fā)送出去。這部分的軟件實(shí)現(xiàn)主要包括各層的初始化設(shè)備、協(xié)調(diào)器的自組網(wǎng)、節(jié)點(diǎn)的入網(wǎng)申請、串口的初始化、數(shù)據(jù)信息的處理和發(fā)送等。

Stack由 main（）函數(shù)開始執(zhí)行，main（）函數(shù)有兩個(gè)作用：一是系統(tǒng)初始化，二是開始執(zhí)行輪轉(zhuǎn)查詢式操作系統(tǒng)，進(jìn)入Osal_init_system（）函數(shù)，執(zhí)行操作系統(tǒng)初始化，進(jìn)入osalInitTasks（）函數(shù)，執(zhí)行操作系統(tǒng)任務(wù)初始化，Zigbee網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的啟動(dòng)是通過ZDApp_Init（）函數(shù)來實(shí)現(xiàn)的，ZDApp_Init（）函數(shù)在ZDApp.c中定義。SampleApp.c中SampleApp_Init（）函數(shù)是任務(wù)初始化函數(shù)。在移植過程中，修改SampleApp_ProcessEvemt（ ）函數(shù)，實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)器網(wǎng)絡(luò)建立后點(diǎn)亮LED，通過MT_UartInit（），MT_UartTaskID（） 對串 口 部 分 進(jìn)行初始化[5-7]。

修改的就是波特率和流控制，波特率要修改和配置成115200，和連接串口的上位機(jī)保持一致，在SampleApp_Init（uint8 task_id）函數(shù)調(diào)用配置好的MT_UartInit （）函數(shù);然后登記任務(wù)號。在協(xié)議棧的無線數(shù)據(jù)處理部分添加串口信號互相轉(zhuǎn)換的處理函數(shù)，通過調(diào)用串口回調(diào)函數(shù) SerialApp_CallBack（）查詢串口內(nèi)容，一旦收到數(shù)據(jù)，則調(diào)用 HalUARTRead （）將數(shù)據(jù)讀至緩沖區(qū) Buffer 并調(diào)用串口發(fā)送 SerialApp_Send（）函數(shù)。在 SerialApp_Send（）中使用函數(shù) AF_DataRequest（）把數(shù)據(jù)發(fā)送出去。

3.2 終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

工作在路由器模式的終端節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)搜尋附近的網(wǎng)絡(luò)并申請加入。終端節(jié)點(diǎn)自動(dòng)加入網(wǎng)絡(luò)，再發(fā)出綁定請求，若無網(wǎng)絡(luò)連接或節(jié)點(diǎn)無應(yīng)答，終端的節(jié)點(diǎn)再次進(jìn)行發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和綁定過兩個(gè)過程。當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)接收到的數(shù)據(jù)后，ZigBee 協(xié)議棧的應(yīng)用層會(huì)接收AF_INCOMING_MSG_CMD 消息，隨后調(diào)用 SerialApp_ProcessMSGCmd（ MSGpkt ）函數(shù)進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理，修改SampleApp_MessageMSGCB（ ）函數(shù)實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的處理，并把交通燈狀態(tài)的信息通過顯示模塊顯示信號燈狀態(tài)和時(shí)間。

4 硬件測試

經(jīng)過軟件設(shè)計(jì)，通過CC2530芯片組成的系統(tǒng)，模擬當(dāng)車輛通過交通信號燈時(shí)，先允許其加入當(dāng)前路口的ZigBee信號網(wǎng)絡(luò)，模擬當(dāng)前所交通信號信息接收的情景。在模擬測試中，用CC2530芯片組成的系統(tǒng)板作為協(xié)調(diào)器，模擬路口交通燈信號的發(fā)射，另一塊作為路由器，在車輛上進(jìn)行模擬信號的接收模塊，最后由顯示模塊進(jìn)行顯示當(dāng)前信息。

5 結(jié)束語

本文將提出的基于ZigBee的車載交通信號燈狀態(tài)采集和顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)，硬件利用51單片機(jī)設(shè)計(jì)了交通燈模塊，采用CC2530設(shè)計(jì)了協(xié)調(diào)器模塊發(fā)送和接收信號，通過顯示模塊顯示交通燈信息，軟件上以Z-Stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)進(jìn)行移植。并對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，此系統(tǒng)可以辨識(shí)交通信號燈，并將信號實(shí)時(shí)傳輸，且受外界干擾較小，能有效地在環(huán)境惡劣情況下準(zhǔn)確及時(shí)的將信號燈的狀態(tài)信息傳遞給駕駛員，為智能交通和智能車輛交通燈信息采集提供一種解決方案。

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