基于ZigBee技術(shù)的交通信號(hào)燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和應(yīng)用分析

孫樂(lè)樂(lè)

（上海久攬視訊科技有限公司，上海 200940）

1 前言

近年來(lái)，我國(guó)城鎮(zhèn)道路建設(shè)蓬勃發(fā)展，全國(guó)各地區(qū)交通信號(hào)燈安裝規(guī)模不斷擴(kuò)大，其中相當(dāng)一部分交通信號(hào)燈，因?yàn)樵O(shè)備老舊、線路老化，經(jīng)常出現(xiàn)信號(hào)燈意外熄滅或錯(cuò)跳，對(duì)行人和機(jī)動(dòng)車的正常行駛造成重大威脅，極易引發(fā)傷亡事故。

目前，全國(guó)各信號(hào)燈管養(yǎng)單位為了防止信號(hào)燈失靈引發(fā)事故，尤其是人員傷亡事故，多采取定期或不定期地組織維護(hù)人員對(duì)轄區(qū)內(nèi)的信號(hào)燈及線路作隱患排查，24小時(shí)值班接聽(tīng)群眾投訴電話以及組織巡查人員上路巡視等制度。盡管采取了各種防范措施，但是，我們遺憾地看到因?yàn)樾盘?hào)燈故障導(dǎo)致的交通意外事件依然時(shí)有發(fā)生。

針對(duì)目前全國(guó)交通信號(hào)燈運(yùn)維監(jiān)測(cè)的局限性，本文思考一種基于ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的交通信號(hào)燈故障監(jiān)測(cè)解決方案。在此基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了交通信號(hào)燈遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由信號(hào)燈監(jiān)測(cè)終端和集中器組成。巡檢人員只需通過(guò)監(jiān)控中心原有的主控電腦上的上位機(jī)軟件就可以不親臨現(xiàn)場(chǎng)了解到每臺(tái)信號(hào)燈的實(shí)時(shí)工作狀態(tài)信息。當(dāng)信號(hào)燈出現(xiàn)故障時(shí)，系統(tǒng)會(huì)采集實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和故障信息，并及時(shí)報(bào)警至監(jiān)控中心，協(xié)助監(jiān)控中心準(zhǔn)確定位故障地點(diǎn)并及時(shí)處理，真正地實(shí)現(xiàn)了信號(hào)燈故障遠(yuǎn)程在線監(jiān)測(cè)。

2 設(shè)計(jì)思路

首先需要研究ZigBee技術(shù)標(biāo)準(zhǔn),重點(diǎn)分析組網(wǎng)流程，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)節(jié)點(diǎn)的實(shí)際情況,設(shè)計(jì)滿足低功耗、低成本、高穩(wěn)定性的系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)。由于ZigBee技術(shù)具有低成本、低功耗、低數(shù)據(jù)傳輸速率、采用多跳網(wǎng)絡(luò)通訊可延長(zhǎng)通訊距離、采用加密算法可提高AES-128安全可靠等優(yōu)點(diǎn)而得以廣泛應(yīng)用。這種無(wú)需基礎(chǔ)支撐的無(wú)線局域網(wǎng)，其對(duì)構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)本身的節(jié)點(diǎn)數(shù)量沒(méi)有強(qiáng)制要求，任意一個(gè)或多個(gè)ZigBee節(jié)點(diǎn)都可以隨時(shí)構(gòu)建無(wú)線通訊鏈路。每一個(gè)網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器隨時(shí)保持監(jiān)聽(tīng)狀態(tài)，新添加的監(jiān)測(cè)終端會(huì)被網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)捕捉到，新添加的節(jié)點(diǎn)信息會(huì)沿父節(jié)點(diǎn)鏈路發(fā)送給協(xié)調(diào)器，由協(xié)調(diào)器自動(dòng)分配網(wǎng)絡(luò)地址，并保存該新添加節(jié)點(diǎn)的鏈路信息，同時(shí)還會(huì)及時(shí)刷新通信鏈路的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)表和所屬的設(shè)備關(guān)聯(lián)表。因此需要研究各個(gè)監(jiān)測(cè)終端（router）和協(xié)調(diào)器（Coordinator）之間的通信協(xié)議，建立一個(gè)通信規(guī)約。

2．1 總體架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)分為3個(gè)部分：

（1）系統(tǒng)下層：基于ZigBee網(wǎng)絡(luò)的交通信號(hào)燈監(jiān)測(cè)終端，該單元由一個(gè)協(xié)調(diào)器（Coordinator）和多個(gè)監(jiān)測(cè)終端（router）組成。監(jiān)測(cè)終端負(fù)責(zé)采集交通信號(hào)燈實(shí)時(shí)電壓和電流模擬量，在市電輸入電壓低于正常范圍（220V±15%）和電流小于正常工作范圍時(shí)（500mA～1A）主動(dòng)報(bào)警。協(xié)調(diào)器負(fù)責(zé)和支路控制器通信，將監(jiān)測(cè)終端（router）上報(bào)的信息反饋給監(jiān)控中心。

（2）系統(tǒng)中間層：信號(hào)燈協(xié)調(diào)器（Coordinator），擁有遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通信、控制執(zhí)行上位機(jī)命令、負(fù)責(zé)本地網(wǎng)絡(luò)組建等功能。主要負(fù)責(zé)本地各類數(shù)據(jù)（如電纜運(yùn)行狀態(tài)信息、故障報(bào)警信息等）的采集和對(duì)上位機(jī)控制指令的執(zhí)行。同時(shí)可通過(guò)4G/5G網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心通信。

（3）系統(tǒng)上層：信號(hào)燈管理單位安裝的監(jiān)控中心，監(jiān)控中心通過(guò)對(duì)協(xié)調(diào)器的控制，實(shí)現(xiàn)燈具的訪問(wèn)和控制，包括開(kāi)關(guān)配電柜交流接觸器、運(yùn)行參數(shù)的配置、實(shí)時(shí)狀態(tài)查詢、故障報(bào)警等。監(jiān)控中心具有集中處理協(xié)調(diào)器反饋信息的功能。

2．2 網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?/h3>

ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)技術(shù)主要是應(yīng)用在數(shù)據(jù)傳輸量小，數(shù)據(jù)傳輸速率慢，數(shù)據(jù)傳輸距離短特定場(chǎng)景。

本設(shè)計(jì)選擇ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)的原因如下：

（1）ZigBee網(wǎng)絡(luò)擁有良好的健壯性。ZigBee技術(shù)支持多頻段多跳自主網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)有新節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)或者原節(jié)點(diǎn)掉線退出網(wǎng)絡(luò)的時(shí)候，其余ZigBee節(jié)點(diǎn)都可以自行尋找是否存在其他的ZigBee節(jié)點(diǎn)作為通信路由，在部分節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，依然可以保證健康節(jié)點(diǎn)的正常通信。

（2）建設(shè)成本具有明顯優(yōu)勢(shì)。自2003年起，許多設(shè)備生產(chǎn)商都正式推出了自己的ZigBee芯片，市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，相比無(wú)線藍(lán)牙等通信模塊而言各種ZigBee無(wú)線傳感芯片更具備價(jià)格上的優(yōu)勢(shì)。

（3）支持休眠模式，節(jié)能環(huán)保。在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中，信號(hào)燈正常工作時(shí)間大大高于其故障時(shí)間，所以路口網(wǎng)絡(luò)無(wú)需一直保活，ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持路由節(jié)點(diǎn)自由進(jìn)入休眠模式，隨用隨組，大大降低了系統(tǒng)的能源損耗。

（4）ZigBee網(wǎng)絡(luò)提供了2.4G免費(fèi)工作頻段。在該頻段下，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率為10～250kb/s，因?yàn)楸鞠到y(tǒng)交互信息全部是結(jié)構(gòu)化文本數(shù)據(jù)，所以完全滿足設(shè)計(jì)需求。

（5）ZigBee網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)迅速。當(dāng)采集的信號(hào)燈電流電壓模擬量超過(guò)報(bào)警閾值時(shí)，整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的接入延時(shí)和重啟激活延時(shí)平均僅為15ms，而搜索設(shè)備延時(shí)時(shí)間平均僅為30ms。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)支持3個(gè)工作頻率2.4G、868M和915M，總共27個(gè)信道的通信，其中2.4G頻段允許16個(gè)信道通信，本系統(tǒng)工作在2.4G的頻率上。2.4G頻段為全球統(tǒng)一免費(fèi)頻段。這個(gè)頻段優(yōu)勢(shì)在于可通過(guò)采用高階調(diào)制技術(shù)支持高達(dá)250Kbps的傳輸速率，對(duì)取得更大的數(shù)據(jù)吞吐量、更短暫的通訊延時(shí)和工作周期十分有利，從而更加省電。

ZigBee無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)可以根據(jù)不同需求搭建成星型、網(wǎng)狀和樹(shù)狀三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，星型拓?fù)湟笏械穆酚善骱徒K端設(shè)備都必須與協(xié)調(diào)器通信，在星型拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中路由器實(shí)際上不具備路由功能。星型拓?fù)渫ǔ１贿\(yùn)用在智能家居、PC機(jī)外設(shè)以及家庭安全管理等小范圍的室內(nèi)場(chǎng)景中；與之相比，網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)(Mesh)只需路由器和路由器，路由器和終端設(shè)備在對(duì)方的無(wú)線輻射范圍內(nèi)，任意精簡(jiǎn)功能設(shè)備之間都能直接通信，在網(wǎng)狀拓?fù)渲忻恳粋€(gè)全功能設(shè)備都可以當(dāng)作路由器，都具備對(duì)命令的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，網(wǎng)狀拓?fù)湓诰W(wǎng)絡(luò)搭建時(shí)相對(duì)困難一些，路由需維護(hù)大量的數(shù)據(jù)；在樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)中，協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備的功能劃分上來(lái)說(shuō)相對(duì)清晰，與其他拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)相比，搭建樹(shù)狀網(wǎng)絡(luò)相對(duì)方便，占用資源少，同時(shí)具備了網(wǎng)絡(luò)的路由轉(zhuǎn)發(fā)功能，相當(dāng)于擴(kuò)大了網(wǎng)絡(luò)的通信范圍。

根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)景，選擇樹(shù)形網(wǎng)絡(luò)拓?fù)?。每個(gè)配電柜由一個(gè)協(xié)調(diào)器（Coordinator）和歸屬于該協(xié)調(diào)器的多個(gè)監(jiān)測(cè)終端(router)組成多跳通信網(wǎng)絡(luò)。在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)監(jiān)測(cè)終端（router）都可以包含自己的子節(jié)點(diǎn)，且只和自己的子節(jié)點(diǎn)、父節(jié)點(diǎn)通信。信息具有唯一的路由通道。當(dāng)通道中的某一節(jié)點(diǎn)掉線時(shí)，可以重新選擇附近路由表空間未滿的其他滿足LQI門檻值的父節(jié)點(diǎn)加入。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)分為監(jiān)測(cè)終端硬件電路設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)器硬件電路設(shè)計(jì)兩個(gè)部分。監(jiān)測(cè)終端是整個(gè)監(jiān)控系統(tǒng)的信息采集單元，通過(guò)數(shù)據(jù)采集模塊中單相多功能計(jì)量芯片對(duì)應(yīng)的電流采樣通道和電壓采樣通道，經(jīng)放大、濾波、采樣、計(jì)算，計(jì)算出瞬時(shí)功率，并根據(jù)周期計(jì)數(shù)寄存器內(nèi)設(shè)定的計(jì)數(shù)周期計(jì)算出電壓電流有效值、電壓頻率和電壓電流相位，同步把相應(yīng)數(shù)據(jù)存入對(duì)應(yīng)寄存器中，再通過(guò)通訊收發(fā)器傳送到協(xié)調(diào)器。其硬件框圖如圖1所示。

圖1 監(jiān)測(cè)終端硬件框圖

在協(xié)調(diào)器硬件電路設(shè)計(jì)中，其通訊控制單元和電源模塊與監(jiān)測(cè)終端硬件設(shè)計(jì)相同，同時(shí)增加了RS-485接口、基于FM25CL64B的外部存儲(chǔ)單元和基于DS1302的外圍時(shí)鐘電路。其中RS-485接口用來(lái)和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)通信。外部存儲(chǔ)單元用來(lái)存儲(chǔ)報(bào)警信息，外圍時(shí)鐘電路提供事故發(fā)生的時(shí)間信息，其結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 協(xié)調(diào)器硬件框圖

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)主要分為兩部分：各監(jiān)測(cè)終端模塊軟件設(shè)計(jì)和協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)。其中監(jiān)測(cè)終端的軟件組成部分包括：ZigBee協(xié)議棧，數(shù)據(jù)采集和報(bào)警；協(xié)調(diào)器軟件組成部分包括實(shí)時(shí)巡檢和報(bào)警上傳。

本系統(tǒng)總體流程圖如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)總流程框圖

4．1 組建通信網(wǎng)絡(luò)

協(xié)調(diào)器（coordinatior）是整個(gè)通信網(wǎng)絡(luò)的發(fā)起者，在新組建一個(gè)信號(hào)燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的外場(chǎng)ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)時(shí)，首先初始化協(xié)調(diào)器（coordinatior）的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議棧，然后初始化協(xié)調(diào)器LQI鏈表，確認(rèn)LQI入網(wǎng)閾值。本設(shè)計(jì)中默認(rèn)網(wǎng)絡(luò)選定2.4G免費(fèi)頻段，協(xié)調(diào)器建立路由域標(biāo)志符后，該網(wǎng)絡(luò)即被標(biāo)識(shí)。協(xié)調(diào)器允許路由設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)的請(qǐng)求并應(yīng)答。圖4描述了ZigBee網(wǎng)絡(luò)的建立過(guò)程。

圖4 ZigBee網(wǎng)絡(luò)建立的過(guò)程

4．2 監(jiān)測(cè)終端軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)終端是整個(gè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集和巡檢設(shè)備的主要執(zhí)行對(duì)象，它的主要功能是接收協(xié)調(diào)器的命令信息，通過(guò)ATT7053AU芯片采集信號(hào)燈電壓和電流模擬量，并通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)將報(bào)警信息發(fā)送給協(xié)調(diào)器，軟件流程如圖5和圖6所示。

圖5 監(jiān)測(cè)終端軟件流程

圖6 ATT7053AU讀/寫軟件流程

4．3 協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

協(xié)調(diào)器主要功能是對(duì)信號(hào)燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的外場(chǎng)通信網(wǎng)絡(luò)中的所有監(jiān)測(cè)終端進(jìn)行管理，接收各個(gè)監(jiān)測(cè)終端信號(hào)燈報(bào)警并將報(bào)警信息上傳給支路控制器。其工作流程如圖7所示。

圖7 協(xié)調(diào)器軟件流程

5 網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量測(cè)試

在協(xié)調(diào)器和監(jiān)測(cè)終端成功組網(wǎng)之后，需要對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量進(jìn)行測(cè)試。目前國(guó)內(nèi)城市主干路交叉口平均斷面寬度不超過(guò)100m，所以將通訊測(cè)試距離設(shè)定在50、100、150m，模擬一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)十字路口上的12臺(tái)信號(hào)燈監(jiān)測(cè)終端（4個(gè)機(jī)動(dòng)車信號(hào)燈和4對(duì)人行道信號(hào)燈）之間的傳輸1000個(gè)數(shù)據(jù)包的丟包率。測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量測(cè)試結(jié)果

從測(cè)試結(jié)果看，12臺(tái)監(jiān)測(cè)終端在通信距離50m和100m內(nèi)，丟包率為0。150m時(shí)，丟包率低于0.03%，完全可以滿足現(xiàn)在的全國(guó)各地區(qū)普遍的路面狀況。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)信號(hào)燈在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的ZigBee網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)和技術(shù)應(yīng)用的分析研究，對(duì)信號(hào)燈在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，用人工智能全自動(dòng)在線監(jiān)測(cè)方式代替信號(hào)燈管理養(yǎng)護(hù)單位原有的人工被動(dòng)巡檢方式。本文中設(shè)計(jì)的基于ZigBee的信號(hào)燈監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)一個(gè)路口范圍內(nèi)所有信號(hào)燈的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，通過(guò)監(jiān)測(cè)終端和協(xié)調(diào)器及時(shí)將信息上傳至監(jiān)控中心，從而大大簡(jiǎn)化巡檢任務(wù)。在2020年上海城運(yùn)系統(tǒng)公安道路交通管理子系統(tǒng)（IDPS）嘉定區(qū)建設(shè)項(xiàng)目中，該系統(tǒng)作為一項(xiàng)極重要的云平臺(tái)智能化應(yīng)用接入項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)底座，全面覆蓋嘉定老城區(qū)50條交通主干道，相信該系統(tǒng)的落地一定可以將因?yàn)樾盘?hào)燈故障導(dǎo)致的交通事故風(fēng)險(xiǎn)降到最低。