基于 ZigBee 的智能交通系統(tǒng)

引 言

2017年《全國百城交通出行報告》中指出，交通擁堵主要由汽車保有量快速增長、惡劣天氣、基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)緩慢等因素造成，由交通擁堵引發(fā)的交通事故呈上升趨勢。人們每天上班途中消耗的時間越來越長，且已嚴(yán)重影響到人們的正常生活[1]。但傳統(tǒng)解決交通問題的方法已無法滿足社會需求， 迫切需要采用新的解決方案。ZigBee是一種具有代表性的短距離無線通信技術(shù)，比 GPS具有更高的精度，同時也可在隧道中繼續(xù)使用，還能避免重新布線的麻煩，因此將 ZigBee 技術(shù)應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)具有重要意義。

1 系統(tǒng)功能

系統(tǒng)將無線通信 ZigBee 模塊引入到智能交通控制中， 實時采集道路信息，利用 ZigBee 模塊進(jìn)行信息傳輸，上位機(jī)實現(xiàn)智能監(jiān)控、最優(yōu)路線規(guī)劃、出行信息服務(wù)等功能。同時， 通過車載終端、移動 APP 等方式為車輛提供實時、有效的出行信息，并根據(jù)道路信息實現(xiàn)對交通燈的控制 [2]。

2 系統(tǒng)設(shè)計及實現(xiàn)

系統(tǒng)主要由道路信息采集模塊、通信模塊、主控模塊、交通控制模塊、移動 APP 端設(shè)計五部分構(gòu)成，整體框圖如圖 1 所示。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1.1 道路信息采集模塊

道路信息采集模塊由固定節(jié)點信息采集與流動節(jié)點信息采集兩部分構(gòu)成。固定節(jié)點信息采集利用安裝在各節(jié)點的監(jiān)控設(shè)備，對各節(jié)點的道路車流量、行人數(shù)量、道路溫濕度等信息進(jìn)行實時監(jiān)控采集。其中，道路車流量檢測模塊如圖 2 所示，通過使用加速度傳感器和巨磁阻傳感器檢測車流量信息。當(dāng)加速度傳感器檢測到有車輛靠近時，發(fā)出信號喚醒巨磁阻傳感器，巨磁阻傳感器將車輛對地磁場的擾動轉(zhuǎn)換為電信號，再經(jīng)過放大、濾波等處理變?yōu)?CC2530 芯片能夠識別的 TTL 信號，CC2530 通過比較磁場的擾動強(qiáng)弱判斷是否有車輛通過，并將檢測信息通過 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳遞至主控制模塊 [3]。流動節(jié)點信息采集即在小車上安裝監(jiān)控設(shè)備，采集沿途路況信息，包括沿途道路車流量、紅綠燈路口行人數(shù)量、道路溫濕度等。

2.1.2 通信模塊

系統(tǒng)通信模塊負(fù)責(zé)信息傳輸功能。通過 ZigBee 建立網(wǎng)絡(luò)信息交互平臺，總節(jié)點可收集各分節(jié)點信息，并實時反饋至主控制器，主控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并通過 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)傳輸信息至各節(jié)點，以此達(dá)到控制交通的目的 [3]。

2.1.3 主控制器

在信息匯總處理部分，使用 STM32F407ZGT6 作為主控制器，將主節(jié)點發(fā)送的信息進(jìn)行集中處理，通過最優(yōu)算法為道路中運行的智能車設(shè)計出一條最優(yōu)路線，再將命令發(fā)送至各子節(jié)點，進(jìn)而達(dá)到最優(yōu)控制的目的，實現(xiàn)智能交通。

2.1.4 交通控制模塊

道路信息子系統(tǒng)控制部分主要完成交通信號燈控制、LCD 顯示驅(qū)動等。根據(jù)檢測路口交通車流量、人流量等數(shù)據(jù)， 通過最優(yōu)算法實現(xiàn)道路信息子系統(tǒng)中每個通信節(jié)點對其所在路口交通燈時間的智能控制，交通信號燈系統(tǒng)采用 LCD 液晶屏，通過屏幕可對小車運行的數(shù)據(jù)信息、十字路口交通路況、站點信息等進(jìn)行菜單式實時顯示。交通信號燈系統(tǒng) [4] 如

圖 3 所示。

2.1.5 移動 APP 端

智能小車通過藍(lán)牙串口與手機(jī) APP 進(jìn)行連接，通過手機(jī)APP 實現(xiàn)對小車運行狀態(tài)的自動、手動切換。在手動模式下， 實現(xiàn)人為控制小車行進(jìn)和路線選取等基礎(chǔ)功能，并將小車運行的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送到手機(jī)端。

2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.2.1 交通指揮中心部分

交通指揮中心采用 STM32F407ZGT6 作為主控制板，其優(yōu)越的性能、高速的處理器能夠?qū)?fù)雜的數(shù)據(jù)進(jìn)行快速運算， 從而達(dá)到實時控制的目的。同時，主節(jié)點利用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)將道路中各子節(jié)點采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行匯總打包，并上傳至交通指揮中心，交通指揮中心將主節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)進(jìn)行解析處理，通過內(nèi)部最優(yōu)算法 [5] 計算出一種能夠緩解交通壓力的最優(yōu)方案，并發(fā)送至智能小車，控制小車按照最優(yōu)路線行進(jìn)， 從而控制整個交通系統(tǒng)良性運行。指揮中心程序流程如圖 4 所示。

2.2.2 道路交通子節(jié)點部分

交通信號燈控制部分采用 STM32F103ZET6 作為主控制板，通過檢測模塊采集路口信息，利用 ZigBee 模塊將子節(jié)點信息發(fā)送至其他節(jié)點。同時，通過分析道路信息，計算出路口紅綠燈時長的最優(yōu)方案。交通信號燈程序流程如圖 5 所示。

3 系統(tǒng)測試

系統(tǒng)搭建完成后，測試其性能。道路交通子節(jié)點測試如圖 6 所示。

圖 6 道路交通子節(jié)點測試

系統(tǒng)道路模型如圖 7所示。分別在 4個子節(jié)點上安裝ZigBee模塊，進(jìn)行道路車流量的檢測，同時通過 ZigBee模塊上傳采集到的信息，上位機(jī)對信息進(jìn)行處理，計算出最優(yōu)路線，并發(fā)送至智能車執(zhí)行。智能車行進(jìn)路線如圖 8所示，共有 4 條路線可以選擇。道路模擬實物如圖 9 所示，ZigBee網(wǎng)絡(luò)測試如圖 10 所示。

圖 7 系統(tǒng)道路模型

圖 8 智能車行進(jìn)路線

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一種智能交通系統(tǒng)，利用 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)對采集到的道路信息進(jìn)行傳輸，選用高性能主控制器對信息進(jìn)行實時處理，實現(xiàn)了智能化交通控制。經(jīng)測試運行發(fā)現(xiàn)，該系統(tǒng)各功能模塊運行正常，系統(tǒng)功能完整、功耗低，對交通控制的智能化具有一定的實際意義。