基於ZigBee無線通信的智能交通控制系統的製作方法
2023-10-09 02:49:24 2
專利名稱：基於ZigBee無線通信的智能交通控制系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於智能交通控制技術領域，具體涉及一種採用無線通信方式進行交通控制的系統。
背景技術：
隨著現代城市的發展，城市、特別是一些特大城市規模不斷擴大，人口、車輛和道路急劇增加，交通日益擁擠，交通問題越來越引起人們的關注。如何協調人、車、路三者關係的協調，已成為交通管理部門所面臨的重要問題。
目前，絕大部分城市仍採用傳統的交通管理方式，即交通燈信號控制機主要採用單點控制模式，各個信號控制機之間以及和交通管理控制中心都不能相聯，無法實現整個交通控制系統的實時監控，離智能控制更是相距甚遠。
在一些相對發達的城市，正在嘗試向聯網和智能控制方向發展。智能交通控制系統應具備交通燈控制、流量監測、交通信息傳遞與顯示等基本功能。各部分通過有線/無線網絡相互通信，協同工作。同時，各部分與交通控制中心相連，由控制中心統一指揮、協調。智能交通控制系統對提高城市道路的通行能力、緩和城市交通擁擠起著重要作用。
近年來，利用先進的科學技術改造城市交通系統已成為城市交通管理者的共識。智能交通控制系統已成為交通控制的發展方向，但目前還是存在一些問題，制約了其發展和推廣實施。其中，通信問題一直是制約其發展的一個主要問題，在城市交通控制系統的通信中，可以採用數傳電臺、GPRS/CDMA通信、光纖接入等方式。數傳電臺的優勢是除了每年的頻點費以外，平時運行無需額外費用；缺點是受地形、氣候的影響較大，造成系統的可靠性、實時性較差，無法主動上報。GPRS/CDMA通信方式可以實現主動上報；缺點是需要高額流量費，而且網絡延時較長，無法實時控制。光纖通信穩定可靠，但是施工成本投入大、擴展性差、設備維護方面不方便。而基於ZigBee(紫蜂)通信的無線通信方式則避免了以上問題。Zigbee技術具有以下優勢1)功耗低在低耗電待機模式下，兩節普通5號乾電池可使用6個月到2年，免去了充電或者頻繁更換電池的麻煩。這也是Zigbee的支持者所一直引以為豪的獨特優勢；2)成本低因為Zigbee數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本。且Zigbee協議免收專利費；3)網絡容量大每個Zigbee子網絡最多可支持65536個設備，也就是說，每個Zigbee設備可以與另外65535臺設備相連接；4)時延短通常時延都在15毫秒至30毫秒之間，利於實時通信；5)安全Zigbee提供了數據完整性檢查和鑑權功能，加密算法採用AES-128，同時可以靈活確定其安全屬性；發明內容為了克服現有交通控制的問題，本發明提供一種基於ZigBee的無線智能交通控制系統。
本發明提出的無線智能交通控制系統由控制中心、交通燈控制器、流量監測器、交通信息顯示牌、短距離無線遙控器和路由節點組成，形成一個基於ZigBee無線通信的控制網絡，各個節點相互間可以實現實時通信，還可以與控制中心相連，實現統一的協調控制。各個節點說明如下控制中心控制中心結構如附圖2所示，由計算機、ZigBee無線通信模塊和大屏幕電子顯示地圖構成，在計算機的控制下，通過ZigBee無線通信網絡實時接收並顯示各個路口交通燈控制節點發來的交通燈狀態信息，各個流量監測節點發來的流量信息。工作人員可以根據上述信息實時調整各個路口的交通燈設置，並通過ZigBee無線通信網絡將控制指令發送到被控節點，實現實時控制。
交通燈控制器每個交通燈控制器控制一組路口交通燈。
交通燈控制器組成框圖如附圖3所示該節點由單片機、ZigBee無線通信模塊和交通燈驅動電路構成。大部分時間ZigBee無線通信模塊處於待機狀態，僅在有通信任務時啟動。該模塊工作模式如下1.紅綠燈參數設定模式，即ZigBee無線通信模塊實時接收控制中心或遙控器發出的模式設置指令，根據該指令設定紅綠燈工作參數(紅綠燈各個狀態的切換順序和顯示時間)。2.紅綠燈正常工作模式，即紅綠燈參數設定好後，按照設定好的參數自動切換狀態，自動進行交通控制。3.監測紅綠燈狀態，並實時發送給控制中心。
流量監測器兩個路口之間安裝，實時監測流量信息，並傳遞給控制中心。
流量監測器組成框圖如附圖4所示該節點由單片機、ZigBee無線通信模塊和流量監測電路構成。大部分時間ZigBee無線通信模塊處於待機狀態，僅在有通信任務時啟動。正常工作時，單片機將流量監測電路監測到的單位時間(例如一分鐘)內通過的車輛次數記錄下來，並定時(一分鐘一次)將流量信息通過ZigBee無線通信模塊發送給控制中心。
交通信息顯示牌兩個路口之間安裝，實時接收並顯示控制中心發布的交通信息。
交通信息顯示牌組成框圖如附圖5所示該節點由單片機、ZigBee無線通信模塊和顯示驅動電路構成。大部分時間ZigBee無線通信模塊處於待機狀態，僅在有通信任務時啟動。該模塊工作方式如下1.信息更新模式，通過ZigBee無線通信模塊接收控制中心發送的交通信息，刷新單片機存儲器內的顯示信息。2.信息顯示模式，大部分時間工作於此模式，將存儲器內接收到的交通信息反覆顯示。
近距離遙控器組成框圖如附圖6所示該節點由單片機、ZigBee無線通信模塊、和液晶顯示屏和鍵盤構成。遙控器由交通指揮人員手持，當控制網絡發生意外通信故障時可近距離控制交通燈設置。
路由器為了節省成本，上述節點均為短距離控制節點(傳輸距離不超過200米)，信息傳遞需要通過具有長距離(2公裡)通信能力的路由器加以中繼。路由器組成框圖如附圖7所示由單片機、ZigBee無線通信模塊和存儲器構成。大部分時間ZigBee無線通信模塊處於待機狀態，僅在有通信任務時啟動。路由器作為信息和指令傳輸中繼，連接網絡協調器和中端節點之間的通信。
通過ZigBee無線通信網絡，交通燈控制器實時將各個路口的交通燈狀態信息發送給控制中心，流量監測器實時將各個道路的交通流量信息發送給控制中心，控制中心接收到上述信息，實時顯示在控制中心的大屏幕電子地圖上，這樣，控制中心的管理人員即可監測到整個交通控制系統的運行情況。同時，管理人員可根據上述信息，對各個路口的交通燈運行加以調整，如調整紅、綠切換順序及各個狀態時間等，控制指令實時傳遞到被控節點，並對交通燈的運行作出及時調整，從而實現對交通運行的實時控制。
另外，交通控制中心可實時發布各類交通信息，通過ZigBee無線通信網絡，可以立刻顯示在各個指定的電子交通信息顯示牌上，方便車輛駕駛員選擇合適的行車路線，以避免擁堵。
通過使用該無線智能交通控制系統，可實現各個交通控制節點與交通控制中心相連，由控制中心統一指揮、協調。對提高城市道路的通行能力、緩和城市交通擁擠將會起到重要作用。
本系統的優點本系統採用基於ZigBee無線通信的控制方式，具備無線通信控制系統的諸多優點，如無須挖路布設控制線路，各設備之間實現無線自動組網連接，既降低了系統安裝成本，更重要的是避免了傳統安裝方式對交通幹擾所帶來的經濟損失。隨時可以施工，而且避免了由於城市快速發展，道路拓展等變化對原有預埋管線的幹擾。由於系統沒有地面控制箱和控制線路，避免了惡意破壞，大大減少了維護成本。紅綠燈系統大部分時間按事先設置的模式運行，在需要調整的時候，交通管理人員在控制中心就可以根據監測到的現場情況實時遠程設置，具有極大的靈活性。
另外，整個系統採用最新推出的基於ZigBee的無線通信方式進行信息傳輸，更是具備了現有一些無線控制方式所沒有的優點模塊成本低由於Zigbee數據傳輸速率低，協議簡單，所以大大降低了成本。且Zigbee協議免收專利費；網絡容量大每個Zigbee子網絡最多可支持65536個設備，也就是說，每個Zigbee設備可以與另外65535臺設備相連接；時延短通常時延都在15毫秒至30毫秒之間，利於實時通信；安全Zigbee提供了數據完整性檢查和鑑權功能，加密算法採用AES-128，同時可以靈活確定其安全屬性；通信距離遠每個模塊的無線連接距離，根據需要可從幾十至幾百米，甚至幾公裡。整個網絡所使用的無線頻率是國際通用的免費頻段(2.4-2.48GHz ISM)。傳輸方式是抗幹擾能力強的直序擴頻方式(DSSS)，特別適合在幹擾較大的環境中使用。
易於擴展採用標準協議，每個節點都有在網絡中的唯一地址，用戶終端的接入十分方便。每個紅綠燈網絡可以通過其中任意一個節點，通過原有的交通控制線路系統，或其他有線或無線通信系統與指揮控制中心相連。
附圖1為控制系統示意圖。
附圖2為交通控制中心。
附圖3為交通燈控制器。
附圖4為流量監測器。
附圖5為交通信息顯示牌。
附圖6為近距離遙控器。
附圖7為路由器。
附圖8為網絡結構。
附圖9為系統程序流程圖。
附圖10為cc2420射頻模塊電路。
附圖11為微處理器電路。
圖中標號1為交通控制中心，2為交通燈控制器，3為流量監測器，4為交通信息顯示牌，5為近距離遙控器，6路口控制節點路由器，7流量監測節點路由器，8為顯示節點路由器，9相鄰路由器節點。11為計算機，12為ZigBee無線通信模塊，13為大屏幕電子顯示屏地圖。14為單片機，15為交通燈驅動電路，16為交通燈。17為流量傳感器。18為顯示驅動電路，19為交通信息顯示牌。20為鍵盤，21為液晶顯示屏。22為存儲器。
具體實施例方式
無線智能交通控制系統主要由以下幾個組成部分控制中心、交通燈控制器、流量監測器、交通信息顯示牌和路由節點組成。各個部分接有ZigBee無線通信模塊，形成一個基於無線通信的控制網絡，各個節點相互間可以實現實時通信，還可以與控制中心相連，實現統一協調控制。
一、硬體設備系統框圖如圖1所示，整個控制系統由控制中心、交通燈控制器、流量監測器、交通信息顯示牌，路由節點等部分組成。
系統電路設計控制中心由計算機、ZigBee無線通信模塊和大屏幕電子顯示地圖構成。ZigBee無線通信模塊採用ti公司的超低功耗MSP430單片機作為核心處理器作為射頻控制核心，採用chipcon公司的cc2420ZigBee無線通信模塊作為射頻模塊，該晶片上集成了ZigBee RF前端，價格較為便宜，而且利於擴展，適合作為控制中心的通信模塊。另外，該系統還配有8M Flash存儲器，用於存放ZigBee協議棧。
控制節點模塊採用cc2420ZigBee無線通信模塊作為射頻模塊，採用ti公司的超低功耗MSP430單片機作為核心處理器。
附圖10為2420ZigBee無線通信模塊電路，附圖11為MSP430單片機電路(由ti公司提供的參考設計)。在具體實施時，僅需要在常規的交通控制設備上安裝這兩部分電路組成的通信模塊，即可完成系統硬體設計。
二、路由方式整個系統採用簇狀網絡拓撲(Cluster Networking Topology)，如附圖8所示。由於在不加功率放大的情況下，ZigBee無線通信模塊的通信距一般較近(傳輸距離不超過200米)，因此，信息傳遞需要通過具有長距離(2公裡)通信能力的路由器加以中繼。簇狀網絡具有強大的通信功能，網絡的所有實體只要在通信範圍之內，都可以互相通信，如果沒有直接通路，還可以通過「多級跳」的方式來通信。該拓撲結構還可以組成極為複雜的網絡；除此之外，網絡還具備自組織、自愈功能。該網絡結構共包含3種網絡節點終端節點、路由節點、網絡協調器節點，下面分別說明1)終端節點終端節點位於整個網絡的末端，用於和被控設備(如交通燈控制器、交通信息顯示牌等)相連並控制這些設備。終端節點由精簡功能設備(Reduced FunctionDevice，RFD)充當。因其內部功能結構簡單、上層應用少，且某些僅僅包含IEEE標準協議棧，所有又被稱為IEEE節點(IEEE Node)。
2)路由節點路由節點位於網絡的中間層，用於通信中繼。路由節點由全功能設備(FullFunction Device，FFD)充當。全功能設備(FFD)支持任何拓撲結構，可以充當網絡協調器(Network Coordinator)，能和任何設備通信。
3)網絡協調器節點網絡協調器節點位於整個網絡中心，由全功能設備(Full FunctionDevice，FFD)充當。網絡協調器(Network Coordinator)的主要功能是協調建立網絡，包括傳輸網絡信標，管理網絡節點，存儲網絡節點信息並且提供關聯節點之間的路由信息。除了完成上述功能外，還和中心計算機相連，負責與計算機通信。
三、軟體控制流程控制中心程序流程圖如圖8所示控制中心的計算機通過網絡協調器實時接收由交通流量監測器發送來的交通流量信息和各個路口紅綠燈的狀態信息，實時顯示在大屏幕電子地圖上；同時，實時響應交通指揮人員的控制指令，實時調整各個路口紅綠燈的設置；實時接收交通指揮人員發布的交通信息，通過ZigBee無線通信網絡發布到各個交通信息顯示牌，對交通運行進行協調控制。
四、網絡地址分配構建如附圖1所示的控制網絡，該網絡採用16位地址分配，共有不超過40K個終端節點(包括交通燈控制器、流量監測器和交通信息顯示牌)，不超過24K個路由節點(路口控制節點路由器、流量監測節點路由器和顯示節點路由器)，1個網絡協調器節點。
節點地址分配表如下採用16位網絡地址
網絡協調器處於監聽狀態，任何新加入的終端節點或路由器向網絡協調器發出加入申請，由網絡協調器自動分配16位網絡地址。採用分級路由策略傳送數據和控制信息。
權利要求
1.一種無線智能交通控制系統，其特徵在於整個控制系統由控制中心、交通燈控制器、流量監測器、交通信息顯示牌、短距離無線遙控器、路由器組成；其中，路由器由單片機、ZigBee無線通信模塊和存儲器構成，形成一個基於ZigBee無線通信的控制網絡，各個節點相互間實現實時通信，並與控制中心相連，實現統一的協調控制；路由器作為信息和指令傳輸中繼，連接網絡協調器和中端節點之間的通信，按照功能，分為以下三種路口控制節點路由器負責協調各個路口紅綠燈控制器和控制中心的通信；流量監測節點路由器負責協調各個路段流量監測節點和控制中心的通信；交通顯示節點路由器負責協調各個路段顯示節點和控制中心的通信。
2.根據權利要求1所述的智能交通控制系統，其特徵在於控制中心由計算機、ZigBee無線通信模塊和大屏幕電子顯示地圖構成；在計算機的控制下，通過ZigBee無線通信網絡實時接收並顯示各個路口交通燈控制節點發來的交通燈狀態信息，各個流量監測節點發來的流量信息，並實時遠程調整各個路口的交通燈設置。
3.根據權利要求1所述的智能交通控制系統，其特徵在於交通燈控制器節點由單片機、ZigBee無線通信模塊和交通燈驅動電路構成；該模塊具有如下功能實時接收控制中心或遙控器發出的模式設置指令，根據該指令設定紅綠燈工作參數；按照設定好的參數自動切換狀態，自動進行交通控制；監測紅綠燈狀態，並實時發送給控制中心。
4.根據權利要求1所述的智能交通控制系統，其特徵在於流量監測器節點由單片機、ZigBee無線通信模塊和流量監測電路構成；該節點模塊監測到的流量信息實時發送給控制中心。
5.根據權利要求1所述的智能交通控制系統，其特徵在於交通信息顯示牌節點由單片機、ZigBee無線通信模塊和顯示驅動電路構成；該模塊通過ZigBee無線通信模塊接收控制中心發送的交通信息，刷新單片機存儲器內的顯示信息；將存儲器內接收到的交通信息反覆顯示。
6.根據權利要求1所述的智能交通控制系統，其特徵在於近距離遙控器節點由單片機、ZigBee無線通信模塊、液晶顯示屏和鍵盤構成；遙控器由交通指揮人員手持，當控制網絡發生意外通信故障時可近距離控制交通燈設置。
全文摘要
本發明屬於智能交通控制技術領域，具體為一採用無線通信網絡進行交通控制的系統。該系統由控制中心、交通燈控制器、流量監測器、交通信息顯示牌，路由節點等部分組成。各個部分接有ZigBee無線通信模塊，形成一個基於ZigBee無線通信的控制網絡，各個節點相互間可以實現實時通信，並與控制中心相連，實現對交通的統一協調控制。
文檔編號H04B5/00GK101079772SQ200710039150
公開日2007年11月28日 申請日期2007年4月5日 優先權日2007年4月5日
發明者商慧亮, 倪歡, 李鋒 申請人:復旦大學