ZigBee无线技术在智能交通信号采集系统设计中的运用

传感器采集交叉路口车辆信息，将采集信息反馈给主控中心进行信号灯控制来解决当前城市交通信号控制效率低等所造成

的交通拥堵问题。给出了系统整体设计，涉及的关键技术以及硬件设计、软件设计，系统测试分析。本系统可望对改善当前

我国城市交通拥堵问题提供有益参考。关键词：ZigBee；信号采集系统；系统设计中图分类号：TG409

文献标志码：AApplication of ZigBee Wireless Technology in the Design of

Intelligent Traffic Signal Acquisition SystemCHENG Junbo1 , CAO Donghui2(1. College of Highway and Railway Engineering, 2. Mental Health Education and Consultation Center, Shanxi College of Communication Technology, Xi'an 710000)Abstract: In this paper, an intelligent traffic signal acquisition system is designed based on ZigBee wireless communication tech­nology. Through strengthening communication between signal system and the equipment efficiency, the magnetic resistance sensor is used to collect the intersection vehicle information, and the information is feedbacked to the control center for light control to solve the traffic congestion problem caused by the low efficiency of urban traffic signal control. This paper is mainly

composed of five parts, i. e. , the overall system design, the key technologies involved, hardware design, software design and

system test analysis. It is hoped that this design can solve the problem of urban traffic congestion in China and provides useful referenceforreaders.Key words: ZigBee； Signal acquisition system； System design0引言根据我国交通管理局2018年9月数据，我国机

析处理,将数据分析结果反馈给控制中心的计算机；利用数

理软

和

流量的变 通过,充分

，以便控制中心的工作人员可以保。管理 叉路口信号灯

能监控,判动车保有量已达3. 22亿辆，汽车保有量（car pare）已达2. 35

亿。交通拥堵

，合理调整各信号灯，让车流量的通道道路资源［叮。成为城市发展的难 ，直接或间接对装智能交通系统，利城市经济发展造成了发展阻碍&改善当前我国交通拥堵

扩建现有道路外，还可采

新技术手段 通控制服务& ZigBee是

,

通信技术的到 •具有 耗、超大网络容量等

交通管理系统中&1三层架构智能交通信号采集系统设计基于ZigBee的智能交通信号采集系统采用三层架构形

图1 ZigBee的智能交通信号采集系统总体架构图ZigBee的智能交通信号采集系统,隶属上述系统的采集

式，即 采 、 、管理层&如图1所示&基本运行原理为：利ZigBee无采用磁阻传感器采集道路车流量信息，通过在

ZigBee网络中设

三层架构智能交通信号采

端、路 、协 ，将终端节点采用传感器采 叉路口的车流量信息，然

的数据信息传输到路

通

，进行中 到协调线技术 到 ，经由它反馈给主控中 分反馈 控中心。如图2基金项目：河南省公路学会项目（豫公评字［2018］第2号） 作者简介：程俊博（1984-）,男，讲师，硕士，研究方向：交通工程。曹东辉（1987-）,男,讲师,硕士 ,研究方向：心理健康教育。24Microcomputer Applications Vol. 35,No. 6,2019基金项目微型电脳％用2019年第35 ）第6期所示。规模要求大、通信数据量小的场景。利用ZigBee功耗低的

特点，对于不通电的区域，可以使用电池为网络节点供电，在

低功耗模式下转换为休眠状态节省电量2.2硬件设计系统硬件设计主要对三个网络节点的基本单元和功能 模块进行设计，三个节点的基本单元功能一致，差异表现在

终端节点的传感器模块，以及协调器节点的串口通信模块&

系统设计硬件的型号和标准，如表1所示&图2三层架构智能交通信号采集系统（虚线为ZigBee通讯作用域）表1智能交通信号采集系统硬件配置网络节点根据图2三层架构智能交通信号采集系统可知，ZigBee 作为一种短途无线通信技术构建出的通讯作用域全覆盖终 端节点磁阻传感器、路由器、协调器、主控中心各数据传输路

芯片型号能能采集车辆数据转存数据传输数据终端节点路由器节点协CC2530CC2530CC2530磁阻传感器无

径。各节点始终处于ZigBee通信范围内，使得各节点之间 通信路径畅通无阻&三层架构智能交通信号采集系统采用

通信221 基本单元采用德州仪器生产的型号为CC2530的SOC作为三个 网络节点的基本单元，CC2530兼容IEEE802. 15. 4的ZigBee

ZigBee基本单元实现数据接收发送&三层架构智能交通信

号采集系统终端节点由磁阻传感器模块组成，大量的磁阻传 感器模块能够快速、高效、实时的对所监控道路车流量信息

标准，它在功耗、抑制噪音、ESD防护方面有突出的表现&基

进行整合后传递至路由节点。路由节点的基本单元则主要 将磁阻传感器模块收集的大量数据向协调器进行转发&协 调器节点的基本单元，与路由器节点一样，只是添加了串口

本单元划分为低速和高速晶振,按照连接的引脚处和连接频 率划分晶振电路。当基本单元处于工作状态时，连接第22、

23引脚，连接频率为32 MHz；当处于休眠模式时，连接第 32.33引脚，连接频率为32. 765 KHz,保持较低的运行功耗。CC2530芯片的第25.26引脚，分别对应RE_P、RF_N

功能引脚，整个硬件中发挥匹配电路连接端，接收差分信号

通信模块，通过它以无线通信方式将数据传输至主控 中心⑵。2关键技术以及硬件设计2.1 ZigBee 技术ZigBee是新兴的WSN无线通信技术，相比其他无线通

信技术它的功耗更低，具有极强的组网能力，适用于短途自 动控制领域& ZigBee的波段频率为2. 4 GHz,基于

的作用。终端节点的基本单元，芯片的P1_2和P1_3,以IC

_SDA、IC_SCL功能引脚连接磁阻传感器模块，通过IC总

线实现芯片与传感器数据交换。设置在协调器节点的芯片,

以PO_2和PO_3引脚，分别作为RX、TX功能引脚，连接串 通信 ! 流 通 通信 至 控中IEEE802. 15. 4标准，一个ZigBee主节点可以连接254个子

节点，适用领域涉及军事、医疗、环境监测、智能家居、城市管 理等&心。CC2530芯片工作电压为3. 3 V,利用两个LM317继承

稳压器，将12V电压转化为3V的输出电压⑷&

根据我国相关规定，ZigBee在2.4 GHz的频率下，可以

2.2.2传感器模块终端节点的传感器模块，选用HMC5883L三轴磁阻传

免费使用250 kb/s的传输速率，同时频段变换也不需要注册

感器，基于磁阻效应判断车辆通行路口的信息，根据地面磁 场方向、大小变化，由此检测车辆是否停留在街道。之所以

或申请，允许在同一区域使用& ZigBee对于MCU资源要求 低，应用和普及的成本较低。除此之外，ZigBee还具有灵活、

高容量的特点，组网结构有星状、网状的选择，通过各节点的 合理设置，最多可以组成包含65000个节点的网络& ZigBee

采用这一型号的传感器，主要是考虑其功耗低的运行特点， 在工作电压、电流分别为2. 16〜3. 6 V、100 #A的情况下运

协议栈结构图如图3所示&ZigBee应用层(APS)ZigBee 网络层(NWK)IEEE 802.15.4MAC层―| ZigBee协议 |行,满足监测数据的需求&磁阻传感器与基本单元的数据交

换，主要是通过IC总线进行。2.2.3 通信协调器节点的功能模块为通信模块，其发挥的作用是将

中转的数据传输至主控中心串口芯片FT232的第1引脚

IEEE 802.15.4PHY层图3 ZigBee协议栈结构图TXD弓|脚连接，CC2530的P02引脚，FT232的第5引脚 RXD连接CC2530的P03引脚，实现串口通信& FT232芯片

的第15和第16引脚连接USB接口，即该模块采用USB接

与其他无线通信技术相比，ZigBee在功耗、组网成本方 口，目的是使电路板小巧。面比WiFi技术更低；技术使用更具便携性、安全性比蓝牙技 术更高& WiFi技术对于带宽的需求较高，用以组建无线局 域网，蓝牙技术能够满足语音、视频等数据传输。根据应用 场景比较，ZigBee适用于环境监测、自动化控制等，对于组网

3 软件设计以及系统测试分析3.1软件设计软件设计范围为ZigBee智能交通信号采集系统的3个

25Microcomputer Applications Vol. 35 , No. 6,2019节点，包括3个节点的程序流程设计，软件开发基于Z-Stack

基金项目微型电脑％用2019年第35 )第6期0X010203040506070809ABCDEF\\r\\n/至协调器节点。时 在

测试的过程中，发送持续了 1分钟，共发送了 5 400字节，对

协议栈进行，编程语言为C语言&3.1.1终端节点的软件设计它的硬件由磁阻传感器(CC2530)和基本单元组成

系统的丢包率进行检测，发现丢包率为零&通过本次测算, 可以确定基于ZigBee技术设计的智能交通信号采集系统的

(HMC5883D组成&在系统运行过程主要发挥作用，是将监

测范围内的路面车辆信息进行采集，然后传输至路由器、协 调器节点&上电后，首先对协议栈和磁阻传感器进行初始

通信功能和通信质量符合要求，在数据传输过程中始终保持

稳定、可靠的质量，在500 ms内无丢包现象，综上可以确认 系统满足设计需求,关于系统的检测精度，需要进一步论证&化，然后监测是否有其他网络加入，若是有其他节点的网络 申请加入则自动加入网络，然后利用终端节点的传感器将监

4总结ZigBee技术具有功耗低、组网灵活、支持节点多的优点,

终端、路由器、协调器节点采用电池供电的方式，保证数据采

测的车流量信息传输至路由器、协调器节点。为了最大程度 降低终端节点的运行功耗，采用定式休眠、唤醒机制&3.1.2 路 软 设集、传输的需要。利用磁阻传感器采集交叉路口车辆信息, 经由路由器、协调器节点，传输给主控中心，实现对交通信号

由于路由器节点不设置功能模块，其在智能交通信号采 集系统中，仅仅发挥转发数据的作用，将终端节点的数据转

灯智能控制&本文智能交通信号采集系统的设计是基于

存至协调器。因此运行程序流程，同样也是在上电后初始 化，然后检测是否有网络加入本网络，持续检测新数据发送 过来的新数据，并将其转发至协调器节点。因为这一功能,

ZigBee无线通信技术，通过强化信号系统与各设备之间的通

信效率，利用磁阻传感器采集交叉路口车辆信息，将采集信 息反馈给主控中心进行信号灯控制来解决当前城市交通信

因此路由器节点不采用定式休眠、唤醒机制。其大致流程如 号控制效率低等所造成的交通拥堵问题&本文设计的基于

下表现：1、开始，软硬件资源初始化；2、等待加入网络，确认 Zig Bee的智能交通信号采集系统非常符合当前流行的物联

网思想，并较详细的探讨了系统整体设计、涉及的关键技术

“是”与“否/新数据；3、是”则接收入网数据！否”则直接略 此步骤；4、将入网数据发送至协调器节点，结束&以及硬件设计、软件设计、系统测试分析等部分&为交通信 号灯的智能化控制提供了一定的技术支撑&3.1.3 协 软 设其基本单元与其他两个节点一致，区别在于功能模块为 串口通信模块，主要作用为监测路面数据发送到主控中心,

参考文献柳长源，孔凡宁，冯晋文.基于GPS和SD卡存储的交

同时建立和控制其他节点加入网络&基本运行流程：1、开 始，软硬件资源初始化，建立ZigBee网络；2、进入无线侦听状

通信号采集系统哈尔滨理工大学学报，2017,22态,对于确认节点入网请求的“是”与“否”状态！是”则分配 网络地址允许节点加入！否”则继续重复节点入网请求；3、

(3)：25-30.李洋.城市轨道交通信号系统采集和驱动电路雷击试 验方法城市轨道交通研究，2017,20(4)：82-85.马海波.轨道交通信号系统计算机联锁采集方式的分 析城市轨道交通研究,2016,19(S1)：46-47.安春兰.轨道交通信号系统计算机联锁采集接口电路

接 到的 入网 , 通 中心&通信 , 发 控3.2系统功能实现智能交通信号采集系统，采用星型拓扑的网络机构，将

十字路口视为一个节点，以节点为中心构成路面交通数据的 小型无线传感器网络，针对交通数据进行采集(5)&安全性分析城市轨道交通研究，2013, 16 (9)：

67-69吴欢欢.RFID电子标签在智能交通信号控制系统中 的应用研究［D)乌鲁木齐：大学2013.当车辆通过时，监测区域的磁场变化使得间距为5〜10

m的磁阻传感器采集数据，将磁场信号放大并通过A/D转

入路 、协

, 设 的定 辆通郭志冬，基于Zig Bee的智能交通信号采集系统设计

行时刻信息记录下来。当检测到车辆后，计时器开启直到下

武汉交通职业学院学报2018(9):97-98.一辆车驶入停止,信号采集系统利用两组传感器判断车辆行 袁黎，何娟，蔡明杰，等.基于安全恼的信号控制路段行

驶方向，协调器节点再将最终分析数据传输至主控中心&利 用终端节点，不仅能够对车道上的行驶车辆进行实时监测,

人过街风险评估模型中全科学学报，2018 (8)：32-33同时还可对因拥堵问题滞留在车道上的车辆进行监测，计算 排队车辆的长度上，然后利用协调器节点将信息数据反馈给

石冬花，田国亮，闫彭.道路交叉口信号控制方法的发

展现状与趋势交通标准化，2011(7):11-12俞％，刘攀，徐''，等.交通诱导与信号控制协同优化 策略仿真东南大学学报(自然科学版)，2017(5)：

主控中心，实现交通信号针对性调节&3.3 测 分析为了确保设计的系统通信功能、质量符号要求，分别选

46-48(收稿日期：2018. 12. 03)取一个终端节点和协调器节点，ZigBee节点为电池供电，在 终端节点每隔500 ms发送字符串“ EndDevice1Send：

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