基于ZigBee的城市交通中的塞車狀況自動預警系統

姜云國

（長安大學 信息工程學院，陜西 西安 710064）

隨著經濟發展，道路建設跟不上機動車輛的數量急劇增加，現已帶來了城市交通的嚴重擁擠問題。由城市消費維權聯盟主辦的以“消費維權與兩型社會建設”為主題的論壇在武漢舉行，論壇上公布了“中國城市居民出行方式性選擇調查報告”。報告顯示，七成以上居民認為交通擁堵是城市交通最大的問題。為盡可能有效地緩解交通擁擠的問題，眾多措施已經被提出與實施，比如根據車牌號限行、交通疏導等。這些措施在一定程度上緩解了交通壓力，但都不能實時掌握當前的交通狀況。若能實時掌握交通運行狀況，就可以給機動車輛以及出行人員提供實時的交通流狀況，會使他們預先做出一定判斷，來決定下一步的行車路線。

鑒于以上情況，設想可以不可以實現一種利用機動車輛本身來自動實現對交通中車流量以及車速信息的數據進行實時處理，并根據建立的交通流模型自動分析結果判斷是否出現塞車現象，若出現或者極可能出現塞車狀況的信息接力傳輸給其他車輛，對交通中的某路段塞車狀況進行預先警告的一種設計方案呢，文中對這個問題做了肯定的回答。文中提出了一種利用ZigBee無線傳感與自組網技術把公交車、私家車以及道路設施單元組織成一個巨大的無線傳感網絡，根據車輛速度傳感器等采集的數據，經過數據處理中心處理算法自動判斷與分析車流量與車速得出是否塞車，將結果自動通過道路兩旁的接力傳輸設施進程接力傳輸給其他車輛，進而為出行車輛以及出行人員預先選擇出行路線提供極大方便并且極大地減輕了交通壓力的方案。

1 預警系統的總體設計方案和工作原理

系統的設計關鍵是利用ZigBee無線組網技術[1-3]結合嵌入式ARM技術來實現一種城市交通系統中對路段中出現塞車現象的信息進行接力傳輸并且可以實現遠程監控[2]。系統主要由預警信息處理與轉發中心（以下簡稱預警中心）和車載預警信息收發終端（以下簡稱預警終端）兩個核心部分組成，而預警中心主要包括嵌入式ARM系統模塊、具有路由功能的ZigBee協調器模塊以及GPRS[4]無線傳輸模塊等；預警終端主要由不具有路由功能的ZigBee模塊以及速度傳感器模塊、漢字顯示模塊以及語音播報模塊等構成。預警中心安裝要相互間隔一定的50 m左右的距離，因此可安裝在城市的道路兩旁電線桿上；而預警終端安裝在交通工具上，主要是給公交車以及私家車駕駛位置的旁邊安裝。其中自動預警系統整體如圖1所示。

系統在正常啟動后，ZigBee網絡自動建立起以其中一個固定的預警中心為無線網絡協調器節點，而使其他固定的預警中心自動成為路由節點，以移動的預警終端為傳感網絡邊緣節點的無線傳感網狀網絡。整個無線網狀網絡系統中，預警中心負責主動采集一段時間內車速和統計車流量，并對其進行處理，若根據數據得出車輛前方周圍的道路很可能會塞車狀況的級別的結果轉發給其它預警中心，繼而轉發到其它車輛；安裝在車輛上的預警終端負責接收其它預警中心傳輸過來的塞車預警等級，并進行LCD顯示與自動語音播報等，以及根據預警中心的請求發送車輛本身的速度數據。對于駕駛員或乘客來說，此時就可以根據傳輸過來的預警級別信息等來來判讀前方是否發生堵車現象等，從而提前為駕駛員或乘客做一步路線規劃等，從而實現了人為分流交通流的目的，緩解了交通的擁擠狀況。

圖1 自動預警系統整體簡圖Fig.1 Overall schematic diagram of automatic warning system diagram

2 預警系統的硬件設計

根據系統的整體方案及其原理，將系統主要分為預警中心硬件系統以及預警終端硬件系統兩個部分來設計。其中系統中的數據傳輸功能主要由預警中心的ZIGBEE模塊以及預警終端的ZIGBEE模塊來完成。

2.1 預警中心硬件設計

預警中心模塊設計主要包括S3C6410核心系統、GPRS通信模塊、ZIGBEE通信模塊、存儲器接口以及內存接口電路設計等，安裝在道路的兩邊電線桿上，主要負責采集周圍車輛的車流量信息以及車速，然后再由中心處理后轉發給其他車輛，其本文只簡要給出串口接口電路，如圖2所示。

圖2 預警中心串口接口電路Fig.2 Early warning center serial interface circuit

中心的主體部分是基于ARM的嵌入式系統[5]，核心控制芯片是三星的s3c6410芯片，負責發送請求命令以及處理相關的數據，還負責與GPRS進行遠距離的通信。對于電路硬件電路設計來說，首要設計的是可以使ARM正常啟動所需的外圍電路，包括電源電路、RAM電路、flash電路、復位電路以及看門狗電路等。由于還要通過串口與ZigBee模塊以及GPRS模塊進行連接，因此根據需需要設計相應的RS232標準串口電路。

中心節點的ZigBee模塊主要是負責建立無線網絡以及實現數據的路由轉發，以及通過射頻發送由ARM生成的采集速度等數據的命令。本節點中的ZigBee模塊采用的是射頻芯片CC2530作為核心其芯片，CC2530適用于各種ZigBee的無線網絡節點，包括協調器、路由器和終端設備。處理器S3C6410與ZigBee通信模塊的通信方式通過USB串行口實現，在設計中采用外圍電路設計簡單且功能穩定的CP2102作為USB與串口轉換芯片。

GPRS模塊是客戶端的監控[6]中心遠程來訪問接力傳輸節點并采集相關信息的基礎。GPRS模塊與主控ARM芯片的是通過RS232標準串口來進行連接，設計成串口的連接形式方便以后擴展。由于接口的電源標準不同，它們之間還要通過MAX232芯片來完成電平的轉換。

2.2 預警終端硬件設計

預警終端無線數據部分主要采用也是基于射頻芯片CC2530設計出無線ZIGBEE模塊，負責接收接力傳輸中心發送的命令、傳輸的車流量數據以及向接力傳輸中心發送車流量信息等數據。車載終端還要完成LCD字符顯示、語音自動播報等功能。因此在硬件電路設計上主要包括ZIGBEE模塊基本最小系統電路、速度傳感電路、基本控制電路、語音電路以及LCD屏幕顯示電路等設計，其主要芯片CC2530外圍最小系統電路如圖3所示。

圖3 CC2530最小系統Fig.3 CC2530 minimum system

路況信息顯示電路設計，主要通過LCD模塊可以顯示接收到由預警中心轉發的塞車級別等信息，方便駕駛員或乘客了解前方周圍的路況信息。其中LCD采用的是點陣為128×64的HY12864液晶模塊，在設計電路時采用兩片HD61202作為列驅動器，同時使用一片HD61203作為行驅動器。

語音播報電路的設計主要是為了實現可以進行自動播放[7]當前收到的路況信息，也可以通過控制電路選擇禁止播報。本播報電路采用的是ISD4004-8語音錄放集成芯片，芯片采用多電平直接模擬量存貯技術，每個采樣值直接存貯在片內的閃爍存貯器中，因此能夠非常真實、自然地再現語音。

3 預警系統軟件設計

3.1 預警中心軟件設計

預警中心節點是被固定到道路的兩旁電線桿上，當網絡自組成功后，所有的節點會重新被分成一個協調器節點和多個路由節器點，作為路由節點的節點將陸續申請加入無線網絡，同時在道路中的車輛也會隨時申請加入網絡。無線傳感網絡建立后，由中心節點間隔發送給車載終端采集車輛速度的命令等，將采集的一定路段的速度數據進行相應的處理，與已經經過采樣人為建立的速度統計模型進行對比，將處理后的結果根據一定的條件進行轉發給其他車輛或者轉發給其他接力中心，再由其發送給其他車輛。這樣在一定區域內的加入網絡的車輛就會收到相應的前方周圍路段的塞車信息等，駕駛員或乘客就可以根據信息進行人為的交通車輛的分流，進而減輕的交通擁擠的程度。

根據實際要求，中心節點軟件要實現Zigbee的路由轉發功能、ARM與GPRS進行信息交換的功能，ARM與車載終端進行數據交換的功能、ARM對數據進行解析的功能以及驅動一些芯片的功能等。中心節點的可編程芯片是S3C6410和CC2530，因此要移植嵌入式linux系統以及移植Zigbee協議棧等，編程語主要采用C語言，系統程序的流程圖（其中作為路由節點的程序流程圖未畫出）如圖4所示。

圖4 預警中心軟件設計流程圖Fig.4 Flow chart of the software design of early warning center

3.2 預警終端軟件設計

預警終端節點主要是安裝在公交車或者私家車上面的節點，在實際應用中的其硬件電路會不盡相同，要為功能不同的預警終端設計相應的軟件程序。當預警終端加入由傳輸中心節點建立的網絡后，它便時刻處于監聽狀態隨時接收有傳輸接力中心發送的命令以及接力傳輸中心發送車流量信息等。預警終端節點位于無線傳感網絡的邊緣，它不具有路由功能，只是將接收的到的塞車級別等信息進行自動播報、通過LCD來顯示路況信息以及向接力傳輸中心節點發送速度信息等。

文中設計的硬件電路主要是一種可以完成基本應用的車載終端節點，包括自動語音播報功能以及屏幕漢字自動顯示功能，以及極為重要的速度采集功能等。因此在設計中主要編寫速度采集程序、語音芯片驅動程序與語音播報程序、LCD驅動程序、漢字或英文字符調用與顯示程序以及控制按鈕程序等。預警終端節點的程序流程如圖5所示。

圖5 預警終端軟件設計流程圖Fig.5 Flow chart the of software design of early warning terminal

4 結束語

文中設計的基于ZigBee的城市交通系統中的塞車預警系統實現了在借助于公交系統中公交車以及私家車的來完成數據接力傳輸的功能。預警處理中心節點實現了接力轉發傳輸功能，車載終端實現了自動語音播報以及漢字顯示路況信息的功能，使得駕駛員通過閱讀屏幕信息和收聽語音信息來了解其他路段的實時路況信息，從而為駕駛員和乘客對行程的安排起到了重要作用，促使交通資源實現最大化利用。伴隨著智能交通設施的不斷完善，城市交通中的塞車預警系統將會越來越體現出的本身的優越性，也必將有很廣闊的應用前景，同時也給以后的研究提供了實例。

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