基于ZigBee技術的交通信號燈監測系統設計和應用分析

孫樂樂

（上海久攬視訊科技有限公司，上海 200940）

1 前言

近年來，我國城鎮道路建設蓬勃發展，全國各地區交通信號燈安裝規模不斷擴大，其中相當一部分交通信號燈，因為設備老舊、線路老化，經常出現信號燈意外熄滅或錯跳，對行人和機動車的正常行駛造成重大威脅，極易引發傷亡事故。

目前，全國各信號燈管養單位為了防止信號燈失靈引發事故，尤其是人員傷亡事故，多采取定期或不定期地組織維護人員對轄區內的信號燈及線路作隱患排查，24小時值班接聽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，我們遺憾地看到因為信號燈故障導致的交通意外事件依然時有發生。

針對目前全國交通信號燈運維監測的局限性，本文思考一種基于ZigBee無線網絡的交通信號燈故障監測解決方案。在此基礎上，設計了交通信號燈遠程在線監測系統。該監測系統由信號燈監測終端和集中器組成。巡檢人員只需通過監控中心原有的主控電腦上的上位機軟件就可以不親臨現場了解到每臺信號燈的實時工作狀態信息。當信號燈出現故障時，系統會采集實時監測數據和故障信息，并及時報警至監控中心，協助監控中心準確定位故障地點并及時處理，真正地實現了信號燈故障遠程在線監測。

2 設計思路

首先需要研究ZigBee技術標準,重點分析組網流程，結合現場節點的實際情況,設計滿足低功耗、低成本、高穩定性的系統網絡。由于ZigBee技術具有低成本、低功耗、低數據傳輸速率、采用多跳網絡通訊可延長通訊距離、采用加密算法可提高AES-128安全可靠等優點而得以廣泛應用。這種無需基礎支撐的無線局域網，其對構成網絡本身的節點數量沒有強制要求，任意一個或多個ZigBee節點都可以隨時構建無線通訊鏈路。每一個網絡的協調器隨時保持監聽狀態，新添加的監測終端會被網絡自動捕捉到，新添加的節點信息會沿父節點鏈路發送給協調器，由協調器自動分配網絡地址，并保存該新添加節點的鏈路信息，同時還會及時刷新通信鏈路的數據轉發表和所屬的設備關聯表。因此需要研究各個監測終端（router）和協調器（Coordinator）之間的通信協議，建立一個通信規約。

2．1 總體架構設計

本系統分為3個部分：

（1）系統下層：基于ZigBee網絡的交通信號燈監測終端，該單元由一個協調器（Coordinator）和多個監測終端（router）組成。監測終端負責采集交通信號燈實時電壓和電流模擬量，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（500mA～1A）主動報警。協調器負責和支路控制器通信，將監測終端（router）上報的信息反饋給監控中心。

（2）系統中間層：信號燈協調器（Coordinator），擁有遠程數據通信、控制執行上位機命令、負責本地網絡組建等功能。主要負責本地各類數據（如電纜運行狀態信息、故障報警信息等）的采集和對上位機控制指令的執行。同時可通過4G/5G網絡和監控中心通信。

（3）系統上層：信號燈管理單位安裝的監控中心，監控中心通過對協調器的控制，實現燈具的訪問和控制，包括開關配電柜交流接觸器、運行參數的配置、實時狀態查詢、故障報警等。監控中心具有集中處理協調器反饋信息的功能。

2．2 網絡拓撲

ZigBee無線傳感網技術主要是應用在數據傳輸量小，數據傳輸速率慢，數據傳輸距離短特定場景。

本設計選擇ZigBee無線傳感網的原因如下：

（1）ZigBee網絡擁有良好的健壯性。ZigBee技術支持多頻段多跳自主網絡，當有新節點加入網絡或者原節點掉線退出網絡的時候，其余ZigBee節點都可以自行尋找是否存在其他的ZigBee節點作為通信路由，在部分節點失效時，依然可以保證健康節點的正常通信。

（2）建設成本具有明顯優勢。自2003年起，許多設備生產商都正式推出了自己的ZigBee芯片，市場競爭激烈，相比無線藍牙等通信模塊而言各種ZigBee無線傳感芯片更具備價格上的優勢。

（3）支持休眠模式，節能環保。在實際應用場景中，信號燈正常工作時間大大高于其故障時間，所以路口網絡無需一直保活，ZigBee網絡支持路由節點自由進入休眠模式，隨用隨組，大大降低了系統的能源損耗。

（4）ZigBee網絡提供了2.4G免費工作頻段。在該頻段下，ZigBee網絡的數據傳輸速率為10～250kb/s，因為本系統交互信息全部是結構化文本數據，所以完全滿足設計需求。

（5）ZigBee網絡組網迅速。當采集的信號燈電流電壓模擬量超過報警閾值時，整個網絡的接入延時和重啟激活延時平均僅為15ms，而搜索設備延時時間平均僅為30ms。

ZigBee網絡支持3個工作頻率2.4G、868M和915M，總共27個信道的通信，其中2.4G頻段允許16個信道通信，本系統工作在2.4G的頻率上。2.4G頻段為全球統一免費頻段。這個頻段優勢在于可通過采用高階調制技術支持高達250Kbps的傳輸速率，對取得更大的數據吞吐量、更短暫的通訊延時和工作周期十分有利，從而更加省電。

ZigBee無線傳感網絡可以根據不同需求搭建成星型、網狀和樹狀三種拓撲結構，星型拓撲要求所有的路由器和終端設備都必須與協調器通信，在星型拓撲結構中路由器實際上不具備路由功能。星型拓撲通常被運用在智能家居、PC機外設以及家庭安全管理等小范圍的室內場景中；與之相比，網狀網絡(Mesh)只需路由器和路由器，路由器和終端設備在對方的無線輻射范圍內，任意精簡功能設備之間都能直接通信，在網狀拓撲中每一個全功能設備都可以當作路由器，都具備對命令的路由轉發功能，網狀拓撲在網絡搭建時相對困難一些，路由需維護大量的數據；在樹狀網絡中，協調器、路由器和終端設備的功能劃分上來說相對清晰，與其他拓撲結構相比，搭建樹狀網絡相對方便，占用資源少，同時具備了網絡的路由轉發功能，相當于擴大了網絡的通信范圍。

根據應用場景，選擇樹形網絡拓撲。每個配電柜由一個協調器（Coordinator）和歸屬于該協調器的多個監測終端(router)組成多跳通信網絡。在這個網絡中，每個監測終端（router）都可以包含自己的子節點，且只和自己的子節點、父節點通信。信息具有唯一的路由通道。當通道中的某一節點掉線時，可以重新選擇附近路由表空間未滿的其他滿足LQI門檻值的父節點加入。

3 系統硬件設計

本系統的硬件電路設計分為監測終端硬件電路設計和協調器硬件電路設計兩個部分。監測終端是整個監控系統的信息采集單元，通過數據采集模塊中單相多功能計量芯片對應的電流采樣通道和電壓采樣通道，經放大、濾波、采樣、計算，計算出瞬時功率，并根據周期計數寄存器內設定的計數周期計算出電壓電流有效值、電壓頻率和電壓電流相位，同步把相應數據存入對應寄存器中，再通過通訊收發器傳送到協調器。其硬件框圖如圖1所示。

圖1 監測終端硬件框圖

在協調器硬件電路設計中，其通訊控制單元和電源模塊與監測終端硬件設計相同，同時增加了RS-485接口、基于FM25CL64B的外部存儲單元和基于DS1302的外圍時鐘電路。其中RS-485接口用來和網絡數據通信。外部存儲單元用來存儲報警信息，外圍時鐘電路提供事故發生的時間信息，其結構框圖如圖2所示。

圖2 協調器硬件框圖

4 系統軟件設計

本系統的軟件設計主要分為兩部分：各監測終端模塊軟件設計和協調器軟件設計。其中監測終端的軟件組成部分包括：ZigBee協議棧，數據采集和報警；協調器軟件組成部分包括實時巡檢和報警上傳。

本系統總體流程圖如圖3所示。

圖3 系統總流程框圖

4．1 組建通信網絡

協調器（coordinatior）是整個通信網絡的發起者，在新組建一個信號燈監測系統的外場ZigBee通信網絡時，首先初始化協調器（coordinatior）的網絡協議棧，然后初始化協調器LQI鏈表，確認LQI入網閾值。本設計中默認網絡選定2.4G免費頻段，協調器建立路由域標志符后，該網絡即被標識。協調器允許路由設備接入網絡的請求并應答。圖4描述了ZigBee網絡的建立過程。

圖4 ZigBee網絡建立的過程

4．2 監測終端軟件設計

監測終端是整個系統數據采集和巡檢設備的主要執行對象，它的主要功能是接收協調器的命令信息，通過ATT7053AU芯片采集信號燈電壓和電流模擬量，并通過ZigBee網絡將報警信息發送給協調器，軟件流程如圖5和圖6所示。

圖5 監測終端軟件流程

圖6 ATT7053AU讀/寫軟件流程

4．3 協調器軟件設計

協調器主要功能是對信號燈監測系統的外場通信網絡中的所有監測終端進行管理，接收各個監測終端信號燈報警并將報警信息上傳給支路控制器。其工作流程如圖7所示。

圖7 協調器軟件流程

5 網絡質量測試

在協調器和監測終端成功組網之后，需要對整個網絡的通信質量進行測試。目前國內城市主干路交叉口平均斷面寬度不超過100m，所以將通訊測試距離設定在50、100、150m，模擬一個標準十字路口上的12臺信號燈監測終端（4個機動車信號燈和4對人行道信號燈）之間的傳輸1000個數據包的丟包率。測試結果如表1所示。

表1 網絡通信質量測試結果

從測試結果看，12臺監測終端在通信距離50m和100m內，丟包率為0。150m時，丟包率低于0.03%，完全可以滿足現在的全國各地區普遍的路面狀況。

6 結語

通過對信號燈在線監測系統的ZigBee網絡架構和技術應用的分析研究，對信號燈在線監測系統進行合理設計，用人工智能全自動在線監測方式代替信號燈管理養護單位原有的人工被動巡檢方式。本文中設計的基于ZigBee的信號燈監測系統，實現了對一個路口范圍內所有信號燈的實時監測，通過監測終端和協調器及時將信息上傳至監控中心，從而大大簡化巡檢任務。在2020年上海城運系統公安道路交通管理子系統（IDPS）嘉定區建設項目中，該系統作為一項極重要的云平臺智能化應用接入項目運營數據底座，全面覆蓋嘉定老城區50條交通主干道，相信該系統的落地一定可以將因為信號燈故障導致的交通事故風險降到最低。