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(1.安徽機電職業(yè)技術(shù)學院，安徽 蕪湖 241000；2.安徽工程大學電氣工程學院，安徽 蕪湖 241000)

0 引 言

目前，交通信息采集系統(tǒng)是資本和企業(yè)追逐的熱點。但要真正實現(xiàn)全面的交通信息采集，需要通過完整的智能交通系統(tǒng)，包括車流量檢測、天氣狀況檢測等。近年來，經(jīng)濟的飛速發(fā)展，人們收入的逐步提高，導致家庭車輛的擁有率迅速提升，這就大大增加了交通的壓力。雖然很多城市不斷的增加高架、高鐵、地鐵等建設，但是其增長率遠遠低于車輛提升的速率，并且也成為了城市交通的主要矛盾。

車流量的迅速增長同時也伴隨著交通事故的相繼發(fā)生，降低事故的發(fā)生便成為一大難題，分析事故發(fā)生的種種因素，路面狀況和霧霾因素常常容易被人們忽視，道路結(jié)冰引發(fā)交通事故據(jù)統(tǒng)計2013年僅在首都北京就有2000余起，因霧霾引起的交通事故亦是如此。那么重視其中的兩個突出因素尤為重要；與此同時，交通車流量的實時信息也有著不可忽視的地位，它不僅為交通控制方式的選擇提供可靠的信息，而且反映出路況信息，因此，基于以上我國交通的狀況，設計一種及時、高效的交通信息系統(tǒng)是非常有必要的。

1 系統(tǒng)總體設計方案

交通信息采集系統(tǒng)主要由終端數(shù)據(jù)采集模塊、路由器模塊、協(xié)調(diào)器模塊以及監(jiān)控中心組成，其原理框架如圖1所示。其中，數(shù)據(jù)采集模塊主要是對交通的溫度、濕度和車流量數(shù)據(jù)的采集，將采集到的數(shù)據(jù)通過無線傳輸?shù)姆绞絺鬏斀o路由器，利用路由器的中繼轉(zhuǎn)發(fā)功能轉(zhuǎn)發(fā)給協(xié)調(diào)器，監(jiān)控主機經(jīng)過串口接受協(xié)調(diào)器傳來的數(shù)據(jù)，當檢測到溫度過低(小于等于0℃)、濕度過高(大于等于80%RH)或者車流量非常稀少時(甚至是0V/h,夜間除外)，這時便會發(fā)出報警信號。

圖1 交通信息采集系統(tǒng)框架圖

1.1 ZigBee結(jié)構(gòu)特點

ZigBee技術(shù)是一種無線通信技術(shù)，主要包括低功耗、較遠距離傳輸、低速率、性價比高等特點。主要有三種拓撲結(jié)構(gòu)，依次為：星型結(jié)構(gòu)、樹型結(jié)構(gòu)和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

星型結(jié)構(gòu)主要是以一個協(xié)調(diào)器為中心，多個終端節(jié)點與之相互通信，適合在家庭此類小范圍內(nèi)使用；網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)最重要的特點是對于每個節(jié)點來說通信都是對等的，任何一個節(jié)點都可以與其它的節(jié)點通過網(wǎng)絡路徑來進行通信，但是它需要很多節(jié)點，建立比較復雜，適用于大型網(wǎng)絡；樹型結(jié)構(gòu)主要是以一個協(xié)調(diào)器為中心，多個星型網(wǎng)絡與之相通信所構(gòu)成，適用于一些較大規(guī)模但又無需大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)沫h(huán)境。與星型結(jié)構(gòu)組成的網(wǎng)絡相比，樹型網(wǎng)絡具有較大通信范圍和數(shù)據(jù)傳輸量，與網(wǎng)狀網(wǎng)絡相比，樹型網(wǎng)絡所占有的存儲空間相對較少并且較為簡單，因此系統(tǒng)采用樹型網(wǎng)絡進行設計。

圖2 拓撲結(jié)構(gòu)圖

2 系統(tǒng)硬件設計

2.1 終端節(jié)點的硬件設計

系統(tǒng)中，終端節(jié)點主要安裝在各個交通路口，主要進行環(huán)境溫度、濕度的采集以及各個路口車流量的采集，并且將數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器以及接受協(xié)調(diào)器發(fā)來的指令，并通過節(jié)點中的LED燈來指示網(wǎng)絡的狀態(tài)，當LED不停閃爍時表示正在等待加入網(wǎng)絡，一旦LED變?yōu)槌Ａ羷t表示已經(jīng)加入網(wǎng)絡。溫濕度傳感器采用DHT11傳感器，具有性價比高、響應速度快等特點，適用于長期使用的環(huán)境；車流量檢測主要采用霍尼韋爾HMC1512型號磁阻傳感器，通過霍尼韋爾磁場傳感器與磁力計相結(jié)合，具有很高的精度。終端節(jié)點主要有傳感器模塊、ZigBee無線收發(fā)模塊等，其結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

圖3 終端節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

2.2 遠距離無線傳輸模塊的設計

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸方式是采用有線傳輸，由于自然因素的影響易出現(xiàn)故障、老化等現(xiàn)象，因此未能得到廣泛使用。因此，系統(tǒng)中采用德州儀器研發(fā)的CC2530芯片進行數(shù)據(jù)的無線傳輸，該芯片主要是由增強型8051微處理器以及ZigBee射頻芯片組成。其相對之前傳統(tǒng)的傳輸方式，不但增加了傳輸?shù)木嚯x，而且減小了功耗與體積。

考慮到路口彼此之間距離存在差異性，為增強遠距離數(shù)據(jù)傳輸能力，減少甚至避免傳輸中數(shù)據(jù)丟失現(xiàn)象，系統(tǒng)中增加了同為德州儀器生產(chǎn)的無線遠距離信號增強模塊CC2592，它能夠使CC2530的輸出功率從4.5dBm增強到22dBm，大大增加了傳輸距離。CC2530與CC2592連接的遠距離無線擴展模塊原理圖如圖4所示：

圖4 遠距離無線擴展模塊原理圖

2.3 協(xié)調(diào)器節(jié)點硬件設計

系統(tǒng)中，協(xié)調(diào)器節(jié)點是整個無線網(wǎng)絡的核心，主要進行整個系統(tǒng)網(wǎng)絡的建立、負責將終端節(jié)點傳輸?shù)牟杉瘮?shù)據(jù)通過串口RS-485傳輸給上位機以及對終端節(jié)點進行控制，并通過節(jié)點中的LED燈來指示網(wǎng)絡的狀態(tài)，當LED常亮時表示無線網(wǎng)絡已經(jīng)建立，一旦LED變?yōu)椴煌ｉW爍時則表示有節(jié)點加入網(wǎng)絡。協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖5所示：

圖5 協(xié)調(diào)器節(jié)點的硬件結(jié)構(gòu)框圖

3 系統(tǒng)軟件設計

系統(tǒng)的軟件設計主要包括溫濕度及車流量數(shù)據(jù)采集模塊、網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器模塊。

3.1 溫濕度及車流量采集模塊軟件設計

溫濕度及車流量數(shù)據(jù)采集模塊主要進行各個路口溫度、濕度以及路口車流量數(shù)據(jù)的實時采集，并通過請求加入?yún)f(xié)調(diào)器網(wǎng)絡的形式將數(shù)據(jù)傳輸給協(xié)調(diào)器，與此同時，實時更新等待協(xié)調(diào)器的指令，以下流程圖的設計以某市中心地段一個十字路口為樣本。

當各個終端節(jié)點在上電后，首先進行模塊的軟硬件初始化，然后實時掃描網(wǎng)絡，通過網(wǎng)絡通道請求加入由協(xié)調(diào)器所構(gòu)建的網(wǎng)絡，在協(xié)調(diào)器響應節(jié)點加入網(wǎng)絡請求時，將采集到溫濕度以及車流量數(shù)據(jù)傳送至協(xié)調(diào)器。溫濕度及車流量數(shù)據(jù)采集模塊流程圖如圖6所示。

圖6 氣體濃度采集模塊流程圖

3.2 無線協(xié)調(diào)器軟件設計

無線協(xié)調(diào)器主要是構(gòu)建整個系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡，監(jiān)控各個終端節(jié)點網(wǎng)絡狀態(tài)，在協(xié)調(diào)器上電后，同樣進行系統(tǒng)軟硬件初始化，并構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡，當節(jié)點請求加入網(wǎng)絡時，將對其進行網(wǎng)絡地址的分配，最后通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給上位機。其無線協(xié)調(diào)器模塊流程圖如圖7所示。

4 實驗結(jié)果與分析

系統(tǒng)設計完畢后，在實驗室條件允許情況下運行了實驗。實驗以某市一個十字路口為檢測樣本，檢測數(shù)據(jù)通過matlab仿真實現(xiàn)，具體見圖8和圖9。

由圖8為溫濕度的檢測數(shù)據(jù)仿真圖，不難看出濕度較大的是94%RH，對應所測出的車流量為圖8紅色曲線；同樣，溫度所影響車流量為藍色曲線，較明顯的是在冬季，通過圖9的三條曲線對比可知，溫濕度對車流量的影響比較大的，因此，分析數(shù)據(jù)應及時通知相關(guān)人員采取相應的措施來疏通交通流量，從而避免交通堵塞，減少道路占有率和事故的發(fā)生。

圖7 無線協(xié)調(diào)器模塊流程圖

圖8 溫濕度的仿真圖

圖9 不同條件下車流量的對比仿真圖

5 總 結(jié)

基于ZigBee無線傳感網(wǎng)絡的交通信息采集系統(tǒng)，利用CC2530單片機與射頻前端CC2592相結(jié)合，通過建立較為可靠的樹形無線傳感網(wǎng)路，對車流量以及溫濕度進行實時監(jiān)測，提高了傳輸距離，增大了無線傳輸?shù)姆秶瑥亩梢愿鶕?jù)交通信息的變化對突發(fā)事件進行及時的處理。方案進一步完善了交通信息采集系統(tǒng)，具有設計簡單、傳輸距離更遠、穩(wěn)定性好以及成本低等特點，使其在交通系統(tǒng)等領域具有很高的使用和市場價值。

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