ZigBee传感器控制智能交通灯协同优化控制策略的研究



ZigBee传感器控制智能交通灯协同优化控制策略的研究

主要研究嵌入式、人工智能。

王华本，宫晓琳，鹿建银

(安徽新华学院信息工程学院,合肥230088)

摘要：将ZigBee技术引入到智能交通系统中，提出了一种由ZigBee传感器构成的智能交通灯的体系结构和具体实现方法。通过点阵模块、数码管模块、蜂鸣器模块和传感器模块对交通灯进行数据的采集，建立了交通灯的数据模型，使用协同优化控制策略进行数据的优化处理，最终实现了智能交通灯的功能。

关键词：ZigBee；数据模型；协同优化；智能

0引言

随着城市发展、道路建设和汽车数量的迅速增长，城市交通拥塞现象日趋严重。交通拥塞问题已成为困扰世界各国的普遍性难题[1]。传统的单一固定配时控制的交通信号灯已不能满足当代日益增长的交通需求，所以本文提出了ZigBee传感器控制智能交通灯的控制系统方案，该系统在固定配时的基础上，可对道路的实时情况进行实时数据的采集，并通过ZigBee无线网络技术传送到主模块。主模块会对子模块传送来的数据进行分析、统计[2]。使用智能协同优化算法产生一个合理的交通信号配时方案来控制每个路口的交通信号灯，以便进行较为合理的管理和选择，提高交通运输的效率。实验证明该系统除实现常规信号的指挥功能外，还具有检测环境和根据环境变量进行控制交通信号灯的特点。借助现代通讯和电子技术，通过实时采集或共享接入的方式获取交通信息，由统一的交通信息处理中心实现对交通信息的集中处理，并由智能交通灯系统根据实时动态信息控制交通己成为可能[3]。

1ZigBee技术简介

ZigBee技术是一种低复杂度、低功耗、近距离、低速率、低成本的双向无线通讯技术[4]。主要用于距离相对较短、功耗低而且传输速率要求不高的各种电子设备之间进行数据的传输，以及典型的间歇性数据、有周期性数据和低反应时间数据传输的应用。简单地说，ZigBee是一种高可靠性的无线数据传输网络，类似于CDMA和GSM网络。ZigBee数据传输模块类似于移动网络的基站。

ZigBee是一个超过65 000的无线数据传输模块，这是一种无线数据传输网络平台，在网络范围内，可以相互通信的ZigBee网络数据传输模块之间的通信，在网络节点间的距离，可从标准的75 m无限延伸[5]。

目前,无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：智能家居、国防安全、现代化生产、医疗健康、环境科学以及其他全新领域 ，其应用前景非常广阔。随着无线传感器技术的深入，它必将对人类的生活产生重大影响，并被广泛应用于人类生活的各个领域，为新兴的物联网事业的发展打下良好的基石。

2交通信号灯数据模型和协同优化目标控制策略

交通十字路口的环境状况可以用近似数据模型来研究，主要数据元素有温度(t)、降雨量(Y)、压力(P)及信号周期增加时间(D)，几个数据元素之间的关系组成为：D=((t，Y，P)，R)。其中R是集合(t，Y，P)中所有元素与D之间的关系的有限集合。采用数据模型来描述交通十字路口的智能交通灯问题。该模型中考虑温度、降雨量和压力对交通周期的影响，建立城市交通十字路口的交通灯数据模型。

1)当压力大于正常压力、无雨滴且温度不低于零度时

(1)

式中：P>p，m=50kg；P为十字路口人行道上现有的压力(N)；p为十字路口人行道上正常的压力(N)；m为一个50kg的人的压力值为490N；h为人流量对交通的影响力；D为信号周期增加时间。

2)当有雨滴、压力小于正常压力且温度不低于零度时

D=Y×n，

(2)

式中：Y>0，Y代表降雨量的大小；n代表降雨量对交通的影响力。

3)当温度低于零度时、压力小于正常压力且无雨滴时

D=|t|×k，

(3)

式中：t为零下x摄氏度时，记为-x，代表当地温度(℃)；k代表温度为零下时对交通的影响力。

4)由以上分析可以类推多种情况,当温度低于零度、压力大于正常压力且有雨滴时可以得到式(4)

(4)

通过对交通路口的环境进行监测，可以更有效地指挥交通，智能交通灯系统是根据数据元素温度、压力和降雨量来实现的。

通过对温度、压力以及降雨量的实时监测，并对监测到的数据进行分析，得到交通灯的最优控制方案。研究意义：当温度低于零下时，道路易结冰打滑；当降雨量过大时，会影响行人的视线范围；当压力过大时，说明行人较多，可以延长交通灯的周期以保障交通路口的安全。

3功能设计与实现

设计过程中，涉及到嵌入式系统CVT-6410实验箱和ZigBee无线传感器模块。设计智能交通灯的目的是控制车辆在十字路口的通行情况，在绿灯开始时，ZigBee模块上的数码管开始进行倒计时，同时蜂鸣器发出响声作为提示音。在ZigBee模块显示的同时，CVT-6410实验箱上的点阵以箭头的方向指向转弯通行的情况，每次方向转变之前，通过传感器监测环境，让通行时间更加合理。设计过程中智能交通系统的功能图如图1所示。

图1智能交通系统的功能图

如图1所示，智能交通系统的功能主要由4个模块进行控制，分别是CVT-6410实验箱上的点阵模块、ZigBee传感器模块上的数码管模块、蜂鸣器模块和传感器模块构成。点阵模块可以实现直线通行和转弯通行的功能，数码管模块实现倒计时的功能，蜂鸣器实现提示的功能，传感器模块主要实现雨滴、人体感应、温度等功能。具体的实现过程如下所示。

3.1CVT-6410实验箱上点阵功能的设计与实现

通过打开试验箱上的点阵驱动，利用ioctl()函数来实现点阵上各点的点亮，如ioctl(fd，1，0x20fe)，通过fe可知点阵的第一行有效，20代表了第6列有效，行列的交叉点上的LED灯点亮。

实现代码如下：

for(j=0;j<50;j++)//实验箱上点阵实现东西指挥转弯

{

ioctl(fd， 1， 0x20fe);

//将0x20fe转化为二进制数为00100000 11111110 ，前8位控制列，值为1有效，后8位控制行，值为0有效。

......

}

for(j=0;j<50;j++)//实验箱上点阵实现南北指挥转弯

{

ioctl(fd， 1， 0x08fe);

......

}

通过编写上层应用程序代码，控制8×8点阵上发光二极管的亮灭情况，以实现东西指挥转弯、南北指挥转弯等功能。

3.2ZigBee模块上点阵的功能设计与实现

ZigBee模块SBuff[0]～SBuff[11]是ZigBee命令的固定格式，SBuff[12]～SBuff[19]是控制LED， 为ZigBee上点阵的有效值，如SBuff[12] = 0x04，

通过SBuff[12]可知点阵上第1行、第6列有效，行列相交点上的LED灯点亮。

实现代码如下：

SBuff[12] = 0x04<

SBuff[13] = 0x2e<

......

SBuff[12] = 0x00<

SBuff[13] = 0x40<

使用点阵实现交通方向指示可以让行人看到当前的交通方向，有效地避免了交通意外。

3.3ZigBee模块上数码管功能的设计与实现

ZigBee命令的固定格式中，SBuff1[10]为数码管显示的数据值，如SBuff1[10] = 0x02表示为数码管显示数值为2。在试验中我们通过定义可变量i来实现数码管的倒计时。

实现代码如下：

SBuff1[10] = 0x00-i-(16-t);//数码管实现东西倒计时

i++;

……

SBuff1[10] = 0x00-i-(16-2*t); //数码管实现南北倒计时

i++;

……

SBuff1[20] =Xor Verify Send(SBuff1);nwrite=write(serial_fd，SBuff1，sizeof(SBuff1));

数码管的应用缓解了行人的焦虑情绪，同时也让行人提前做好通行的准备，提高了十字路口的通行效率。

3.4ZigBee模块上蜂鸣器功能的设计与实现

SBuff2[11]为蜂鸣器的发声频率，由下面的代码可知当i=0时蜂鸣器发声，提醒行人注意交通灯的方向变化。核心代码如下：

if(i==0) //当刚开始的时候蜂鸣器发声

{

SBuff2[11] = 0x2f;

SBuff2[20] =XorVerifySend(SBuff2);

nwrite=write(serial_fd,SBuff2,sizeof(SBuff2));

}if(i==t)//当南北刚开始通行的时候蜂鸣器发声

在普通交通灯的基础上增加了蜂鸣器，提示通行方向的转变，使交通灯更加智能化、人性化。一方面，提醒行人通行方向发生变化，另一方面，也为盲人过马路提供了便利，保证了十字路口的通行安全。

3.5ZigBee模块上传感器功能的设计与实现

为了使交通灯的功能贴近实际生活，更智能地指导交通，传感器模块可以对环境的雨滴、人体感应、温度、压力等进行数据的采集，这里以人体感应、温度为例进行说明。yte18为监测人体感应模块的变量，有人体感应时byte18 自动生成数值1，当byte18 == 0x01时，对应的交通灯的转换周期为6。无人体感应时byte18 自动生成数值0，对应的交通灯的转换周期不变为5。byte12为监测温度模块的变量，当温度低于0 ℃时，交通灯倒计时会在原有延时的基础上再加上2，通过监测环境可以使智能交通灯的性能更加优化。核心代码如下：

if(byte18 == 0x00)

{

printf(" wuren人体感应:无人体感应 ");

t=5;

}

if(byte18 == 0x01)

{

printf(" youren人体感应:有人体感应 ");

t=6;

}

if(byte12 < 0)

{

printf("温度过低 ");

t=t+2;

}

......

}

通过在普通交通灯的基础上增加的无线感应装置，监测是否有雨，如果有雨，将增加交通灯的转换周期，以防路面打滑和可见度降低而造成交通事故。同时也会监控是否有人体感应，如果有人体感应则代表交通高峰，调整交通灯的时延，让行人能顺利地通过十字路口。环境监测模块的增加，使得交通灯控制系统更加智能、更贴近生活，为人们的出行安全提供了又一层保障。

4结语

随着传感器的飞速发展，采集到的数据信息越来越准确，协同优化控制策略将会把采集到的数据进行优化处理，更加智能地应对复杂的交通环境。未来必然会将各种先进的技术合理地应用于交通灯的管理系统中，并且准确地与各部门和各系统融合，最大化体现数据的优化处理，这将会使交通灯更加智能、更加人性化，提高道路的通行效率、减少交通事故、有效提高人们的生活质量。

参考文献

[1] 郑琛,曹斌.ZigBee技术在智能交通系统中的应用研究[J]. 通信技术,2012(5):86-88.

[2] 崔倍磊. 智能交通系统中的无线传感器网络和新的传输方式[D].北京：北京交通大学,2014.

[3] 张健,郑春. 基于ZigBee无线通信技术在智能交通控制系统中的应用研究[J]. 赤峰学院学报：自然科学版,2012(9):45-47.

[4] 杨萌，赵亮. 基于 Zigbee 技术的无线传感网络研究[J]. 电子技术与软件工程,2015(1):34.

[5] 胡子轩,张晓光. 浅谈ZigBee技术在智能交通系统中的应用[J]. 内蒙古科技与经济,2014(12):63-64.

[6] 杨志伟. 基于ZigBee交通信号管理系统的研究与设计[D].长春：长春工业大学,2010：1-10.

The research on ZigBee sensor control intelligent traffic

lights collaborative optimization control strategy

WANG Hua-ben, et al.

(CollegeofInformationEngineering,AnhuiXinhuaUniversity,Hefei230088,China)

Abstract：ZigBee technology has been introduced into intelligent transportation system, and a composed of ZigBee sensor of intelligent transportation system structure and the concrete realization method are proposed in this paper. By displaying module, monitoring module for data collection, voice module, and sensor model, the traffic light has been made data collection to establish the traffic light data module. By using the collaborative optimization control strategy for the optimization of data processing, the function of the intelligent traffic lights has been finally achieved.

Key words：ZigBee; data model; collaborative optimization; smart

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2015)04-0028-04

中图分类号：TN915.6

作者简介：王华本(1972-),女(汉),安徽霍邱,硕士,讲师

基金项目：省级质量工程项目(20101139，2011sysxs01);校级质量工程项目(2014tsjcx07，2014jy018)

收稿日期：2015-11-13

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.007