CN102081853B - 自适应多级无线网络信号灯系统及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多级无线网络的自适应信号灯系统及其控制方法，其特征是系统组成包括管理终端、网关ECU、信号驱测ECU、车辆检测ECU；本发明将各交叉路口布置的网关ECU、信号驱测ECU、车辆检测ECU分别作为ZigBee网络的协调器、路由器和终端节点进行组网和布局，沿继承了无线传感网络的自组织、多跳路由等优良特性，在简化施工和电气布线的同时提高整体鲁棒性、可靠性和可维护性。网关ECU的GSM接口使得管理终端与多个交叉路口之间可以通过短消息互联的方式，完成绿波带协调控制的功能。依托于多级网络结构的分层式控制系统，一方面可以应对大范围的全局交通流智能疏导，另一方面具有在单个路口可以独立运行，不因和管理终端网络系统故障而丧失系统智能性的特点。

Description

自适应多级无线网络信号灯系统及其控制方法

技术领域

本发明涉及自适应多级无线网络信号灯系统及其控制方法，更具体地说是一种基于上层GSM和底层ZigBee的智能信号灯网络及基于该多级网络的控制方法。

背景技术

目前使用的交通信号灯控制系统主要采用单点控制模式，各个信号控制机之间和交通管理中心都不能相连，少数可以联网的交通灯信号控制机，基本是通过有线连接。真正采用无线联网的信号控制机很少，主要通过通用分组无线业务(GPRS)或者码分多址无线电通信技术(CDMA)两种方式。

由于采用单点控制的交通信号控制机，不能使各个交叉路口协同工作，绿波带难以形成；而采用有线联网的交通信号控制机则需要开挖道路，铺设管线，建设周期长，费用高昂；完全利用公共无线网络，通信成本过高。而且目前的信号控制系统无灯具监测功能，只能靠巡查或路面交警/驾驶报告。目前的路口信号灯通常是根据几种固定配时方案进行控制不能根据路口交通状况自动调整。即使有自适应功能的，也仅仅是感应线圈式，实时性和实用性均较差。

发明内容

本发明是为避免上述现有技术所存在的不足之处，提供一种安装便捷、价格低廉、工作可靠，全局协调控制兼顾单路口智能优化的自适应多级无线网络信号灯系统及其控制方法，以适应城市智能交通行业发展的需求。

本发明解决技术问题采用如下技术方案：

本发明多级无线网络自适应信号灯系统的特点是系统组成包括网关ECU、信号驱测ECU、管理终端和车辆检测ECU；

所述网关ECU包括中央控制模块、ZigBee无线模块、GSM无线模块和人机交互接口，用于路口车辆信息的采集、信号灯工作状态控制以及数据的网间网内传输，其中：

a1、所述中央控制模块包括32位ARM嵌入式控制器、SD存储器接口、实时时钟芯和直流开关电源，用于维持本地时钟、存储信息和控制数据、实施优化算法；

b1、所述ZigBee无线模块包括微控制器CC2431、射频收发电路和天线，所述微控制器CC2431与所述中央控制模块通过UART接口1相连，以IEEE 802.15.4规范、ZigBee 2006协议构建底层ZigBee网络，实现本地交叉路口范围内的网络化无线数据传输；

c1、所述GSM无线模块包括短消息TC35i模块、微控制器C8051F020、SIM卡接口、无线信号调制电路和天线，微控制器C8051F020与所述中央控制模块通过UART接口2相连，利用上层GSM网络实现异地交叉路口之间的长距离无线数据传输；

d1、所述人机交互接口包括彩色液晶显示屏和薄膜开关，人机交互接口与所述中央控制模块通过16位并口相连，用于实时显示同步的所有信号灯具工作和故障状态、手动改变信号灯具显示状态；

所述信号驱测ECU包括子中央控制模块、信号灯驱动电路、信号灯检测电路、信号灯具组和ZigBee无线模块，用于进行优化算法结果的接收和驱动信号灯具的智能驱动，其中：

a2、所述子中央控制模块包括8位嵌入式微处理器、E2PROM存储器、实时时钟芯片、A/D转换器接口和扩展I/O接口，用于无线接收车辆检测ECU传输的数据并加以处理和存储；

b2、所述信号灯驱动电路包括继继电器、电器驱动芯片L9149、直流高端功率芯片MC33288、直流高端芯片MC33486，用于驱动各种不同负载能力的信号灯具；

c2、所述信号灯检测电路包括电流、电压和逻辑检测电路，用于侦测信号灯具工作时的过载、欠压、短路、断路等故障状态；

d2、所述信号灯具组包括LED信号灯、红绿箭头灯、人形灯、读秒灯；

所述车辆检测ECU包括微控制器CC2431、实时时钟芯片、射频收发电路、天线、磁阻传感器、加速度传感器、运放调理电路、休眠控制电路、E2PROM存储器和电池，用于车辆信息的检测和网络传输；

所述管理终端包括数据库服务器、管理服务器和用户服务器，用于多交叉路口的车流信息汇聚、绿波带控制、协调放行。

本发明基于多级无线网络的自适应信号灯系统的特点也在于：所述网关ECU单独设立于交叉路口易施工位置，信号驱测ECU分散安置于各个方向车行道边、人行道边，多个车辆检测ECU分别埋设于每条车道不可变道区的出入点路面；以所述网关ECU、信号驱测ECU和车辆检测ECU构成底层ZigBee网络；管理终端安置于交管部门，与每个交叉路口设立的网关ECU构成主从式上层GSM通信网络。

本发明所述系统的控制方法的特点是包括以下步骤：

a、底层ZigBee网络进行动态组网，网关ECU、信号驱测ECU、车辆检测ECU分别以协调器、路由器、端节点的形式获得不同的权限和信道，并完成与上层GSM网络的全局时钟同步；

b、车辆检测ECU按照设定工作方式进行车辆信息的获取并按照固定报文格式化，通过ZigBee无线接口将信息经由所隶属信号驱测ECU传输至网关ECU；

c、网关ECU收集底层ZigBee网络的车辆信息，对信息进行分析和预处理，每隔固定的周期将预处理过后的交通流数据通过上层GSM网络进行传输；

d、管理终端收集上层GSM网络的交通流量数据，采用交通流优化算法，将结果通过下行的点对点短消息报文传送至各网关ECU；

e、网关ECU根据接收到的短消息报文，确定该交叉路口的信号灯周期、相序、绿信比，启动定时器并通过ZigBee网络广播发送信号控制序列消息帧，如果接收到错误消息，则进行相应的处理，

f、信号驱测ECU按照控制序列消息帧，对信号灯具的亮灭状态进行驱动，并上报错误报告消息帧。

本发明系统控制方法的特点也在于所述步骤b中，车辆检测ECU的设定工作方式是磁阻传感器将地磁信号转换为单片机可识别的电压信号，当车辆通过路面时对地磁扰动产生的电压信号超出所设置的阈值时，车辆检测ECU判断有车通过；检测扰动信号强弱变化一次的时间，结合车辆平均长度，计算车辆经过的速度；车辆检测ECU在空闲时进入睡眠状态，直到车辆经过时引起的振动被加速度传感器检测到时唤醒。

本发明系统控制方法的特点还在于所述步骤e中的错误分析与相应的处理包括：

a、某路信号灯具出现短路、过载、欠压、短路、断路情况时，关闭相应的驱动端口；

b、各方向信号灯具出现错向、异步情况时，进行本地时钟同步，向信号驱测ECU重发工作状态报文；

c、信号驱测ECU由于掉电或其他故障出现脱离网络情况时，待其恢复供电时重新分配地址使其加入网络。

与现有技术相比，本发明有益效果体现在：

1、基于多层无线网络结构

ZigBee是一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的近程无线网络通信技术，其物理层、MAC层和链路层采用了IEEE802.15.4(无线个人区域网)标准，主要应用在距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间。GSM系统是目前基于多址技术(TDMA、SDMA、FDMA、CDMA)的移动通信体制中比较成熟完善的系统。在全国范围内实现了联网和漫游，用户无需另外组网，只要实现资源共享就可以节省昂贵的建网费用，进行无线通信还具有双向数据传输功能，性能稳定，是远程数据传送与监控设备通信的一个强大的支持平台。

本发明将各交叉路口布置的网关ECU、信号驱测ECU、车辆检测ECU分别作为ZigBee网络的协调器、路由器和终端节点进行组网和布局，沿继承了无线传感网络的自组织、多跳路由等优良特性，在简化施工和电气布线的同时亦提高了整体的鲁棒性、可靠性和可维护性。网关ECU的GSM接口使得管理终端与多个交叉路口之间可以通过短消息互联的方式，完成绿波带协调控制的功能。

2、灵活的自适应性

本发明系统在交管中心的管理终端内嵌了自适应算法，以各交叉路口上传的实时车流数据为依据，采用多路口级联控制、绿波带协调控制、动态最优路线加载等为手段，从而实现区域的最大车辆通行能力，缓解交通阻塞。与此同时，在交叉路口的网关ECU内嵌了遗传算法，以本路口各方向车流平均延误时间最小为目标，可以随着侦测到的路口车辆停留数，动态的实现绿信比、周期的调整。这种依托于多级网络结构的分层式控制系统，一方面可以应对大范围的全局交通流智能疏导，另一方面具有在单个路口可以独立运行，不因和管理终端网络系统故障而丧失系统智能性的特点。

3、低成本、低功耗

本发明系统中的不仅网关ECU、信号驱测ECU、车辆检测ECU之间的通讯采用ZigBee无线的方式，而且管理终端和网关ECU之间的通讯采用GSM无线方式，在施工阶段无须开挖路面埋地下管线，在维护阶段无须进行繁琐的接线检查，极大的节省了施工和维护成本。在系统工作阶段，绝大部分的无线通信数据交互发生在免费的底层自建ZigBee网络，与现有的单级无线系统相比节约了高昂的移动运营商费用。车辆检测ECU进行了低功耗设计，在空闲时总是进入睡眠状态，直到车辆经过时引起的振动被加速度传感器检测到时唤醒，从而延长了车辆检测ECU的维护周期，节约了相应的人力和物力。

4、强大的故障处理机制

交通信号灯控制系统隶属于安全关键系统，为了避免车辆行人的安全受到威胁，其各种故障状态需要进行合理迅速的处理。本发明系统针对上层GSM网络通信、底层ZigBee网络通信、信号灯具故障状态、车辆检测ECU工作情况均进行了完备有效的故障检测处理机制，从而提高了系统的容错性、可靠性、鲁棒性。

附图说明

图1为本发明的系统组成框图；

图2为本发明所涉及的网关ECU硬件框图；

图3为本发明所涉及的信号驱测ECU硬件框图；

图4为本发明所涉及的车辆检测ECU硬件框图；

以下通过具体实施方式，并结合附图对本发明作进一步描述：

具体实施方式

参见图1，本发明系统组成包括管理终端、网关ECU、信号驱测ECU、车辆检测ECU；

管理终端安置于交管部门，包括数据库服务器、管理服务器、用户服务器，均配备了GSM数据通信接口，用于多交叉路口的车流信息汇聚、绿波带控制、协调放行；

网关ECU单独设立于交叉路口易施工位置，用于完成路口车辆信息的采集、信号灯工作状态控制以及数据的网间网内传输等功能；

信号驱测ECU以多种信号标识形式分散安置于各个方向车行道边、人行道边，用于进行优化算法结果的接收和信号灯具的智能驱动；

车辆检测ECU埋设于每条车道不可变道区的出入点路面，用于进行车流辆信息的采集、存储和发送；

具体实施中，网关ECU、信号驱测ECU、车辆检测ECU构成了底层ZigBee通信网络，信号驱测ECU和车辆检测ECU可以根据路口实际的需要进行任意数量的扩展，每个交叉路口由ZigBee网络完全覆盖。管理终端与每个交叉路口设立的网关ECU，构成了主从式的上层GSM通信网络。这种基于多级无线网络的系统结构，这种网络拓扑结构扩展性好，便于集中管理，可以降低系统建设成本，提高网络覆盖率和可靠性。

参见图2，本实施例中的网关ECU包括主中央控制模块、ZigBee无线模块、GSM无线模块、人机交互接口，其中：

a、所述中央控制模块包括32位ARM嵌入式处理器、SD存储器接口、实时时钟芯片、直流开关电源，用于维持精确的本地时钟、存储信息和控制数据、实施优化算法；

b、所述ZigBee无线模块包括微控制器CC2431、射频收发电路和天线，与中央控制模块通过UART接口1相连，以IEEE 802.15.4规范、ZigBee 2006协议构建底层无线通信网络，用于实现本地交叉路口范围内的网络化无线数据传输；

c、所述GSM无线模块包括短消息TC35i模块、微控制器C8051F020、SIM卡接口、无线信号调制电路和天线，与中央控制模块通过RS232接口相连，借助于GSM上层网络用以实现异地交叉路口之间的长距离无线数据传输；

d、所述人机交互接口包括彩色液晶显示器、薄膜开关，与中央控制模块通过16位并口相连，用于实时显示同步的所有信号灯具工作和故障状态、手动改变信号灯具显示状态。

具体实施中，由于网关ECU起到本地控制核心、数据中转处理、指令上行下达的关键作用，一旦失效则该交叉路口信号灯系统瘫痪。一般需要增设网关ECU的备份系统，这种冗余系统与网关ECU结构相同、状态同步，在网关ECU故障时进行无缝切换。

参见图3，本实施例中的信号驱测ECU包括子中央控制模块、信号灯驱动电路、信号灯检测电路、信号灯具组，用于进行优化算法结果的接收和驱动信号灯具的智能驱动，其中：

a、所述子中央控制模块包括8位嵌入式微处理器、E2PROM存储器、实时时钟芯片、A/D转换器接口和扩展I/O接口，用于无线接收车辆检测ECU传输的数据并加以处理和存储；

b、所述信号灯驱动电路包括继电器驱动芯片L9149、继电器、直流高端功率芯片MC33288、直流高端芯片MC33486，用于驱动各种不同负载能力的信号灯具；

c、所述信号灯检测电路包括电流、电压、逻辑检测电路，用于侦测信号灯具工作时的过载、欠压、短路、断路等故障状态；

d、所述信号灯具组包括LED红绿信号灯、红绿箭头灯、人形灯、读秒灯，为交叉路口的交通信号标识。

具体实施中，信号驱测ECU的数量和驱动端口类型完全由交叉路口的实际需要决定，而且可以任意扩展，以ZigBee网络节点的方式动态加入既定网络。

参见图4，本实施例中的车辆检测ECU包括微控制器CC2431、实时时钟芯片、射频收发电路、天线、磁阻传感器、加速度传感器、运放调理电路、休眠控制电路、E2PROM存储器。底层信号检测模块采用多种技术结合的综合设计，磁阻式传感器芯片与振动传感器芯片相结合，将CC2431作为CPU对底层信号进行处理。这样不仅能能够保证监测的可靠，而且可以使用CC2431其基于ZigBee的无线传输功能，将采集信息传输到上层网络信息传输模块。其中磁阻式传感器用于车辆信息的采集，而振动传感器用于CPU的唤醒。这样可以保证CPU在无车辆经过时工作在休眠模式，而当车辆经过时由振动传感器的信号唤醒CPU，使其正常工作，从而大大降低了器件的功耗。模块采用专用电池供电，工作寿命长；同时由于模块的体积较小，避免了大面积的路面开挖，降低了施工成本。

本实施例系统的控制方法包括正常运行和故障处理两种情况，

其中正常运行包括以下步骤：

a、上层GSM网络以管理终端为主导中心，完成对各个交叉路口网关ECU的连接通信和初始化配置，底层ZigBee通信网络进行动态组网，网关ECU、信号驱测ECU、车辆检测ECU分别以协调器、路由器、端节点的形式获得不同的权限和信道，并且在组网结束时完成与上层GSM网络的全局时钟同步；

b、各车辆检测ECU按照设定工作方式进行车辆信息的获取并按照固定报文格式化，通过ZigBee无线接口将信息经由所隶属信号驱测ECU传输至网关ECU；

c、网关ECU收集底层ZigBee全网络的车辆信息，对信息进行分析和预处理，每隔固定的周期将预处理过后的交通流数据通过上层GSM网络进行传输；

d、管理终端收集上层GSM网络的交通流量数据，采用交通流优化算法，将结果通过下行的点对点短消息报文传送至各网关ECU；

e、网关ECU根据接收到的短消息报文，解析后确定该交叉路口的信号灯周期、相序、绿信比，启动定时器并通过ZigBee网络广播发送信号控制序列消息帧；

f、信号驱测ECU按照控制序列消息帧，对信号灯具的时序和亮灭状态进行驱动。

其中故障处理包括以下几种情况：

a、信号驱测ECU为连接其上的每路信号灯具均设置了逻辑、电压、电流检测电路，当某路信号灯具出现短路、过载、过压故障时，则由信号驱测ECU立即关闭相应的驱动端口以避免损坏；当某路信号灯具出现断路故障时，则该故障信息经由网关ECU上报至管理终端以提示交通/市政部门修理更换；当各方向信号灯具工作时出现错向、异步故障时，则由网关MCU进行底层ZigBee网络的时钟同步，并且向信号驱测ECU重发工作状态报文；

b、当管理终端探测到和某个路口的网关ECU失去上层GSM网络联系时，则报警提示交通/市政部门进行检修，与此同时该网关ECU启动本地优化策略，以实现单路口信号灯具的智能控制直到故障排除；

c、当信号驱测ECU由于掉电故障出现脱离本地ZigBee网络情况时，网关ECU动态更新传输路由以确保无故障ECU能够支持有效的网络通信，并且待其恢复供电时重新分配地址和信道以加入网络。

d、车辆检测ECU的电池电量降低到不可用状态时，则信息经由网关ECU上报至管理终端以提示交通/市政部门修理更换。

Claims (4)

1.多级无线网络自适应信号灯系统，其特征是系统组成包括网关ECU、信号驱测ECU、管理终端和车辆检测ECU；

所述网关ECU包括中央控制模块、ZigBee无线模块、GSM无线模块和人机交互接口，用于路口车辆信息的采集、信号灯工作状态控制以及数据的网间网内传输，其中：

a1、所述中央控制模块包括32位ARM嵌入式控制器、SD存储器接口、实时时钟芯片和直流开关电源，用于维持本地时钟、存储信息和控制数据、实施优化算法；

b1、所述ZigBee无线模块包括微控制器CC2431、射频收发电路和天线，所述微控制器CC2431与所述中央控制模块通过UART接口1相连，以IEEE 802.15.4规范、ZigBee 2006协议构建底层ZigBee网络，实现本地交叉路口范围内的网络化无线数据传输；

c1、所述GSM无线模块包括短消息TC35i模块、微控制器C8051F020、SIM卡接口、无线信号调制电路和天线，微控制器C8051F020与所述中央控制模块通过UART接口2相连，利用上层GSM网络实现异地交叉路口之间的长距离无线数据传输；

d1、所述人机交互接口包括彩色液晶显示屏和薄膜开关，人机交互接口与所述中央控制模块通过16位并口相连，用于实时显示同步的所有信号灯具工作和故障状态、手动改变信号灯具显示状态；

所述信号驱测ECU包括子中央控制模块、信号灯驱动电路、信号灯检测电路、信号灯具组和ZigBee无线模块，用于进行优化算法结果的接收和驱动信号灯具的智能驱动，其中：

a2、所述子中央控制模块包括8位嵌入式微处理器、E2PROM存储器、实时时钟芯片、A/D转换器接口和扩展I/O接口，用于无线接收车辆检测ECU传输的数据并加以处理和存储；

b2、所述信号灯驱动电路包括继电器、继电器驱动芯片L9149、直流高端功率芯片MC33288、直流高端芯片MC33486，用于驱动各种不同负载能力的信号灯具；

c2、所述信号灯检测电路包括电流、电压和逻辑检测电路，用于侦测信号灯具工作时的过载、欠压、短路、断路故障状态；

d2、所述信号灯具组包括LED信号灯、红绿箭头灯、人形灯、读秒灯；

所述车辆检测ECU包括微控制器CC2431、实时时钟芯片、射频收发电路、天线、磁阻传感器、加速度传感器、运放调理电路、休眠控制电路、E2PROM存储器和电池，用于车辆信息的检测和网络传输；

所述管理终端包括数据库服务器、管理服务器和用户服务器，并且内嵌自适应算法，用于多交叉路口的车流信息汇聚、绿波带控制、协调放行；

网关ECU单独设立于交叉路口易施工位置，信号驱测ECU分散安置于各个方向车行道边、人行道边，多个车辆检测ECU分别埋设于每条车道不可变道区的出入点路面；以所述网关ECU、信号驱测ECU和车辆检测ECU构成底层ZigBee网络；管理终端安置于交管部门，与每个交叉路口设立的网关ECU构成主从式上层GSM通信网络。

2.一种基于权利要求1所述系统的控制方法，其特征是包括以下步骤：

a、底层ZigBee网络进行动态组网，网关ECU、信号驱测ECU、车辆检测ECU分别以协调器、路由器、端节点的形式获得不同的权限和信道，并完成与上层GSM网络的全局时钟同步；

b、车辆检测ECU按照设定工作方式进行车辆信息的获取并按照固定报文格式化，通过ZigBee无线接口将信息经由所隶属信号驱测ECU传输至网关ECU；

c、网关ECU收集底层ZigBee网络的车辆信息，对信息进行分析和预处理，每隔固定的周期将预处理过后的交通流数据通过上层GSM网络进行传输；

d、管理终端收集上层GSM网络的交通流量数据，采用交通流优化算法，将结果通过下行的点对点短消息报文传送至各网关ECU；

e、网关ECU根据接收到的短消息报文，确定该交叉路口的信号灯周期、相序、绿信比，启动定时器并通过ZigBee网络广播发送信号控制序列消息帧，如果接收到错误消息，则进行相应的处理；

f、信号驱测ECU按照控制序列消息帧，对信号灯具的亮灭状态进行驱动，并上报错误报告消息帧。

3.根据权利要求2所述的控制方法，其特征是所述步骤b中，车辆检测ECU的设定工作方式是磁阻传感器将地磁信号转换为单片机可识别的电压信号，当车辆通过路面时对地磁扰动产生的电压信号超出所设置的阈值时，车辆检测ECU判断有车通过；检测扰动信号强弱变化一次的时间，结合车辆平均长度，计算车辆经过的速度；车辆检测ECU在空闲时进入睡眠状态，直到车辆经过时引起的振动被加速度传感器检测到时唤醒。

4.根据权利要求3所述的控制方法，其特征是所述步骤e中的错误分析与相应的处理包括：

a、某路信号灯具出现短路、过载、欠压、断路情况时，关闭相应的驱动端口；

b、各方向信号灯具出现错向、异步情况时，进行本地时钟同步，向信号驱测ECU重发工作状态报文；

c、信号驱测ECU由于掉电或其他故障出现脱离网络情况时，待其恢复供电时重新分配地址使其加入网络。

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