CN102254441B - 一种基于无线传感网络的实时红绿灯控制系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于无线传感网络的实时红绿灯控制系统及方法。本发明包括控制主站和多个无线传感节点。控制主站为控制中心，无线传感节点分为三类。控制主站和无线传感节点采用USB通讯方式。控制主站通过USB端口连接两个无线传感节点，一个为中心汇聚节点，负责将汇聚到的无线数据传送至PC控制主站，另一个为中心控制节点，负责发送PC端控制信息至控制节点。本发明可以根据车流量大小动态调整红绿灯时长，减少十字交叉路口拥堵情况。

Description

一种基于无线传感网络的实时红绿灯控制系统及方法

技术领域

本发明属于计算机应用技术领域，涉及一种基于无线传感网络的实时红绿灯控制系统及方法。 

背景技术

红绿交通信号灯设置于十字交叉路口，一个路口四个红绿交通信号灯，一个交通信号灯有红绿黄三种颜色，红灯表示禁止通行，绿灯表示允许通行，黄灯表示警示。在现代交通信号灯中，还包括时间显示，表示红绿灯所维持的时间，提示行人或司机所要等待或可通行的剩余时间。红绿交通控制信号灯一般由安装于路口边交通信号灯控制机控制，通过定时切换红绿灯，指示驾驶员是否可通行。

发明内容

本发明的目的在于针对现有红绿灯交通信号控制缺少动态实时性，车流量检测安装线束过多等缺点，提供一种实时性更强、可靠性更高的红绿灯控制系统及方法。

本发明的系统包括：控制主站和多个无线传感节点。控制主站为控制中心，是一台PC机，存放并显示道路状况、车流量信息，运行于PC上的上位机软件分析接收到的数据并通过相应的无线传感节点传送命令控制信息。无线传感节点分为三类，第一类为信息采集节点，用于采集车流量信息；第二类为汇聚节点，分为普通汇聚节点和中心汇聚节点，收集相应区域的车流量信息并传送至控制主站；第三类为控制节点，分为普通控制节点和中心控制节点，接收控制主站的控制信息。这三类节点部署于城市交通路口，形成一个无线传感器网络，实现数据的传送交互。

控制主站和无线传感节点采用USB通讯方式。控制主站通过USB端口连接两个无线传感节点，一个为中心汇聚节点，负责将汇聚到的无线数据传送至PC控制主站，另一个为中心控制节点，负责发送PC端控制信息至控制节点。中心汇聚节点与普通汇聚节点相比，不需要向信息采集节点收集车流量信息和转发数据包，只负责将收到的数据包发送到PC机上。中心控制节点与普通控制节点相比，只负责接收转发PC控制主站控制信息数据包。

信息采集节点通过车辆检测传感器检测车流量信息，车辆检测传感器与对应的信息采集节点的外部中断口相连，当车辆通过时，引起相应信息采集节点中断。信息采集节点通过中断程序计算车流量。控制节点控制对应路口的红绿灯变化，同时负责转发控制信息数据包。汇聚节点采集对应路口的信息采集节点信息并通过邻近的汇聚节点将收集的信息传送至控制主站，承担车流量数据收集和转发的功能。

由上所述可知，控制主站与各类节点间的数据流向分为两路，第一是采集到的车流量信息数据包经过汇聚节点传送至PC控制主站，第二是PC控制主站的控制信息数据包通过控制节点传送至相应的红绿灯控制器。

一个路口设置1个普通汇聚节点，1个普通控制节点和多个信息采集节点。一条车道上至少部署2个信息采集节点，如果是双向单车道，则1个十字路口路口至少部署8个信息采集节点，1个普通控制节点和1个普通汇聚节点。整个城市交通十字交叉路口都以上述方式布置，通过汇聚节点和控制节点形成一个无线传感网络，完成车流量数据的转发传送和红绿灯控制信息的转发传送。

    控制流程

控制主站流程：

步骤1：控制主站检测有无收到中心汇聚节点信息，如果无，返回步骤1，继续检测；如果有，进入到步骤2；

步骤2：控制主站存放信息并分析比较以往存储的信息，计算路口红绿灯时间，生成相应的控制信息数据包，转到步骤3；

步骤3：控制主站将控制信息数据包通过USB口发送至中心控制节点，由中心控制节点发送控制信息数据包至路口控制节点，控制主站转到步骤1；

控制节点流程：

步骤1：控制节点接收到来自控制主站的控制信息数据包，则进入步骤2；否则返回步骤1；

步骤2：控制节点判断是否为本节点的控制信息，是则进入步骤3，否则进入步骤4；

步骤3：控制节点将控制信息通过串口传送至相应红绿灯控制器，返回步骤1；

步骤4：控制节点路由转发接收到的控制信息数据包到邻近控制节点，然后返回步骤1；

信息采集节点流程：

步骤1：信息采集节点捕捉到外部中断，则进入步骤2；否则进入步骤3；

步骤2：车流量计数加1；进入步骤3；

步骤3：判断是否接收到汇聚节点请求信息，是则进入步骤4；否则返回步骤1；

步骤4：发送车流量信息数据包到汇聚节点，返回步骤1；

汇聚节点流程：

步骤1：汇聚节点请求数据时间到，则进入步骤2，否则进入步骤5；

步骤2：汇聚节点发送请求数据包到相应信息采集节点，进入步骤3；

步骤3：汇聚节点等待接收信息采集节点反馈数据包，接收到信息采集节点反馈数据包，则进入步骤4，否则返回步骤2;

步骤4：汇聚节点通过邻近汇聚节点将数据包转发，进入步骤5；

步骤5：汇聚节点判断是否接收到邻近汇聚节点数据包，是则进入步骤6；否则直接返回步骤1；

步骤6：汇聚节点判断本节点是否为中心汇聚节点，是则将接收到的数据包通过USB端口传送至控制主站PC；否则向邻近汇聚节点转发数据包；然后返回步骤1；

相对于现有技术，本发明的有益效果：

1）车流量信息的传送通过无线形式，无需架设有线信号线，维护方便；

2）可以根据车流量大小动态调整红绿灯时长，减少十字交叉路口拥堵情况。

附图说明

图1是单十字路口无线节点分布示意图。

图2是局部城市多路口无线节点分布图。

图3是控制主站和各类节点间的数据流向图。

图4是控制主站流程图。

图5是控制节点流程图。

图6是信息采集节点流程图。

图7汇聚节点流程图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步说明。

本发明的系统包括：控制主站和多个无线传感节点。控制主站为控制中心，是一台PC机，存放并显示道路状况、车流量信息，运行于PC上的上位机软件分析接收到的数据并通过相应的无线传感节点传送命令控制信息。无线传感节点分为三类，第一类为信息采集节点，用于采集车流量信息；第二类为汇聚节点，分为普通汇聚节点和中心汇聚节点，收集相应区域的车流量信息并传送至控制主站；第三类为控制节点，分为普通控制节点和中心控制节点，接收控制主站的控制信息。这三类节点部署于城市交通路口，形成一个无线传感器网络，实现数据的传送交互。

控制主站和无线传感节点采用USB通讯方式。PC控制主站通过USB端口连接两个无线传感节点，一个为中心汇聚节点，负责将汇聚到的无线数据传送至PC控制主站，另一个为中心控制节点，负责发送PC端控制信息至控制节点。中心汇聚节点与普通汇聚节点相比，不需要向信息采集节点收集车流量信息和转发数据包，只负责将收到的数据包发送到PC机上。中心控制节点与普通控制节点相比，只负责接收转发PC控制主站控制信息数据包。

如图1所示，本系统中单个路口无线节点分布10个，其中8个为信息采集节点，1个普通控制节点和1个普通汇聚节点。信息采集节点通过车辆检测传感器检测车流量信息，车辆检测传感器与对应的信息采集节点的外部中断口相连，当车辆通过时，引起相应信息采集节点中断。信息采集节点通过中断程序计算车流量。控制节点控制对应路口的红绿灯变化，同时负责转发控制信息数据包。汇聚节点采集对应路口的信息采集节点信息并通过邻近的汇聚节点将收集的信息传送至控制主站，承担车流量数据收集和转发的功能。

其中，车辆检测传感器采用红外激光检测器，一个红外发射管和一个红外接收管分别立于车道两侧，如果没有车辆经过该检测器，接收管能够正常接收发射管信号，检测器产生一个0V低电平电压；当车辆经过时，接收管无法接收到信号，检测器铲射5V高电平电压。该电压的变化触发信号采集节点中断。

如图2所示，是本系统各个节点在多个十字交叉路口分布示意图，各路口的无线节点中，汇聚节点和控制节点各自形成一个自组织网络，两个网络相互独立，互不冲突。

无线节点通信模块采用zigbee协议，发射功率100mw，稳定的通信距离在1km左右，能够使城市十字交叉路口间节点实现通信。如果出现路口节点间因距离太远，无法完成通信，可加入中继控制节点或中继汇聚节点。Zigbee自主网协议中，最多可加入65535个无线节点，可以为每一个在自组织网中的节点分配一个独有的ID号，完全满足城市路口无线节点数。

如图3所示，控制主站与各类节点间的数据流向分为两路，第一是采集到的车流量信息数据包经过汇聚节点传送至PC控制主站，第二是PC控制主站的控制信息数据包通过控制节点传送至相应的红绿灯控制器。   

如图4所示，控制主站流程如下：

步骤1：控制主站检测有无收到中心汇聚节点信息，如果无，返回步骤1，继续检测；如果有，进入到步骤2；

步骤2：控制主站存放信息并分析比较以往存储的信息，计算路口红绿灯时间，生成相应的控制信息数据包，转到步骤3；

步骤3：控制主站将控制信息数据包通过USB口发送至中心控制节点，由中心控制节点发送控制信息数据包至路口控制节点，控制主站转到步骤1；

其中在控制主站PC中运行一个上位机软件，该软件主要功能是完成车流量数据的存储和分析。车流量信息可以以excel格式保存，出来车流量大小，也保存了相应车流量到达的时间，可供查阅。上位机软件与两个中心节点的通信方式通过USB口，汇聚节点使用通信数据包格式为：id号|方向1车流量|方向2车流量|方向1等待车流量|方向2等待车流量，id号为分布于路口中的普通汇聚节点的id编号，以图1为例，方向1设定为东西走向，方向2为南北走向，车流量为经过编号id的汇聚节点路口的车辆多少，等待车流量为正在等待红绿灯时间的车辆多少。控制节点使用通信数据包格式为：id号|方向1控制参数|方向2控制参数，id号为分布于路口中的普通控制节点的id编号，控制参数包括红绿灯变化方向和红绿灯调整时间。

如图5所示，控制节点流程如下：

步骤1：控制节点接收到来自控制主站的控制信息数据包，则进入步骤2；否则返回步骤1；

步骤2：控制节点判断是否为本节点的控制信息，是则进入步骤3，否则进入步骤4；

步骤3：控制节点将控制信息通过串口传送至相应红绿灯控制器，返回步骤1；

步骤4：控制节点路由转发接收到的控制信息数据包到邻近控制节点，然后返回步骤1；

如图6所示，信息采集节点流程如下：

步骤1：信息采集节点捕捉到外部中断，则进入步骤2；否则进入步骤3；

步骤2：车流量计数加1；进入步骤3；

步骤3：判断是否接收到汇聚节点请求信息，是则进入步骤4；否则返回步骤1；

步骤4：发送车流量信息数据包到汇聚节点，返回步骤1；

如图7所示，汇聚节点流程如下：

步骤1：汇聚节点请求数据时间到，则进入步骤2，否则进入步骤5；

步骤2：汇聚节点发送请求数据包到相应信息采集节点，进入步骤3；

步骤3：汇聚节点等待接收信息采集节点反馈数据包，接收到信息采集节点反馈数据包，则进入步骤4，否则返回步骤2;

步骤4：汇聚节点通过邻近汇聚节点将数据包转发，进入步骤5；

步骤5：汇聚节点判断是否接收到邻近汇聚节点数据包，是则进入步骤6；否则直接返回步骤1；

步骤6：汇聚节点判断本节点是否为中心汇聚节点，是则将接收到的数据包通过USB端口传送至控制主站PC；否则向邻近汇聚节点转发数据包；然后返回步骤1；

其中由于信息采集节点并未加入自组织网络中，汇聚节点与信息采集节点的通信方式采用点对点的通信方式。汇聚节点每隔5秒钟向信息采集节点请求一次车流量信息，当收到8个信息采集节点的数据包后，做简单的处理分析，处理分析如下：以图1为例，节点2和节点6检测到的为方向1进入车流量，即方向1车流量；节点1,3,5,7检测到的车流量部分为方向1出去车流量，取这四个节点车流量的一半作为方向1出去车流量，则方向1等待车流量为方向1车流量减去方向1出去车流量。方向2同理。最后汇聚节点将以上面提过的数据包格式通过无线发送。

Claims (1)

1.一种基于无线传感网络的实时红绿灯控制方法，其特征在于该方法包括控制主站控制方法，控制节点控制方法、信息采集节点控制方法和汇聚节点控制方法；

所述的控制主站控制方法，具体是：

步骤1：控制主站检测有无收到中心汇聚节点信息，如果无，返回步骤1，继续检测；如果有，进入到步骤2；

步骤2：控制主站存放信息并分析比较以往存储的信息，计算路口红绿灯时间，生成相应的控制信息数据包，转到步骤3；

步骤3：控制主站将控制信息数据包通过USB口发送至中心控制节点，由中心控制节点发送控制信息数据包至路口控制节点，控制主站转到步骤1；

所述的控制节点控制方法，具体是：

步骤A：控制节点接收到来自控制主站的控制信息数据包，则进入步骤B；否则返回步骤A；

步骤B：控制节点判断是否为本节点的控制信息，是本节点的控制信息，则进入步骤C，否则进入步骤D；

步骤C：控制节点将控制信息通过串口传送至相应红绿灯控制器，返回步骤A；

步骤D：控制节点路由转发接收到的控制信息数据包到邻近控制节点，然后返回步骤A；

所述的信息采集节点控制方法，具体是：

步骤①：信息采集节点捕捉到外部中断，则进入步骤②；否则进入步骤③；

步骤②：车流量计数加1；进入步骤③；

步骤③：判断是否接收到汇聚节点请求信息，接收到汇聚节点请求信息则进入步骤④；否则返回步骤①；

步骤④：发送车流量信息数据包到汇聚节点，返回步骤①；

所述的汇聚节点控制方法，具体是：

步骤Ⅰ：汇聚节点请求数据时间到，时间到则进入步骤Ⅱ，否则进入步骤Ⅴ；

步骤Ⅱ：汇聚节点发送请求数据包到相应信息采集节点，进入步骤Ⅲ；

步骤Ⅲ：汇聚节点等待接收信息采集节点反馈数据包，接收到信息采集节点反馈数据包，则进入步骤Ⅳ，否则返回步骤Ⅱ；

步骤Ⅳ：汇聚节点通过邻近汇聚节点将数据包转发，进入步骤Ⅴ；

步骤Ⅴ：汇聚节点判断是否接收到邻近汇聚节点数据包，接收到邻近汇聚节点数据包则进入步骤Ⅵ；否则直接返回步骤Ⅰ；

步骤Ⅵ：汇聚节点判断本节点是否为中心汇聚节点，是中心汇聚节点，则将接收到的数据包通过USB端口传送至控制主站PC；否则向邻近汇聚节点转发数据包；然后返回步骤Ⅰ。

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