基于ZIGBEE智能红绿灯控制系统应用方案.doc-资料库

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基于 ZIGBEE 智能红绿灯控制系统应用方案关键词：ZigBee，智能交通，无线通信，传感网络 (一)应用需要：现代城市的发展，随着城市车辆的增加，人、车、路者关系的协调，已成为交通管理部门所面临的重要问题。城市交通控制系统是面向全市的交通数据监测、交通信号灯控制与交通诱导的计算机控制系统，它是现代城市交通监控系统中重要的组成部分，主要用于城市道理交通控制与管理，对提高城市道理的通行能力、缓和城市交通拥挤起着重要作用。城市道路的畅通采用有效的控制措施，最大限度地提高道路的使用效率是城市道路交通控制的重要内容。城市道路交通控制主要是对交通信号的控制，道路交通信号灯是城市道路网中的主要控制设施。交通信号灯存在，它们就会或多或少地影响交通网络的运行效率，因此信号灯必须以最优控制策略存在，以减少道路网络中所有车辆的行程的时间，必须要有一个智能交通系统来达到城市道路的最大畅通。智能交通信号控制系统的管理模式就是集中管理，分级控制，充分利用现有的通信和控制技术，按实际交通现状先进行单个交叉路口的自适应协调，然后是主干线的协调控制，实现分布式协调的分级控制，最终达到区域控制的系统最优。近年来，利用先进的科学技术改造城市交通系统已成为城市交通管理者的共识。以十字路口的红绿灯设置为例，可以了解使用这种无线互联网络技术所能带来的好处：以杭州市交通管理为例，监控中心每天都通过闭路电视关注各路口的交通情况，还派人对路口进行实地观察，以及时发现信号配时不适应实际交通状况的路口，调整控制系统参数。另外，根据近段时间的交通状况，有关部门对几个路口的红绿灯相位也要作出相应的调整，解决直行车辆、左转弯车辆、右转弯车辆的放行秩序。因此，对交通信号的调整是随时随地都需要的。现有的红绿灯控制系统在铺设时其控制线路必须专门挖道布线，给整个交通调度带来很大的不便。费用相应较高，日后的维护保养也十分不便。同时，当出现交通堵塞等紧急状况时，需要交警在现场及时而灵活调整红绿灯的时间设置，而现有系统只能预先设置几个固定模式，无法达到根据具体情况设置的要求。此外，主管部门也希望能及时了解各个路口的交通状况及红绿灯状况，这就需要设备之间实现网络的互联互通，而传统的有线方式面临着布线困难，维护不易，成本较高等问题。

(二)ZIGBEE 技术简介： ZigBee 是一种无线连接技术的商业化命名，该无线连接技术主要解决低成本、低功耗、低复杂度、低传输速率、近距离的设备联网应用。 ZigBee 是基于 IEEE 802.15.4 无线标准研制开发的、有关组网、安全和应用软件方面的技术，IEEE802.15.4 仅处理 MAC 层和物理层协议，ZigBee 联盟对其网络层协议和 API 进行了标准化。 ZigBee 是由 ZigBee Alliance 所主导的标准，定义了网络层(Network Layer)、安全层 (Security Layer)、应用层由国际电子电机工程协会(IEEE)所制订的 802.15.4 标准，则是定义了物理层(PHY Layer)及媒体存取层(Media Access Control Layer;MAC Layer)。国际上，IEEE 802.15.4 工作组及 ZigBee 联盟共同致力于该无线连接技术的推广工作。 ZigBee 联盟负责高层应用及市场推广工作。而于 2002 年成立的 ZigBee 联盟如今已经吸引了上百家芯片公司、无线设备公司的加入。目前 Freescale、TI、Jennic 等国际巨头都已推出了比较成熟的 ZigBee 开发平台。 ZigBee 标准基于 802.15.4 协议栈而建立，具备了强大的设备联网功能，它支持三种主要的自组织无线网络类型，即星形结构、网状结构(Mesh)和簇状结构(Cluster Tree)，特别是网状结构，具有很强的网络健壮性和系统可靠性。 ZigBee 协议栈如下图所示：

(三)ZIGBEE 技术特点： a) 设备省电 ZigBee 技术采用了多种节电的工作模式，可以确保两节五号电池支持长达 6 个月到 2 年左右的使用时间; b) 通信可靠 ZigBee 采用了 CSMA-CA 的碰撞避免机制，同时为需要固定带宽的通信业务预留了专用时隙，避免了发送数据时的竞争和冲突;Mac 层采用了完全确认的数据传输机制，每个发送的数据包都必须等待接收方的确认信息; c) 网络的自组织、自愈能力强 ZigBee 的自组织功能：无需人工干预，网络节点能够感知其它节点的存在，并确定连接关系，组成结构化的网络;

ZigBee 的自愈功能：增加或者删除一个节点，节点位置发生变动，节点发生故障等等，网络都能够自我修复，并对网络拓扑结构进行相应地调整，无需人工干预，保证系统仍然能正常工作。 d) 成本低廉设备的复杂程度低，且 ZigBee 协议是免专利费的，这些可以有效地降低设备成本; ZigBee 的工作频段灵活，为免执照频段的 2.4GHz，就是没有使用费的无线通信。 e) 网络容量大一个 ZigBee 网络可以容纳最多 254 个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在 200 多个 ZigBee 网络; f) 数据安全 ZigBee 提供了数据完整性检查和鉴权功能，加密算法采用 AES-128，同时各个应用可以灵活确定其安全属性。 (四)解决方案现有的红绿灯控制系统在铺设时其控制线路必须专门挖道布线，给整个交通调度带来很大的不便。费用相应较高，日后的维护保养也十分不便。而传统的有线方式面临着布线困难，维护不易，成本较高等问题。采用 ZigBee 的无线控制系统，无须挖路布线设控制线路，各设备之间实现无线自动组网连接，既降低了系统安装成本，更重要的是避免了传统方式对交通干扰所带来的经济损失。随时可以施工。而且，也避免了由于城市快速发展，道路拓展等变化原有预埋管线的干扰。由于系统没有控制线路，避免了恶意破坏，大大减少了维护成本。基于交通的现状，提出了基于 ZigBee 的智能红绿灯控制系统，其结构示意如下图：

智能交通信号控制系统的管理模式就是集中管理，分级控制，充分利用现有设施，按实际交通现状先进行单个交叉路口的自适应协调，然后是主干线的协调控制，实现分布式协调的分级控制，最终达到区域控制的系统最优。交警指挥调度系统可与交通信号自动控制系统集成，实时采集路口的车辆的流量;在 GIS 地图显示各路口的交通状况、红绿灯状态等相关交通信息;根据实际需要修改、配置道口机的参数，对信号自动控制系统道口机实现远程控制。基于 ZIGBEE 无线网络平台的智能红绿灯控制系统。系统具有以下几个特点： * 无须挖路布设控制线路，各设备之间实现无线自动组网连接，既降低了系统安装成本，更重要的是避免了传统安装方式对交通干扰所带来的经济损失。随时可以施工。而且，也避免了由于城市快速发展，道路拓展等变化对原有预埋管线的干扰。由于系统没有地面控制箱和控制线路，避免了恶意破坏，大大减少了维护成本。 * 红绿灯系统既可以按事先设置的模式运行，也可由交通管理人员根据现场情况实时遥控设置，具有极大的灵活性。整个系统可由一个手持式终端进行操作控制。 * 由于系统没有地面控制箱和控制线路，避免了恶意破坏；而且，整个控制系统的各个模块具有高集成度，高可靠性和低功耗，低成本，体积小等优点，维护保养十分方便，只需更换相应节点即可，避免了传统控制线路本身带来许多麻烦。从而大大减少了设备购置成本，建设安装成本和系统维护成本。

* 卓越的物理性能。每个模块的无线连接距离，根据需要可从几十至几百米，甚至几公里。整个网络所使用的无线频率是国际通用的免费频段(2.4-2.48Ghz ISM)。传输的方式是抗干扰能力强的直序扩频方式（DSSS），特别适合在干扰较大的环境中使用。 * 每个接点都有它在这个网络之中的地址；它可以支持现有的各种标准通信协议。用户终端的接入十分方便。每个红绿灯网络可以通过其中任意一个节点，通过原有的交通控制线路系统，或其他有线或无线通信系统与指挥控制中心相连。

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