專利名稱：自適應(yīng)多級(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)燈系統(tǒng)及其控制方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及自適應(yīng)多級(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)燈系統(tǒng)及其控制方法，更具體地說(shuō)是一種基 于上層GSM和底層ZigBee的智能信號(hào)燈網(wǎng)絡(luò)及基于該多級(jí)網(wǎng)絡(luò)的控制方法。
背景技術(shù)：
目前使用的交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)主要采用單點(diǎn)控制模式，各個(gè)信號(hào)控制機(jī)之間和 交通管理中心都不能相連，少數(shù)可以聯(lián)網(wǎng)的交通燈信號(hào)控制機(jī)，基本是通過有線連接。真正 采用無(wú)線聯(lián)網(wǎng)的信號(hào)控制機(jī)很少，主要通過通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(GPRS)或者碼分多址無(wú)線 電通信技術(shù)(CDMA)兩種方式。由于采用單點(diǎn)控制的交通信號(hào)控制機(jī)，不能使各個(gè)交叉路口協(xié)同工作，綠波帶難 以形成；而采用有線聯(lián)網(wǎng)的交通信號(hào)控制機(jī)則需要開挖道路，鋪設(shè)管線，建設(shè)周期長(zhǎng)，費(fèi)用 高昂；完全利用公共無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，通信成本過高。而且目前的信號(hào)控制系統(tǒng)無(wú)燈具監(jiān)測(cè)功能， 只能靠巡查或路面交警/駕駛報(bào)告。目前的路口信號(hào)燈通常是根據(jù)幾種固定配時(shí)方案進(jìn)行 控制不能根據(jù)路口交通狀況自動(dòng)調(diào)整。即使有自適應(yīng)功能的，也僅僅是感應(yīng)線圈式，實(shí)時(shí)性 和實(shí)用性均較差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為避免上述現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足之處，提供一種安裝便捷、價(jià)格低廉、 工作可靠，全局協(xié)調(diào)控制兼顧單路口智能優(yōu)化的自適應(yīng)多級(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信號(hào)燈系統(tǒng)及其控制 方法，以適應(yīng)城市智能交通行業(yè)發(fā)展的需求。本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案本發(fā)明多級(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)信號(hào)燈系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)組成包括網(wǎng)關(guān)ECU、信號(hào)驅(qū) 測(cè)ECU、管理終端和車輛檢測(cè)ECU ；所述網(wǎng)關(guān)E⑶包括中央控制模塊、ZigBee無(wú)線模塊、GSM無(wú)線模塊和人機(jī)交互接 口，用于路口車輛信息的采集、信號(hào)燈工作狀態(tài)控制以及數(shù)據(jù)的網(wǎng)間網(wǎng)內(nèi)傳輸，其中al、所述中央控制模塊包括32位ARM嵌入式控制器、SD存儲(chǔ)器接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯 和直流開關(guān)電源，用于維持本地時(shí)鐘、存儲(chǔ)信息和控制數(shù)據(jù)、實(shí)施優(yōu)化算法；bl、所述ZigBee無(wú)線模塊包括微控制器CC2431、射頻收發(fā)電路和天線，所述微控 制器CCM31與所述中央控制模塊通過UART接口 1相連，以IEEE 802. 15. 4規(guī)范、ZigBee 2006協(xié)議構(gòu)建底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)本地交叉路口范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)化無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；Cl、所述GSM無(wú)線模塊包括短消息TC35i模塊、微控制器C8051F020、SIM卡接口、 無(wú)線信號(hào)調(diào)制電路和天線，微控制器C8051F020與所述中央控制模塊通過UART接口 2相 連，利用上層GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)異地交叉路口之間的長(zhǎng)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；dl、所述人機(jī)交互接口包括彩色液晶顯示屏和薄膜開關(guān)，人機(jī)交互接口與所述中 央控制模塊通過16位并口相連，用于實(shí)時(shí)顯示同步的所有信號(hào)燈具工作和故障狀態(tài)、手動(dòng) 改變信號(hào)燈具顯示狀態(tài)；
所述信號(hào)驅(qū)測(cè)ECU包括子中央控制模塊、信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)燈檢測(cè)電路、信號(hào) 燈具組和ZigBee無(wú)線模塊，用于進(jìn)行優(yōu)化算法結(jié)果的接收和驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈具的智能驅(qū)動(dòng)，其 中a2、所述子中央控制模塊包括8位嵌入式微處理器、E2PR0M存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯 片、A/D轉(zhuǎn)換器接口和擴(kuò)展I/O接口，用于無(wú)線接收車輛檢測(cè)ECU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并加以處理和 存儲(chǔ)；b2、所述信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路包括繼繼電器、電器驅(qū)動(dòng)芯片L9149、直流高端功率芯片 MC33^8、直流高端芯片MC33486，用于驅(qū)動(dòng)各種不同負(fù)載能力的信號(hào)燈具；c2、所述信號(hào)燈檢測(cè)電路包括電流、電壓和邏輯檢測(cè)電路，用于偵測(cè)信號(hào)燈具工作 時(shí)的過載、欠壓、短路、斷路等故障狀態(tài)；d2、所述信號(hào)燈具組包括LED信號(hào)燈、紅綠箭頭燈、人形燈、讀秒燈；所述車輛檢測(cè)E⑶包括微控制器CCM31、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、射頻收發(fā)電路、天線、磁 阻傳感器、加速度傳感器、運(yùn)放調(diào)理電路、休眠控制電路、E2PR0M存儲(chǔ)器和電池，用于車輛信 息的檢測(cè)和網(wǎng)絡(luò)傳輸；所述管理終端包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、管理服務(wù)器和用戶服務(wù)器，用于多交叉路口的 車流信息匯聚、綠波帶控制、協(xié)調(diào)放行。本發(fā)明基于多級(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)信號(hào)燈系統(tǒng)的特點(diǎn)也在于所述網(wǎng)關(guān)ECU單獨(dú) 設(shè)立于交叉路口易施工位置，信號(hào)驅(qū)測(cè)ECU分散安置于各個(gè)方向車行道邊、人行道邊，多個(gè) 車輛檢測(cè)ECU分別埋設(shè)于每條車道不可變道區(qū)的出入點(diǎn)路面；以所述網(wǎng)關(guān)ECU、信號(hào)驅(qū)測(cè) ECU和車輛檢測(cè)ECU構(gòu)成底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)；管理終端安置于交管部門，與每個(gè)交叉路口設(shè) 立的網(wǎng)關(guān)E⑶構(gòu)成主從式上層GSM通信網(wǎng)絡(luò)。本發(fā)明所述系統(tǒng)的控制方法的特點(diǎn)是包括以下步驟a、底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)E⑶、信號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶、車輛檢測(cè)E⑶分別以 協(xié)調(diào)器、路由器、端節(jié)點(diǎn)的形式獲得不同的權(quán)限和信道，并完成與上層GSM網(wǎng)絡(luò)的全局時(shí)鐘 同步；b、車輛檢測(cè)ECU按照設(shè)定工作方式進(jìn)行車輛信息的獲取并按照固定報(bào)文格式化， 通過ZigBee無(wú)線接口將信息經(jīng)由所隸屬信號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶傳輸至網(wǎng)關(guān)E⑶；C、網(wǎng)關(guān)E⑶收集底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)的車輛信息，對(duì)信息進(jìn)行分析和預(yù)處理，每隔固 定的周期將預(yù)處理過后的交通流數(shù)據(jù)通過上層GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸；d、管理終端收集上層GSM網(wǎng)絡(luò)的交通流量數(shù)據(jù)，采用交通流優(yōu)化算法，將結(jié)果通 過下行的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短消息報(bào)文傳送至各網(wǎng)關(guān)ECU ；e、網(wǎng)關(guān)ECU根據(jù)接收到的短消息報(bào)文，確定該交叉路口的信號(hào)燈周期、相序、綠信 比，啟動(dòng)定時(shí)器并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)廣播發(fā)送信號(hào)控制序列消息幀，如果接收到錯(cuò)誤消息， 則進(jìn)行相應(yīng)的處理，f、信號(hào)驅(qū)測(cè)ECU按照控制序列消息幀，對(duì)信號(hào)燈具的亮滅狀態(tài)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并上報(bào) 錯(cuò)誤報(bào)告消息幀。本發(fā)明系統(tǒng)控制方法的特點(diǎn)也在于所述步驟b中，車輛檢測(cè)ECU的設(shè)定工作方式 是磁阻傳感器將地磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的電壓信號(hào)，當(dāng)車輛通過路面時(shí)對(duì)地磁擾動(dòng) 產(chǎn)生的電壓信號(hào)超出所設(shè)置的閾值時(shí)，車輛檢測(cè)ECU判斷有車通過；檢測(cè)擾動(dòng)信號(hào)強(qiáng)弱變化一次的時(shí)間，結(jié)合車輛平均長(zhǎng)度，計(jì)算車輛經(jīng)過的速度；車輛檢測(cè)ECU在空閑時(shí)進(jìn)入睡眠 狀態(tài)，直到車輛經(jīng)過時(shí)引起的振動(dòng)被加速度傳感器檢測(cè)到時(shí)喚醒。本發(fā)明系統(tǒng)控制方法的特點(diǎn)還在于所述步驟e中的錯(cuò)誤分析與相應(yīng)的處理包括a、某路信號(hào)燈具出現(xiàn)短路、過載、欠壓、短路、斷路情況時(shí)，關(guān)閉相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)端口 ；b、各方向信號(hào)燈具出現(xiàn)錯(cuò)向、異步情況時(shí)，進(jìn)行本地時(shí)鐘同步，向信號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶重 發(fā)工作狀態(tài)報(bào)文；C、信號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶由于掉電或其他故障出現(xiàn)脫離網(wǎng)絡(luò)情況時(shí)，待其恢復(fù)供電時(shí)重新 分配地址使其加入網(wǎng)絡(luò)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明有益效果體現(xiàn)在1、基于多層無(wú)線網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)ZigBee是一種專注于低功耗、低成本、低復(fù)雜度、低速率的近程無(wú)線網(wǎng)絡(luò)通信技 術(shù)，其物理層、MAC層和鏈路層采用了 IEEE802. 15. 4 (無(wú)線個(gè)人區(qū)域網(wǎng))標(biāo)準(zhǔn)，主要應(yīng)用在距 離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間。GSM系統(tǒng)是目前基于多址技術(shù)(TDMA、 SDMA、FDMA、CDMA)的移動(dòng)通信體制中比較成熟完善的系統(tǒng)。在全國(guó)范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫 游，用戶無(wú)需另外組網(wǎng)，只要實(shí)現(xiàn)資源共享就可以節(jié)省昂貴的建網(wǎng)費(fèi)用，進(jìn)行無(wú)線通信還具 有雙向數(shù)據(jù)傳輸功能，性能穩(wěn)定，是遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳送與監(jiān)控設(shè)備通信的一個(gè)強(qiáng)大的支持平臺(tái)。本發(fā)明將各交叉路口布置的網(wǎng)關(guān)E⑶、信號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶、車輛檢測(cè)E⑶分別作為 ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)和布局，沿繼承了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的自組 織、多跳路由等優(yōu)良特性，在簡(jiǎn)化施工和電氣布線的同時(shí)亦提高了整體的魯棒性、可靠性和 可維護(hù)性。網(wǎng)關(guān)E⑶的GSM接口使得管理終端與多個(gè)交叉路口之間可以通過短消息互聯(lián)的 方式，完成綠波帶協(xié)調(diào)控制的功能。2、靈活的自適應(yīng)性本發(fā)明系統(tǒng)在交管中心的管理終端內(nèi)嵌了自適應(yīng)算法，以各交叉路口上傳的實(shí)時(shí) 車流數(shù)據(jù)為依據(jù)，采用多路口級(jí)聯(lián)控制、綠波帶協(xié)調(diào)控制、動(dòng)態(tài)最優(yōu)路線加載等為手段，從 而實(shí)現(xiàn)區(qū)域的最大車輛通行能力，緩解交通阻塞。與此同時(shí)，在交叉路口的網(wǎng)關(guān)ECU內(nèi)嵌了 遺傳算法，以本路口各方向車流平均延誤時(shí)間最小為目標(biāo)，可以隨著偵測(cè)到的路口車輛停 留數(shù)，動(dòng)態(tài)的實(shí)現(xiàn)綠信比、周期的調(diào)整。這種依托于多級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分層式控制系統(tǒng)，一方 面可以應(yīng)對(duì)大范圍的全局交通流智能疏導(dǎo)，另一方面具有在單個(gè)路口可以獨(dú)立運(yùn)行，不因 和管理終端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障而喪失系統(tǒng)智能性的特點(diǎn)。3、低成本、低功耗本發(fā)明系統(tǒng)中的不僅網(wǎng)關(guān)E⑶、信號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶、車輛檢測(cè)E⑶之間的通訊采用 ZigBee無(wú)線的方式，而且管理終端和網(wǎng)關(guān)E⑶之間的通訊采用GSM無(wú)線方式，在施工階段 無(wú)須開挖路面埋地下管線，在維護(hù)階段無(wú)須進(jìn)行繁瑣的接線檢查，極大的節(jié)省了施工和維 護(hù)成本。在系統(tǒng)工作階段，絕大部分的無(wú)線通信數(shù)據(jù)交互發(fā)生在免費(fèi)的底層自建ZigBee網(wǎng) 絡(luò)，與現(xiàn)有的單級(jí)無(wú)線系統(tǒng)相比節(jié)約了高昂的移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商費(fèi)用。車輛檢測(cè)ECU進(jìn)行了低功 耗設(shè)計(jì)，在空閑時(shí)總是進(jìn)入睡眠狀態(tài)，直到車輛經(jīng)過時(shí)引起的振動(dòng)被加速度傳感器檢測(cè)到 時(shí)喚醒，從而延長(zhǎng)了車輛檢測(cè)ECU的維護(hù)周期，節(jié)約了相應(yīng)的人力和物力。4、強(qiáng)大的故障處理機(jī)制交通信號(hào)燈控制系統(tǒng)隸屬于安全關(guān)鍵系統(tǒng)，為了避免車輛行人的安全受到威脅，其各種故障狀態(tài)需要進(jìn)行合理迅速的處理。本發(fā)明系統(tǒng)針對(duì)上層GSM網(wǎng)絡(luò)通信、底層 ZigBee網(wǎng)絡(luò)通信、信號(hào)燈具故障狀態(tài)、車輛檢測(cè)ECU工作情況均進(jìn)行了完備有效的故障檢 測(cè)處理機(jī)制，從而提高了系統(tǒng)的容錯(cuò)性、可靠性、魯棒性。


圖1為本發(fā)明的系統(tǒng)組成框圖；圖2為本發(fā)明所涉及的網(wǎng)關(guān)E⑶硬件框圖；圖3為本發(fā)明所涉及的信號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶硬件框圖；圖4為本發(fā)明所涉及的車輛檢測(cè)E⑶硬件框圖；以下通過具體實(shí)施方式
，并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述
具體實(shí)施例方式參見圖1，本發(fā)明系統(tǒng)組成包括管理終端、網(wǎng)關(guān)E⑶、信號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶、車輛檢測(cè)E⑶；管理終端安置于交管部門，包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、管理服務(wù)器、用戶服務(wù)器，均配備 了 GSM數(shù)據(jù)通信接口，用于多交叉路口的車流信息匯聚、綠波帶控制、協(xié)調(diào)放行；網(wǎng)關(guān)E⑶單獨(dú)設(shè)立于交叉路口易施工位置，用于完成路口車輛信息的采集、信號(hào) 燈工作狀態(tài)控制以及數(shù)據(jù)的網(wǎng)間網(wǎng)內(nèi)傳輸?shù)裙δ?；信?hào)驅(qū)測(cè)ECU以多種信號(hào)標(biāo)識(shí)形式分散安置于各個(gè)方向車行道邊、人行道邊，用 于進(jìn)行優(yōu)化算法結(jié)果的接收和信號(hào)燈具的智能驅(qū)動(dòng)；車輛檢測(cè)E⑶埋設(shè)于每條車道不可變道區(qū)的出入點(diǎn)路面，用于進(jìn)行車流輛信息的 采集、存儲(chǔ)和發(fā)送；具體實(shí)施中，網(wǎng)關(guān)E⑶、信號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶、車輛檢測(cè)E⑶構(gòu)成了底層ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)， 信號(hào)驅(qū)測(cè)ECU和車輛檢測(cè)ECU可以根據(jù)路口實(shí)際的需要進(jìn)行任意數(shù)量的擴(kuò)展，每個(gè)交叉路 口由ZigBee網(wǎng)絡(luò)完全覆蓋。管理終端與每個(gè)交叉路口設(shè)立的網(wǎng)關(guān)E⑶，構(gòu)成了主從式的上 層GSM通信網(wǎng)絡(luò)。這種基于多級(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，這種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)擴(kuò)展性好，便于集 中管理，可以降低系統(tǒng)建設(shè)成本，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和可靠性。參見圖2，本實(shí)施例中的網(wǎng)關(guān)E⑶包括主中央控制模塊、ZigBee無(wú)線模塊、GSM無(wú) 線模塊、人機(jī)交互接口，其中a、所述中央控制模塊包括32位ARM嵌入式處理器、SD存儲(chǔ)器接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、 直流開關(guān)電源，用于維持精確的本地時(shí)鐘、存儲(chǔ)信息和控制數(shù)據(jù)、實(shí)施優(yōu)化算法；b、所述ZigBee無(wú)線模塊包括微控制器CCM31、射頻收發(fā)電路和天線，與中央控制 模塊通過UART接口 1相連，以IEEE 802. 15. 4規(guī)范、ZigBee 2006協(xié)議構(gòu)建底層無(wú)線通信 網(wǎng)絡(luò)，用于實(shí)現(xiàn)本地交叉路口范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)化無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；c、所述GSM無(wú)線模塊包括短消息TC35i模塊、微控制器C8051F020、SIM卡接口、無(wú) 線信號(hào)調(diào)制電路和天線，與中央控制模塊通過RS232接口相連，借助于GSM上層網(wǎng)絡(luò)用以實(shí) 現(xiàn)異地交叉路口之間的長(zhǎng)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；d、所述人機(jī)交互接口包括彩色液晶顯示器、薄膜開關(guān)，與中央控制模塊通過16位 并口相連，用于實(shí)時(shí)顯示同步的所有信號(hào)燈具工作和故障狀態(tài)、手動(dòng)改變信號(hào)燈具顯示狀 態(tài)。
具體實(shí)施中，由于網(wǎng)關(guān)E⑶起到本地控制核心、數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)處理、指令上行下達(dá)的關(guān) 鍵作用，一旦失效則該交叉路口信號(hào)燈系統(tǒng)癱瘓。一般需要增設(shè)網(wǎng)關(guān)ECU的備份系統(tǒng)，這種 冗余系統(tǒng)與網(wǎng)關(guān)ECU結(jié)構(gòu)相同、狀態(tài)同步，在網(wǎng)關(guān)ECU故障時(shí)進(jìn)行無(wú)縫切換。參見圖3，本實(shí)施例中的信號(hào)驅(qū)測(cè)ECU包括子中央控制模塊、信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路、信 號(hào)燈檢測(cè)電路、信號(hào)燈具組，用于進(jìn)行優(yōu)化算法結(jié)果的接收和驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈具的智能驅(qū)動(dòng)，其 中a、所述子中央控制模塊包括8位嵌入式微處理器、E2PR0M存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、 A/D轉(zhuǎn)換器接口和擴(kuò)展I/O接口，用于無(wú)線接收車輛檢測(cè)ECU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并加以處理和存 儲(chǔ)；b、所述信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路包括繼電器驅(qū)動(dòng)芯片L9149、繼電器、直流高端功率芯片 MC33^8、直流高端芯片MC33486，用于驅(qū)動(dòng)各種不同負(fù)載能力的信號(hào)燈具；C、所述信號(hào)燈檢測(cè)電路包括電流、電壓、邏輯檢測(cè)電路，用于偵測(cè)信號(hào)燈具工作時(shí) 的過載、欠壓、短路、斷路等故障狀態(tài)；d、所述信號(hào)燈具組包括LED紅綠信號(hào)燈、紅綠箭頭燈、人形燈、讀秒燈，為交叉路 口的交通信號(hào)標(biāo)識(shí)。具體實(shí)施中，信號(hào)驅(qū)測(cè)ECU的數(shù)量和驅(qū)動(dòng)端口類型完全由交叉路口的實(shí)際需要決 定，而且可以任意擴(kuò)展，以ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的方式動(dòng)態(tài)加入既定網(wǎng)絡(luò)。參見圖4，本實(shí)施例中的車輛檢測(cè)E⑶包括微控制器CCM31、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、射頻 收發(fā)電路、天線、磁阻傳感器、加速度傳感器、運(yùn)放調(diào)理電路、休眠控制電路、E2PR0M存儲(chǔ)器。 底層信號(hào)檢測(cè)模塊采用多種技術(shù)結(jié)合的綜合設(shè)計(jì)，磁阻式傳感器芯片與振動(dòng)傳感器芯片相 結(jié)合，將CCM31作為CPU對(duì)底層信號(hào)進(jìn)行處理。這樣不僅能能夠保證監(jiān)測(cè)的可靠，而且可 以使用CCM31其基于ZigBee的無(wú)線傳輸功能，將采集信息傳輸?shù)缴蠈泳W(wǎng)絡(luò)信息傳輸模塊。 其中磁阻式傳感器用于車輛信息的采集，而振動(dòng)傳感器用于CPU的喚醒。這樣可以保證CPU 在無(wú)車輛經(jīng)過時(shí)工作在休眠模式，而當(dāng)車輛經(jīng)過時(shí)由振動(dòng)傳感器的信號(hào)喚醒CPU，使其正常 工作，從而大大降低了器件的功耗。模塊采用專用電池供電，工作壽命長(zhǎng)；同時(shí)由于模塊的 體積較小，避免了大面積的路面開挖，降低了施工成本。本實(shí)施例系統(tǒng)的控制方法包括正常運(yùn)行和故障處理兩種情況，其中正常運(yùn)行包括以下步驟a、上層GSM網(wǎng)絡(luò)以管理終端為主導(dǎo)中心，完成對(duì)各個(gè)交叉路口網(wǎng)關(guān)E⑶的連接通 信和初始化配置，底層ZigBee通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)ECU、信號(hào)驅(qū)測(cè)ECU、車輛檢測(cè) ECU分別以協(xié)調(diào)器、路由器、端節(jié)點(diǎn)的形式獲得不同的權(quán)限和信道，并且在組網(wǎng)結(jié)束時(shí)完成 與上層GSM網(wǎng)絡(luò)的全局時(shí)鐘同步；b、各車輛檢測(cè)ECU按照設(shè)定工作方式進(jìn)行車輛信息的獲取并按照固定報(bào)文格式 化，通過ZigBee無(wú)線接口將信息經(jīng)由所隸屬信號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶傳輸至網(wǎng)關(guān)E⑶；C、網(wǎng)關(guān)E⑶收集底層ZigBee全網(wǎng)絡(luò)的車輛信息，對(duì)信息進(jìn)行分析和預(yù)處理，每隔 固定的周期將預(yù)處理過后的交通流數(shù)據(jù)通過上層GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸；d、管理終端收集上層GSM網(wǎng)絡(luò)的交通流量數(shù)據(jù)，采用交通流優(yōu)化算法，將結(jié)果通 過下行的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短消息報(bào)文傳送至各網(wǎng)關(guān)ECU ；e、網(wǎng)關(guān)ECU根據(jù)接收到的短消息報(bào)文，解析后確定該交叉路口的信號(hào)燈周期、相序、綠信比，啟動(dòng)定時(shí)器并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)廣播發(fā)送信號(hào)控制序列消息幀；f、信號(hào)驅(qū)測(cè)ECU按照控制序列消息幀，對(duì)信號(hào)燈具的時(shí)序和亮滅狀態(tài)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。其中故障處理包括以下幾種情況a、信號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶為連接其上的每路信號(hào)燈具均設(shè)置了邏輯、電壓、電流檢測(cè)電路， 當(dāng)某路信號(hào)燈具出現(xiàn)短路、過載、過壓故障時(shí)，則由信號(hào)驅(qū)測(cè)ECU立即關(guān)閉相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)端口 以避免損壞；當(dāng)某路信號(hào)燈具出現(xiàn)斷路故障時(shí)，則該故障信息經(jīng)由網(wǎng)關(guān)ECU上報(bào)至管理終 端以提示交通/市政部門修理更換；當(dāng)各方向信號(hào)燈具工作時(shí)出現(xiàn)錯(cuò)向、異步故障時(shí)，則由 網(wǎng)關(guān)MCU進(jìn)行底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)的時(shí)鐘同步，并且向信號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶重發(fā)工作狀態(tài)報(bào)文；b、當(dāng)管理終端探測(cè)到和某個(gè)路口的網(wǎng)關(guān)E⑶失去上層GSM網(wǎng)絡(luò)聯(lián)系時(shí)，則報(bào)警提 示交通/市政部門進(jìn)行檢修，與此同時(shí)該網(wǎng)關(guān)ECU啟動(dòng)本地優(yōu)化策略，以實(shí)現(xiàn)單路口信號(hào)燈 具的智能控制直到故障排除；C、當(dāng)信號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶由于掉電故障出現(xiàn)脫離本地ZigBee網(wǎng)絡(luò)情況時(shí)，網(wǎng)關(guān)E⑶動(dòng)態(tài) 更新傳輸路由以確保無(wú)故障ECU能夠支持有效的網(wǎng)絡(luò)通信，并且待其恢復(fù)供電時(shí)重新分配 地址和信道以加入網(wǎng)絡(luò)。d、車輛檢測(cè)E⑶的電池電量降低到不可用狀態(tài)時(shí)，則信息經(jīng)由網(wǎng)關(guān)E⑶上報(bào)至管 理終端以提示交通/市政部門修理更換。
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權(quán)利要求
1.多級(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)自適應(yīng)信號(hào)燈系統(tǒng)，其特征是系統(tǒng)組成包括網(wǎng)關(guān)E⑶、信號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶、 管理終端和車輛檢測(cè)ECU ；所述網(wǎng)關(guān)E⑶包括中央控制模塊、ZigBee無(wú)線模塊、GSM無(wú)線模塊和人機(jī)交互接口，用 于路口車輛信息的采集、信號(hào)燈工作狀態(tài)控制以及數(shù)據(jù)的網(wǎng)間網(wǎng)內(nèi)傳輸，其中al、所述中央控制模塊包括32位ARM嵌入式控制器、SD存儲(chǔ)器接口、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯和直 流開關(guān)電源，用于維持本地時(shí)鐘、存儲(chǔ)信息和控制數(shù)據(jù)、實(shí)施優(yōu)化算法；bl、所述ZigBee無(wú)線模塊包括微控制器CC2431、射頻收發(fā)電路和天線，所述微控制器 CC2431與所述中央控制模塊通過UART接口 1相連，以IEEE 802. 15. 4規(guī)范、ZigBee 2006 協(xié)議構(gòu)建底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)本地交叉路口范圍內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)化無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；Cl、所述GSM無(wú)線模塊包括短消息TC35i模塊、微控制器C8051F020、SIM卡接口、無(wú)線 信號(hào)調(diào)制電路和天線，微控制器C8051F020與所述中央控制模塊通過UART接口 2相連，利 用上層GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)異地交叉路口之間的長(zhǎng)距離無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸；dl、所述人機(jī)交互接口包括彩色液晶顯示屏和薄膜開關(guān)，人機(jī)交互接口與所述中央控 制模塊通過16位并口相連，用于實(shí)時(shí)顯示同步的所有信號(hào)燈具工作和故障狀態(tài)、手動(dòng)改變 信號(hào)燈具顯示狀態(tài)；所述信號(hào)驅(qū)測(cè)ECU包括子中央控制模塊、信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路、信號(hào)燈檢測(cè)電路、信號(hào)燈具 組和ZigBee無(wú)線模塊，用于進(jìn)行優(yōu)化算法結(jié)果的接收和驅(qū)動(dòng)信號(hào)燈具的智能驅(qū)動(dòng)，其中a2、所述子中央控制模塊包括8位嵌入式微處理器、E2PR0M存儲(chǔ)器、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、A/D 轉(zhuǎn)換器接口和擴(kuò)展I/O接口，用于無(wú)線接收車輛檢測(cè)ECU傳輸?shù)臄?shù)據(jù)并加以處理和存儲(chǔ)；b2、所述信號(hào)燈驅(qū)動(dòng)電路包括繼繼電器、電器驅(qū)動(dòng)芯片L9149、直流高端功率芯片 MC33^8、直流高端芯片MC33486，用于驅(qū)動(dòng)各種不同負(fù)載能力的信號(hào)燈具；c2、所述信號(hào)燈檢測(cè)電路包括電流、電壓和邏輯檢測(cè)電路，用于偵測(cè)信號(hào)燈具工作時(shí)的 過載、欠壓、短路、斷路等故障狀態(tài)；d2、所述信號(hào)燈具組包括LED信號(hào)燈、紅綠箭頭燈、人形燈、讀秒燈； 所述車輛檢測(cè)ECU包括微控制器CCM31、實(shí)時(shí)時(shí)鐘芯片、射頻收發(fā)電路、天線、磁阻傳 感器、加速度傳感器、運(yùn)放調(diào)理電路、休眠控制電路、E2PR0M存儲(chǔ)器和電池，用于車輛信息的 檢測(cè)和網(wǎng)絡(luò)傳輸；所述管理終端包括數(shù)據(jù)庫(kù)服務(wù)器、管理服務(wù)器和用戶服務(wù)器，用于多交叉路口的車流 信息匯聚、綠波帶控制、協(xié)調(diào)放行。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于多級(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)信號(hào)燈系統(tǒng)，其特征是所述網(wǎng)關(guān) ECU單獨(dú)設(shè)立于交叉路口易施工位置，信號(hào)驅(qū)測(cè)ECU分散安置于各個(gè)方向車行道邊、人行道 邊，多個(gè)車輛檢測(cè)ECU分別埋設(shè)于每條車道不可變道區(qū)的出入點(diǎn)路面；以所述網(wǎng)關(guān)ECU、信 號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶和車輛檢測(cè)E⑶構(gòu)成底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)；管理終端安置于交管部門，與每個(gè)交叉 路口設(shè)立的網(wǎng)關(guān)E⑶構(gòu)成主從式上層GSM通信網(wǎng)絡(luò)。
3.一種基于權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的控制方法，其特征是包括以下步驟a、底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，網(wǎng)關(guān)E⑶、信號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶、車輛檢測(cè)E⑶分別以協(xié) 調(diào)器、路由器、端節(jié)點(diǎn)的形式獲得不同的權(quán)限和信道，并完成與上層GSM網(wǎng)絡(luò)的全局時(shí)鐘同步；b、車輛檢測(cè)ECU按照設(shè)定工作方式進(jìn)行車輛信息的獲取并按照固定報(bào)文格式化，通過ZigBee無(wú)線接口將信息經(jīng)由所隸屬信號(hào)驅(qū)測(cè)E⑶傳輸至網(wǎng)關(guān)E⑶；C、網(wǎng)關(guān)E⑶收集底層ZigBee網(wǎng)絡(luò)的車輛信息，對(duì)信息進(jìn)行分析和預(yù)處理，每隔固定的 周期將預(yù)處理過后的交通流數(shù)據(jù)通過上層GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸；d、管理終端收集上層GSM網(wǎng)絡(luò)的交通流量數(shù)據(jù)，采用交通流優(yōu)化算法，將結(jié)果通過下 行的點(diǎn)對(duì)點(diǎn)短消息報(bào)文傳送至各網(wǎng)關(guān)ECU ；e、網(wǎng)關(guān)ECU根據(jù)接收到的短消息報(bào)文，確定該交叉路口的信號(hào)燈周期、相序、綠信比， 啟動(dòng)定時(shí)器并通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)廣播發(fā)送信號(hào)控制序列消息幀，如果接收到錯(cuò)誤消息，則進(jìn) 行相應(yīng)的處理，f、信號(hào)驅(qū)測(cè)ECU按照控制序列消息幀，對(duì)信號(hào)燈具的亮滅狀態(tài)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，并上報(bào)錯(cuò)誤 報(bào)告消息幀。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的控制方法，其特征是所述步驟b中，車輛檢測(cè)ECU的設(shè)定工作 方式是磁阻傳感器將地磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為單片機(jī)可識(shí)別的電壓信號(hào)，當(dāng)車輛通過路面時(shí)對(duì)地磁 擾動(dòng)產(chǎn)生的電壓信號(hào)超出所設(shè)置的閾值時(shí)，車輛檢測(cè)ECU判斷有車通過；檢測(cè)擾動(dòng)信號(hào)強(qiáng) 弱變化一次的時(shí)間，結(jié)合車輛平均長(zhǎng)度，計(jì)算車輛經(jīng)過的速度；車輛檢測(cè)ECU在空閑時(shí)進(jìn)入 睡眠狀態(tài)，直到車輛經(jīng)過時(shí)引起的振動(dòng)被加速度傳感器檢測(cè)到時(shí)喚醒。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的控制方法，其特征是所述步驟e中的錯(cuò)誤分析與相應(yīng)的處理 包括a、某路信號(hào)燈具出現(xiàn)短路、過載、欠壓、短路、斷路情況時(shí)，關(guān)閉相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)端口；b、各方向信號(hào)燈具出現(xiàn)錯(cuò)向、異步情況時(shí)，進(jìn)行本地時(shí)鐘同步，向信號(hào)驅(qū)測(cè)ECU重發(fā)工 作狀態(tài)報(bào)文；c、信號(hào)驅(qū)測(cè)ECU由于掉電或其他故障出現(xiàn)脫離網(wǎng)絡(luò)情況時(shí)，待其恢復(fù)供電時(shí)重新分配 地址使其加入網(wǎng)絡(luò)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于多級(jí)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的自適應(yīng)信號(hào)燈系統(tǒng)及其控制方法，其特征是系統(tǒng)組成包括管理終端、網(wǎng)關(guān)ECU、信號(hào)驅(qū)測(cè)ECU、車輛檢測(cè)ECU；本發(fā)明將各交叉路口布置的網(wǎng)關(guān)ECU、信號(hào)驅(qū)測(cè)ECU、車輛檢測(cè)ECU分別作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器、路由器和終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)和布局，沿繼承了無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)的自組織、多跳路由等優(yōu)良特性，在簡(jiǎn)化施工和電氣布線的同時(shí)提高整體魯棒性、可靠性和可維護(hù)性。網(wǎng)關(guān)ECU的GSM接口使得管理終端與多個(gè)交叉路口之間可以通過短消息互聯(lián)的方式，完成綠波帶協(xié)調(diào)控制的功能。依托于多級(jí)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的分層式控制系統(tǒng)，一方面可以應(yīng)對(duì)大范圍的全局交通流智能疏導(dǎo)，另一方面具有在單個(gè)路口可以獨(dú)立運(yùn)行，不因和管理終端網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)故障而喪失系統(tǒng)智能性的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G05B19/418GK102081853SQ20101057295
公開日2011年6月1日 申請(qǐng)日期2010年12月3日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月3日
發(fā)明者劉小平, 衛(wèi)星, 張建軍, 趙沖, 韓江洪, 魏振春 申請(qǐng)人:合肥工業(yè)大學(xué)