短距离无线通信技术在智能交通领域中的应用

短距离无线通信技术在智能交通领域中的应用

作者：周柏宏

摘要：本文主要论述基于无线单片机片上系统的短距离无线通信技术在智能交通领域中的应用，

Abstract: This paper focuses on wireless MCU-based system-on-the concept of short-range wireless communication technologies in the field of intelligent transportation applications.

智能交通系统（ITS ）意为基于现代智能电子信息技术并面向交通运输的服务系统，21世纪将是道路交通智能化的世纪，无论从当前国际化的能源问题，环保问题，还是由此引发的效率和可持续发展问题，都向我们提出智能交通建设的紧迫任务，而异军突起的无线单片机产业和短距离无线通信技术在交通智能化建设中充当了排头兵的角色，本文下面将试图和大家一起来探讨这个问题。

1、 无线单片机与短距离无线通信技术概念

无线单片机（RFMCU ），简单的说就是一个单片机（MCU ）加上无线射频收发前端（RF ），通过整体设计把MCU 和原来独立的RF 之间的高频接口部分调校的很好，并同时把其他一些硬件电路比如AD, 寄存器等一起封装在一个（约10个平方毫米）芯片上，展现给客户的是一个可以独立工作的无线收发及控制系统，无线单片机将原本复杂的、容易被外界干扰的无线方案全部集成到一块芯片中，不仅提高了电路的可靠性、增加了抗干扰能力，更极大的降低了工程师的应用难度。无线单片机可以直接通过单片机指令控制无线电路，将无线彻底的数字化，其通信距离从几米到几公里不等。

短距离无线通信技术的范围很广，在一般意义上，只要通信收发双方通过无线电波传输信息，并且传输距离限制在较短的范围内，通常是几十米以内，就可以称为短距离无线通信。实现短距离无线通信的方式很多，而无线单片机技术是被业界采纳最多，也是公认的未来无线技术发展的趋势，从某种意义上说无线单片机技术和短距离无线通信技术在人们心中的概念已经走向融合，本文所谈到的短距离无线通信技术正是基于无线单片机技术而言。

2、 网络化的无线单片机

无线单片机本身集成MCU ，RF 前端，内存以及AD 等器件，不仅可以完成普通单片机的所有功能，还完美的匹配了无线对等通信功能，部分无线单片机更能支持无线通信标准协议，例如TI 公司的CC2430，作为首款符合zigbee 短距离通信技术标准的单芯片（SOC ），结合Z-STACK 协议栈，被业界公认为最好的无线网络解决方案；

CC2430芯片是专为ZigBee 技术量身定做的2.4 GHz射频系统单芯片。适用于各种ZigBee 或类似ZigBee 的无线网络，支持构建调谐器、路由器和终端设备。

Zigbee 短距离网络通信技术标准是由zigbee 联盟在802.15.4标准的基础上提出来的，802.15.4 标准组织制定了媒介存取控制层（MAC ）与物理层，zigbee 联盟在此基础上定义了应用层和网络层以及MAC 、应用层与网络层的安全加密标准，zigbee 是一种专注于低功耗、低成本、低复杂度、低速率的短距离无线网络通信技术

3、网络化无线化的智能交通发展

城市智能交通的目的就是在有限道路资源的前提下缓解或改善交通拥挤情况，相对于交通运输工具的飞速发展，我国交通配套设施建设明显滞后，道路安全网络、道路标识、交通指挥中心仍然不足。“单独从车辆方面或道路方面考虑，均很难有效地解决交通问题。通过采用信息通信技术、电子技术以及其他科学技术把它们联系起来，并实现智能化的ＩＴＳ才能解决根本问题。”国务院信息化

办公室综合司司长徐愈在中国信息化推进大会上表示，交通信息化需要融合科技力量才能使目前的交通问题得到改善。

交通智能化、信息化建设必然要依靠全面的通信网络建设，由于道路交通流动性非常大，要实现交通的网络化监控必然采用无线通信方式，而大规模的基建设施例如红绿灯，电子站牌，道路环境检测装置等，应尽量要避免破土维护以及有线铺设带来的制约性，所以仍然会走向无线连接，

另一方面道路交通及基建由于存在量大，网络交互频繁，不可能承受高昂的运营费用，例如GPRS,GSM,CDMA 等付费的通信服务更多的只能作为远距离的骨干网络连接服务，而不可能作为全面覆盖的道路监测网络，无线单片机所承载的短距离无线通信及网络技术正好完美的弥补了这个空缺，无线单片机所特有的PAN （个人局域网）网络结构，对于区域性的交通网络覆盖及数据融合处理带来了全新的解决思路，短距离无线通信技术构建起来的无线局域网和GPRS 等公共无线网络的结合更完美的实现了现阶段交通智能化的网络覆盖要求！

基于以上的城市智能交通无线网络覆盖的建设思想，可以看出，在这样一个大网络的构建中，其至关重要的一部分是基于短距离无线通信技术实现的交通第一现场的无线监控网络，这个区域性的小网络肩负了对道路交通现场数据的实时采集，目标设施的远程监测控制，并且和车载局域网络一起构建起一个真正的智能网络。

4、无线监控网络的构建

Zigbee

无线网络的建立需要网关、路由和终端设备三种类型，其工作模式及相互关系如图所示

? 网关—也叫做协调器，或者是汇聚节点，负责建立和管理网络以及通过串口与PC 机之间通信，承担由PC 机向网络传达控制命令及把网络中的请求反馈给PC 机的任务

? 路由—也叫路由中心节点，负责连接整个网络及中继数据和指令，可以放在路口控制机等实际设备中

? 终端--负责目标控制和数据采集，也可能负责本地数据融合，主要是嵌入到最终监控的设备中，例如信号灯，可变标志，车检器等

5、 zigbee 无线网络在智能交通中的典型应用

如图4示，以路口控制机作为中心路由节点，交通信号灯、可变标志灯作为终端节点，按zigbee 的技术标准，一个父节点下面可以带254个子节点，在这里也就是说一个路口控制机下面可以监控的设备对象多达254种，而且标准同时规定zigbee 现在最高的传输速率是250KBPS ，完全满足一般监控设备和控制机中心节点之间的数据交互需求。

上面介绍了构建一个路口无线监控网络，而路口控制机作为路由节点，不仅可以对其下的上百个子节点进行监控更能和临近路口的控制机路由节点之间互联，并且最后汇聚到网关中心节点，如图5示，我们可以建立一个区域性的监控网络，这个网络的数据控制中心就是图2中的区域监控站点，考虑到zigbee 网络的节点容量以及远距离传输的可靠性等问题，对于区域监控站点级别向上的无线数据传输和指令接收方式建议采用GPRS 等公共通信网络，区域监控站点的监控范围在现行技术的保障下可以限定在一个2公里的交通管辖范围内，相邻的区域监控网络通过使用不同的通信信道或跳频通信来划分区域，实现区域网络的独立监控，而通过路由传到监控站点的数据处理结果进行协调管理。

区域性zigbee 监控网络的具体应用

⒈可以实现区域路口红绿灯信号的联动，如果结合公共通信网络和合理的工程算法，甚至做到大范围内的红绿灯信号联动，通过路面传感器的实时采集数据以智能的判断当前哪个路口的交通流量大，并智能的改变红绿灯绿信比，使路口交通保持最佳通行水平，红绿灯信号的联动和绿信比的智能调整在智能交通研究

领域具有非常现实的研究意义，可以有效节约不必要等待带来的燃油浪费和环境污染。整体改善城市交通拥挤局面。

⒉实现及时有效的交通诱导行为，通过区域性的监控行为，例如通过对地感线圈的检测，可以很快掌握区域的交通状况，包括车流量，车辆跟驰状态，交通拥挤程度评估，通过监控站点及时向中心汇报，由中心综合个监测站返回的数据进行评估，然后制定有限的交通诱导信息，通过无线网络的地址标识精确的控制道路可变标志的诱导信息！驾驶员看到诱导信息以后可以及时的改变路线，避免继续跟进造成恶性拥堵。

⒊智能公交或者快速公交系统构建，可实现自动无线语音报站，在路口通过时通过无线识别，以公交车所在方向为第一优先信号灯配置因素。