基于V2X和ZigBee通信的智能交通信号灯系统及其控制方法与流程

本发明属于智能交通以及车联网技术领域，涉及一种基于v2x和zigbee通信的智能交通信号灯系统及其控制方法。

背景技术：

现阶段，智能交通的实现主要依赖两个方面：实时交通状态信息的采集，应用相关的控制策略。其中，智能交通的控制策略主要是通过控制各交叉路口的交通信号灯发挥作用，而现有的交通信号灯存在布线复杂，导致安装和维护某交叉路口交通信号灯的用时长的问题；并且，交通信号灯的配时方案一般是固定不变的或者配时方案更新周期过长的问题，不能根据实时的交通状态进行合理的动态改变，从而导致交通管理和控制的效率低的问题。

随着无线通信的发展，交通信号灯及其控制系统中复杂的布线可以使用相关的无线通信方式进行替换，从而达到安装和维护简单便捷的目的。在无线通信技术中，zigbee通信技术具有近距离、低功耗、低成本，以及其网络具有自组织和低复杂度的特点，因而被广泛应用于无线传感器网络中。zigbee通信是基于ieee802.15.4，工作在2.4～2.485ghz频段；其可靠通信传输范围在10～100米之间，在增加发射功率后，最大可扩展至300米左右，因而在一个交叉路口中zigbee网络可以满足交通信号灯的控制需要。另外，zigbee自组织网络支持星型、树型和网状网等多种网络拓扑结构，因而可以根据不同的应用场景灵活采用不同的网络拓扑结构。在实际交叉路口可以采用星型网络拓扑结构，使rsu更加便捷地控制各组交通信号灯。具体可由rsu设备通过zigbee通信模块建立自组织网络，其他具有zigbee通信功能的设备后续加入该网络。此外，zigbee设备组成的自组织网络具有灵活的增加和减少某个zigbee设备的功能。因此，相比其他短距离无线通信方式，zigbee设备更加适合作为交叉路口的交通信号灯系统的无线网络。

而在智能交通技术领域中，车联网(v2x)通信方式主要是为了解决智能交通系统中车辆与其他成员之间的高可靠和低时延的信息传输问题，主要包括v2i(vehicle-to-infrastructure)、v2v(vehicle-to-vehicle)、v2p(vehicle-to-pedestrian)和v2n(vehicle-to-network)。并且，v2x通信是即将到来的第5代移动通信(5g)标准中重要的组成部分，因此现在交通信号灯系统应该包含v2x通信方式，以适应智能交通的发展。

此外，现有的交通信号灯控制系统主要是使用较大的交通信号控制机作为主控单元，对某个交叉路口所有交通信号灯通过有线通信的方式进行控制，因而在安装和维护时，需要花费大量时间进行线路排查，影响安装和维护的效率。并且，由于这种交通信号控制机一般安放在交叉路口的路边，其不仅占用有限的道路空间，而且容易遭到人为的破坏。

技术实现要素：

本发明旨在解决以上现有技术的问题。提出了一种基于v2x和zigbee通信的智能交通信号灯系统及控制方法。本发明的技术方案如下：

一种基于v2x和zigbee通信的智能交通信号灯系统，其包括：作为主控单元的路侧单元rsu、若干组交通信号灯设备、mec边缘计算服务器及通用强制遥控器，所述路侧单元rsu包括v2x通信模块、蜂窝通信模块以及zigbee通信模块；所述交通信号灯设备包括zigbee通信模块和led显示模块；所述通用强制遥控器包括zigbee通信模块、按键模块和显示模块；其中，所述路侧单元rsu的zigbee通信模块与交通信号灯设备的zigbee通信模块相连接并通信，所述路侧单元rsu的v2x通信模块与车辆端v2x通信模块相连接并通信，所述路侧单元rsu的蜂窝通信模块通过蜂窝通信基站与mec边缘计算服务器相连接并通信，其中所述路侧单元rsu(1)用于建立zigbee网络，并通过zigbee通信对当前交叉路口各组交通信号灯进行实时控制；交通信号灯设备用于加入路侧单元rsu建立的zigbee网络，以接收其控制命令并执行；mec边缘计算服务器用于根据其数据库中的历史不同时段各车道内的车辆分布数据，制定每个路口的交通信号灯的24小时制的配时方案；通用强制遥控器用于在必要时强制控制某交叉路口交通信号灯。

进一步的，所述路侧单元rsu安装在交叉路口信号灯灯杆上，所述路侧单元rsu的zigbee通信模块使用地区内唯一的zigbee网络id，建立星型zigbee网络，其中rsu作为zigbee网络中的协调器，各组交通信号灯作为zigbee网络的终端节点，借助唯一的zigbee网络id加入当前路口的rsu创建的zigbee网络，从而与主控设备rsu进行数据交互。

进一步的，所述边缘计算mec服务器用于在每日固定时间，根据数据库中某一交叉路口的历史不同时段车道级车辆分布数据，以及涉及该交叉路口的绿波带通行控制策略，制定每个交叉路口的各组交通信号灯设备的24小时制的配时方案，并在每日0点向各交叉路口的rsu设备发送相应的配时方案。

进一步的，所述通用强制遥控器用于通过在按键模块中输入当前交叉路口交通信号灯系统的zigbee网络id，向主控单元rsu发送包含要请求控制的交通信号灯系统的zigbee网络id和该设备的全球唯一的32位mac地址的请求消息，在收到rsu的返回的控制结果消息后，在显示模块中显示结果；若是同意的结果，则表示该通用强制遥控器已加入当前路口的rsu创建的局域zigbee网络，通过其控制按键对当前交叉路口交通信号灯系统进行实时控制；实现对所有具有该智能系统的各交叉路口的交通信号灯的实时强制控制。

进一步的，所述路侧单元rsu是智能交通信号灯系统的核心控制设备，其主要负责建立当前交叉路口的zigbee局域加密的星型网络，在该网络中担任协调器的角色，使该路口中具有zigbee通信功能的交通信号灯设备作为zigbee网络中的终端设备加入该网络；同时，rsu参考mec服务器下发的当前路口交通信号灯的24小时配时方案，以及进入当前交叉路口所有车道中车辆的实时分布情况，制定对当前交叉路口各组交通信号灯设备每个周期的配时方案，通过向所在的zigbee局域网络内所有终端设备广播的方式，将配时方案下发给当前交叉路口内各组交通信号灯设备。

进一步的，所述路侧单元rsu在收到某个通用强制遥控器的请求控制当前交通信号灯系统时，路侧单元rsu首先根据请求消息中该设备要请求控制的交通信号灯系统的zigbee网络id来确认是否是请求控制rsu所在的交叉路口信号灯系统，若是，则借助请求消息中的通用强制遥控器的mac地址，通过移动蜂窝通信网络向mec服务器在线验证该设备是否存在于通用强制要控制器的白名单中，若存在，则向该rsu返回验证成功的结果，rsu收到验证成功后，允许请求设备加入当前的zigbee网络，并停止对该交通信号灯系统的自动控制，转为该通用强制遥控器的实时强制控制；如果两个判断条件有一个不成立，rsu将向请求设备返回请求控制失败的结果。

一种所述系统的控制方法，其包括以下步骤：

边缘计算mec服务器制定路口的各组交通信号灯的24小时制的配时方案，并借助移动蜂窝通信将配时方案发送到该路口的路侧单元rsu中；

rsu借助v2x通信实时地获取所有进入当前交叉路口的车道中车辆的分布情况，制定下一周期对各交通信号灯的控制方案，所述下一周期对各交通信号灯的控制方案包括下一周期的总时长、以及各个方向交通信号灯的红绿比；并在每个交通信号灯周期结束之前，通过zigbee网络下发给各组交通信号灯设备，使其在下一周期执行，从而完成对该系统的自动配时控制。

进一步的，还包括使用具有zigbee通信功能的通用强制遥控器进行强制控制的步骤，具体包括：在按键模块中输入当前路口交通信号灯系统的zigbee网络id，通过zigbee网络向rsu请求控制该交叉路口的信号灯系统，rsu收到请求后，通过移动蜂窝通信向mec服务器在线验证该请求设备的mac地址，在通过验证后，允许其加入当前交叉路口的zigbee网络，进而强制控制当前路口的各组交通信号灯的红绿信号，从而实现对该系统的强制控制。

进一步的，还包括系统内部所有设备的校时方法，具体包括：系统中的主控单元rsu和mec服务器在每日固定时间，通过internet网络向国家授时中心进行时间校对；另外，rsu使用zigbee通信在每个交叉路口信号灯周期结束之前，通过zigbee网络内的向各组交通信号灯系统设备广播校时信息，从而使该交叉路口的所有交通信号灯设备具有与主控单元rsu相同的时间基准。

本发明的优点及有益效果如下：

1.本发明该系统使用可安装在现有交叉路口灯杆上的小型路侧单元rsu，作为道路交通信号灯的主控单元，从而代替原有的大型控制设备，并将交通信号灯系统的有线通信的控制方式变为使用可靠的zigbee通信、v2x通信和高速移动蜂窝通信进行控制的方式，简化了现有交通灯系统复杂度，减少了安装和维护的时间。

2.该交通信号灯系统的配时由mec服务器和rsu双级控制。其中，mec服务器根据所有进入每个交叉路口的车道中不同时段的历史车辆分布的交通数据，以及绿波带通行引导的策略，制定该交叉路口的交通信号灯的24小时制的配时方案；然后，rsu再根据v2x通信获取的进入当前交叉路口各车道中车辆实时分布情况，并对mec服务器制定的24小时的配时策略中的当前时段的配时方案进行修正，从而提升了各交叉路口交通信号灯配时方案的合理性。

3.通过在通用强制控制器的按键中输入当前交叉路口交通信号灯系统的zigbee网络id，向该路口的交通信号灯系统的主控单元rsu请求强制控制该系统；然后rsu首先根据所要请求控制的zigbee网络id判断是否是请求自身交通信号灯系统，如果是，则向mec服务器在线验证该设备的32位全球唯一的mac地址，从而允许一个通用强制遥控器对某个路口的交通信号灯系统的强制控制。通过这种双级验证策略，提升了通用强制控制器对各交叉路口交通信号灯系统控制的通用性和安全性。

4.rsu和mec服务器每日固定时间通过internet网络向国家授时中心进行校时；并且，rsu在当前交叉路口的整个信号灯系统的每个交通信号灯周期结束前，向zigbee网内所有的交通信号灯设备广播校时消息，使其微控制器内的时间以rsu中的时间为基准，从而保证了整个交通信号灯系统内部所有设备的系统时间的统一性，进而保证了通过无线通信方式控制交通信号灯的准确性和信号灯显示的统一性。

5.该交通信号灯系统中的主控单元rsu包含zigbee通信模块、v2x通信模块和移动蜂窝通信模块。因此，可以在该系统中扩展具有zigbee通信功能的传感器模块，提升探测交通状态数据的精确度，还可以增加具有v2x通信功能的设备以及扩展v2x的相关业务，还可以扩展高速移动蜂窝通信的业务，从而增强了该交通信号灯系统的可扩展性。

附图说明

图1是本发明提供优选实施例智能交通信号灯系统及其各组成部分的模型；

图2是对该智能交通信号系统配时及其自动控制方法的流程图；

图3是通用强制遥控器控制某个交叉路口交通信号灯系统的流程图；

图4是丁字路口处的智能交通信号灯系统模型；

图5是十字路口处的智能交通信号灯系统模型；

图6是具有6个出入口的环岛交叉路口处的交通信号灯系统模型。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、详细地描述。所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例。

本发明解决上述技术问题的技术方案是：

1.基于v2x和zigbee通信的智能交通信号灯系统硬件架构及各设备间的通信方式

a.硬件架构如图1所示，该系统包含四种类型的设备：系统主控单元rsu设备1，各组交通信号灯设备2，mec服务器3，通用强制遥控器4。其中，rsu1具有v2x通信模块5、蜂窝通信模块6以及zigbee通信模块7；各组交通信号灯设备2具有zigbee通信模块7和led显示模块8；通用强制遥控器4具有zigbee通信模块7、按键模块9和显示模块10。

b.主控单元rsu与各组交通信号灯设备之间通过zigbee通信进行信息交互，与mec服务器之间通过移动蜂窝通信进行数据交互，与通用强制遥控器之间通过zigbee通信技术进行数据交互。

c.可安装在交叉路口信号灯灯杆上的rsu，借助其zigbee模块使用地区内唯一的zigbee网络id，建立小范围的星型zigbee网络，其中rsu作为zigbee网络中的协调器(coordinator)角色。

d.具有zigbee通信功能的各组交通信号灯作为zigbee网络的终端节点(enddevice)，借助唯一的zigbee网络id加入当前路口的rsu创建的zigbee网络，从而与主控设备rsu进行数据交互。

2.对该交通信号灯系统的配时方法及其自动控制方法，如图2所示

a.边缘计算(mec)服务器在每日固定时间，根据其数据库中当前交叉路口不同时段的历史车道级车辆分布统计数据，以及涉及该交叉路口的绿波带通行引导策略，制定该路口的各组交通信号灯的24小时制的配时方案，在每日0点借助移动蜂窝通信将配时方案发送到该路口的路侧单元(rsu)中，供其在制定当前路口各组交通信号灯接下来24小时内各周期的配时方案时进行参考。

b.rsu在当前交叉路口交通信号灯每个周期结束时，根据当前周期内借助v2x通信实时地获取所有进入当前交叉路口的车道中车辆分布情况，并参考mec发送的24小时制的配时方案，制定下一周期对交通信号灯的控制方案，包括下一周期的总时长，以及各个方向交通信号灯的绿灯时长。

c.由于各组交通信号灯设备均有独立的微控制单元，为了保证各组交通信号灯设备能够使其led显示模块按照rsu广播的配时方案同步显示，需要在每个当前交叉路口交通信号灯的整个周期即将结束之前，主控单元rsu通过向当前zigbee局域网络内的所有设备广播发送时间校验消息，对各组交通信号灯设备的系统时间以rsu的系统时间为基准进行统一校时。其中，rsu和mec服务器使用授时中心的在线时间。

d.校时结束后，主控单元rsu在当前交通信号灯配时周期结束之前通过zigbee通信，向所在zigbee网络内各组交通信号灯设备广播发送下一周期的配时控制指令，直到收到各组交通信号灯设备的确认消息后停止广播。

e.各组交通信号灯设备收到配时指令后，首先向rsu发送确认收到消息指令，然后在当前配时周期结束后，执行收到的下一周期的配时方案。

3.通用强制遥控器控制某个交叉路口交通信号灯系统的控制方法，如图3所示

a.为了保证强制遥控器的通用性，以及控制交通信号灯系统的可靠性和安全性，通用强制遥控器在控制某个交叉路口交通信号灯之前，需要在其按键模块中输入该交叉路口的rsu建立的zigbee网络id，然后强制遥控器通过zigbee网络向rsu发送包含所输入的zigbee网络编号id，以及该强制遥控器中的zigbee模块的32位全球唯一mac地址的请求消息。

b.rsu在接收到通用强制遥控器请求后，首先根据请求消息中的网络编号id，验证其是否是要加入当前交通信号灯系统的zigbee网络；然后将该请求设备的32位mac地址与mec服务器中的通用强制遥控器白名单中的mac地址进行在线对比，如果白名单中存在该设备，则rsu允许其加入该zigbee网络，并停止当前的自动配时控制各组交通信号灯设备，并接收该通用强制遥控器发送的控制指令，并按照该指令控制当前交叉路口的各组交通信号灯的实时状态；如果两个判断条件有一个不满足，则拒绝其加入当前交叉路口的zigbee网络。

4、系统内部各设备时间校对方法

a.系统主控单元rsu和mec服务器在每日固定时间，通过internet网络向国家授时中心进行校时；

b.rsu在当前交叉路口的整个信号灯系统的每个交通信号灯周期结束前，向zigbee网内所有的交通信号灯设备广播校时消息，使其微控制器内的时间以rsu中的时间为基准。

以下对本发明的优选实施例进行详细描述：应当理解，优选实施例仅仅为了说明本发明，而不是为了限制本发明的保护范围。

优选实施例1：本发明在丁字路口处的应用

在城市特殊路段，会存在丁字类型的交叉路口，即，仅仅有三条道路相交叉的位置。因此，该类型的交叉路口处仅仅需要三组交通信号灯设备即可完成车辆通行引导，该智能交通信号灯系统在丁字路口处的应用模型如图4所示。rsu可以被安装当前交叉路口的任何一个灯杆上，在上电后，rsu将建立预设的区域内具有唯一id的zigbee网络，假设id为0x0001，其通信范围的设定可以根据实际路口最长距离而定，一般以50米距离为宜。另外，在其他三组交通信号灯设备按照一开始规划设计安装在相应的灯杆上，安装完成后将其上电后，其将自动搜索预先设定的zigbee网络id为0x0001的zigbee网络，若搜索到该网络后，将自动申请，rsu自动添加此三组交通信号灯设备，完成该丁字交叉路口的智能交通信号灯的安装。

优选实施例2：本发明在十字路口处的应用

在城市道路中，最常见的就是十字路类型的交叉路口。因为进入该交叉路口的道路有四条，所以在此类型的交叉路口处需要四组交通信号灯分别控制四条道路中的不同车道车辆通行，该智能交通信号灯系统在十字路口处的应用模型如图5所示。首先将rsu和四组交通信号灯设备按照一开始的规划设计安装在相应的灯杆上，根据与rsu相距最远的一组交通信号灯设备到rsu的距离为依据，设定rsu的zigbee的可靠通信范围。设置完成以后，分别对rsu和各组交通信号灯设备上电，其中rsu将按照预设区域内的zigbee网络唯一id建立该十字交叉路口的zigbee网络，假设其id为0x0002，其他四组交通信号灯设备搜索0x0002的zigbee网络，并自动完成加入网络过程，至此完成十字交叉路口的智能交通信号灯系统的安装。

优选实施例3：本发明在具有6个出入口的环岛交叉路口处的应用

在某些特殊情况下，道路需要设置环岛来达到车辆在此处进行有序的改变行驶方向。而环岛交叉路口的出入口数量是根据实际情况而定的，现以6个出入口为例，本发明中的智能交通信号灯系统在此交叉路口处的应用模型如图6所示。由于具有6个出入口，因此在此交叉路口处的智能交通信号灯系统应设置一个rsu和6组交通信号灯设备。首先，将rsu和6组交通信号灯设备按照一开始的规划设计安装在相应的灯杆上，根据与rsu相距最远的一组交通信号灯设备到rsu的距离为依据，设定rsu的zigbee的可靠通信范围。设置完成以后，分别对rsu和各组交通信号灯设备上电，其中rsu将按照预设区域内的zigbee网络唯一id建立该环岛交叉路口的zigbee网络，假设其id为0x0003，其他6组交通信号灯设备搜索0x0003的zigbee网络，并自动完成加入网络过程，至此完成该环岛交叉路口的智能交通信号灯系统的安装。

以上这些实施例应理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。在阅读了本发明的记载的内容之后，技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等效变化和修饰同样落入本发明权利要求所限定的范围。