無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通系統(tǒng)中應(yīng)用

1、Word文檔無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通系統(tǒng)中應(yīng)用 智能交通系統(tǒng)(ITS)應(yīng)用在城市交通中主要體現(xiàn)在微觀的交通信息采集、交通掌握和誘導(dǎo)等方面，通過提高對交通信息的有效使用和管理來提高交通系統(tǒng)的效率，主要是由信息采集輸入、策略掌握、輸出執(zhí)行、各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸與通信等子系統(tǒng)組成。信息采集子系統(tǒng)通過傳感器采集車輛和路面信息，策略掌握子系統(tǒng)依據(jù)設(shè)定的目標(biāo)(如通行量最大、或平均候車時間最短等)運用計算方法(例如模糊掌握、遺傳算法等)計算出最佳方案，并輸出掌握信號給執(zhí)行子系統(tǒng)(一般是交通信號掌握器)，以引導(dǎo)和掌握車輛的通行，達到預(yù)設(shè)的目標(biāo)。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種融合短程無線通訊技術(shù)、微電子傳感器、嵌入式系統(tǒng)

2、的新技術(shù)，漸漸被用于智能交通系統(tǒng)等需要數(shù)據(jù)采集與檢測的相關(guān)領(lǐng)域。基于IEEE802.15.4規(guī)范的ZigBee技術(shù)，具備以下良好特性：功耗低，2節(jié)一般5號電池可支持一個節(jié)點工作624個月;組網(wǎng)力量強，網(wǎng)絡(luò)最多可達個節(jié)點，并支持樹狀、星狀、網(wǎng)狀等多種組網(wǎng)方式;傳輸距離遠，兩節(jié)點室外傳輸距離可達幾百米，在增加放射功率后可達幾千米;牢靠性高，具備多級平安模式;成本低，開放的簡化ZigBee協(xié)議棧，工作在2.4GHz免執(zhí)照的ISM頻段。 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備優(yōu)良特性，可以為智能交通系統(tǒng)的信息采集供應(yīng)一種有效手段，可以監(jiān)測路口各個方向上的車輛，依據(jù)監(jiān)測結(jié)果，改進簡化、改進信號掌握算法，提高交通效率。無線傳

3、感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于執(zhí)行子系統(tǒng)中的掌握子系統(tǒng)和引導(dǎo)子系統(tǒng)等方面。例如可以應(yīng)用該技術(shù)改進信號掌握器，實現(xiàn)智能公交系統(tǒng)的公交優(yōu)先功能。 用于ITS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 如圖1所示，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，安裝道路兩旁的匯聚節(jié)點組成一個自組織的多跳網(wǎng)狀Mesh基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，交通信息采集專用的傳感器終端節(jié)點與每個接近的匯聚節(jié)點組成星型網(wǎng)絡(luò)進行通訊，最終的數(shù)據(jù)將被匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點上。網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以作為一個模塊安裝在交叉路口的交通信號掌握器內(nèi)，通過信號掌握器的專有網(wǎng)絡(luò)，將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到交管中心作進一步處理。 在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署中，匯聚節(jié)點可以安裝在路邊立柱、橫杠等交通設(shè)施上，網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以集成再交叉路口的

4、交通信號掌握器內(nèi)，專用傳感器終端節(jié)點可以填埋在路面下或者安裝在路邊，道路上的運動車輛也可以安裝傳感器節(jié)點動態(tài)加入傳感器網(wǎng)絡(luò)。 圖1用于智能交通信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu) 采納無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進行交通信息采集 在交通信息采集中，終端節(jié)點可采納非接觸式地磁傳感器來定時收集和感知區(qū)域內(nèi)車輛的速度、車距等信息。當(dāng)車輛進入傳感器的監(jiān)控范圍后，終端節(jié)點通過磁力傳感器來采集車輛的行駛速度等重要信息，并將信息傳送給下一個定時醒來的節(jié)點。當(dāng)下一個節(jié)點感應(yīng)到該車輛時，結(jié)合車輛在兩個傳感器節(jié)點間的行駛時間估量，就可估算出車輛的平均速度。多個終端節(jié)點將各自采集并初步處理后的信息通過匯聚節(jié)點匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，進行數(shù)據(jù)融合

5、，獲得道路車流量與車輛行使速度等信息，從而為路*通信號掌握供應(yīng)精確的輸入信息。通過給終端節(jié)點安裝溫濕度、光照度、氣體檢測等多種傳感器，還可以進行路面狀況、能見度、車輛尾氣污染等檢測。 圖2用于交通信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在ITS中的應(yīng)用 實現(xiàn)智能公交系統(tǒng)中的公交優(yōu)先功能需要對現(xiàn)有交通信號掌握器進行改造。通過添加傳感器等幫助設(shè)備，交通信號掌握器可以估算出公交車輛到達交叉路口的時間(旅行時間)，計算出公交車輛在路口是否需要賜予優(yōu)先(可選擇乘客數(shù)量作為優(yōu)先權(quán)重)，然后選擇合適的優(yōu)先掌握策略，通過調(diào)整綠信比來優(yōu)先放行公交車輛。交通信號掌握器的改造包括： 車載無線通訊終端節(jié)點; 交叉

6、路*通信號掌握器上集成無線網(wǎng)關(guān); 用于公交車輛定位的終端節(jié)點; 通過構(gòu)建基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實現(xiàn)上述功能。 當(dāng)要接近路口時，車載ZigBee無線終端節(jié)點進行公交車輛信息廣播，路邊部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獵取信息后，公交車輛定位的終端節(jié)點對其跟蹤獵取信息并匯聚到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點上，通過內(nèi)部連接最終信息傳送給交通信號掌握器，進行相應(yīng)的優(yōu)先處理。 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的設(shè)計 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件功能設(shè)計 在ITS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點根據(jù)功能不同，需要分別進行設(shè)計。終端節(jié)點、匯聚節(jié)點和網(wǎng)關(guān)節(jié)點的軟件功能如圖3所示。終端節(jié)點安裝不同的傳感器用于運動車輛信息采集和道路信息獵取等。其功能

7、實現(xiàn)可根據(jù)精簡功能設(shè)備(RFD，ReducedFunctionDevice)標(biāo)準(zhǔn)來實現(xiàn)。終端節(jié)點與匯聚節(jié)點根據(jù)星型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，在固定時間點由睡眠狀態(tài)醒來與匯聚節(jié)點主動通訊。信息路由則交給父(匯聚)節(jié)點及網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能的協(xié)調(diào)器和路由器完成，降低了節(jié)點功耗和軟件實現(xiàn)簡單度。匯聚節(jié)點是終端節(jié)點軟件功能上的擴展，實現(xiàn)了擴展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能，允許更多重點節(jié)點接入網(wǎng)絡(luò)。可根據(jù)全功能設(shè)備(FFD，F(xiàn)ullFunctionDevice)標(biāo)準(zhǔn)進行設(shè)計。 圖3無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件功能 網(wǎng)關(guān)節(jié)點是網(wǎng)絡(luò)中所需要的協(xié)調(diào)器，負責(zé)啟動網(wǎng)絡(luò)、配置網(wǎng)絡(luò)成員地址、維護網(wǎng)絡(luò)、維護節(jié)點的綁定關(guān)系表等，還負責(zé)將所采集的數(shù)據(jù)初步

8、處理并交付交通信號掌握器傳輸?shù)缴弦患壭畔⒅行模枰^多存儲空間、計算及通訊力量。 $page$ 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件功能設(shè)計 圖4傳感器節(jié)點設(shè)計圖5Imote2系統(tǒng)結(jié)構(gòu) 節(jié)點設(shè)計其他考慮 在智能交通系統(tǒng)專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計時需要如下考慮： 節(jié)點低功耗設(shè)計。終端節(jié)點都是電池(可用太陽能蓄電池)供電。 節(jié)點成本要低廉。在進行大規(guī)模交通信息采集等部署時，節(jié)點成本將是項目關(guān)鍵。 節(jié)點的數(shù)據(jù)處理及存儲力量。一些節(jié)點需要進行高速信息采集并且運行識別算法，所以需要數(shù)據(jù)處理力量。還需要考慮在有限的空間之內(nèi)存儲程序、數(shù)據(jù)、以及支持代碼在線更新等功能。 此外，依據(jù)不同應(yīng)用場合的需要，無線傳感器節(jié)點要具有不同的傳感器

9、接口，能外接不同的傳感器。 其中，能耗管理應(yīng)當(dāng)作為重點考慮。特殊是采納32位ARM處理器外接射頻芯片的解決方案，需要有效降低節(jié)點能耗，需要在系統(tǒng)級軟件上進一步改善能耗管理，例如優(yōu)化TinyOS或嵌入式Linux電源管理功能。 結(jié)語 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用與討論得到更多關(guān)注。本文結(jié)合智能交通系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，爭論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計等問題。隨著技術(shù)進展與成熟，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以在智能交通系統(tǒng)中更多關(guān)鍵性場合得到應(yīng)用，例如電子收費、交通平安與自動駕駛、停車管理、交通誘導(dǎo)系統(tǒng)等，更進一步推動智能交通系統(tǒng)的進展。 基于TI的CC2420芯片和ARM單片機設(shè)計方案 在設(shè)計無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)時，需要

10、較強的數(shù)據(jù)處理力量，用以實現(xiàn)簡單路由協(xié)議以及信息處理等。如圖5所示Crossbow的imote2節(jié)點采納了MarvellPXA271高性能、低功耗處理器。該處理器使用動態(tài)電壓調(diào)整技術(shù)，頻率范圍13MHz416MHz，可工作于低電壓(0.85V)低頻率(13MHz)模式，具備了優(yōu)良的動態(tài)電源管理技術(shù)。此外，該處理器封裝內(nèi)集成三個芯片256KBSRAM，32MBFLASH以及32MBSDRAM，減小了體積。通過供應(yīng)多種I/O，能夠敏捷的支持不同種類的傳感器。該處理器還支持一個MMX協(xié)處理器，提高多媒體處理力量，可以用于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中的語音和圖像處理。Imote2使用TI的CC2420Zig

11、Bee射頻芯片，支持2.4GHz、16通道250kb/s數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送功率-240dBm。有效通訊距離是30米，可以通過SMA接口外接天線來增加傳輸距離。 現(xiàn)有較多的無線傳感網(wǎng)解決方案，包括各芯片產(chǎn)商推出的單片機外接射頻芯片和集成射頻、微處理器的單芯片等。在節(jié)點設(shè)計中較常采納的ZigBee射頻芯片有Atmel的AT86RF230、TI的CC2420、Freescale的MC1319x和MC1320x、Microchip的MRF24J40等。此外，芯片產(chǎn)商推出了單芯片解決方案，如TICC2430延用了CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微掌握器;Freescale的MC1321x/MC1322x和Jennic的JN5121/JN513x單芯片解決方案等。 基于Atmel的AT86RF230射頻芯片和AVR單片機設(shè)計方案 典型的終端節(jié)點和匯聚節(jié)點設(shè)計如圖4所示，采納Atmel的8位RISC結(jié)構(gòu)低功耗ATMegal1281VMCU作為