基于無線傳感器網絡的路況信息傳輸系統設計

袁佳瑩，石娟，陳剛

（1.西安工業大學 北方信息工程學院，陜西 西安　710200；2.西安交通大學 陜西 西安 710049；3.中船重工第705研究所 陜西 西安　710075）

基于無線傳感器網絡的路況信息傳輸系統設計

袁佳瑩1，石娟2，陳剛3

（1.西安工業大學 北方信息工程學院，陜西 西安710200；2.西安交通大學 陜西 西安 710049；3.中船重工第705研究所 陜西 西安710075）

本文基于無線傳感器網絡研究并實現了一個路況信息傳輸系統。通過在車輛上安置傳感器節點，并在某固定點安置Sink節點 （數據匯聚節點），路況信息被移動傳感器節點采集處理后利用本文提出的路由算法多跳傳送至Sink節點。本文設計并實現了系統的網絡構架、應用層協議、網絡層協議；在通信協議棧的基礎上完成了應用程序的開發和測試平臺的搭建。實際應用表明：基于WSN構建路況信息傳輸系統是可行且有效的。

無線傳感器網絡；路況信息；智能交通；路由協議

隨著我國經濟的發展，機動車保有量屢創新高。伴隨而來的交通擁擠、道路阻塞和頻繁發生的交通事故對生產和生活產生直接的影響，人們對交通信息化的要求逐步提高。交通信息系統就是要收集交通相關的信息，對其進行分析并提供給交通參與者，為其出行提供及時有效的幫助。

傳感器在交通信息系統中發揮著舉足輕重的作用。現有的交通信息系統通過在關鍵路段或路口安置雷達測速系統、攝像頭等器件進行信息采集，然后通過公網的電話、短信或專網的無線電臺對路況信息進行傳輸、發布。傳感器結構復雜、成本高、功能不通用，且需要架設專網或利用電話、短信進行信息傳輸，而且傳統交通信息系統的總體可靠性高度依賴于每一個傳感器，導致該系統穩定性差、處理能力低下，不能滿足實際應用的需要。

相對于傳統傳感器，無線傳感器網絡是由成千上萬個具有感知環境、數據處理、數據通信等功能的傳感器節點所組成的自組織網絡。網絡中的節點具有體積小、功耗低、成本低、相互協作的特點，它們能夠通過自組織的方式構成網絡，經過多跳將信息傳輸至數據匯聚節點，最后通過互聯網或衛星到達管理節點［1-4］。文中基于無線傳感器網絡技術對路況信息傳輸演示系統進行了設計與實現，相對于傳統的固定式組網，具有很大的優越性。

1　系統總體設計

路況信息傳輸系統由一個大功率的Sink節點及多條路段上的車載移動節點組成，其中Sink節點負責全網的時間同步和基本路況信息的收集與廣播。每個路況信息收集周期包括上行階段、下行階段、對齊時段。在上行階段，路況信息由Sensor節點進行收集、融合、上傳；在下行階段，路況信息由Sink向全網發布；對齊時段用于保證全網的Sensor節點在beacon（用于同步全網時間的幀）到來時均處于等待beacon的狀態。當一個路況信息收集周期結束時，Sink通過廣播beacon發起下一個收集周期。

根據本文中設計的路由機制，基本路況信息通過該路況信息傳輸系統中的其他車載節點多跳轉發，最終到達Sink節點。Sink節點對基本路況信息進行時效性甄別和處理。當該信息收集周期的下行階段到來時，Sink節點向全網發布處理后的基本路況信息，車載移動節點接收后將其以圖形的方式顯示于PDA上供駕駛員擇路。

2　系統網絡架構

該系統由兩類節點組成：Sink節點和Sensor節點。Sink節點位置固定，由持續電源供電、功率不受限，可以將數據直接廣播至各節點。其覆蓋范圍為300～500 m，負責全網的時間同步和基本路況信息的收集、甄別與廣播。Sensor節點具有一定的速度，位置在動態的改變，由電池為其供電，發射功率較小，其覆蓋范圍為70-80m，負責原始路況信息的收集、融合和傳輸，兩個互相在對方無線覆蓋內的Sensor節點可以互相通信。由于Sensor節點的功率有限，故Sink節點只能接受附近節點廣播的信息。

從上述系統工作過程可以看到，分層的網絡結構僅存在于基本路況信息的產生階段，抽象出的網絡結構如圖1所示。將全網的路段劃分至不同的層內，這樣當Sink節點索要第n層的路況時，第n層內的路段上的節點會通過本文中所規定的機制產生基本路況信息幀。然而，其他層內的路段均處于等待“轉發”該基本路況信息幀的狀態，而不會“產生”基本路況信幀。可以想象如果不進行分層的話，在每個收集周期里，所有路段均產生基本路況信息幀，這樣一來很容易產生擁塞現象，從而嚴重危及到網絡的穩定性。相比可知，分層有利于網絡穩定性的提升。值得注意的是，在基本路況信息的轉發及發布過程中，“層”的概念淡化了，整個系統的結構是扁平化的，即除了Sink節點外，網絡中的Sensor節點是平等的，若節點接收到基本路況信息幀，會根據路由機制決定其是否應該轉發。這樣，網絡中大量Sensor節點的存在便以冗余保證了該傳輸網絡的高容錯性和可靠性。

圖1　路況信息傳輸系統的網絡結構

3　無線通信協議

IEEE802.15.4標準針對低速無線個人區域網絡而制定，只定義了物理層和MAC層，物理層由射頻收發器和底層控制模塊構成，MAC層為高層訪問物理層提供點到點通信的服務接口。MAC層以上并不在IEEE802.15.4標準的定義范圍之內［1］。無線傳感器網絡與應用密切相關，面對不同的應用無線傳感器網絡無法給出一個普適的從物理層至應用層的通信協議體系。

3.1應用層通信協議

應用層處于協議棧的最高層，在該路況信息傳輸系統中，Sink節點周期的向全網廣播beacon幀以取得全網節點時間上的同步，beacon幀設定了每個周期所包含的上下行時段的長短。在上行時段，首先由特定路段關鍵區域內的節點通過廣播推舉幀競爭選取簇頭，接著簇頭節點保存來自關鍵區域內其他Sensor節點的原始速度信息幀，并進行數據融合產生基本路況信息幀，然后廣播之。最終該基本路況信息幀通過其他節點的轉發到達Sink節點，Sink節點對基本路況信息幀進行時效性判斷和處理，產生路況信息廣播幀。當下行時段來臨時，Sink節點向全網發布路況信息廣播幀。車載移動節點接收后將其以地圖的方式顯示于PDA上用于駕駛員擇路。可以看到，該路況信息網中信息的處理共有五個步驟：收集、融合、上傳、發布，導航。在應用層共涉及到五種幀類型：beacon幀、推舉幀、原始速度信息幀、基本路況信息幀、路況信息廣播幀。

在該路況信息傳輸系統中，Sink的應用層實現了全網同步、網絡結構劃分、上下行時段劃分。Sensor的應用層實現了路段識別、簇頭選舉、原始數據融合等功能。

3.2網絡層通信協議

物理層和數據鏈路層都是解決互相在對方無線覆蓋范圍的兩個節點之間的通信問題，而網絡層的主要功能是解決不相鄰的節點之間的通信。網絡層的主要功能有：路由、幀的發送、接收和拒絕。路由協議作為無線傳感器網絡的核心技術之一，其性能和整個網絡的性能密切相關。傳統的定向擴散（DD）類路由算法［5］往往要求在進行數據傳輸之前建立各節點到數據匯聚節點的“梯度”信息，而此梯度信息的建立往往需要大量的節點間的信息交換。這意味著需要隨時更新梯度信息也即頻繁進行大量信息交換，這必然會導致網絡效率的降低。考慮到傳感器節點所配備的GPS裝置可以實時容易地獲取車輛的地理位置信息和速度信息，本文擬利用節點的地理位置信息和速度信息作為“梯度”信息指引信息的傳輸。

如圖2所示，中心打點的節點代表信源節點，以該信源節點為圓心、R為半徑的圓域內所有節點也即圖中的黑色節點代表信源節點指定的鄰居節點。白色節點代表覆蓋范圍以外的節點。信源節點廣播數據包后，周圍節點若收到該數據包則根據自己的位置、速度信息以及上一跳節點的位置做出以下判斷：

1）如果自己處于上一跳節點的轉發半徑R之內，則轉向2），否則放棄。

2）以數據包中的路段ID和序號為索引，查找“已發送數據包記錄”，如果從未轉發過該數據包則轉向3），否則放棄。

3）如果該數據包的TTL（Time To Live）＜MAX_TTL，則轉向4），否則放棄。

4）如果該鄰居節點比上一跳節點距離Sink節點更近，則轉發，否則轉向5）。

5）利用θ判斷自己是否朝向Sink節點運動。如果是，則轉發。判斷方法如下：以圖2為例，由于網絡中所有節點都知道Sink節點的位置，且借助GPS可實時獲知自己的方位從而得到矢量CD以及速度V。節點C利用公式（1）可計算出θ，易知當θ＜π/2時，節點朝向Sink節點移動；θ＞π/2時，節點向遠離Sink節點的方向移動。

6）如果以上兩條均不滿足，以概率1/2TTL轉發。

圖2　路由示意圖

可以看到，文中所提出的路由協議屬于基于地理位置信息的路由協議，一方面令距離Sink節點近的節點進行轉發，這可以有效減少泛洪（Flooding）帶來的數據無效傳輸；另一方面令遠離Sink節點行駛的車輛也以一定概率轉發，這便充分利用了車輛移動的隨機性從而獲得了多條路徑同時傳輸的效果。其次，轉發半徑的設置與路段有關，主干道上節點密集可以減小轉發半徑，非主干道上節點稀疏則可增大轉發半徑，這樣通過改變轉發半徑來控制轉發節點的范圍，在保證數據傳輸可靠性的前提下做到了降低網內數據量和增大數據傳輸魯棒性的折衷。最后，去除重復包及TTL（time to live）的判斷有效避免了節點重復轉發無用包，節省了系統的頻譜帶寬及節點的能耗。

4　系統硬件設計

車載移動傳感器節點和Sink節點在硬件結構上是相同的，如圖3所示，主要包括GPS接收器、無線通信模塊、PDA顯示模塊、處理器以及電源模塊。

圖3　節點（Sink、Sensor）的硬件結構框圖

處理板為整個節點的核心，板上主要器件包括微處理器（ATmega 128L［6］）、射頻收發模塊（TSZ-005）、GPS模塊（GR-326）、電源芯片（MAX721）。當完成程序的調試后，處理板可以脫離接口板，利用自身攜帶電源單獨工作。

5　系統軟件設計

Sensor、Sink節點整體軟件結構如圖4所示。節點軟件采用模塊化設計，包括MAC層協議棧模塊、網絡層協議棧模塊、應用層模塊和底層操作系統內核。MAC層協議棧模塊實現了系統MAC層協議，主要有MAC層服務數據單元（MSDU）的點對點收發、信道接入控制、沖突避免等功能。網絡層協議棧模塊實現了系統的網絡層協議，主要功能有網絡層數據服務單元（NSDU）在網絡層對等實體間收發、拓撲發現功能。應用層模塊實現了系統通信協議棧的最高層，直接面向用戶。通過使用其它模塊提供的服務，Sink的應用層實現了全網同步、數據甄別與融合、人機交互等功能，Sensor的應用層實現了簇頭選舉、數據甄別與融合、人機交互等功能。最底層的操作系統模塊，對上述3個模塊進行進程調度，提供模塊之間的通信機制，另外實現了對節點硬件的驅動。

6　實驗應用

圖4　節點軟件結構

實驗中建立一個擁有14個Sensor節點、1個小功率Sink、1個大功率Sink節點的路況信息傳輸系統。系統的上行時段長度為900 ms，下行時段長度為100 ms，對齊時間長度為50 ms，所以該網絡的基本路況信息收集周期為900 ms+ 100 ms+50 ms=1.05 s。beacon幀中包含了這3個時段的持續時間。IEEE802.15.4標準中規定了WSN可工作于16個頻道：2.405 GHz，2.410 GHz，…，2.480 GHz，頻道帶寬為5 MHz。該路況信息傳輸系統工作于18號頻道，也即2.44 GHz。大功率Sink節點的發射功率為20 dBm。網絡中小功率Sink節點和其余14個Sensor節點的無線通信模塊均采用CC2420芯片，發射功率為-5～-7dBm，經測試其覆蓋范圍為70～80 m。

經測試，Sensor節點接收beacon的情況良好，也即全網可很好的進行時間同步。基本路況信息幀的上傳成功率為85％左右。在樓頂陽臺上測試該路況信息傳輸系統時，網內所有節點均放置于陽臺上，且沒有房屋、樹木等遮擋物，無線傳播信道情況良好，故上傳的成功率達到了94％。對大功率Sink節點附近的Sensor節點所收到beacon幀的接收信號強度（RSSI）進行提取，多次求平均后RSSI在-25 dbm左右。與此相比，當把14個Sensor節點放置于樓下不同路段時，對樓下某一Sensor節點所收到beacon幀的接收信號強度（RSSI）進行提取，多次求平均后RSSI在-60 dbm左右，這是由于房屋樹木較多故反射、散射、衍射等現象嚴重，直達徑多數情況下是不存在的，所以造成有時候節點所廣播的基本路況信息幀不能成功到達小功率Sink節點，從而對基本路況信息幀的上傳成功率有所影響。

7　結　論

文中研究并實現了一種基于無線傳感器網絡的路況信息傳輸系統，通過對平臺進行實地測試，取得了很好的效果。因為本文的方法具有分布式的特點，全局性能不會受單個節點故障的影響，并且傳感器節點成本低、功耗小、易于大規模生產，降低了部署成本和難度。下一步將針對如何擴大該路況信息傳輸系統的網絡覆蓋范圍進行研究。

［1］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網絡［M］.北京：清華大學出版社，2005.

［2］IF Akyildiz，W Su，Y Sankarasubramaniam，et al.A survey on sensor networks［J］.IEEE Communications Magazine，2002，40（8）:102-114.

［3］王殊，閻毓杰，胡富平，等.無線傳感器網絡的理論及應用［M］.北京：北京航空航天大學出版社，2007.

［4］N Ahmed，SS Kanhere，S Jha.The holes problem in wireless Sensor networks:a survey［J］ACM Sigmobile Mobile Computing and Communications Review，2005，9（2）:4-18.

［5］C Intanagonwiwat，R Govindan，D Estrin，et al.Directed diffusion for wireless sensor networking［J］.IEEE/ACM Transactions on Networking，2003，11（1）:2-15.

［6］陳冬云，杜敬倉，任柯燕，等.Atmega128單片機原理與開發指導［M］.北京：機械工業出版社，2006.

Design of a traffic information transmission system based on wireless sensor network

YUAN Jia-ying1，SHI Juan2，CHEN Gang3
（1.Xi'An Technological University North Institute of Information Engineering，Xi'an 710200，China；2.Xi'An Jiaotong University，Xi'an 710049，China；3.The 705th Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Xi'an 710075，China）

In this paper，a traffic information transmission system based on Wireless Sensor Network（WSN）is researched and implemented.By placing Sensor nodes in vehicles and a sink node somewhere in the city，a vehicle Wireless Sensor Network is established.Traffic informatioin is gathered and processed by Sensors，then forwarded by other Sensors in WSN according to the routing protocol proposed in this thesis and finally arrived at the sink node.The authors design and implement the applicatioin protocol，routing protocol abd application.The protocol stack are accomplished cooperatively.Finally，a demonstration system is establised cooperatively.The experiment results show that the idea of building traffic information transmission system based on WSN is practical and effective.

wireless sensor network；road condition；intelligent transportation system；routing protocol

TN99

A

1674－6236（2016）16-0101-04

2015-10-28稿件編號：201510211

袁佳瑩（1984—），女，山西運城人，碩士，工程師。研究方向：通信系統與通信網絡、信號與信息處理。