無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通系統(tǒng)中的運(yùn)用

張雷

(東華大學(xué)，上海，200051)

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)目的

國內(nèi)關(guān)于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究成果大部分集中在公交監(jiān)控管理領(lǐng)域，其主要目的是可以促進(jìn)交通信息的高效控制和發(fā)布，但是從當(dāng)前研究現(xiàn)狀來看，其在智能控制、智能分流方面的研究卻略有不足。在城市交通網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際運(yùn)營過程中，其收集路況信息的方式是在路口安裝高清攝像頭、在監(jiān)控中心設(shè)置大型監(jiān)控設(shè)備，采用這種方式不僅成本較高，需要投入大量的人力和物力，其系統(tǒng)分析代價(jià)也相對較高。

將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到智能交通系統(tǒng)的執(zhí)行子系統(tǒng)、引導(dǎo)子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)中，不僅能夠?yàn)橹悄芙煌ㄏ到y(tǒng)提供有效的信息采集手段，同時(shí)還能監(jiān)測路口各方向上的車輛，利用監(jiān)測結(jié)果對信號控制算法進(jìn)行改進(jìn)，提高交通效率。

1.2 總體設(shè)計(jì)

智能交通系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：智能交通系統(tǒng)的主控核心大多與HIS系統(tǒng)為主，然后與GIS（地理信息系統(tǒng)）地圖數(shù)據(jù)、全市公交車輛信息以及各個(gè)路線公交車信息收集模塊相結(jié)合，為相關(guān)路段交通指揮人員提供相應(yīng)的信息，從而使交通指揮人員能夠根據(jù)路況信息及時(shí)采取相應(yīng)措施。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)：基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)由安裝在道路兩側(cè)的匯聚節(jié)點(diǎn)組成；每個(gè)匯聚節(jié)點(diǎn)與臨近的傳感器終端節(jié)點(diǎn)（交通信息采集專用）組成星型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊；網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主要匯聚終端節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)采集的數(shù)據(jù)，將網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)安裝在交通信號控制器內(nèi)，將匯聚的數(shù)據(jù)通過專屬網(wǎng)絡(luò)傳送到交管中心。[2]

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署：在交通設(shè)施（橫杠、路邊立柱）上安裝匯聚節(jié)點(diǎn)；在路邊或者路面下，設(shè)置專用傳感器終端節(jié)點(diǎn)；在交叉路口的交通信號控制器內(nèi)集成網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)；在運(yùn)輸車輛中安裝傳感器節(jié)點(diǎn)并加入傳感器網(wǎng)絡(luò)。

系統(tǒng)工作原理：終端節(jié)點(diǎn)利用非接觸式地磁傳感器實(shí)時(shí)感知和收集區(qū)域內(nèi)車輛的相關(guān)信息（車距、速度等），從而實(shí)現(xiàn)交通信息數(shù)據(jù)的采集。當(dāng)行駛車輛進(jìn)入傳感器監(jiān)控范圍內(nèi)，傳感器會(huì)采集相關(guān)車輛信息，并將相關(guān)信息通過終端節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)较乱欢〞r(shí)監(jiān)控節(jié)點(diǎn)。當(dāng)該行駛車輛再次出現(xiàn)在下一節(jié)點(diǎn)監(jiān)控范圍，下一節(jié)點(diǎn)將由睡眠狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，并對兩個(gè)節(jié)點(diǎn)間車輛的行駛車間和速度進(jìn)行估算，從而計(jì)算出該車輛的平均速度。然后匯聚節(jié)點(diǎn)將多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)所采集并進(jìn)行初步處理的數(shù)據(jù)匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，然后對匯聚的數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和分析，從而獲得該條道路的車流量以及車輛行駛速度，進(jìn)而為交通信號控制提供準(zhǔn)確的參考數(shù)據(jù)。[1]

2 硬件設(shè)計(jì)

2.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件功能設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件功能設(shè)計(jì)主要包括匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、終端節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)、基于Atmel的AT86RF230射頻芯片設(shè)計(jì)，其中系統(tǒng)控制核心為ATMegal1281V MCU，其具備低功耗的功能，該系統(tǒng)主要采用Atmel的8位RISC結(jié)構(gòu)。射頻模塊使用Atmel的AT86RF230，該模塊支持ZigBee協(xié)議，RF功率達(dá)到3dBm，傳輸距離可達(dá)300m。外部程序存儲(chǔ)器選用AT45DB041D，內(nèi)存在512 KB左右。上述節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展接口均可接入其他接口（UART接口、SPI、模擬輸入、I2C等），也易于連接其他外設(shè)和傳感器（地磁、光度、溫濕度、地磁等傳感器）。[2]

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

2.2 公交車模塊設(shè)計(jì)

公交車系統(tǒng)涵蓋了城市主要交通網(wǎng)絡(luò)，由于公交車具備線路穩(wěn)定、成本低、覆蓋面廣等特點(diǎn)，利用公交車來收集數(shù)據(jù)成為交通系統(tǒng)中重要的獲取數(shù)據(jù)途徑，既經(jīng)濟(jì)、有效，又具備一定的可靠性。在公交車系統(tǒng)中，公交車模塊作為主控中心重要的數(shù)據(jù)來源，主要通過無線方式，將GPS所測量的速度、位置等信息，傳輸?shù)絀TS主控中心。公交車模塊的核心是嵌入式微控制器，一方面打包處理GPS接收模塊所接收到的相關(guān)信息，并通過無線通信模塊將信息傳輸?shù)街骺刂行模涣硪环矫妫瑢o線通信模塊從主控中心所接收到的信息進(jìn)行處理，并將其傳輸?shù)秸Z音提示模塊或LED顯示模塊使用。

2.3 其他設(shè)備接入

第一，短消息模塊。短消息模塊的設(shè)置是為了緩解交通壓力而設(shè)置的，它可以將特殊路況信息利用無線網(wǎng)直接發(fā)送給私家車主、出租車司機(jī)，使其在行使過程中，及時(shí)避開特殊路段（發(fā)生緊急情況的路段），從而在一定程度上緩解特殊路段的交通壓力。

第二，交通信號燈。交通信號燈作為整個(gè)交通管理中的“指南針”，能夠有效避免交通事故的發(fā)生。在設(shè)置交通信號燈的過程中，尤其要重視其時(shí)間設(shè)置，從而提升交通管理效率。

第三，交警手持設(shè)備。交警在日常工作過程中，可以通過隨身攜帶的手持設(shè)備，及時(shí)了解路況信息，而交警手持設(shè)備也能及時(shí)將某路段的交通信息及時(shí)傳遞給交警，使其根據(jù)路況信息做出決策。

第四，Internet便民接入。該功能的設(shè)計(jì)能夠讓人們在日常出行過程中，可以通過終端設(shè)備（電腦、手機(jī)等）及時(shí)了解相關(guān)路段的路況信息，并及時(shí)做出出行調(diào)整。此模塊的設(shè)計(jì)不僅為人們出行帶來了很多便利，同時(shí)還方便了交通管理。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 ITS主控中心軟件設(shè)計(jì)

ITS主控中心是智能交通系統(tǒng)的核心所在,在設(shè)計(jì)過程中，可以將其設(shè)計(jì)為數(shù)據(jù)層、邏輯層、表示層三層架構(gòu)，然后再與GIS地圖信息相結(jié)合，利用相應(yīng)的分析處理功能，為交管人員提供路況信息，為道路優(yōu)化排堵方案的制定提供參考依據(jù)。

其中，數(shù)據(jù)層，主要是系統(tǒng)所采集的數(shù)據(jù)信息；邏輯層是ITS主控中心三層架構(gòu)的關(guān)鍵，其利用數(shù)據(jù)層所獲取的數(shù)據(jù)資源進(jìn)行相應(yīng)的邏輯計(jì)算，從而為表示層提供服務(wù)。其核心是利用通信模塊收集并處理數(shù)據(jù)，從而形成路況信息，然后根據(jù)路況信息制定最優(yōu)的排堵方案，并將其傳輸給表示層；表示層的作用主要是負(fù)責(zé)顯示。在智能交通系統(tǒng)中，與表示層相對應(yīng)的包括：公交站牌信息顯示、短消息提醒，交警手持設(shè)備、通過Internet接入的公眾瀏覽器訪問、特殊通道設(shè)備的接入應(yīng)用、信號燈控制等。

3.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件功能設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中的功能不同可進(jìn)行分類設(shè)計(jì)。信息采集和信息獲取功能設(shè)計(jì)：將具備不同功能的傳感器（溫濕度、氣體檢測等）安裝到終端節(jié)點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)相關(guān)數(shù)據(jù)的采集；通訊功能設(shè)計(jì)：將匯聚節(jié)點(diǎn)與終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行組網(wǎng)，組成星型網(wǎng)絡(luò)，終端節(jié)點(diǎn)能夠在某一特定時(shí)間點(diǎn)由睡眠狀態(tài)進(jìn)入工作狀態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)與匯聚節(jié)點(diǎn)的通訊；計(jì)算、配置功能：在系統(tǒng)中設(shè)置網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，用來配置網(wǎng)絡(luò)成員地址、啟動(dòng)并維護(hù)網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，具備一定的存儲(chǔ)、通訊和計(jì)算能力，能夠?qū)⒉杉臄?shù)據(jù)進(jìn)行處理并發(fā)送給交通信號控制器，最后傳輸?shù)浇还苤行倪M(jìn)行相應(yīng)的處理、使用。

4 結(jié)語

總而言之，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備組網(wǎng)形式多樣、靈活方便、不受環(huán)境影響等多種特性，能夠應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域并受到了人們的廣泛關(guān)注。將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到智能交通系統(tǒng)中，不僅方便了人們的生活，還大大提升了交通系統(tǒng)的穩(wěn)定性和工作效率，對交通運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展具有非常重要的作用。