基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能交通管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

劉宗明

（廣西警察學(xué)院，廣西 南寧）

智能交通管理系統(tǒng)需要借助于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)讓道路傳感器、車(chē)載設(shè)備與系統(tǒng)服務(wù)器之間建立起連接，以便于實(shí)現(xiàn)信息交互和指令傳達(dá)。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)由內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)兩部分組成，內(nèi)網(wǎng)主要用于匯聚節(jié)點(diǎn)、傳感器節(jié)點(diǎn)之間的信息傳遞。由于傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)量較多，為提高數(shù)據(jù)采集、傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)的效率，需要引入低功耗、低成本、高速率的ZigBee 技術(shù)。本研究設(shè)計(jì)的智能交通管理系統(tǒng)，除了應(yīng)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高內(nèi)部通信性能外，還采用了定位算法獲取車(chē)輛位置信息，從而實(shí)現(xiàn)了車(chē)輛的靈活調(diào)度、自動(dòng)收費(fèi)等功能。

1 基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能交通管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.1 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以連接智能交通管理系統(tǒng)中的匯聚節(jié)點(diǎn)、路由節(jié)點(diǎn)和車(chē)載終端，是該系統(tǒng)的主要通信方式。從結(jié)構(gòu)組成上來(lái)看,ZigBee 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的硬件節(jié)點(diǎn)有2 種類(lèi)型，一種是負(fù)責(zé)收集車(chē)輛信息的車(chē)載設(shè)備，可以將車(chē)輛ID 信息、車(chē)輛位置信息等發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)；另一種是負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的路側(cè)設(shè)備，具體又分為路由設(shè)備、匯聚設(shè)備。前者的功能是轉(zhuǎn)發(fā)ZigBee 網(wǎng)路中的原始數(shù)據(jù)（RSSI），后者負(fù)責(zé)匯總ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的所有數(shù)據(jù)。這里以路側(cè)匯聚節(jié)點(diǎn)為例，其結(jié)構(gòu)組成見(jiàn)圖1。

結(jié)合圖1 可知，路側(cè)匯聚設(shè)備的核心裝置為ZigBee 協(xié)調(diào)器、核心處理單元（RAM）。ZigBee 協(xié)調(diào)器可以與ZigBee 網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)交換，UART/USB 模塊具有定位功能，保證了路側(cè)匯聚節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)控車(chē)輛的位置信息。本研究在設(shè)計(jì)核心處理單元時(shí)，選用了基于ARM9 處理器的Hi3511 作為核心處理單元，具有集成度高、編程靈活、支持多種主流通信協(xié)議等特點(diǎn)。另外，為防止路側(cè)匯聚設(shè)備因?yàn)閿嚯娀蚬收隙霈F(xiàn)撥號(hào)失敗的情況，本研究還設(shè)計(jì)了2 個(gè)監(jiān)控腳本：一個(gè)是監(jiān)測(cè)5G 撥號(hào)服務(wù)進(jìn)程的watch_pppd，另一個(gè)是監(jiān)測(cè)主控程序運(yùn)行情況的watch_main。當(dāng)出現(xiàn)程序異常退出后，立即啟用一個(gè)新的進(jìn)程保證了智能交通管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行[1]。

圖1 路側(cè)ZigBee 匯聚設(shè)備設(shè)計(jì)框圖

1.2 市政系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能交通管理系統(tǒng)的市政子系統(tǒng)由2 部分組成，其一是安裝在市政車(chē)輛上的車(chē)載終端，其二是安裝在擁堵收費(fèi)（如停車(chē)場(chǎng)出口）處的匯聚節(jié)點(diǎn)。當(dāng)市政車(chē)輛駛?cè)胧召M(fèi)區(qū)域后，車(chē)載終端將OBU 信息發(fā)送至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收到的OBU 信息計(jì)算應(yīng)收費(fèi)用，并在收費(fèi)出口的LED 屏上顯示。基于WSN 模型的市政交通收費(fèi)流程見(jiàn)圖2。

圖2 市政交通系統(tǒng)WSN 模型

為進(jìn)一步提高收費(fèi)處的通行效率、減少等待時(shí)間，本研究在設(shè)計(jì)智慧交通管理系統(tǒng)的市政子系統(tǒng)時(shí)，還加入了刷卡扣費(fèi)功能。車(chē)載節(jié)點(diǎn)接收到智能交通管理系統(tǒng)發(fā)送的扣費(fèi)指令后，車(chē)載節(jié)點(diǎn)中的刷卡模塊首先判定是否有卡片插入：如果未識(shí)別卡片，則給出提示“請(qǐng)插入卡片”；如果識(shí)別到卡片，則讀取卡片磁條，獲得卡片信息。取得消費(fèi)電子密鑰卡（RSAM）的密鑰后，根據(jù)扣費(fèi)指令完成扣費(fèi)。在LED 屏上顯示扣費(fèi)成功，同時(shí)智能交通管理系統(tǒng)發(fā)送抬桿指令，抬起升降桿，車(chē)輛駛離。由于市政子系統(tǒng)的刷卡扣費(fèi)模塊涉及到資金往來(lái)，為切實(shí)保障用戶(hù)信息隱私和資產(chǎn)安全，在設(shè)計(jì)該系統(tǒng)時(shí)必須遵循《OBU-RSU 通信協(xié)議》和《OBU- 服務(wù)器通信協(xié)議》，切實(shí)保障信息傳輸安全[2]。

1.3 公交系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能交通管理系統(tǒng)的公交子系統(tǒng)設(shè)計(jì)如下：公交車(chē)的車(chē)載節(jié)點(diǎn)包括了RS232 總線(xiàn)通信模塊、CAN 總線(xiàn)模塊、485 總線(xiàn)模塊。其中，RS232 總線(xiàn)通信模塊分別連接了車(chē)載DVR 設(shè)備和車(chē)載調(diào)度終端。RS232 總線(xiàn)通信模塊分別收集DVR 信息與調(diào)度信息后，將信息匯總后經(jīng)過(guò)ZigBee 無(wú)線(xiàn)通信模塊，傳輸?shù)街悄芙煌ü芾硐到y(tǒng)。CAN 總線(xiàn)模塊可以讀取車(chē)輛的相關(guān)數(shù)據(jù)，如實(shí)時(shí)車(chē)速、剩余油量等；485 總線(xiàn)模塊用于讀取外設(shè)信息。車(chē)載節(jié)點(diǎn)與路由節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)之間通過(guò)ZigBee 無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)依次連接，最終將車(chē)載節(jié)點(diǎn)的所有信息傳輸至后臺(tái)服務(wù)器。服務(wù)器解析信息后得到公交車(chē)車(chē)速、位置等實(shí)時(shí)參數(shù)。

為了進(jìn)一步提高公交車(chē)的定位精度，在站臺(tái)上布置路由節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)，這樣就能利用車(chē)載節(jié)點(diǎn)上傳的RSSI 信息完成對(duì)公交車(chē)的位置計(jì)算，進(jìn)而發(fā)揮公交站的輔助定位功能。輔助定位功能的實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖3。

當(dāng)公交車(chē)到達(dá)站臺(tái)時(shí)，車(chē)載終端接入無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)，并上傳OBU 信息，此時(shí)匯聚節(jié)點(diǎn)接收信息，將公交車(chē)的位置信息標(biāo)記為進(jìn)站，智能交通管理系統(tǒng)更新后臺(tái)信息。公交車(chē)進(jìn)站停靠后，車(chē)載終端會(huì)收集站臺(tái)附近多個(gè)路由的RSSI 信息，并將其封裝成RSSI 信息幀，以特定的時(shí)間間隔發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)[3]。匯聚節(jié)點(diǎn)將接收到的RSSI 信息幀傳送至智能交通管理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)解析后對(duì)比各個(gè)路由的ID 和相應(yīng)的RSSI值，即可判斷出公交車(chē)當(dāng)前停靠在哪個(gè)站臺(tái)，從而獲取公交車(chē)的實(shí)時(shí)位置。

1.4 出租系統(tǒng)設(shè)計(jì)

出租子系統(tǒng)是智慧交通管理系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一，鑒于出租車(chē)沒(méi)有固定的行駛路線(xiàn)和停靠位置，經(jīng)常會(huì)存在某個(gè)區(qū)域內(nèi)出租車(chē)數(shù)量變化明顯的情況，本研究使用了一種基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和5G 網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)出租系統(tǒng)。本研究設(shè)計(jì)的出租系統(tǒng)功能如下：（1） 出租車(chē)進(jìn)、出站管理。根據(jù)車(chē)輛進(jìn)出信息，動(dòng)態(tài)更新停車(chē)場(chǎng)內(nèi)停車(chē)位的數(shù)量信息。既可以計(jì)算出停車(chē)場(chǎng)內(nèi)已停放出租車(chē)的數(shù)量，同時(shí)還能判斷停車(chē)位的空閑情況，由此決定是否允許場(chǎng)外出租車(chē)進(jìn)入停車(chē)場(chǎng)；（2） 獲取出租車(chē)的位置，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)一定范圍內(nèi)的出租車(chē)分布情況進(jìn)行匯總，從而得到該區(qū)域內(nèi)車(chē)輛分布圖。同時(shí)預(yù)測(cè)該區(qū)域內(nèi)流動(dòng)人員數(shù)量，如果人員數(shù)量與出租車(chē)數(shù)量不協(xié)調(diào)，則按照就近原則從相鄰區(qū)域調(diào)配出租車(chē)，以保證供需平衡；（3） 稽查非法出租車(chē)，利用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)車(chē)載節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)之間可以進(jìn)行雙端通信的特點(diǎn)，在巡邏車(chē)輛上安裝車(chē)載節(jié)點(diǎn)，并與無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的其他出租車(chē)建立通信。對(duì)于覆蓋范圍內(nèi)的合法出租車(chē)（安裝匯聚節(jié)點(diǎn)），巡邏車(chē)輛可以與之建立正常通信；反之，如果在覆蓋范圍內(nèi)巡邏車(chē)輛與出租車(chē)無(wú)法建立正常通信，則該出租車(chē)為非法車(chē)輛，從而實(shí)現(xiàn)稽查功能[4]。

1.5 客運(yùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能交通管理系統(tǒng)的客運(yùn)子系統(tǒng)由3 部分組成，分別是車(chē)載終端、路側(cè)路由設(shè)備、路側(cè)匯聚設(shè)備。客運(yùn)子系統(tǒng)的功能是對(duì)停車(chē)場(chǎng)內(nèi)的車(chē)輛進(jìn)行定位，并將車(chē)輛的位置信息傳遞給交通管理系統(tǒng)。客運(yùn)子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程如下：當(dāng)車(chē)輛到達(dá)客運(yùn)場(chǎng)站的入口位置后，車(chē)載節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)建立通信；匯聚節(jié)點(diǎn)將車(chē)輛信息（如車(chē)牌號(hào)）發(fā)送到智能交通管理系統(tǒng)的后臺(tái)。系統(tǒng)讀取車(chē)輛身份信息后，判斷客運(yùn)場(chǎng)站內(nèi)是否有空閑的停車(chē)位。如果站內(nèi)無(wú)空閑車(chē)位，則通過(guò)車(chē)站入口的LED 屏提醒駕駛?cè)藛T；如果站內(nèi)有空閑車(chē)位，則允許該車(chē)輛進(jìn)入，并發(fā)送指令抬起入口欄桿。車(chē)輛進(jìn)站后，匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送車(chē)輛進(jìn)站信息給智能交通管理系統(tǒng)，并引導(dǎo)該車(chē)輛到指定位置停車(chē)。車(chē)輛駛?cè)胪＼?chē)區(qū)域后，車(chē)載節(jié)點(diǎn)發(fā)送RSSI 信息至匯聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)根據(jù)接收的RSSI 信息使用定位算法確定車(chē)輛位置。當(dāng)車(chē)輛駛離客運(yùn)場(chǎng)站后，匯聚節(jié)點(diǎn)將車(chē)輛離站的信息上傳到系統(tǒng)，系統(tǒng)后臺(tái)刷新信息。

2 基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能交通管理系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)

2.1 通信功能測(cè)試

通信質(zhì)量是決定智能交通管理系統(tǒng)應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素。本次通信功能測(cè)試選擇在一處空曠無(wú)遮擋、車(chē)流量較少的公路進(jìn)行，測(cè)試設(shè)備包括車(chē)載終端、匯聚設(shè)備2 種。其中，車(chē)載終端設(shè)備固定在汽車(chē)的中控臺(tái)上，匯聚設(shè)備固定在公路一側(cè)的電線(xiàn)桿上。天線(xiàn)選擇直徑為110 mm 的棒狀ZigBee 天線(xiàn),有功放的情況下發(fā)射功率為-3 dBm[5]。測(cè)試內(nèi)容包括兩方面：其一是路側(cè)匯聚設(shè)備在未加功放的情況下，車(chē)載終端設(shè)備安裝不同類(lèi)型天線(xiàn)時(shí)的有效通信距離；其二是路側(cè)匯聚設(shè)備加功放時(shí)，車(chē)載終端設(shè)備安裝不同類(lèi)型天線(xiàn)時(shí)的有效通信距離，測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 車(chē)載終端設(shè)備天線(xiàn)通信距離對(duì)比

根據(jù)表1 測(cè)試數(shù)據(jù)可知，路側(cè)匯聚設(shè)備有功放的情況下，使用相同類(lèi)型的天線(xiàn)，車(chē)載終端設(shè)備與路側(cè)匯聚設(shè)備之間的有效通信距離最大。以50 mm 棒狀天線(xiàn)為例，在有功放的情況下，有效通信距離為170 m，而無(wú)功放時(shí)有效通信距離僅為20 m；另外，在功放條件相同的情況下，110 mm 棒狀ZigBee 天線(xiàn)的有效通信距離要明顯大于其他3 種類(lèi)型的棒狀天線(xiàn)。

2.2 定位原始信息RSSI 采集和上傳功能

測(cè)試流程為：由車(chē)載終端設(shè)備向路側(cè)路由設(shè)備發(fā)起RSSI 請(qǐng)求；正常接收該請(qǐng)求后，車(chē)載終端設(shè)備將收集到的所有RSSI 信息進(jìn)行匯總，以數(shù)據(jù)包的形式按照設(shè)定好的通信頻率將其發(fā)送至路側(cè)路由設(shè)備，并將接收到的RSSI 匯總消息保存在后臺(tái)服務(wù)器的專(zhuān)門(mén)文件夾中。后臺(tái)服務(wù)器接收實(shí)時(shí)RSSI 匯總消息見(jiàn)圖4。

圖4 實(shí)時(shí)上傳的RSSI 匯總信息

2.3 客運(yùn)場(chǎng)站定位測(cè)試

本研究設(shè)計(jì)的智能交通管理系統(tǒng)，可利用ZigBee定位算法達(dá)到客運(yùn)場(chǎng)站定位的目的。在某客運(yùn)站測(cè)試智能交通管理系統(tǒng)的車(chē)輛定位功能：安裝了OBU 設(shè)備的1#車(chē)輛停泊的位置為108，系統(tǒng)顯示定位結(jié)果為108；轉(zhuǎn)載了OBU 設(shè)備的2#車(chē)輛停播的位置為105，系統(tǒng)顯示定位結(jié)果為105。在上午9:30～10:00，共有127 輛客車(chē)進(jìn)入發(fā)班位，系統(tǒng)顯示定位結(jié)果為127。測(cè)試結(jié)果表明智能交通管理系統(tǒng)的客運(yùn)場(chǎng)站定位功能可靠。

3 結(jié)論

在智慧交通成熟發(fā)展背景下，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)因其具有節(jié)點(diǎn)布置簡(jiǎn)單、信息實(shí)時(shí)傳遞、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，在智慧交通領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本研究基于無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和ZigBee 協(xié)議設(shè)計(jì)了智能交通管理系統(tǒng)，具有提升道路通行效率、優(yōu)化交通調(diào)度管理等功能。從系統(tǒng)的運(yùn)行測(cè)試情況來(lái)看，智能交通管理系統(tǒng)采用110 mm 的棒狀ZigBee 天線(xiàn)，最大通信距離可以達(dá)到260 m；在有效通信距離內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)OBU信息、車(chē)牌號(hào)信息的實(shí)時(shí)采集、同步上傳，為智能交通管理系統(tǒng)開(kāi)展數(shù)據(jù)分析提供了必要支持。