無線傳感器網(wǎng)絡在智能交通系統(tǒng)中應用

　　智能交通系統(tǒng)(ITS)應用在城市交通中主要體現(xiàn)在微觀的交通信息采集、交通控制和誘導等方面，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、策略控制、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，策略控制子系統(tǒng)根據(jù)設定的目標(如通行量最大、或平均候車時間最短等)運用計算方法(例如模糊控制、遺傳算法等)計算出最佳方案，并輸出控制信號給執(zhí)行子系統(tǒng)(一般是交通信號控制器)，以引導和控制車輛的通行，達到預設的目標。

　　無線傳感器網(wǎng)絡是一種融合短程無線通訊技術、微電子傳感器、嵌入式系統(tǒng)的新技術，逐漸被用于智能交通系統(tǒng)等需要數(shù)據(jù)采集與檢測的相關領域。基于IEEE 802.15.4規(guī)范的ZigBee技術，具備以下良好特性：①功耗低，2節(jié)普通5號電池可支持一個節(jié)點工作6~24個月;②組網(wǎng)能力強，網(wǎng)絡最多可達個節(jié)點，并支持樹狀、星狀、網(wǎng)狀等多種組網(wǎng)方式;③傳輸距離遠，兩節(jié)點室外傳輸距離可達幾百米，在增加發(fā)射功率后可達幾千米;④可靠性高，具備多級安全模式;⑤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)絡具備優(yōu)良特性，可以為智能交通系統(tǒng)的信息采集提供一種有效手段，可以監(jiān)測路口各個方向上的車輛，根據(jù)監(jiān)測結果，改進簡化、改進信號控制算法，提高交通效率。無線傳感器網(wǎng)絡可以應用于執(zhí)行子系統(tǒng)中的控制子系統(tǒng)和引導子系統(tǒng)等方面。例如可以應用該技術改進信號控制器，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)絡構建

　　如圖1所示，在無線傳感器網(wǎng)絡結構中，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基礎網(wǎng)絡構架，交通信息采集專用的傳感器終端節(jié)點與每個臨近的匯聚節(jié)點組成星型網(wǎng)絡進行通訊，最終的數(shù)據(jù)將被匯聚到網(wǎng)關節(jié)點上。網(wǎng)關節(jié)點可以作為一個模塊安裝在交叉路口的交通信號控制器內(nèi)，通過信號控制器的專有網(wǎng)絡，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)絡部署中，匯聚節(jié)點可以安裝在路邊立柱、橫杠等交通設施上，網(wǎng)關節(jié)點可以集成再交叉路口的交通信號控制器內(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。

　　圖1 用于智能交通信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡結構

　　采用無線傳感器網(wǎng)絡進行交通信息采集

　　在交通信息采集中，終端節(jié)點可采用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。當下一個節(jié)點感應到該車輛時，結合車輛在兩個傳感器節(jié)點間的行駛時間估計，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)關節(jié)點，進行數(shù)據(jù)融合，獲得道路車流量與車輛行使速度等信息，從而為路口交通信號控制提供精確的輸入信息。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)絡部署

　　無線傳感器網(wǎng)絡在ITS中的應用

　　實現(xiàn)智能公交系統(tǒng)中的公交優(yōu)先功能需要對現(xiàn)有交通信號控制器進行改造。通過添加傳感器等輔助設備，交通信號控制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給予優(yōu)先(可選擇乘客數(shù)量作為優(yōu)先權重)，然后選擇合適的優(yōu)先控制策略，通過調(diào)整綠信比來優(yōu)先放行公交車輛。交通信號控制器的改造包括：

　?、佘囕d無線通訊終端節(jié)點;

　?、诮徊媛房诮煌ㄐ盘柨刂破魃霞蔁o線網(wǎng)關;

　?、塾糜诠卉囕v定位的終端節(jié)點;

　?、芡ㄟ^構建基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡可以實現(xiàn)上述功能。

　　當要臨近路口時，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)絡獲取信息后，公交車輛定位的終端節(jié)點對其跟蹤獲取信息并匯聚到無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關節(jié)點上，通過內(nèi)部連接最后信息傳送給交通信號控制器，進行相應的優(yōu)先處理。

　　在ITS無線傳感器網(wǎng)絡的設計中，網(wǎng)絡節(jié)點按照功能不同，需要分別進行設計。終端節(jié)點、匯聚節(jié)點和網(wǎng)關節(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獲取等。其功能實現(xiàn)可按照精簡功能設備(RFD，Reduced Function Device)標準來實現(xiàn)。終端節(jié)點與匯聚節(jié)點按照星型網(wǎng)絡組網(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)復雜度。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)絡及路由消息的功能，允許更多重點節(jié)點接入網(wǎng)絡?？砂凑杖δ茉O備(FFD，F(xiàn)ull Function Device)標準進行設計。

　　圖3 無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點軟件功能

　　網(wǎng)關節(jié)點是網(wǎng)絡中所需要的協(xié)調(diào)器，負責啟動網(wǎng)絡、配置網(wǎng)絡成員地址、維護網(wǎng)絡、維護節(jié)點的綁定關系表等，還負責將所采集的數(shù)據(jù)初步處理并交付交通信號控制器傳輸?shù)缴弦患壭畔⒅行模枰^多存儲空間、計算及通訊能力。

　　網(wǎng)絡節(jié)點硬件功能設計

　　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)點設計中較常采用的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TI CC2430延用了CC2420 芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻前端、內(nèi)存和微控制器;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單片機設計方案

　　典型的終端節(jié)點和匯聚節(jié)點設計如圖4所示，采用Atmel的8位RISC結構低功耗ATMegal1281V MCU作為系統(tǒng)控制核心。采用512 KB 的AT45DB041D作為外部程序存儲器。射頻模塊使用Atmel的支持ZigBee協(xié)議的AT86RF230，RF功率達到3dBm，室外傳輸距離可達300米以上節(jié)點的擴展接口可連接模擬輸入、數(shù)字I/O、I2C、SPI和UART接口，這些擴展接口使其易于與傳感器及其它外設連接，例如外接光度、溫溫度、氣壓、聲、地磁和加速度等傳感器。

　　圖4 傳感器節(jié)點設計

　　●基于TI的CC2420芯片和ARM單片機設計方案

　　在設計無線傳感器網(wǎng)絡網(wǎng)關時，需要較強的數(shù)據(jù)處理能力，用以實現(xiàn)復雜路由協(xié)議以及信息處理等。如圖5所示Crossbow的imote2節(jié)點采用了Marvell PXA271 高性能、低功耗處理器。該處理器使用動態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術，頻率范圍13MHz~416MHz，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。此外，該處理器封裝內(nèi)集成三個芯片256KB SRAM，32MB FLASH以及32MB SDRAM，減小了體積。通過提供多種I/O，能夠靈活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，提高多媒體處理能力，可以用于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡中的語音和圖像處理。Imote2使用TI的CC2420 ZigBee射頻芯片，支持2.4GHz 、16通道250kb/s數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送功率-24～0dBm。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。

　　圖5 Imote2系統(tǒng)結構

　　●節(jié)點設計其他考慮

　　在智能交通系統(tǒng)專用無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點設計時需要如下考慮：

　?、俟?jié)點低功耗設計。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)點成本將是項目關鍵。

　?、酃?jié)點的數(shù)據(jù)處理及存儲能力。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)處理能力。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。

　?、艽送?，根據(jù)不同應用場合的需要，無線傳感器節(jié)點要具有不同的傳感器接口，能外接不同的傳感器。

　　其中，能耗管理應該作為重點考慮。特別是采用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。

　　結語

　　無線傳感器網(wǎng)絡技術應用與研究得到更多關注。本文結合智能交通系統(tǒng)中的典型應用，討論了無線傳感器網(wǎng)絡的設計等問題。隨著技術發(fā)展與成熟，無線傳感器網(wǎng)絡技術可以在智能交通系統(tǒng)中更多關鍵性場合得到應用，例如電子收費、交通安全與自動駕駛、停車管理、交通誘導系統(tǒng)等，更進一步推動智能交通系統(tǒng)的發(fā)展。