無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在智能交通系統中應用

　　智能交通系統(ITS)應用在城市交通中主要體現在微觀(guān)的交通信息采集、交通控制和誘導等方面，通過(guò)提高對交通信息的有效使用和管理來(lái)提高交通系統的效率，主要是由信息采集輸入、策略控制、輸出執行、各子系統間數據傳輸與通信等子系統組成。信息采集子系統通過(guò)傳感器采集車(chē)輛和路面信息，策略控制子系統根據設定的目標(如通行量最大、或平均候車(chē)時(shí)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行子系統(一般是交通信號控制器)，以引導和控制車(chē)輛的通行，達到預設的目標。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )是一種融合短程無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)、微電子傳感器、嵌入式系統的新技術(shù)，逐漸被用于智能交通系統等需要數據采集與檢測的相關(guān)領(lǐng)域?；贗EEE 802.15.4規范的ZigBee技術(shù)，具備以下良好特性：①功耗低，2節普通5號電池可支持一個(gè)節點(diǎn)工作6~24個(gè)月;②組網(wǎng)能力強，網(wǎng)絡(luò )最多可達個(gè)節點(diǎn)，并支持樹(shù)狀、星狀、網(wǎng)狀等多種組網(wǎng)方式;③傳輸距離遠，兩節點(diǎn)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(kāi)放的簡(jiǎn)化ZigBee協(xié)議棧，工作在2.4GHz免執照的ISM頻段。

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )具備優(yōu)良特性，可以為智能交通系統的信息采集提供一種有效手段，可以監測路口各個(gè)方向上的車(chē)輛，根據監測結果，改進(jìn)簡(jiǎn)化、改進(jìn)信號控制算法，提高交通效率。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以應用于執行子系統中的控制子系統和引導子系統等方面。例如可以應用該技術(shù)改進(jìn)信號控制器，實(shí)現智能公交系統的公交優(yōu)先功能。

　　用于ITS的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )構建

　　如圖1所示，在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )結構中，安裝道路兩旁的匯聚節點(diǎn)組成一個(gè)自組織的多跳網(wǎng)狀Mesh基礎網(wǎng)絡(luò )構架，交通信息采集專(zhuān)用的傳感器終端節點(diǎn)與每個(gè)臨近的匯聚節點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通訊，最終的數據將被匯聚到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)上。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)可以作為一個(gè)模塊安裝在交叉路口的交通信號控制器內，通過(guò)信號控制器的專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò )，將所采集到的數據發(fā)送到交管中心作進(jìn)一步處理。

　　在無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )部署中，匯聚節點(diǎn)可以安裝在路邊立柱、橫杠等交通設施上，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)可以集成再交叉路口的交通信號控制器內，專(zhuān)用傳感器終端節點(diǎn)可以填埋在路面下或者安裝在路邊，道路上的運動(dòng)車(chē)輛也可以安裝傳感器節點(diǎn)動(dòng)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(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )結構

　　采用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行交通信息采集

　　在交通信息采集中，終端節點(diǎn)可采用非接觸式地磁傳感器來(lái)定時(shí)收集和感知區域內車(chē)輛的速度、車(chē)距等信息。當車(chē)輛進(jìn)入傳感器的監控范圍后，終端節點(diǎn)通過(guò)磁力傳感器來(lái)采集車(chē)輛的行駛速度等重要信息，并將信息傳送給下一個(gè)定時(shí)醒來(lái)的節點(diǎn)。當下一個(gè)節點(diǎn)感應到該車(chē)輛時(shí)，結合車(chē)輛在兩個(gè)傳感器節點(diǎn)間的行駛時(shí)間估計，就可估算出車(chē)輛的平均速度。多個(gè)終端節點(diǎn)將各自采集并初步處理后的信息通過(guò)匯聚節點(diǎn)匯聚到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，進(jìn)行數據融合，獲得道路車(chē)流量與車(chē)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(guò)給終端節點(diǎn)安裝溫濕度、光照度、氣體檢測等多種傳感器，還可以進(jìn)行路面狀況、能見(jiàn)度、車(chē)輛尾氣污染等檢測。

　　圖2 用于交通信息采集的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )部署

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )在ITS中的應用

　　實(shí)現智能公交系統中的公交優(yōu)先功能需要對現有交通信號控制器進(jìn)行改造。通過(guò)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(chē)輛到達交叉路口的時(shí)間(旅行時(shí)間)，計算出公交車(chē)輛在路口是否需要給予優(yōu)先(可選擇乘客數量作為優(yōu)先權重)，然后選擇合適的優(yōu)先控制策略，通過(guò)調整綠信比來(lái)優(yōu)先放行公交車(chē)輛。交通信號控制器的改造包括：

　?、佘?chē)載無(wú)線(xiàn)通訊終端節點(diǎn);

　?、诮徊媛房诮煌ㄐ盘柨刂破魃霞蔁o(wú)線(xiàn)網(wǎng)關(guān);

　?、塾糜诠卉?chē)輛定位的終端節點(diǎn);

　?、芡ㄟ^(guò)構建基于ZigBee的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )可以實(shí)現上述功能。

　　當要臨近路口時(shí)，車(chē)載ZigBee無(wú)線(xiàn)終端節點(diǎn)進(jìn)行公交車(chē)輛信息廣播，路邊部署的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )獲取信息后，公交車(chē)輛定位的終端節點(diǎn)對其跟蹤獲取信息并匯聚到無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)上，通過(guò)內部連接最后信息傳送給交通信號控制器，進(jìn)行相應的優(yōu)先處理。

　　在ITS無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的設計中，網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)按照功能不同，需要分別進(jìn)行設計。終端節點(diǎn)、匯聚節點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)的軟件功能如圖3所示。終端節點(diǎn)安裝不同的傳感器用于運動(dòng)車(chē)輛信息采集和道路信息獲取等。其功能實(shí)現可按照精簡(jiǎn)功能設備(RFD，Reduced Function Device)標準來(lái)實(shí)現。終端節點(diǎn)與匯聚節點(diǎn)按照星型網(wǎng)絡(luò )組網(wǎng)，在固定時(shí)間點(diǎn)由睡眠狀態(tài)醒來(lái)與匯聚節點(diǎn)主動(dòng)通訊。信息路由則交給父(匯聚)節點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò )中具有路由功能的協(xié)調器和路由器完成，降低了節點(diǎn)功耗和軟件實(shí)現復雜度。匯聚節點(diǎn)是終端節點(diǎn)軟件功能上的擴展，實(shí)現了擴展網(wǎng)絡(luò )及路由消息的功能，允許更多重點(diǎn)節點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò )?？砂凑杖δ茉O備(FFD，Full Function Device)標準進(jìn)行設計。

　　圖3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)軟件功能

　　網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò )中所需要的協(xié)調器，負責啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )、配置網(wǎng)絡(luò )成員地址、維護網(wǎng)絡(luò )、維護節點(diǎn)的綁定關(guān)系表等，還負責將所采集的數據初步處理并交付交通信號控制器傳輸到上一級信息中心，需要較多存儲空間、計算及通訊能力。

　　網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)硬件功能設計

　　現有較多的無(wú)線(xiàn)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。在節點(diǎn)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(gè)芯片上整合了ZigBee 射頻前端、內存和微控制器;Freescale的MC1321x/MC1322x和Jennic的JN5121/JN513x單芯片解決方案等。

　　●基于A(yíng)tmel的AT86RF230射頻芯片和AVR單片機設計方案

　　典型的終端節點(diǎn)和匯聚節點(diǎn)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米以上節點(diǎn)的擴展接口可連接模擬輸入、數字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 傳感器節點(diǎn)設計

　　●基于TI的CC2420芯片和ARM單片機設計方案

　　在設計無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )網(wǎng)關(guān)時(shí)，需要較強的數據處理能力，用以實(shí)現復雜路由協(xié)議以及信息處理等。如圖5所示Crossbow的imote2節點(diǎn)采用了Marvell PXA271 高性能、低功耗處理器。該處理器使用動(dòng)態(tài)電壓調節技術(shù)，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(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)。此外，該處理器封裝內集成三個(gè)芯片256KB SRAM，32MB FLASH以及32MB SDRAM，減小了體積。通過(guò)提供多種I/O，能夠靈活的支持不同種類(lèi)的傳感器。該處理器還支持一個(gè)MMX協(xié)處理器，提高多媒體處理能力，可以用于無(wú)線(xiàn)多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò )中的語(yǔ)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數據傳輸，發(fā)送功率-24～0dBm。有效通訊距離是30米，可以通過(guò)SMA接口外接天線(xiàn)來(lái)增加傳輸距離。

　　圖5 Imote2系統結構

　　●節點(diǎn)設計其他考慮

　　在智能交通系統專(zhuān)用無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)設計時(shí)需要如下考慮：

　?、俟濣c(diǎn)低功耗設計。終端節點(diǎn)都是電池(可用太陽(yáng)能蓄電池)供電。

　?、?節點(diǎn)成本要低廉。在進(jìn)行大規模交通信息采集等部署時(shí)，節點(diǎn)成本將是項目關(guān)鍵。

　?、酃濣c(diǎn)的數據處理及存儲能力。一些節點(diǎn)需要進(jìn)行高速信息采集并且運行識別算法，所以需要數據處理能力。還需要考慮在有限的空間之內存儲程序、數據、以及支持代碼在線(xiàn)更新等功能。

　?、艽送?，根據不同應用場(chǎng)合的需要，無(wú)線(xiàn)傳感器節點(diǎn)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(diǎn)考慮。特別是采用32位ARM處理器外接射頻芯片的解決方案，需要有效降低節點(diǎn)能耗，需要在系統級軟件上進(jìn)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(yǔ)

　　無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)應用與研究得到更多關(guān)注。本文結合智能交通系統中的典型應用，討論了無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的設計等問(wèn)題。隨著(zhù)技術(shù)發(fā)展與成熟，無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)可以在智能交通系統中更多關(guān)鍵性場(chǎng)合得到應用，例如電子收費、交通安全與自動(dòng)駕駛、停車(chē)管理、交通誘導系統等，更進(jìn)一步推動(dòng)智能交通系統的發(fā)展。