無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用

摘要： 無(wú)線傳感器網(wǎng)(WSN)綜合了嵌入式系統(tǒng)、無(wú)線通訊、微電子等技術(shù)，逐漸應(yīng)用于智能樓宇與智能家居、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、工業(yè)監(jiān)控等領(lǐng)域。本文介紹了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)常用芯片和典型解決方案，及其在智能交通系統(tǒng)(ITS)中的典型應(yīng)用。
關(guān)鍵詞： 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；智能交通系統(tǒng)；交通信息采集；智能公交系統(tǒng)

無(wú)線傳感網(wǎng)促進(jìn)智能交通的發(fā)展

　　智能交通系統(tǒng)(ITS)應(yīng)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(dǎo)等方面，通過(guò)提高對(duì)交通信息的有效使用和管理來(lái)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(guò)傳感器采集車(chē)輛和路面信息，策略控制子系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)(如通行量最大、或平均候車(chē)時(shí)間最短等)運(yùn)用計(jì)算方法(例如模糊控制、遺傳算法等)計(jì)算出最佳方案，并輸出控制信號(hào)給執(zhí)行子系統(tǒng)(一般是交通信號(hào)控制器)，以引導(dǎo)和控制車(chē)輛的通行，達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)。

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種融合短程無(wú)線通訊技術(shù)、微電子傳感器、嵌入式系統(tǒng)的新技術(shù)，逐漸被用于智能交通系統(tǒng)等需要數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)的相關(guān)領(lǐng)域?；贗EEE 802.15.4規(guī)范的ZigBee技術(shù)，具備以下良好特性：①功耗低，2節(jié)普通5號(hào)電池可支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6~24個(gè)月；②組網(wǎng)能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)最多可達(dá)個(gè)節(jié)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(yuǎn)，兩節(jié)點(diǎn)室外傳輸距離可達(dá)幾百米，在增加發(fā)射功率后可達(dá)幾千米；④可靠性高，具備多級(jí)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(zhí)照的ISM頻段。

　　無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(cè)路口各個(gè)方向上的車(chē)輛，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，改進(jìn)簡(jiǎn)化、改進(jìn)信號(hào)控制算法，提高交通效率。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于執(zhí)行子系統(tǒng)中的控制子系統(tǒng)和引導(dǎo)子系統(tǒng)等方面。例如可以應(yīng)用該技術(shù)改進(jìn)信號(hào)控制器，實(shí)現(xiàn)智能公交系統(tǒng)的公交優(yōu)先功能。

　　用于ITS的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

　　如圖1所示，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，安裝道路兩旁的匯聚節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)自組織的多跳網(wǎng)狀Mesh基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，交通信息采集專(zhuān)用的傳感器終端節(jié)點(diǎn)與每個(gè)臨近的匯聚節(jié)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，最終的數(shù)據(jù)將被匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以作為一個(gè)模塊安裝在交叉路口的交通信號(hào)控制器內(nèi)，通過(guò)信號(hào)控制器的專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò)，將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到交管中心作進(jìn)一步處理。
在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署中，匯聚節(jié)點(diǎn)可以安裝在路邊立柱、橫杠等交通設(shè)施上，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以集成再交叉路口的交通信號(hào)控制器內(nèi)，專(zhuān)用傳感器終端節(jié)點(diǎn)可以填埋在路面下或者安裝在路邊，道路上的運(yùn)動(dòng)車(chē)輛也可以安裝傳感器節(jié)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)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

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

　　在交通信息采集中，終端節(jié)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(qū)域內(nèi)車(chē)輛的速度、車(chē)距等信息。當(dāng)車(chē)輛進(jìn)入傳感器的監(jiān)控范圍后，終端節(jié)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(jié)點(diǎn)。當(dāng)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)感應(yīng)到該車(chē)輛時(shí)，結(jié)合車(chē)輛在兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)間的行駛時(shí)間估計(jì)，就可估算出車(chē)輛的平均速度。多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)將各自采集并初步處理后的信息通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)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(hào)控制提供精確的輸入信息。通過(guò)給終端節(jié)點(diǎn)安裝溫濕度、光照度、氣體檢測(cè)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(cè)。

圖2 用于交通信息采集的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在ITS中的應(yīng)用

　　實(shí)現(xiàn)智能公交系統(tǒng)中的公交優(yōu)先功能需要對(duì)現(xiàn)有交通信號(hào)控制器進(jìn)行改造。通過(guò)添加傳感器等輔助設(shè)備，交通信號(hào)控制器可以估算出公交車(chē)輛到達(dá)交叉路口的時(shí)間(旅行時(shí)間)，計(jì)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(shù)量作為優(yōu)先權(quán)重)，然后選擇合適的優(yōu)先控制策略，通過(guò)調(diào)整綠信比來(lái)優(yōu)先放行公交車(chē)輛。交通信號(hào)控制器的改造包括：

　?、佘?chē)載無(wú)線通訊終端節(jié)點(diǎn)；
　?、诮徊媛房诮煌ㄐ盘?hào)控制器上集成無(wú)線網(wǎng)關(guān)；
　?、塾糜诠卉?chē)輛定位的終端節(jié)點(diǎn)；
　?、芡ㄟ^(guò)構(gòu)建基于ZigBee的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)上述功能。
　　
　　當(dāng)要臨近路口時(shí)，車(chē)載ZigBee無(wú)線終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行公交車(chē)輛信息廣播，路邊部署的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取信息后，公交車(chē)輛定位的終端節(jié)點(diǎn)對(duì)其跟蹤獲取信息并匯聚到無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上，通過(guò)內(nèi)部連接最后信息傳送給交通信號(hào)控制器，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)先處理。
　　
網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

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

　　在ITS無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按照功能不同，需要分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。終端節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件功能如圖3所示。終端節(jié)點(diǎn)安裝不同的傳感器用于運(yùn)動(dòng)車(chē)輛信息采集和道路信息獲取等。其功能實(shí)現(xiàn)可按照精簡(jiǎn)功能設(shè)備(RFD，Reduced Function Device)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)實(shí)現(xiàn)。終端節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)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(jié)點(diǎn)主動(dòng)通訊。信息路由則交給父(匯聚)節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)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(diǎn)功耗和軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。匯聚節(jié)點(diǎn)是終端節(jié)點(diǎn)軟件功能上的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能，允許更多重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)?？砂凑杖δ茉O(shè)備(FFD，F(xiàn)ull Function Device)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件功能

　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中所需要的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、配置網(wǎng)絡(luò)成員地址、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)節(jié)點(diǎn)的綁定關(guān)系表等，還負(fù)責(zé)將所采集的數(shù)據(jù)初步處理并交付交通信號(hào)控制器傳輸?shù)缴弦患?jí)信息中心，需要較多存儲(chǔ)空間、計(jì)算及通訊能力。