基于WSN的公路监控系统设计

王洪通, 金淑梅, 王 忠

（四川大学 电气信息学院，四川 成都 610065）

0 引言

无线传感器网络(Wireless Sensor Networks，简称WSN)被列为21世纪最有影响的21项技术和改变世界的10大技术之一。其在各行各业的应用，如工业自动化、医疗监护、煤矿监控智能家居等都带动着新兴短距离无线通信技术的发展。zigbee作为一种具有低成本、近距离、低功耗、组网灵活等特点的标准被广泛应用[1]。

当今公路安全问题已成为人们日益关注的焦点，现有交通监控系统的局限性，已迫使人们研究一套更加完善的智能监控系统来满足快速发展的交通需求。

本文针对当今公路状况，通过系统分析和仿真测试，提出了基于 zigbee技术的公路监控系统的设计方案，以及具体的软硬件功能的实现。

1 zigbee整体概况

1.1 zigbee技术简介

Zigbee一种基于IEEE 802.15.4标准的无线通信技术，其数据链路层与物理层的标准由IEEE 802.15.4制定，网络层以上的则由zigbee联盟制定[2]。

Zigbee具有以下特点[3]：

①数据传输速率低：10～250 kb/s的速率，满足低速率数据传输的应用；

②功耗低：低功耗待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月；

③成本低：Zigbee数据传输速率低，协议简单，因此成本大大降低；

④时延短：Zigbee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15 ms，节点连接进入网络只需30 ms；

⑤安全性高：Zigbee提供了数据完整性检查和鉴权功能，在数据传输中提供了三级安全性；

⑥免执照频段：使用的频段分别为 2.4 GHz、868 MHz及915 MHz。

1.2 zigbee的组网方式

Zigbee网络中存在3种不同类型的设备[4]：网络协调器、全功能设备FFD及简化功能设备RFD。Zigbee网络至少由两个设备组成，且至少有一个作为网络协调器，一个RFD只能和一个FFD进行通信，而一个FFD可与多个RFD或FFD通信。Zigbee网络支持3种网络结构：星形、网状和丛树结构。

2 监控系统的设计

2.1 系统主要功能

系统主要功能如下：

①车速测量：当路边节点接收到车载节点发送的周期性广播信息后记录该时刻，同时立即唤醒和将该时间发送到下一节点，下一节点同时记录车辆经过的时间，并根据时间差和已知距离计算车速，其后节点依次计算车速，sink节点对车速统计求平均值；

②超速：将统计计算所得速度与预设的阀值比较，进行超速判决；

③追尾：Sink节点通过车速和车辆在传感网络停留的时间，以及同一网络内停车的数量进行追尾可能性判决及预警；

④路况及气象信息的收集：将传感器部署在sink节点，通过定时器，每隔一段时间对信息进行采集，sink节点通过对多个 sink节点接收的信息进行数据融合和分析处理，将信息进行发布[5]。

2.2 系统的硬件实现

传感器节点的硬件平台一般由以下几部分组成：传感模块、处理控制器模块、通信模块和电源模块组成,如图1所示。

图1 传感器节点硬件平台模块

本方案根据特定的公路应用以及对功耗与功能的矛盾分析，提出了由4类节点构成得监控网络：网关节点、Sink节点、路边节点、车载节点。

①网关节点负责整个网络的组网，实现 zigbee网络与外界网络（3G和 TCP/IP）的连接，需要较强的数据处理能力，用以实现协议间的转换，以及信息处理等。本方案中采用基于 TI的 CC2420芯片和 S3C2410处理器，该处理器是Samsung公司基于ARM公司的处理器核，采用0.18 um制造工艺的32位微控制器。

②Sink节点由于要实现数据融合、信息采集并判别和控制不同传感器工作等功能，有随时更换任务的需求，因此采用MSP430F1611单片机，MSP430系列单片机是TI公司推出的 16位系列单片机，具有极低的功耗、丰富的片内外设和方便灵活的开发手段。

③其余节点采用chipcon公司的CC2430芯片，该芯片内置了增强型8051MCU和CC2420,是真正SoC的CMOS解决方案,采用0.18 um CMOS工艺生产,工作时的电流损耗为27 mA;在接受和和发送模式下，电流损耗分别小于27 mA或25 mA。

2.3 系统的软件实现

该监控系统中，不同类型的节点完成不同的功能，但是所有的节点都是基于事件响应的，因此其软件实现流程均可用图2表示。

2.4 系统网络部署

如图3所示，在公路中间定间隔部署两列传感器节点，每列监视道路的一侧，沿车辆行驶的方向在传感器网络末端部署网关节点。每隔数个普通节点，部署一个 sink节点。两列节点错开部署，增加网络的冗余度，提高网络的鲁棒性；通过增加 sink节点降低网络的时延，提高网络的可靠性；只有 sink节点带有传感器完成信息采集，降低系统的成本以及减少路边普通节点的功耗[5]。

图3 传感器网络分布

3 结语

WSN不仅在工业、农业、环境、医疗等传统领域具有巨大的运用价值，未来的应用还会涉及人们的日常生活，而zigbee技术作为其传输的解决方案必将带动WSN的大规模商用。本文章所提供的监控系统提供了一套很好的应用技术平台，具有很强的参考性的。本系统的特色与创新点如下：

扩展车载节点可实现不停车收费等功能，具有很强的通用性；实现WSN网络与3G网络的连接，可作为3G网络的新的数据增值业务；基于zigbee和3G网络的定位功能，可替代高价且局限的GPS定位,监控及预警的实时性；WSN的大规模商用刚处在起步阶段，还存在着很多问题有待完善。相信伴随着相关技术的发展和推进，基于zigbee的WSN的应用将更加广泛。

[1] 孙利民,李建中.无线传感器网络[M].北京：清华大学出版社，2005:3-6;319-352．

[2] 明光照,李鸥,张延军.基于无线传感器网络的智能家居系统设计[J].通信技术,2009,42(02):233-234.

[3] 孙强,徐晨,黄勋.无线传感器网络移动汇聚节点的研究[J].通信技术,2007,40(11):173-175.

[4] Pottie G,Kaiser W.Wireless Integrated Network Sensors[J].Communications of the ACM, 2000,43(05):551-558.

[5] Xing K,Ding M, Cheng X Z .Safety Warning Based on Highway Sensor Networks[C]//IEEE Communication Society WCNC.HongKong,China:IEEE,2005:2355-2361.