无线传感器网络在智能交通系统中的运用

张雷

(东华大学，上海，200051)

1 系统设计

1.1 设计目的

国内关于无线传感器网络的研究成果大部分集中在公交监控管理领域，其主要目的是可以促进交通信息的高效控制和发布，但是从当前研究现状来看，其在智能控制、智能分流方面的研究却略有不足。在城市交通网络的实际运营过程中，其收集路况信息的方式是在路口安装高清摄像头、在监控中心设置大型监控设备，采用这种方式不仅成本较高，需要投入大量的人力和物力，其系统分析代价也相对较高。

将无线传感器网络应用到智能交通系统的执行子系统、引导子系统和控制子系统中，不仅能够为智能交通系统提供有效的信息采集手段，同时还能监测路口各方向上的车辆，利用监测结果对信号控制算法进行改进，提高交通效率。

1.2 总体设计

智能交通系统结构设计：智能交通系统的主控核心大多与HIS系统为主，然后与GIS（地理信息系统）地图数据、全市公交车辆信息以及各个路线公交车信息收集模块相结合，为相关路段交通指挥人员提供相应的信息，从而使交通指挥人员能够根据路况信息及时采取相应措施。

无线传感器网络结构设计：基础网络架构由安装在道路两侧的汇聚节点组成；每个汇聚节点与临近的传感器终端节点（交通信息采集专用）组成星型网络进行通讯；网关节点主要汇聚终端节点和汇聚节点采集的数据，将网关节点安装在交通信号控制器内，将汇聚的数据通过专属网络传送到交管中心。[2]

无线传感器网络部署：在交通设施（横杠、路边立柱）上安装汇聚节点；在路边或者路面下，设置专用传感器终端节点；在交叉路口的交通信号控制器内集成网关节点；在运输车辆中安装传感器节点并加入传感器网络。

系统工作原理：终端节点利用非接触式地磁传感器实时感知和收集区域内车辆的相关信息（车距、速度等），从而实现交通信息数据的采集。当行驶车辆进入传感器监控范围内，传感器会采集相关车辆信息，并将相关信息通过终端节点传输到下一定时监控节点。当该行驶车辆再次出现在下一节点监控范围，下一节点将由睡眠状态进入工作状态，并对两个节点间车辆的行驶车间和速度进行估算，从而计算出该车辆的平均速度。然后汇聚节点将多个终端节点所采集并进行初步处理的数据汇聚到网关节点，然后对汇聚的数据进行整合和分析，从而获得该条道路的车流量以及车辆行驶速度，进而为交通信号控制提供准确的参考数据。[1]

2 硬件设计

2.1 网络节点硬件功能设计

网络节点硬件功能设计主要包括汇聚节点设计、终端节点设计、基于Atmel的AT86RF230射频芯片设计，其中系统控制核心为ATMegal1281V MCU，其具备低功耗的功能，该系统主要采用Atmel的8位RISC结构。射频模块使用Atmel的AT86RF230，该模块支持ZigBee协议，RF功率达到3dBm，传输距离可达300m。外部程序存储器选用AT45DB041D，内存在512 KB左右。上述节点的扩展接口均可接入其他接口（UART接口、SPI、模拟输入、I2C等），也易于连接其他外设和传感器（地磁、光度、温湿度、地磁等传感器）。[2]

图1 传感器节点设计

2.2 公交车模块设计

公交车系统涵盖了城市主要交通网络，由于公交车具备线路稳定、成本低、覆盖面广等特点，利用公交车来收集数据成为交通系统中重要的获取数据途径，既经济、有效，又具备一定的可靠性。在公交车系统中，公交车模块作为主控中心重要的数据来源，主要通过无线方式，将GPS所测量的速度、位置等信息，传输到ITS主控中心。公交车模块的核心是嵌入式微控制器，一方面打包处理GPS接收模块所接收到的相关信息，并通过无线通信模块将信息传输到主控中心；另一方面，对无线通信模块从主控中心所接收到的信息进行处理，并将其传输到语音提示模块或LED显示模块使用。

2.3 其他设备接入

第一，短消息模块。短消息模块的设置是为了缓解交通压力而设置的，它可以将特殊路况信息利用无线网直接发送给私家车主、出租车司机，使其在行使过程中，及时避开特殊路段（发生紧急情况的路段），从而在一定程度上缓解特殊路段的交通压力。

第二，交通信号灯。交通信号灯作为整个交通管理中的“指南针”，能够有效避免交通事故的发生。在设置交通信号灯的过程中，尤其要重视其时间设置，从而提升交通管理效率。

第三，交警手持设备。交警在日常工作过程中，可以通过随身携带的手持设备，及时了解路况信息，而交警手持设备也能及时将某路段的交通信息及时传递给交警，使其根据路况信息做出决策。

第四，Internet便民接入。该功能的设计能够让人们在日常出行过程中，可以通过终端设备（电脑、手机等）及时了解相关路段的路况信息，并及时做出出行调整。此模块的设计不仅为人们出行带来了很多便利，同时还方便了交通管理。

3 软件设计

3.1 ITS主控中心软件设计

ITS主控中心是智能交通系统的核心所在,在设计过程中，可以将其设计为数据层、逻辑层、表示层三层架构，然后再与GIS地图信息相结合，利用相应的分析处理功能，为交管人员提供路况信息，为道路优化排堵方案的制定提供参考依据。

其中，数据层，主要是系统所采集的数据信息；逻辑层是ITS主控中心三层架构的关键，其利用数据层所获取的数据资源进行相应的逻辑计算，从而为表示层提供服务。其核心是利用通信模块收集并处理数据，从而形成路况信息，然后根据路况信息制定最优的排堵方案，并将其传输给表示层；表示层的作用主要是负责显示。在智能交通系统中，与表示层相对应的包括：公交站牌信息显示、短消息提醒，交警手持设备、通过Internet接入的公众浏览器访问、特殊通道设备的接入应用、信号灯控制等。

3.2 网络节点软件功能设计

网络节点在无线传感器网络中的功能不同可进行分类设计。信息采集和信息获取功能设计：将具备不同功能的传感器（温湿度、气体检测等）安装到终端节点，从而实现相关数据的采集；通讯功能设计：将汇聚节点与终端节点进行组网，组成星型网络，终端节点能够在某一特定时间点由睡眠状态进入工作状态，从而实现与汇聚节点的通讯；计算、配置功能：在系统中设置网关节点，用来配置网络成员地址、启动并维护网络节点，具备一定的存储、通讯和计算能力，能够将采集的数据进行处理并发送给交通信号控制器，最后传输到交管中心进行相应的处理、使用。

4 结语

总而言之，无线传感器网络具备组网形式多样、灵活方便、不受环境影响等多种特性，能够应用到多个领域并受到了人们的广泛关注。将无线传感器网络应用到智能交通系统中，不仅方便了人们的生活，还大大提升了交通系统的稳定性和工作效率，对交通运输业的发展具有非常重要的作用。