基于无线传感器网络的智能交通管理系统设计与实现

刘宗明

（广西警察学院，广西 南宁）

智能交通管理系统需要借助于无线传感器网络让道路传感器、车载设备与系统服务器之间建立起连接，以便于实现信息交互和指令传达。无线传感器网络由内网与外网两部分组成，内网主要用于汇聚节点、传感器节点之间的信息传递。由于传感器节点数量较多，为提高数据采集、传输、转发的效率，需要引入低功耗、低成本、高速率的ZigBee 技术。本研究设计的智能交通管理系统，除了应用无线传感器网络技术提高内部通信性能外，还采用了定位算法获取车辆位置信息，从而实现了车辆的灵活调度、自动收费等功能。

1 基于无线传感器网络的智能交通管理系统设计

1.1 无线传感器网络节点设计

ZigBee 网络可以连接智能交通管理系统中的汇聚节点、路由节点和车载终端，是该系统的主要通信方式。从结构组成上来看,ZigBee 网络内的硬件节点有2 种类型，一种是负责收集车辆信息的车载设备，可以将车辆ID 信息、车辆位置信息等发送至协调器节点；另一种是负责转发数据的路侧设备，具体又分为路由设备、汇聚设备。前者的功能是转发ZigBee 网路中的原始数据（RSSI），后者负责汇总ZigBee 终端节点发送的所有数据。这里以路侧汇聚节点为例，其结构组成见图1。

结合图1 可知，路侧汇聚设备的核心装置为ZigBee 协调器、核心处理单元（RAM）。ZigBee 协调器可以与ZigBee 网络完成数据交换，UART/USB 模块具有定位功能，保证了路侧汇聚节点能够实时监控车辆的位置信息。本研究在设计核心处理单元时，选用了基于ARM9 处理器的Hi3511 作为核心处理单元，具有集成度高、编程灵活、支持多种主流通信协议等特点。另外，为防止路侧汇聚设备因为断电或故障而出现拨号失败的情况，本研究还设计了2 个监控脚本：一个是监测5G 拨号服务进程的watch_pppd，另一个是监测主控程序运行情况的watch_main。当出现程序异常退出后，立即启用一个新的进程保证了智能交通管理系统的稳定运行[1]。

图1 路侧ZigBee 汇聚设备设计框图

1.2 市政系统设计

智能交通管理系统的市政子系统由2 部分组成，其一是安装在市政车辆上的车载终端，其二是安装在拥堵收费（如停车场出口）处的汇聚节点。当市政车辆驶入收费区域后，车载终端将OBU 信息发送至汇聚节点，汇聚节点根据接收到的OBU 信息计算应收费用，并在收费出口的LED 屏上显示。基于WSN 模型的市政交通收费流程见图2。

图2 市政交通系统WSN 模型

为进一步提高收费处的通行效率、减少等待时间，本研究在设计智慧交通管理系统的市政子系统时，还加入了刷卡扣费功能。车载节点接收到智能交通管理系统发送的扣费指令后，车载节点中的刷卡模块首先判定是否有卡片插入：如果未识别卡片，则给出提示“请插入卡片”；如果识别到卡片，则读取卡片磁条，获得卡片信息。取得消费电子密钥卡（RSAM）的密钥后，根据扣费指令完成扣费。在LED 屏上显示扣费成功，同时智能交通管理系统发送抬杆指令，抬起升降杆，车辆驶离。由于市政子系统的刷卡扣费模块涉及到资金往来，为切实保障用户信息隐私和资产安全，在设计该系统时必须遵循《OBU-RSU 通信协议》和《OBU- 服务器通信协议》，切实保障信息传输安全[2]。

1.3 公交系统设计

智能交通管理系统的公交子系统设计如下：公交车的车载节点包括了RS232 总线通信模块、CAN 总线模块、485 总线模块。其中，RS232 总线通信模块分别连接了车载DVR 设备和车载调度终端。RS232 总线通信模块分别收集DVR 信息与调度信息后，将信息汇总后经过ZigBee 无线通信模块，传输到智能交通管理系统。CAN 总线模块可以读取车辆的相关数据，如实时车速、剩余油量等；485 总线模块用于读取外设信息。车载节点与路由节点、汇聚节点之间通过ZigBee 无线网络依次连接，最终将车载节点的所有信息传输至后台服务器。服务器解析信息后得到公交车车速、位置等实时参数。

为了进一步提高公交车的定位精度，在站台上布置路由节点与汇聚节点，这样就能利用车载节点上传的RSSI 信息完成对公交车的位置计算，进而发挥公交站的辅助定位功能。辅助定位功能的实现流程见图3。

当公交车到达站台时，车载终端接入无线传感器网络，并上传OBU 信息，此时汇聚节点接收信息，将公交车的位置信息标记为进站，智能交通管理系统更新后台信息。公交车进站停靠后，车载终端会收集站台附近多个路由的RSSI 信息，并将其封装成RSSI 信息帧，以特定的时间间隔发送给汇聚节点[3]。汇聚节点将接收到的RSSI 信息帧传送至智能交通管理系统，经过计算机解析后对比各个路由的ID 和相应的RSSI值，即可判断出公交车当前停靠在哪个站台，从而获取公交车的实时位置。

1.4 出租系统设计

出租子系统是智慧交通管理系统的关键组成之一，鉴于出租车没有固定的行驶路线和停靠位置，经常会存在某个区域内出租车数量变化明显的情况，本研究使用了一种基于ZigBee 网络和5G 网络相结合的物联网出租系统。本研究设计的出租系统功能如下：（1） 出租车进、出站管理。根据车辆进出信息，动态更新停车场内停车位的数量信息。既可以计算出停车场内已停放出租车的数量，同时还能判断停车位的空闲情况，由此决定是否允许场外出租车进入停车场；（2） 获取出租车的位置，并利用大数据技术对一定范围内的出租车分布情况进行汇总，从而得到该区域内车辆分布图。同时预测该区域内流动人员数量，如果人员数量与出租车数量不协调，则按照就近原则从相邻区域调配出租车，以保证供需平衡；（3） 稽查非法出租车，利用无线传感器网络内车载节点与汇聚节点之间可以进行双端通信的特点，在巡逻车辆上安装车载节点，并与无线传感器网络覆盖范围内的其他出租车建立通信。对于覆盖范围内的合法出租车（安装汇聚节点），巡逻车辆可以与之建立正常通信；反之，如果在覆盖范围内巡逻车辆与出租车无法建立正常通信，则该出租车为非法车辆，从而实现稽查功能[4]。

1.5 客运系统设计

智能交通管理系统的客运子系统由3 部分组成，分别是车载终端、路侧路由设备、路侧汇聚设备。客运子系统的功能是对停车场内的车辆进行定位，并将车辆的位置信息传递给交通管理系统。客运子系统的设计流程如下：当车辆到达客运场站的入口位置后，车载节点与汇聚节点基于无线传感器网络建立通信；汇聚节点将车辆信息（如车牌号）发送到智能交通管理系统的后台。系统读取车辆身份信息后，判断客运场站内是否有空闲的停车位。如果站内无空闲车位，则通过车站入口的LED 屏提醒驾驶人员；如果站内有空闲车位，则允许该车辆进入，并发送指令抬起入口栏杆。车辆进站后，汇聚节点发送车辆进站信息给智能交通管理系统，并引导该车辆到指定位置停车。车辆驶入停车区域后，车载节点发送RSSI 信息至汇聚节点，汇聚节点根据接收的RSSI 信息使用定位算法确定车辆位置。当车辆驶离客运场站后，汇聚节点将车辆离站的信息上传到系统，系统后台刷新信息。

2 基于无线传感器网络的智能交通管理系统功能实现

2.1 通信功能测试

通信质量是决定智能交通管理系统应用效果的关键因素。本次通信功能测试选择在一处空旷无遮挡、车流量较少的公路进行，测试设备包括车载终端、汇聚设备2 种。其中，车载终端设备固定在汽车的中控台上，汇聚设备固定在公路一侧的电线杆上。天线选择直径为110 mm 的棒状ZigBee 天线,有功放的情况下发射功率为-3 dBm[5]。测试内容包括两方面：其一是路侧汇聚设备在未加功放的情况下，车载终端设备安装不同类型天线时的有效通信距离；其二是路侧汇聚设备加功放时，车载终端设备安装不同类型天线时的有效通信距离，测试结果见表1。

表1 车载终端设备天线通信距离对比

根据表1 测试数据可知，路侧汇聚设备有功放的情况下，使用相同类型的天线，车载终端设备与路侧汇聚设备之间的有效通信距离最大。以50 mm 棒状天线为例，在有功放的情况下，有效通信距离为170 m，而无功放时有效通信距离仅为20 m；另外，在功放条件相同的情况下，110 mm 棒状ZigBee 天线的有效通信距离要明显大于其他3 种类型的棒状天线。

2.2 定位原始信息RSSI 采集和上传功能

测试流程为：由车载终端设备向路侧路由设备发起RSSI 请求；正常接收该请求后，车载终端设备将收集到的所有RSSI 信息进行汇总，以数据包的形式按照设定好的通信频率将其发送至路侧路由设备，并将接收到的RSSI 汇总消息保存在后台服务器的专门文件夹中。后台服务器接收实时RSSI 汇总消息见图4。

图4 实时上传的RSSI 汇总信息

2.3 客运场站定位测试

本研究设计的智能交通管理系统，可利用ZigBee定位算法达到客运场站定位的目的。在某客运站测试智能交通管理系统的车辆定位功能：安装了OBU 设备的1#车辆停泊的位置为108，系统显示定位结果为108；转载了OBU 设备的2#车辆停播的位置为105，系统显示定位结果为105。在上午9:30～10:00，共有127 辆客车进入发班位，系统显示定位结果为127。测试结果表明智能交通管理系统的客运场站定位功能可靠。

3 结论

在智慧交通成熟发展背景下，无线传感器网络因其具有节点布置简单、信息实时传递、抗干扰能力强等特点，在智慧交通领域得到了广泛应用。本研究基于无线传感器网络和ZigBee 协议设计了智能交通管理系统，具有提升道路通行效率、优化交通调度管理等功能。从系统的运行测试情况来看，智能交通管理系统采用110 mm 的棒状ZigBee 天线，最大通信距离可以达到260 m；在有效通信距离内，可以实现OBU信息、车牌号信息的实时采集、同步上传，为智能交通管理系统开展数据分析提供了必要支持。