（交通信息工程及控制专业论文）基于Zigbee无线传感器网络在车辆检测中的应用研究.pdf

靶京凳道大学磋士论文 y 8 7 9 6 9 摘要 髓港梭测技术以及网络技术的翻益发展，智能交道技术也随之有了 更多瓣实蕊强耩手段。车辆信息话为智麓交遥系统中鲍基磁绩惠，对交 道策赣麴剿定，汽车鹭安全驾骏，交遥傣患豹获敬，骧及薅耱车辍豹安 全瞧、褥黎经检查等慕疆数据添瓣提供起劐了攀怒轻耋戆律蠲。近年来， 为了取褥受加全蟊和精确的车辆蜜观l 冀及激鼹倍感，大量的新技术和耘 成聚酃被威用于车辆信息采集系统的应用磷究。但是，信息采集系统的 构建依然存在闻题，实际使用方面也没有达测人们豹颈麓。 本文在研究了传感器技术，网络技术，阮线局域网技术的基础上， 探索了无线传感器局域网在交通数据采集方嘲的应用可能和优势，并在 磅究无绂鼹域网络翁基礁上，提出了使用掇嚣e8 瓣1 5 4 ( z i 曲c c ) 无线协议 组建新溅交通数据采集系统。 本设计开发了一套溪予车辆捡淡豹抟感瀑秘终，并竞袋了电路霰诗， 硬件方嚣莱惩了主流工堑控镧曩藏擎片捉露为羧锈台m v 疆及嚣澎线 圈车辆梭溺设备秽照楣柱 乍蠹裣滋设备，戳及兹鹭b e e 标港谖潮解调芯片 为核心静数据传输单元完成了整个的系统设计。 线欲件方霞，本文按照z i 曲e e 协议规范开缴了凇c 鞠物理层协议 栈，完成了基于z i 曲e e 的星型网络的构建猷及威用层在车辆检测方面的 应用。攀窟证明，此网络成本低廉，功耗小，猩系统可靠性和兼容性方 露淡现出此项新技术的优势，并具有开放性的特点，可应用在在交通流 数据采煞，餐戆汽车， 三i 及各种需要的车辆检测豹传戆器数据采集系统 关键谰：车辆棱测，交通数据采集，秃线健感器两，无线局壤网， 霖# e 托家交通失带硬论文 a b s 譬r 轰c t w i 搬t 酶d 剀e 轴鼙棚甜哇o fm 髓s u 瓣m e n 圭8 蕺畦瓤e 撕破l e 畦m o l o 露e s ，鞭s s 粥l e m s 癌症b e 撒登l 翱躲e 棘糖建w i 疆瓣o s t f a 重e 西榷v e 毯ei 魁赫辩鞋嚣畦。辣蟊 a l w a v so o n s i d e r e da se s s e n t i a le l e l n e n ta n dm a i nc o m r i b u t o ri nn 1 st o p r o v i d e r e l e v 锄ti n m r m 姒i o nf o r s t r a t e g y d e t e m l i n a t i o n ， d “v i n gs a f t y ， i n 鲰m a t i o 溉a o q u i s 量t i o e m e f 辞n c yv 妇i c ks a 蠹y ，棚妇b l i t yv e 擞鼎都a 娃o na n d s oo 玩炎鞠戚a 努，董。热蜒瓤糟好薹ec o 鞴露e 缱瑟建a 。c 撇稿粼静& m 瓤辩 v e h i c l ei 螂! ；0 f m 砸i o 玛l a t so u p l t 小d a l et c c h n o l o 舀锚矗n df e s 越t sa 辨嚣p p l i e d 醯 v 毫h i e l e 臻如r m a t i o na 0 q u i s i l i o 狂s y s t e m 。h o w e v 馘s o m e 娃a w 靠u 娃d e l l i e 诬 氆e s y s l e 辍c 。n s 瓢娃 o 巍馘畦l 娩p 嚣蠢b i 王珏a 珏c ee o h l d 瓣l 糯毒e s 秘c 主蠡e 增霉醢蠢e 琳嚣鼓臻烈鼗p k 靶l 饕 b a s 。do n 主堇w e s 蛀姆蟪黼o fs e n f 沱c h e l o 戥珏c 澉。攮耄e e 婚。孙g y 鞠d w i f c e s s “气n ，t h e 氛躺i b 娃坶a n da d v 鑫n t a g eo fa 船l 舛n gw i 辩l # s ss e n s o f n e 鲰。嫒傩锄麟c泣蜘糯a 虹o nc o i l e c t i o na 粘a n a l 聪融粼畦l e e e 8 鸵。量5 囊圈鼬e ) 主s 擀删辩c o 纛s 粕e 蠢v 勰琏髓氇嚣i c 融f o 挂鞋a 重i 强 a c q u i s i t i o ns y s t e m ， as e l l s o rn e t w 0 嫩i sd o v e l o d e dt 0c 0 1 l e c tv e h i c l ei n f o r m 硅t i o ni nm i s p a p e r 王nt e 撇so fh 甜蛳a 羚，c i r c u i t 如s 酶li si m p l e m e n 自巴d ，w l l e 黼z i 曲e e 醢毋i s 辙p 呵醴，汪托黔t 嘶w 浊i 珏d 毽嫩醚馥枣a s m 雅，狲p a 矬d 貔攫撼璐嚣 m e a s u r e m 饼l te q u i p 撒e n l 。 ht 掰凝so fs o 脚黼，即的谳s l 螽涵妇凇ca 珏d 裤y s i 麟h y e l sa f e 鑫e v e 酶秘莲翳栽嚣n 錾洒露曲抟s 誊戆# 挺s 珏e 糟迅玲c o 靛s l 张貘麓疹e e 忐a s o 莲 蘸嚣辫o l 交曩蕊d 遂牮每疑勺游v 棼廷i d o 勤勤襁班；o 鼗。l i o e 觏建。驺铝簦嵇l s 据罄e d 霹 辜e s 扭一潮eo fj a w s l s 越过矽黼rs u 鲐坟镪ep e 渤燃黼至霉h i 酶l y v a l u e d 讽t e 潮s 龇嘲i a b i n l y ，融p a t i b i l i t ya n db e i n go p 讯融n c ei t u l d 雒p l 主e 畦徽蚍a 蛞鲫c o l l c c 蛭o n ，弧量e l i 姆蕊tv e 址c 馘黼dv a 蛀。燃 s e n s 疆酾s e 畦强溉燃矗镧譬i 巍幻鑫s 笋t 锄s k e v w o r d s ：v 孤i c l 鼯i d e n t i f i c a t i o n ，t r a 砸c驺a t ac 鹾l e 眦i o n ，w i r e l e s s s e n s o rn o 椭帕嫩? w u 州，z i 曲e e 北京交递太学硕士论文 第一章绪论 1 1 课题背景及研究意义 i 1 1 研究背景 在这个科学技术和世界经济飞速发展的时代，交通系统的空前发达 是必然的，也是经济继续持续发展的基础。交通运输在经济和社会发展 中起着举足轻重的作用，随着交通需求急剧增长，交通运输所带来的交 通拥堵，交通事故等负面效应电日懿突出，逐步成为经济和社会发展中 的全球性共同问题。因此为解决交逶拥挤隧寨，交逶事故频发，交通污 染严蓥，能源短缺等世赛性翔题，本世纪8 0 年代术9 0 年代初出现了智 能交通系统( i t s i n t e h i g e n tt r a n s p o r t a t i o n s y s t e m s ) ，许多发达国 家和发展中国家相继提出各自的发展战略，并试图通过发展i t s 带动本 圈基于车辆、通讯、嗽子、计算机以及网络等高新技沭的经济大发展。 i t s 通过对有关交通信息的实时采集、传输和处理，把握当前交通运行 状况和预铡未来的交通状况，借助多种手段和设备，时各种交通情况进 行处理，通过有力静信息交流手段，使用户迟速获知交通信怠，从蔼青 效遮提齑了交通效率和安全，并使交通设施褥到充分利用，实现交通运 输的集约式发展。它是在较完善的道路设施纂础止，将先进的电子技术、 信息技术、传感器技术和系统工程技术集成运用于交通管理所建立的一 种实时、准确、高效、大范围、全方位发挥作用的交通运输管理系统。 它是充分发挥现有交通基础设施的潜力，提高运输效率，僳障交通安全， 缓解交通拥挤的有力猜旅。i t s 主要有六个组成部分：先进的交通管理系 统( a 罩m s a d v a n e e dt r 8 f f i e 礁a n a g e m e n ts y s t e i l l ) 、先逃的出李亍考信息 系统( a t i s 一_ a d v a n e e dt r a v e l e ri n f o r m a t i o ns y s t e m ) 、先进的车辆擦 制系统( a v c s a d v a n c e dv e h i c l ec o n t r o ls y s t e m ) 、新型货邋系统 ( n f t s 一一n e wf r e i g h t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 、自动道路系统 北京交激太学硕士论文 ( a h s 一靠u t o h l a t i ch i g h a ys y s t e 衲和姆能公必爨邋( i t i n t e l l i g e n t t r a n s i t ) 。i t s 可以说为交通管理提供了有力的支持，交通管理者需要 在宽分了辩蕊宵道路交通运行状况的基础上，做矬j 相应的管理决策，i 丁s 的实孵信息采集与处理魏力使营理者能够全蕊娥了髂交逯运行状爨，糍 自麴地处溅嚣耱道路交道异誉情嚣，其发布信息糍力又使管理及酎将决 簧传这给嶷逶行为者。瓣薅，交逶行舞者逶避避察辩售惑递嚣收集纛热 繇采实瑗辩交遘酌最往往镬鬻。这墨豹实辩穰惑采巢与处莲藏是遁过车 辆捡溅释车磐谖羽，戮及车麓定霞系统寨实现鹣。 在警今的智能交通系统中，越来越需要对交通信息采集系统提供的 交通备种传感器数据进行检测。交通信息采絮系统成为先进的交通控制 系统，停车管理系统，无障碟交费系统，车辆静髋系统中必须豹设备。 但题目前使用的设备从技术上角度上说，都存焱麓蘸统兼容性差，开放 性不好不能遗明使用，安装和维护复杂，如何解决这些问题成了国内众 多生产厂霖的当务之急。 l 。1 2 溪斑辨交遁数据采集系统现状 褒今辩突逶流检测疆各墨弪逐步玉器来豹瀵浚鍪转淘了 埋没鏊， 密肇一瓷溅囱多耱组台类型发展。就安装条 串泉说，肖忿门榘、天桥酶 地段可叛锼闲越声波、微波歪挂等设备；在己经商视频监控光纾传输的路 段，可增加检测专用摄像头实施视频检测：在冀佘路段可以使用微波侧挂 设备。就浠求来说，超速抓拍使用线圈和正撼微波系统：公交车专用道以 及莱些车谶车辆禁行路毅的违章检测可以健用怒声波检测设备：对车型 分辨要撒较高( 虫n 篙分辨客货车等) ，以及在拥蟪特况下对流量捡测精度要 求较高的建通流检测可以使用超声波检测设餐；浠袋酝以直观图像时，可 以选择视獭检溯设备i 1 】。由于现今豹任何一种羧测器郝不能完全达戮交 通监控靛全都要求，毽粕蔷巍魏撬获点罄十分躜纛。掰越当今懿趋势是 一个麓憝宠蘩鹃薤浏系绞必缓霆崮多懿检测设备聚含镬熏，摇互取长李 短。魏稳袋强嚣路瓣交逶流毪溅，裁采用了裰凝、徽波、超声波等多静 检浏嚣缀娥了完整的捡铡系统。 2 她寨交通大学碟圭谂文 题 在这样的多系统多输入多输出的簸杂系统下，存淼潜以下的几个问 l 。漫冬安装簸杂。实黪豹传感器躺毒设是菲常复杂的，包括埋域 线露麓毒浚经霉要镁开路箍影霸公路交逶；撬掇懿絮设；毫添 设备的稚设；通信潮络静絮墩等等，裙对子系统工程的要求， 一个系统的系统应该具有开放性，即有新的系统部分加入系统 中应该不影响原有系统的工作，而在现在的交邋数据采集系统 中，每一个采集分系统的创建都意味整个系统的懑新建立，需 要怼 霹构斌麓系统遴毒亍重巍浚嚣。 2 。设鲁维护豳难。这蹩赉设备安装静爨薅决定馥，麟魏交遥部门 每年都霈婴花费大量的人力物力对交通数据慕黛系统进彳亍维 护。 3 设备走线隧难。交通环境安黼楚一个棚当复杂的工程环境，受 婺对阅，滤熹，天气等多方麓鼹影酸，在谗多环凌f ，设备豹 信号健簸犟耩走线郡是鹱当困娥黪霉馕。铡鲡凌在瓣客重点建设 的青藏线铁路，由于海拔裔殿过高，轨道电路实际的信号衰耗 相当的大，不得已只能用无线移频的方式来进行信号控制；汽 车内部的机械环境复杂，狂汽车内部商线，如果不是在汽车的 垒产厂塞进行，会影赡汽车瓣使雳性能，这瞧是汽车援有者一 直黯在李内安装各耱交遥数瓣袋集装鬟蕊器僖怎发布装受鲢主 要原闲；邵使是在镤常使用的壤绝线圈中，由予使照爝期酶原 因，频繁的倒开路面在公路使用者的酿中都怒不方便的行为。 4 信号标准不统一。目前的传感器及检测设备的使用方法都是专 线网络的彤势，浮动车的梭测信息是交管局的专线嬲；高速公 爨波赞怒专建瓣；蚤耱搀惑瓣麴蘩号不溺魏攘弩竣各，不蘑瓣 髓输方式，菇致多传感器的醚会使耀只蓬遴避熏搬浆后处溪， 对予现代交通的越来越嵩的嶷时性要求是不符合的；对于交通 馒用者期堪交暹信息的透明纯，人性化，实时诱替追切需要检 颡4 信号能够及时处理并避避公必陬络酚形式樽到懋诲。 3 北衷交通大学硕士论文 | l ，2 研究髫标 襞近在徽嘏予筑棱系统镖蠛，无线遴禳纛数字奄子懿嵌魏狯魄，燕 瑛耗控，多葫筑稳以及传感器结稳戆发袋使褥无线健戆嚣麓够在智麓交 通系统的数据采集领域的使用有着绢显的技术先进性。 例如在检测浮动车方面，小型、密集分布的无线传感器可以解决例 如检测的各种楣芙问题。随着无线传感器网络在近期的长砖缴展，可以 设想季巴多个传感嚣节点通过在线程序以及射频接口接入犬瀚网绦使得整 个网络中的节点们不缎爵啄单独捡 羹! 到车辆的诸如位置等的信怠，同时 熊够通过联合执行的方式取得更高屡次的诸如速度，宏戏攀流波等熬捡 测信息。 丽样鲍，攀载露线蕊感器也有着缀丈豹傻霹空隧。凌餐麓汽擎领域 上，逶爱豹各耱沩熊瓣臻感器懿广泛运蔼鞋及是不争懿攀实，清魏轮速 簧感器，蒋静睾鞭铡翔冷骧车黪澄凄餮惑器，讫擎魏嚣的繇瞧佟感器等 等传蓦器基经广泛瀚运用在各耱用途魏车辆上。但楚实对棱溺静需要决 定了终感器班发怒激仪以及事载屯藤阅豹联系成了一个瓣熬，存线方式 最大的问题就是农很多的场合在汽车这个环境下走线建惨缀困难的事 情，这便使得使用溉线传感器是很有必要的事情了。 因此，本研究立足于现实，在对于现阶段交通数据祭卷统中使用 的传媾器网络进行研究，模拟构造小型的无线传感器网络，探索无线传 感器网络在实际使用中的可行憔，以及先进技术方向迸符搽索，为以藤 豹无线传感器网络程实际当中酶应用打好基戳。 3 磺究主要内容 锌黯现阶段麓交邋数据采集系统静静耱弊鞴，按照狂s 掇斑静先遂 煞交通系巯掰掇辫懿服务为发袋方商，本研究结合传蒜稳潮绦，秃线潮 终进行探索，抟找出s 够解决上述弊端豹基本方法，并簸孝厅裁可行性。 主要工作为以下的几个方面： 1 研究无线网络的构成原理，分析各种新技术，找到邋食交通数 4 北京交激文学碗士论文 据采集特点的无线网络技术，并研究瓣 句成及其创建 2 i 歼究传感器网络的构成方式，阻及基本特点。 3 创建符合交通数据采集要求的无线传感潞网络，完成硬件及其 软律开发互俸 4 + 分橇其盔实嚣使瑶中豹霹行性及其特点，辩将来麴疆究工 擘遴 行凝颦。 第二章传感器网络概述 更小、慰廉价的低功耗计算设备代表的“靥p c 时代”冲破了传统 台式计辣机和高傲能服务器的设计模式；蒋遮的潮貉亿带来的计算处理 能力麓潍戳岱量豹：徽机电系统( m i c f 伊e l e 谢o 擞e 穗黼i s ms 磷t e 雉简称 m e 醚s ) 的迅速发震奠定了设计和实现片上系统( s y s t e 魅o nc 撼p ，简称 s o c l 熬熬鹂。戳上3 方嚣的赢发集成又孕育趣了许多鞭的信息获取和处 毽模式，熊惑器疆络熬是其中一铡。 涎掇分_ 荐瓣集藏畜簧簿器、鼗鬟处遴零元蠲逶馈模块兹微枣节熹逶 过交缀绞鹣方式构成弼终，诺翁予节点孛蠹鼹耱彩式多样静僚感器溅壁 掰在髑边环境中的热、红矫、声纳、霉选帮熄蕊波髂号，麸丽探测包括 滠度、灏壤、噪声、光强瘦、燕力、土壤成分、移动物体抟大小、速嶷 和方向镣众多我们感兴趣的物质现象。在溅僚方戏上，虽然可以采用有 线、溉线、筑外和光等多种形式，但一般认为髓距离的无线低功率通信 技术最邋含传感器网络使用，为明确起见，般称作无线传感器网络。 但也不绝对，b e d l e y 的s m 哪d u s t f 2 】因为可以像企竣一样悬浮在空中， 有效迪避兔了障碍穆的遮挡，戳j i ：采用光佟为邋髂奔覆。 传感瓤网络终麓一耱薪兴熬信惑技术，墨经举| 怒了爨器许多銎家懿军事 罄门、王擞器耪学拳雾豹投夫关注。美黧塞然科攀麓金委受会嬲年裁 定了健感爨瓣络磅究嚣翅，授炎3 4 ，茂0 荧元，支特耨关蒸礁瑾论煞 研究，焚黼凿茨酃帮蚤军事部门酃辩健感嚣鼹缀给予了离度重褫，在 5 北京交通大学硕士论文 c 4 i s r 的基础上提出了“s r 计划，强调战场情报的感知能力、信息 的综合能力和信息的利用能力，把传感器网络作为一个重要研究领域， 设立了一系列的军事传感器弼络研究项哥。荚国荚特尔公司、美国微软 公司等信息王业界巨头也开始了健感器网终方面昀工作，纷纷设立或虞 动相应的行动计划。日本、英国、意大利、巴西等国家也对传感器网络 表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。 2 1 传感器网络的概念 众多具裔通信、诗算能力盼传感器( 戒作动器) 通过无线方式连接楣互 协作，同物理世界进行交互，共同完成特定的应用任务，称为传感器网 络( s e n s o r n e m o 。传感器网络综合了传感器技术、嵌入式计算技术、 分布式信患处理技术弱无线透信技术，能够协作遣实时监测、感知程采 集各种环境或监测对象的信息，并对其进行处理，传送到这些信息的耀 户。与传统的中心化处理相比，传感器网络具有蒋棒性高、准确性高、 灵活性高及智能亿强等优点。传戆器喇络与传统的传感器相比，易于部 署，即传感器节点位置不霭要事先确定或精心设计，允许任意放霆，邦 署维护成本低且具有较高的哭活性；传感器网络由大量廉价节点组成，可 放霞在物理现象作用范围内，从而获得较高的观察精度性，具有较高的 牲价比：传感器网络具套大量冗余繁点，即使部分节点失效，也不会影晌 整个系统的功能，因而具有较好的健壮性：传感器网络节点具有计算能 力，可以相曩协作，能够完成传统传感器所不能完成的任务。 传感器、感知对象程观察者是传感器瘸络的3 个基本要素；有线或无 线网络是传感器之间、传感器与观察者之间的通信方式，用于在传感器 与观察者之间建立通信路径：协作地感知、采集、处理、发布感知信息是 传感器网络的基本功能。一组功能有限的传感器协作地完成大的感知任 务是传感器网络的重要特点。传感器网络中豹部分或全部节点可以移动。 传感器网络的拓扑结构也会随着节点的移动丽不断地动态变化。节点间 以a dh o c 方式进行通信，每个节点都可以充当路由器的角色，并且每个 节点都英各动态搜索、定位和恢笈连接的能力。传感器网络节点由电源、 6 转豪交通大学硬士论文 感知部件、嵌入式处理器、存储嚣、通信部件和软件这几部分构成，如 强2 1 所示。邀源为传感器提供藏常工佟搿必需的能源。感知部传麓予 惑鲡、获取外界羽嵇怠，并将其转换为数字信号。筵理帮幸! 受爨协诞节 煮各帮分瓣工露，如对感辩郝静获彀憨绩愚逮嚣必要靛处淫、绦存，控 渊感知鄢徉魏魄源的工作模式等。透信部件负责与其德臻感器竣蕊察卷 瓣遇倦。软件则为佳感器提供必要的软静支持，如嵌入式操悔系统、嵌 入式数据库系统筹。 图2 。l 抟感嚣网络节点示意图 掣 北京交避大学磺士论文 2 2 无线传感器网络简介 2 。2 1 光线传感器网络壤述【2 】 无线传黪潞潮络是捂在环境中布置的传感器节点以光线通信方式组织成 弼络，传感嚣节熹宠成一些数据莱集工捧，节点逶避铃感器两终将数蕹 发送曩瘸终孛，并最终密特定弱瘴趸接浚终感嚣节煮榘藏健感器箨、数 据处毽肇元灏通信模块，并逶遗謇组织的方式构成溺络。整髓予传感器 节点中内滋辫形式多样的健感器传，可以测量所程周边环境中的热、红 外、声纳、臀达和地震波信号等信号，从两探测戗攒濑度、湿度、噪声、 光强度、腿力、土壤成分、移动物体的大小、穗艘和方向等等众多我们 感兴趣的物横现象。无线传感器网络是一种全新的信息获取和信息处理 模式。 相对于传统光线网络，无线传感器网络具有一魑鞠鼹的持征： 第一，潮络中翡转感器节点数量众多、密度窝，攀佼嚣积所糖有浆瓤络 节点数远大予转统鼹无线慰终。 第二，传感爨节熹囊奄漶袋邀，第熹麓量蠢隈。囊予蔫蠢数塞多，嚣星 无线黄感嚣鬻终经缝应矮子入矮蔻芜貔逮方躐人韬滚戳童接操 睾静远 方，因此麓挨传感器节点电逮是不现蜜懿。这次定了传藤器节点生命和 网络寿命钓有限性 第三，鹅貉节点阉采焉自组织的通信方式。传感器节点楚自主的、螽治 的，节点之间以a dh 0 c 方式通信，不同予传统溅线阏络的中心控豢遴信 模式。 第四，网络拓扑易变化。由于节点能擞有限，带点易出故障，导致光线 传藤器网络插扑信息变化快速。 第五，网络艨基餐客错能力。传感器节点所处的环境邋常是恶劣的f 翔磲 音多、风睃鼹漤等) ，导致节蠡易受于撬，荔爨镶遨鬟求戈线传感器露络 痤灵毒容镰憩力才一会毒瘟鬟1 l 蓍豢。 藏舞，肇患体弑陵爨、憝量餐疆决定了节患只凝鬻蠢藏躲诗算存僚能 力帮短鼹藏邋信能力。 8 耗寨交嚣爽攀磺士谂文 2 。2 2 溅线传感器网络应用 觅线传黪器灏络戳冀爨缝织犍、徽懋牲、低成本、灵活性镣筑熹，套军 事、环凌辩学、莲疗毽豢、空闻探索、裔鼗疲麓簿镞域有蕾嚣常厂泛豹 皮用前景在军事领域，传感器网络将会成为现代化战场指撵系统不可或 缺的鄢分爨必传感器礴络由密集裂、低成本、涎橇分布的节点组成的， 蠡缝缫拣释容辖力经箕不会嚣爻菜鎏节熹在溪意凌毒中瓣缀嚣瑟导致 整个系统的崩溃，这一点是传统的传感器技术掰无法跑拟酌。也正是这 点，使传感器网络非常适合嗣予恶劣的战场环境中，惫括髓控我军兵 力、装蘩霸戆炎，戆凝砖突区，谈察数穷蘧形秘毒游，走豫羧袁目标， 评估损失侦察和搽溅棱、生鹈和豫学骏击。程战场捂撵员谯程霈要及时 准确地了解部队、斌器装备和军用物资供给的情况，铺设的健感器将采 集相应的信息，并遇过汇聚节点将数据送至指样质褥转发到指挥部， 羧螽融合滚謇套蕊绣瓣数撂影戏我攀宠签豹藏送泰势懑。巍敬争中，黠 冲突送秘军事要她的监视- 睡是至美整黉游，通过铺设传藩器髑络，以更 隐蔽瓣方式遁距离跑观察敌方的布防；当然，瞧可戳卷接将传戆器节熹撒 陶敦方阵遗，在敌方还未慕褥及反黢辩迅速瞧窳粼予 乍虢的楼惠。黉感 器网络墩霹敬舞炎控裙稍霉系统鬟僚毽确的嚣繇跫诬信患。 在窳间探索方蕊，探索外部星球一粪是入桊梦寐以求的琏想，借助 于航大器商擞驰佟感器网络节点实现对攫球袭酒长嚣寺间的酸测，应该是 一耱经漭霹嚣耱方察 在商啦藏用方褥，自缀织、徽型他嗣对外帮世界的感知麓力楚传感 器丽络的三大特点，这些特点决定了健感器网络在裔、韭领域艨该媳会衣 不少懿枫会，倒翔，嵌入家具帮家毙孛豹传感嚣与执雩亍飙橡缀戏豹无线 潮绣与瓢。l m e t 连壤猩惹薅会菇载髑蕤供受麓瓣邋、方便秘爨骞人性毽 的智能寒膳环境；传感器网络还可| 2 上应用于城市的车辆监测和跟踪系统 中。此外，在灾难拯救、仓库管理、交基式搏物馆、交互式凝其、工厂 鏊韵繇生产线等众多鹱域，无线簧感器嬲终帮褥会擎弯爨仝精赘缓诗稳 应用模式。翻 擘 北京交通大学硕士论文 2 。3 传感器网络通信核心问遂网 能量约束、通信能力限制、计算和存储能力限制、传感器数煮大、 节点随机分布、自组织网络结构等特点使得传统的无线通信协议不通合 应用于传感器网络，研究适合一于无线传感器网络的一个无线通信协议 是传感器网络研究中的热点。通信模式及协议主要考虑如何在满足数据 收集任务质爨要求的前提下，节省能源延长节点生命周期。 传感器秘络的遥信模式与协议的磅究嚣拣为班下5 个方面： ( 1 ) 研究遥台无线传感器网络的通信模式、网络结构和拓扑、工作方 式及网络节点协议体系结构。 传感器网络节点数量庞大，节点间松散祸合，构成一个高度复杂的 大系统。由于光线传感器节点能力较弱，为达到任务的合理分配和资源 的有效控制和优化，必须要求传感器嘲络的通信模式与协议应该是精巧 灵活的。即备层协议鲍叁适应调整及协议参数瓣自适应选择，传感嚣节 点能根据具体成用和环境交纯进萼亍预酝溪或自配置。因魏，研究适合于 多种应用环境下的通信模式和“精巧”协议有着重要的意义。研究各种 调制编码方式、缓冲区、帧格式，路南方式等，与网络传输质量、时延 及资源消耗的关系，在这些研究的基础上提出无线传感器网络通信的系 统模型。 ( 2 ) 研究逸合无线传感器网络的中、低数据传输速率，且其有自适应 能力的 氐成本、低功耗物理层传赣方豢。 研究基于髂道质量的自适应功率擦制、自适应调制编码的传输自适 应技术与蔗略。物理层的无线传输技术殿满足如下要求：能提供大的节点 容量：灵活有效的自组织策略：低功耗：抗干扰能力强，共存性好：精确定 位的能力：低成本。 ( 3 ) 研究充分适应无线传感器网络彝组织特性及节能特性的简单有 效浆淞c 协议。 无线传感器网络融e 层协议登须谣对不可靠的通信介质，疲研究减 1 0 j t 索爨懑大学碾士论文 少带煮糍源消翘麴体眠机制、进行多维撂1 孽森麴凇e 层设计：研究“体眠” 时间和工作时间的“最优”分配，以及“唤醒”开销和熊耗的平衡：研究 簇内翻簇闯通髂方式，以及它们的环境秘适戍调整策略。 唾) 磷究遥会廷线筵惑豢鬻终特经瓣黪鹃藏络屡鳃决方囊。 蠡缀织莪多滕聚类方法帮据羚魏鑫动缝势方法，後鼹出方案够逶 藏瓣络麓摸的扩大霹瓣终拓扑的不既变化，邸基予囊邋成分层豹聚合挺 邋信拓扑结构。研窥基于任务不嗣层弱上聚合的要求，设计自适应分层 黪遥嵇赫蛰缝褥：磷突奉逾耽、嚣开镄、旗态囊逶痰、篡蠢受载臻鬻及攘 爨控期熊力、以数据梵传，0 戆路鼓海议。磷究慕予戆爨漕耗最少与戆 爨均衡消耗，基于节点撼置信息的多级聚灏方式屡次路由冀法。研究基 于领域任务特点的动态分簇算法。研究与路f ；妇协议相若的其它技术，包 播传感器节点的拓扑发现、潮络的自瀵艨孝蜃扑形成等。 ( 5 ) 研究嚣线蒋感器疆络接入i n t e r n e t 辩遴髑的低鞠糕氆遥应黄输 鼷秘议。 传统数爨随终中的t e p u 卯协议不逶合无线转惑器隧绻，如聚考虑 觅线佟感器网络无缝接入i n t e r n e t 或者剐能外部梭。0 数据潮络就需要 搜羽传输瑟的技术。 第三章无线网络技术 3 1 光线网络概述【5 1 锌随着霄线嬲络熬广泛旋薅，辨嵌撬懑效、缀溺灵溜为傥势鹃无线 藤终鼓拳逡褒飞速发袋。攀蓑晁耪主娶嚣线技术，毯撼嚣线广域露 ( w 酬) 、露绫髑域弼( w k x n ) 、蠢线个人医域鼹 。 i 融m ，h 8p h y h b 丑d e f m c 冉哪酬d m a 洲i 洲p 口埔 8 h 均m 8 l 辨撑s e d c e o 嫩t * m 栌s 0 嗨 瑟4 5 激e 曩数蠢惫饕遽枣霆格式 1 ) 傣豁帔 熔标蜮的负载数据单元由腰部分鳃成：怒帧撼述学段、g t s 分配字段、 待转敏数攒目标地址字段和信标帧负载数据。 ( 1 ) 铸椽蜮中超帧描述字段规定了这个趣帧的持续时间，活跃部分持 续时间以及宽争访问时段持续时间等信息。 ( 2 ) g 髑分配字段交无竞争时段划分为势予个g t s ，并把每个g t s 具 体分酝缭了蔡个设备。 ( 3 ) 转笈数囊鋈挺建垃捌毒了与蛰调者豫夺戆数爨耱薅疲熬设备遗 犍。个浚套鲡象发溪垂蠢鹣逶蘧窭褒在德转发数镞鏊撂蘧蛙字蔽量， 瓣意曝藩协调器存有璃于它静数据，所跌它藏会两协诱器发出请求传送 数撂的碱a e 命令帧。 北京交通火学硕士论文 ( 4 ) 信标帧负载数据为上层协议提供数据传输接日。例如在使用安全 机制戆跨候，这个受载域将根据被通信设备设定的安全通信协议填入相 应的信患。逯常情况下，这个字段可以忽略。 在信标不使能霹络里，办调器在其佳设备的请求下也会发送信标帧。 此时信标帧的功能是辅助协调器向设备传辕数据，整个帧只有待转发数 据目标地址字段有意义。 3 ) 确认帧 如果设各牧到基的地地为其自身的数据帧或m a c 会令搂，并且牵吏的控 制信息字段的确认请求位被簧1 ，设备需要回应一个确认帧。确认帧的 序列号应该与被确认帧的序列号相同，并且负载长度应该为零。确认帧 紧接着被确认帧发送，不需要使用c s m a c a 机制竞争信道。 4 ) m a c 层控制帧 m a c 控制帧用于组建i e e e8 0 2 1 5 4 网络，传输同步数据等。曩前定 义好的命令帧有力种类型，主要完成三方面的功能：把设备关联到i e e e 8 0 2 1 5 4 网络，与协调器交换数据，分配g t s 。命令帧在格式上和其他 类型的帧没有太多的区别，只是帧控制字段的帧类型位有所不同。帧头 的帧控制字段的鞍类型为o l l b ( b 表示二进制数据) 表示这是一个命令 帧。命令顿的具体功能由帧的受载数据表示。受载数据是一个变长结构， 所有命令峻负载的第一个字节是命令类型字节，后匿的数撂针对不阍鲍 命令类型有不同的含义。 数据帧用来传输上层发到m a c 子层的数据，它的负载字段包含了上 层需要传送的数据。数据负载传送至m a c 子层时，被称为m a c 服务数据 单元。它的首尾被分别附加了姗r 头信息和m f r 尾信息盾，就构成了m a c 顿。m a c 帧传送歪物理层后，就成为了物理帧的负载p s d u 。p s d u 在物理 层被“包装”，其首都增加了同步信息s h r 和帧长度字段p h r 字段。同 步信息s h r 包括用于同步的莉导褊和s 固字段，它粕都是固定组。梭长 度字段的p 腿标识了m a c 帧的长度。为一个字节长而虽只有其中鲍低7 位有效位，所以姒c 帧的长度不会超过1 2 7 个字节。 3 0 j e 京交迸大学硕士论文 i i 超级帧结构：( 图4 6 ) 7 “8 啪出5 嘲一i 雾黧：鬈i ：包台7 阿络信患、帧结构啦及节点信息提示等。 裟等簟黼槲嬲燃 图4 6 超帧结构图【7 】 在i e e e8 0 2 1 5 4 中，可以选用以超帧为周期组织网络内设备间的 通信。每个超帧都以网络协调器发出信标帧( b e a c o n ) 为始，在这个信 标帧中包含了超帧将持续的时闽以及对这段时间的分配等信息。网络中 普逯设备接收到超峻开始时的信标帧后，就可以根据其中豹内容安排自 已的任务，例如进入钵眠状态囊到这个趣帧结束。 超额将通信时闰划分为活跃苇珏不活跃藤个部分。在不活跃期间， i e e e 8 0 2 1 5 4 网终中的设备不会撼互通信，从i 恧可以进入体眠状态以 节省能量。超帧有活跃期间划分为三个阶段：信标帧发送时段、竞争访 问时段( c o n t e n t i o na c c e s sp e r i od c a p ) 和非竞争访问时段 ( c o n t e n t i o n f r e ep e r i o d ，c e p ) 。越帧的活跃部分被划分为1 6 个等 长的时槽，每个时槽的长度、竞争访问时段包含的时槽数等参数，都斑 协调器设定，并通过超桢开始时发出的信标帧广播翔整个网络。 农超帧的竞争访问时段，i e 髓8 0 2 1 5 4 网络设备佼霜带时槽的 北京交通大学硬士论文 c s 髓a 吒a 访问机剖，并且任 可通信邦必须在竞争访闻时段结束前宪成。 在非竞争时段，协调器根据上一个超帧p a n 网络中设备申请g t s 的情况， 将非竞争时段划分成若干个g t s 。每个g t s 由若干个时槽组成，时槽数 酲在设备串请g t s 时指定。如聚申请成功，申请设备就凋有了它指定的 时槽数目。每个g t s 中的时槽都指定分配给了时槽申请设备，因而不需 要竞争信道。l e 疆8 g 2 1 5 4 标准要求任鹰逶信都必须在鑫己分配的g t s 内完成。 超羧中规定菲竞争翳于段必须跟在竞争融段魇灏。竞争对段的功熊包括 网络设备可以自由收发数据，域内设备向协调者申请g t s 时段，新设备 加入当前p a n 网络等。非竞争阶段由协调者指定的设备发送或者接收数 据包。如果菜个设备程非竞争时段一直处在接收状态，那么拥有g t s 使 用权的设备就可以在g t s 阶段崴接向该设备发送信息。 数据传输 m a c 层数据传输服务方式如图4 7 所示： 图4 7m a c 数据传输服务方式图f 7 】 w 黝心网络中存在着三萃中数据传输方式；设备发送数据绘协调 器、协调嚣发送数据给设备、对等设备之闯的数据传输。屋型拓扑网络 中只存在前两种数据传输方式，因为数据只在协调器和设备之间交换； 西在点对点攘扑霹络中，三稃数据传输方式都存猩。 阳髓e8 0 2 1 5 4 网络中，有两种通信模式可供选择：信标使能通信和 信檬不傻薤通信。 j 豪交通太攀硕士论文 在倍标使能的网络中，网络协调器定时广播标帧。倍标帧袋示超帧 麴开始。设器之耀邋髂使用纂予时楗静e s m a c a 信遂访问机镬，譬既溉 8 院1 5 。4 溯络审瓣设备镪通过酶调器笈送憋蓓糠赖进行瓣步。在辩横 懋凇( 纨壤崩下，簿港设冬霰鬃发送数据犊或命令梭翳，它蓠先霆嶷 下一个髓稽酶边界，然盾等待随机数薅个对槽。等待完毕器，设备嚣始 检测信道状态：搬巢倍邋忙，设螯需要麓薪等待随极数鼹个对槽，再检 查信道状态，熏簸这个过程点掰程空阕信道滋袋。在这稀撬铺下，确试 帧的发送不需要使用c s m a c a 机制，谣是紧跟瞽接收帧发遴飚源设备。 在傣标不傻麓懿避俗羯络中，糙e e8 既1 5 。碡阏络漭调器不发送信糠 犊，各个设备搜燃嚣分潜槽簿c s m a _ e a = 瓤铡访瓣信遂。渡飘锻妁邋馁 过程如下：每畿设备鬻瑟发送数攒或者发送m a c 命令辩，它曾先等镟 一段随机长的时悯，然后开始检测信邋状态：如果信遂蹙闲，该设备立 舔开始笈送鼗撵；獬菜倍遭整，设备鬣器重复主礞熬等德一段薅穰薅润 和检测信遵状态鹃过程，直到能够发送数据。程设备接收到数据帧或命 令梭两需癸西皮确认梭的时候，确认袄应紧舔藩接收筷发送，箍不馒矮 e s m a c a 机制巍争信道。 第五章交通数据采集传感器网络系统 实现方案 s 1 系统设计 s 重1 系统慧体实瑷方案 本竣诗中采弱娶熬燕羚嬲络臻搦，搀遗蠛场交邋数撂累夔盼小型铸感器 托京交通大学硕士论文 网络以宪成交遥数攥滚嶷功麓鲍实现，拓扑图如下( 匿5 1 ) ； 瓣终携谖 瓣 主从式结构 5 f d 广、r f d 通信流 围5 l 系统网络掇挣结构銎 系统总体设计如潮5 2 所示：一个十字路口，每一个入岛娥都埋设 有精密无、源压感攀辆佟惑器，红绿烀主方有照糖疆霹鞋瓤撩，夔个传惑 嚣霹络戆功能受：巍绿灯亮静蘸壤硷灏交逶滚鼗据，当窍怒速车辆逶遗 露，熬发菰糖违章事麓照片；当魏嚣亮豹簿簇，螽莱车辅传藤器缝溅裂 有汽车通过，触发考| ( 獭逑章车辆照片，来捕捉是否富阉筑灯酌情况发生。 图5 2 燕统总体设计演示图 托京交避大学颧士论文 系统总体框图如图5 3 图5 3 系统框图 s 1 2 数据采集模块设计 本设诗传感设冬采用的是环形线圈车辆检测器与照相机相结会。下 面主要对环形线圈车辆捡测器进行详细描述。 1 环形线圈车辆检测器的选定【1 0 】 车辆检测器的种类很多，各有其优、缺点。本系统之所以在众多检 测器中选择环形线圈检测器，不仅是因为这种车辆检测器在国际上使用 簸早、应用最广泛、技术也e i 趋成熬，更是因为它翼有其链检测嚣产品 不可替代的遍位以及无可比拟的优点。习藏世界上一些著名的交通控制 系统如澳大利亚的s c 艋a 控剑系统和英国的s c o o t 控制系绞等都采用 了环形线圈检测器。近年来，环形线圈式车辆检测器在我国的交通控制 领域中也得到了广泛的应用，如在南京市建立的交通指挥控制系统、北 京市s c 0 0 t 的系统，以及已建立的高速公路监控系统如沪嘉、沈大、 翠松、广佛等高速公路上均采用了环形线圈车辆裣测嚣佟为车辆交通信 息采集设备。虽然环形线圈裣渊器在其诞生的初期，在应用上会鸯可靠 性差豹缺点。但随着工艺的提精和技术本平的进步，这种缺点已经成为 历史。针对这一闻题美国的一个公司研究出了一釉免维修的环形线圈系 统( n e v e rf a i ll d o ps y s t e m s ) ，这种检侧器借助于聚丙烯护套和对线圈内 l t 京交遵大举磺士论文 部实行橡胶一沥青充惩筵理，巍鼹了虢穗环影线孺掰存在豹安装要求麓、 线圈易损蛛铸大多数问题。箕线阐寿命保证1 0 年，这是感应线圈苇辆檄 测器质量上的飞跃。【l o l 另外，投们知道，环形线髑率辆捻测器的竣健一睫 能特性只携通j 遣设计精度及可纛性获褥，随着计冀机技术豹发展，双振 荡器方案懿嶷缝、镇粳环技零熬瘫爆秘囊适应算法魏采籍殴及快遮、精 臻戆餐鼹黧处理苍片羲善爱，鄂澎线饔稔测器静魅麓氇有了投太魏提鬻， 充分体现出了其检测功能全颟，检测精度高，监测数据准确、可纛，灵 敏度商，鼹强蟪气候影响小的优点。本系统检测器藏是基于微处理器、 双振荡嚣以驶锁相环技术设计的。 2 环澎线圈检测器豹基本工接原理【l l 】 繇澎线辫检测器襞交基零瓣王 睾搬壤是：裁强滚磁感应器瑾，辩装游 器的颓率计数可以测蚕瓢车辆通过的基本信息，柱本底频率确定后，过 滤捧实际粟榉频率与冀差值程设定测量精度范爨内的傣号，通逑数学优 化得到车辆信息。埋设在路黼下的由专用绝缘电线组成的环形线湖 ( 王d ) ，暹遗一个变压器接调谐隧路，环形线圈构成l c 调谐回路豹魄感 零分，著臻线溺露圈憨窆凌产室瞧磁场。懿圈5 一碡溪示。鲡蚕5 4 艨 示，警车辆邋蘧l d 上方对，一方匿，搬摇电磁感应原理帮楞次定爨。 车体上豹铁惫属底板产生自成闭合回路的感应电满流，此涡流又产生与 原有磁场相反的新磁场，导致线圈总电感量( 等效电感) 变小，另一方颇， 车辍作为譬体通过珏形线圈时，能够增加线圈周嘲密阕的警磁率，馊颓： 影线圈熬魄感整具有壤热豹憝势。这群，在车赣逶建琴澎线圈对。霹繇 形线溪邀感蘩戆影确楚其青蹭大终蘑，遥是其有减小俸雳臻? 盘予集胶效 应，涡流谯众属体内豹贯穿深度与激励线圈的工伟频率有关，理论和燕 验表明，淌环彤线圈的频率程2 0 k f 1 8 0 k h z 瓶围内时，涡流的去磁 作用蠢主释媳位，环形线圈豹魄感量朝鼹减小，即肇辆通过王d 时，魄 感量减小，车辘离开王d 时，魄感量又恢复到没窝车辍遴遘时的数德。 遣载是说，警耀形线蘸中鑫譬籁零在2 敝 乜 ； l o + 每掇裁徽戆疆嚣鹣接霜嚣藿容荔( 憨线s p i 接麓) ； 1 1 。开发王鼹齐全，掇供有开发套佟黎演示套 孛； 1 2 采用她卜4 8 封装，外形尺寸只肖7 7 m m 。 为了介绍传输模块的工作和开发过獠，我们将对其二i 二作流程做简单的 介绍；天线接收的射频信号经过低噪声放大器和i ，0 下变频处理后，中 频偿蛩只肖2 聪，诧混合信号经过滤波、放大、a 转变换、自动增 爨控铡、数字黪调秘解扩，最终浚复凄传埝戆正确数撰。簸瓣壤帮分基予 鼗接上变额。鬟发送鹃鼗攥先被送入1 2 8 字节鞠发送缓移嚣孛，关竣霸起 始峻楚通过硬件巍动产生的。根据毯掇粥0 2 1 s 4 标准，翳簧发送的数据滚 驹镪4 个比特被3 3 2 码片的扩频序列扩频靥送劐d 渡变换器。然后，经 过羝邋滤波秘上交叛魏澹频螽麓射频傧号激终疆调裁剩2 4 g 差z ，著经放 大鬟送爨天线菠爨搴窭去。菝照毯e 基8 0 2 ， 5 4 麓菠旋愆麴羚s s s 诿裁， c c 2 4 2 0 的调制扩频功麓如下鹜( 5 7 ) 掰示 发射数据流 ( l s b 优先) f 瓣舞蠹蓼羁愿f 鞫戮l 露砸麓嗣 帅 、藏 蘩簪i r 气j 藏礴静毫一锎黼 | i + 蘑5 8 1 0 2 4 赞诿袭| 扩频劝熊幂_ | 鼓蹬 已调制信号 北京交通大学硕士论文 5 2 。2 硬件电路设计 5 。2 ，2 。 秀发环壤奔绥 本设诗傻鲻静怒p r o t e l 9 9 s e 制作印尉电路扳。羚o t e l 瓣s e 是p r o t e l 公司2 0 0 0 年推出的旗于w i n d o w s 平台的第六代产品，集强大的设计能力， 复杂工艺的可产生饿，设计过程管理于一体，可完整实现漱予产品从电 学概念设计到生成物理生产数据的全过程，以及这中间的所有分析，仿 真和验证。既满足了产品的可靠性，又缩短了设计周期，降低了设计成 本。本设计主要用p r o t e l 9 9 s e 设计电路原理图，根据电路原理图生成 p c b 板，p c b 的设计参数控制和自动布线器功能为p c b 制作掇傲了极大的 方便。 5 。2 。2 。2 电路溅遴潮绘麓 p r o t e l 9 9 s e 魑专般电路设计软件，所提供的零件艨包含了相当全面 的元器件符号图，p r o t e l d o s s c h e m a t i cl i b r a r i e s 零件库中含有二极管， 三极管，电阻，电容，电感等常用元件，单片机，a d 转换器等特殊芯 片可以再特定公司的零件库中找到，对于p r o t e l 零件库中没谢的元件， 本设计采用自己设计元件的办法，自己设计的元件库作为电路设计数据 库中的一部分。 设计原理图时，我们采靥模块他，由顶向下的设计方法，绩合实际 元器件的功能，可缓容易盼把结梅原理图转换为电路魇壤瞬。 5 。2 - 2 。3 霉捌耄爨叛键体1 1 6 】 制作印刷电路板的主要工作时合理摆放元器件和进行元器件间的布 线。元器件的布髑骚考虑到它们之间的影响，也要为方便布线做准备。 印刷电路板是电子干扰的重要传播途径，应采用合理布局和布线来抑制 北索交邋犬举硕士论文 电磁干扰的传播( 即e m c 环境的p c b 设计原则) 。设计时注意了以下几 点： 1 3 搬榻飘脊关的元件尽量敖的靠近一些，如举片桃鞠r 脒，r 嘲等； 1 4 尽餐农荧德元件，如r 嘲，r 艏等苍片旁逾嵌凝去藕奄客； i 5 热麓率魄较大戆元律分教毒嚣； 1 6 。强予挽潦逸离易受于撬熬器替； 1 7 ，譬线宽发不突变，不突然拐弯； 1 8 溉滁线逡离数据线，地址线： i 9 输入线与输出线相互垂逝； 2 0 数字信号线和模拟信号线不交替排列，棚鼹避媳，以消除相互 间耦台干扰； 2 1 + 地线与电源线遗当加宽，消除其电阻祸合； 2 2 + 蕊冀闽藩号传递线尽可能短，双减少分布参数对传递转注静影响。 5