（控制科学与工程专业论文）基于无线传感器网络的交通信息系统研究.pdf

摘要 随着经济的高速发展，城市汽车保有量急剧增加，城市道路建设远落后于 经济的发展，城市道路变得越来越拥挤，引入城市智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r ts y s t e m ，简称i t s ) 能有效的缓解城市拥堵问题。随着无线传感器网络 ( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，简称w s n ) 的出现，i t s 进入了一个全新的时代， 但是一系列关键技术需要解决，如果能对监测区域内的车辆进行准确的定位与 跟踪，用w s n 组建的i t s 将成为现实。针对以上问题，本文开展了无线传感器 协同的智能交通系统的设计和车辆的定位算法研究。主要研究内容如下： 首先阐述了目前主要的无线传感器网络协同的车车系统和车一路系统，比较 了该系统的优劣，提出了集成车一车和车路系统的智能交通系统构架，简单介绍 了本课题采用的z i g b e e 无线通信协议，并对硬件结构和通信管理流程做了详细 的说明。 在系统总体方案的基础上，采用了带z i g b e e 协议栈的c c 2 4 3 0 为核心的系 统硬件平台设计，具体设计了天线部分、显示模块、串行接口电路、c a n 通信 电路等，并详细分析了各电路的设计原理及参数选择依据，最后对高频电路硬 件设计需要注意防干扰措施进行了阐述。 针对移动车辆定位问题，对目前的无线传感器网络的定位技术做了全面的 分析，比较了目前国内外无线传感器网络移动节点定位算法的优缺点，并基于 蒙特卡罗盒子定位算法创新性的提出了接收强度辅助的遗传蒙特卡罗盒子定位 算法总体方案，通过对接收强度的实际测量赋予样本权重以达到采样样本向真 实值收敛的目的，并对该算法进行了仿真实验。仿真结果表明：该算法具有较 高的定位精度和收敛速度，符合本课题系统的要求。 整个系统电路简洁、清晰，可靠性高，定位算法较好地实现了对移动目标 的定位。 关键词：无线传感器网络，智能交通系统，接收强度，遗传算法，移动节点定 位算法。 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe c o n o m y , t h en u m b e ro fc i t yp r i v a t ec a r sh a s g r e a t l yi n c r e a s e d c a u s i n gr o a d sm o r ea n dm o r ec r o w d e d t oe 伍c i e n t l ys o l v et h i s p r o b l e m w eb r i n gi ni n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m a l t h o u g hi t sh a sg r o w ni n t oa b r a n d n e we p o c hw i t ht h ee m e r g e n c eo fw i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ( w s n ) ，t h e r ei s s t i l las e r i e so fc o r et e c h n o l o g i cp r o b l e m st ob ec o n q u e r e d f o re x a m p l e ，i ft h e v e h i c l e si nm o n i t o t i n ga r e a sc a nb et r a c e da n dl o c a t e dp r e c i s e l y , i ti sa c h i e v a b l et o b u i l di t sb a s e do nw s n a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e m sa b o v e ，t h i sp a p e rf o c u s e so nt h e d e s i g no fw i r e l e s ss e n s o rs y n e r g yi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e ma n da l g o r i t h mo f v e h i c l ep o s i t i o n i n g t h em a i ns t u d yc o n t e n ti sa sf o l l o w s ：f i r s t l y , w eg i v ea no v e r v i e wo fc u r r e n t w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k sc o o r d i n a t e dv e h i c l e v e h i c l es y s t e ma n dv e h i c l e - - r o a d s y s t e m c o m p a r et h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h i ss y s t e m ，t h e nf o r w a r dt h e f r a m eo fi n t e g r a t e dv e h i c l e v e h i c l ea n dv e h i c l e r o a di t s a n db r i e f l yi n t r o d u c eo u r a d o p t e dz i g b e ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i n gp r o t o c o la n dh a r d w a r es t r u c t u r ea n d c o m m u n i c a t i o nm a n a g e m e n tp r o c e s s e s i nt h es e c o n dp a r t ，w em a i n l yi n t r o d u c et h e h a r d w a r ed e s i g n c c 2 4 30w i mz i 2 b e ep r o t o c o li su s e da st h ec o r eh a r d w a r ep l a t f 0 11 1 1 a n t e n n a , d i s p l a ym o d u l e ，t h es e r i a li n t e r f a c ec i r c u i ta n dc a nc o m m u n i c a t i n gc i r c u i t a r ea l ls p e c i a l l yd e s i g n e d a n di nt h i s p a r t ，w ea l s oa n a l y z et h ed e s i g np r i n c i p l ea n d p r e f e r e n c eo fe a c hc i r c u i ti nd e t a i la n dt e s tt h en e t w o r k i n g i nt h el a s tp a r t w ef o c u s o nt h el o c a t i o no fm o v i n gv e h i c l e s a f t e ra n a l y z i n gt h ec u r r e n tp o s i t i o n i n g t e c h n o l o g yo fw i r e l e s s s e n s o rn e t w o r k sa n dc o m p a r i n gt h ea d v a n t a g e sa n d d i s a d v a n t a g e so fd o m e s t i ca n df o r e i g nm o b i l ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r kn o d e l o c a l i z a t i o na l g o r i t h m w ep r o p o s ear e c e i v i n gi n t e n s i t y - a s s i s t e da l g o r i t h mm o n t e c a r l ob o xl o c a l i z a t i o na l g o r i t h m i nt h i sp l a n t h es a m p l e sc a nb ec o n v e r g e n tt or e a l v a l u e sb ya d d i n gw e i g h t st oa c t u a lm e a s u r e m e n to fr e c e i v i n gi n t e n s i t y t h e s i m u l a t i o nr e s u l ts h o w s ：t h i sa l g o r i t h mw i ml l i g l ll o c a t i n gp r e c i s i o nr i g h t l ym e e t so u r r e q u e s t h la l l t h ew h o l ec i r c u i t ，c o n c i s e ，d i s t i n c ta n dh i g h l yr e l i a b l e ，c a l lp r e c i s e l y a c h i e v el o c a t i o n so fm o v i n gt a r g e t s k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k , i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t i o ns y s t e m ，r e c e i v e s t r e n g t h ，g e n e t i ca l g o r i t h m ，m o b i l en o d el o c a l i z a t i o na l g o r i t h m i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 o l 移s 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即学校有权 保留、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：j 芝l 导师签名：阜塾耸日 l l 期：塞! ! ! ：兰：兰! 武汉理- 下大学硕士学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 近年来，随着经济的高速增长和汽车保有量的激增，交通拥挤、交通事故 频发等造成了越来越巨大的时间浪费、财产损失和环境污染，交通问题已成为 包括我国在内的世界各国政府共同面临的重要难题之一。 资料显示，我国大多数城市的平均行车速度已降至2 0 k m h 以下，有些路段 甚至只有7 - - 一8 k m h ；同时，由于车辆速度过慢、尾气排放增加，使得城市的空 气质量进一步恶化。为了缓解经济发展给交通运输带来的压力，使现有资源发 挥出最大的作用，我国政府加大了对智能交通系统的研究和建设力度。智能交 通是将信息、通信、控制、计算机网络等高新技术有效地综合运用于地面交通 管理体系，从而建立起一种大范围、全方位发挥作用、实时、准确、高效的交 通运输管理系统。它是目前世界交通运输领域研究的前沿课题，也是目前国际 公认的解决城市交通拥挤、改善行车安全、提高运行效率、减少空气污染等的 最佳途径之一。 随着无线通信技术、传感器技术的快速发展与融合，使得低成本、低功耗、 大规模的无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k ，简称w s n ) 的产生与发展 成为可能。无线传感器网络是由大量无处不在的、具有通信与计算能力的微小 传感器节点，以多跳无线通信方式构成的自组织网络系统，它能智能地感知与 采集周围环境的信息，并能根据环境需求自主完成指定任务。无线传感器网络 带来了一种全新的信息获取与信息处理模式，将深刻影响着信息技术的未来发 展。 由于芯片技术的发展，w s n 的组网成本更加低廉，大规模部署从经济角度 已经不是问题。相比传统的智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，简 称i t s ) ，w s n 组成的系统具有组网方便、部署快速的特点，而且，具有多向通 讯的能力( 车辆之间、车辆与i t s 之间) 。更重要的是，在智能交通系统之外可 以提供更多的交换式服务，如定位导航、城市空气环境监控等多项服务。而且 由w s n 组成的智能交通系统在车辆信息提取方面具有得天独厚的优势，无线传 感器技术与智能交通系统的融合将为解决城市交通拥挤问题提供一个新途径。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 课题研究背景 1 2 1 智能交通系统的发展历程 从世界i t s 的发展情况来看，i t s 的研究与应用大致经过了3 个阶段：起步 阶段、关键技术研发和试点推广阶段、产业形成和大规模应用阶段【l 】。 起步阶段是指上世纪六七十年代，美国、日本、德国在高速公路诱导系统 上的尝试，由于实用化技术难以实现，以及通信基础设施费用过于庞大等原因 都未能实现实用化。 关键技术研发和试点推广阶段是指上世纪8 0 年代由于信息技术革命的带来 的技术进步和理念的创新，i t s 的概念正式提出。各国在此期间通过立法或其他 方式，逐步的明确了发展i t s 的战略规划、发展目标、具体推进模式。从而形 成了以政府为导向，企业为主要研发机构的研发模式。 产业形成和大规模应用阶段，发达国家在推动i t s 研发和试点应用的同时， 从拓展产业经济角度，不断促进i t s 产业形成，注重国际层面竞争，大规模应 用研发成果。 虽然我国智能交通系统起步较晚，但是今年来发展迅猛，在技术上并不落 后于欧、美、日等技术强国，但在产业化方面落后于这些国家。 1 2 2 智能交通系统的组成 目前的智能交通系统主要包括以下几方面【l 】： 1 ) 先进的交通信息服务系统( a t i s ) ：它是建立在完善的信息网络基础之 上的，通过装备在道路上、机动车上、换乘站上、停车场上以及气象中心的传 感器和传输设备，向交通信息中心提供全面的交通信息。a t i s 对各类信息加以 处理后，向社会提供实时的道路交通信息、公共交通信息、换乘信息、交通气 象信息、停车场信息以及与出行相关的其他信息，出行者可根据这些信息确定 自己的出行方式和选择路线。目前该系统已有可能建立在因特网上，并采用多 媒体技术，使a t i s 的服务功能大大加强，汽车可由此成为移动的“信息中心 和“办公室 。 2 ) 先进的交通管理系统( a t m s ) ：a t m s 系统有一部分与a t i s 共用信息 采集、处理和传输系统，但是a t m s 主要是给交通管理者使用的，对道路系统中 2 武汉理j ：大学硕+ 学位论文 的交通状况、交通事故、气象状况和交通环境进行实时监视，根据收集到的信 息，对交通进行控制，如控制信号灯、发布诱导信息、进行道路管制、对事故 进行处理与救援等。 3 ) 先进的公共交通系统( a p t s ) ：a p t s 系统的主要功能是改善公共交通 工具( 包括公共汽车、地铁、轻轨列车、城郊铁路和城市问的长途汽车等) 的 运行效率，使公共交通运输更便捷、更经济、运量更大。 4 ) 先进的车辆控制系统( a v c s ) ：a v c s 还处于研究试验阶段，从当前 的发展看，可以分为两个层次：一是车辆辅助安全驾驶系统，系统由车载传感 器( 微波雷达、激光雷达、摄像机、其他形式的传感器等) 、车载计算机和控 制执行机构等组成，行使中的车辆通过车载传感器测定出与前车、周围车辆以 及与道路设施的距离，系统会及时向驾驶员发出警报，在紧急情况下强制制动 车辆。二是自动驾驶系统，装备了这种系统的汽车也称为智能汽车，它在行使 中可以自动导向，自动检测和回避障碍物。在智能公路上，能够在较高的速度 下自动保持与前车的距离。 5 ) 货运管理系统：该系统是以高速道路网和信息管理系统为基础，利用物 流理论进行管理的智能化的物流管理系统。它综合利用卫星定位、地理信息系 统、物流信息及网络技术有效组织货物运输，提高货运效率。 6 ) 电子收费系统( e t c ) ：使用者可以预交一笔通行费，领到一张电子通 行卡，将其安装在汽车的指定位置，这样当汽车通过收费站时可实现不停车收 费。这种电子收费系统可以使道路的通行能力提高3 - - - 5 倍。 7 ) 紧急救援系统( e m s ) ：该系统是一个特殊的系统，它的基础是a t i s 、 a t m s 和有关的救援机构和设施，通过a t i s 和a t m s 将交通监控中心与专业救援 机构联成有机的整体，提供车辆故障现场紧急处置、拖车、现场救护、排除事 故车辆等服务。 本课题主要针对先进的交通信息服务系统( a t i s ) 展开研究。 1 2 3 无线传感器网络的系统架构 无线传感器网络的系统架构【5 】如图1 - 1 所示，一般包括传感器节点( s e n s o r n o d e ) 、汇聚节点( s i n k ) 和管理节点( m a n a g e rn o d e ) 。 3 武汉理t 大学硕士学位论文 图1 1 无线传感器网络的系统架构图 在图1 1 中，大量传感器节点被随机的部署在整个监测区域内，通过自组织 的方式构成网络。传感器节点对所监测的信息经过初步处理后，以多跳的方式 将其传送给汇聚节点，后经网关到达管理节点。而且终端用户也可以通过管理 节点对整个网络进行管理和配置，如：发布监测任务、收集回传数据等。 传感器节点通常是一个嵌入式系统，一般情况下由于体积、价格和电源供 给等因素的限制，它的处理能力、存储能力相对较弱，通信距离也有限。但本 系统的应用中，电源与体积没有限制，所以传感器节点的通信范围相对较大， 而且具有很强的数据处理能力。从网络功能上看，每个传感器节点都具有信息 采集和路由的双重功能，除了进行本地信息收集和数据处理外，还要存储、管 理和融合其他节点转发过来的数据，同时与其他节点协作完成特定任务。 汇聚节点通常具有较强的数据处理能力、存储能力和通信能力，它既具备 传感器节点的各种功能而且还能提供其他网络的网关接口。汇聚节点连接传感 器网络与外部网络，通过协议转换实现管理节点与传感器网络之间的通信，把 收集到的数据信息发布到外部网络上，同时发布管理节点提交的任务。 1 2 4 传感器节点的结构 传感器节点有传感单元、处理单元、无线收发单元和电源单元等几部分组成， 如图1 - 2 所示。 4 武汉理j r 大学硕士学位论文 图1 2 传感器节点结构图 传感器单元用于感知、获取监测区域内的信息；处理器单元负责控制和协调 节点各部分的工作；无线收发单元负责与其他传感器节点进行通信；电源单元 为传感器节点提供正常工作所需能源。 1 3 课题研究目的与意义 智能交通系统是指在较为完善的交通基础设施上，将先进的信息技术、数 据通讯传输技术、电子传感技术及计算机处理技术等有效的集成运用于整个地 面交通管理系统而建立的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、 高效的综合交通运输管理系统参考【4 】。i t s 实质上是利用高新技术对传统的交通 系统进行改造，形成一种信息化，智能化和社会化的新型交通系统，从而使交 通设施得以充分的利用实现交通运输的集约式发展。 未来的交通系统都将变得智能化：只需要驾驶者输入目的地，车辆就能智 能的在道路上自由行使；公路靠自己采集到的车辆数据智能的控制红绿灯，使 车流量达到最大；管理者在中控室就能对车辆信息了如指掌。i t s 体现了“驾驶 员一车一路一管理者的密切结合，从而极大的提高了交通的安全性，系统的 工作效率、环境质量以及能源利用率【2 】【3 1 。 目前的i t s 主要以视频监控为主，通过有线或无线将实时画面传到监控中 心，通过中控中心对交通灯进行控制，对违章车辆进行拍照。 课题中由无线传感器网络组成的i t s 不仅可以完成上述功能，而且能实现 监控系统与车辆通信、车辆间通信。监控系统可以完整的提取违章车辆的各种 数据：车牌、违章时间、违章速度等；相比传统的i t s ，该系统最大的特点是驾 驶者可以通过车载的节点了解附近交通情况和自身位置；系统还能通过车载的 5 武汉理工人学硕士学位论文 各种传感器对环境进行监测。从部署的角度来说，无线传感器组成的i t s 还有 部署方便，组网快，升级方便的特点。这种新型系统将有效地使用传感器网络 进行交通管理，不仅可以使汽车按照一定的速度行驶，前后车辆自动保持一定 距离，而且还可以提供有关道路堵塞的最新消息，推荐最佳行车路线以及提醒 驾驶员避免交通事故等。 虽然无线传感器网络在组建智能交通系统中有着明显的优势，但目前还有 许多关键问题没有解决，如：路由协议、数据安全、数据融合、决策机制和最 关键的节点定位、跟踪技术。如果这些技术得到很好的解决，无线传感器网络 协同的智能交通系统的建成将指日可待。 课题针对最基本的车辆定位与跟踪展开了研究，并搭建了用于实验的实验 平台，为今后整个系统的研究提供了关键技术支撑。 1 4 国内外研究现状 日本、美国和欧洲在研究和应用智能交通系统上起步较早，并取得了良好 的成效。日本的i t s 市场在2 0 0 7 年超过了2 万亿日元( 约合1 3 2 8 亿元人民币) 。 日本i t s 的发展模式可以概括为：自下而上，单点功能突破，再进行系统整合。 美国i t s 的研究通过i t s a m e r i c a 支持的项目提出全国统一的体系框架。欧洲i t s 的发展模式是先统一标准，再进行系统整合。由于欧盟作为一个多国家的组织 所具有的特殊性，它的i t s 发展重点落在标准的制定，促进标准化和一体化发 展上。通过分析日本、美国和欧洲下一阶段i t s 发展计划，发现他们有以下共 同的发展方向：交通信息采集、处理和发布技术将快速发展：智能交通公用信 息平台为出行服务，交通安全和社会公共安全成为关注的焦点；车载系统与道 路设施的协调配合，以及基于信息共享平台和互操作技术的铁路综合信息集成 受到重视1 6 1 。 国内智能交通发展起步较晚，除部分较大的城市外其他城市还处于人工或 孤立路口控制的管理方式。根据我国经济、交通运输特点以及智能交通的发展 战略部署，我国将采用分层次、有重点地对智能交通的核心内容进行研究。目 前，北京市的智能交通发展主要围绕2 0 0 8 年奥运会开展的，在坚持对智能交通 基础以及关键技术研究的基础上，以交通管理系统、公共交通系统以及公众角 度出发的交通综合服务系统的建设为主。广州市智能交通的发展以公用信息平 6 武汉理工大学硕士学位论文 台为核心，展开公交智能调度系统的建设，并完善公共交通管理系统和城市交 通监控系统，着手建设物流基地和综合运输枢纽，并开展一系列智能交通相关 项目的建设以及智能交通相关课题的研究，并在此基础上初步建立广州市智能 交通的基础框梨酬。 无线传感器网络在智能交通系统应用方面，美国交通部1 9 9 5 年提出了“国 家智能交通系统项目规划 【j 7 1 ，预计到2 0 2 5 年全面投入使用。该计划试图有效 集成先进的信息技术、数据通信技术、传感器技术、控制技术及计算机处理技 术与用于整个地面交通管理，建立一个大范围全方位的实时高效的综合交通运 输管理系统。这种新型系统将有效地使用传感器网络进行交通管理，不仅可以 使汽车按照一定的速度行驶，前后车辆自动保持一定距离，而且还可以提供有 关道路堵塞的最新消息，推荐最佳行车路线以及提醒驾驶员避免交通事故等。 但是目前为止，无线传感器网络在智能交通系统中的应用在国内外才刚刚开始， 美国麻省理工学院媒体实验室、英国伦敦大学b e r b e c k 学院、比利时布鲁塞 尔自由大学的c o m o 实验室都在政府或民间的基金支持下开展w s n 的专项研 究。 美国亚特兰大的一项试验是沿道路安装5 0 0 个装备了传感器、计算机和g p s 单元的“交通间谍”【刀。其他类似项目工程包括先进的高速公路巡航助理系统【8 】 ( a h s ) 、车辆信息和通信系统 9 1 ( v i c s ) 、f l e e t n e t 4 4 1 和a u t o n c t l 4 5 】等，a h s 有助 于减少交通事故，提高加速安全性，提高运输效率和减少驾驶员的操作接入。 v i c s 允许司机实时获得路况和交通信息。f l e e t n e t 尝试开发无线多跳自组织网 络，使车辆间相互通信，提供给司机最新交通、天气和公路状况信息。 最近欧盟提出了s a f e s p o t & c v i s 发展计划【1 2 1 ，s a f e s p o t 旨在利用车 车的通信和车路的实时通信开发保障道路安全的协同系统；c v i s 希望开发车辆 与路边网络框架的通信，使得车辆直接与交通管理系统对话，通过无线方式获 得诸如限速、气象预报、接近紧急车辆报警等信息。 1 5 主要研究内容 本文旨在设计一种无线传感器网络协同的智能交通信息系统，并对车辆定 位算法进行研究。主要内容如下： ( 1 ) 在分析目前的无线传感器协同的交通信息系统上，提出无线传感网络协同 7 武汉理工大学硕士学位论文 的交通信息系统总体方案。 ( 2 ) 节点硬件电路设计，以c c 2 4 3 0 为核心，设计电源电路、通信接口、输入 输出匹配电路、显示电路等。 ( 3 ) 研究无线传感器网络的定位技术的基本原理和方法，在阐述了多种定位算 法后给出了适应于不同运动速度物体的定位算法和跟踪技术。并对定位算法进 行仿真、分析。 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章无线网络协同交通信息系统方案 无线网络协同i t s 即利用传感器技术、无线通信技术实现分层次的交通相 关信息采集和系统管理，信息采集包括驾驶员状态监测的无线传感器网络、行 驶车辆与道路设施无线通信系统、短距离的车辆与车辆间的通信系统、气象无 线系统、环境监测无线系统等。车辆之间( v e h i c l et ov e h i c l e ，v 2 v ) 的通信、 车辆与路边交通设施间( v 粕c l et oi n f a s t r u c t u r e ，v 2 i ) 的实时通信，是实现安全、 高效的协同智能交通系统的重要发展趋势，也是国际上最近一个非常热门的研 究方向【_ 。 2 1 系统方案比较 无线传感器网络在智能交通应用方面目前国外有m i c h i g a nt e c h n o l o g i c a l u n i v e r s i t y 的h e m j i ts a w a n t t 9 1 ，t i m o t h yi f 1 0 1 ，k r i s t o f f e rl i d s t r o ma n dt o n y l a r s s o n 1 1 1 等在v 2 v 的研究，主要开发的车辆防碰撞系统。m a h m o u dm e r i b o u t 和 a h m e da 1n a a m a n y t l 2 1 在v 2 i 方面的研究，主要以车辆数据采集为主。 2 1 1 车一车通信系统 v 2 v 的无线通信电子系统能够扩展驾驶员的视野范围，能够有效的提高行 车安全性。v 2 v 组成的无线移动自组织网络，如图2 1 所示，一部汽车向其它 车辆主动咨询所需要的信息，或者当一辆汽车发生紧急状况时主动的向网络中 的其他车辆发送信息，用来提醒可能进入这次事故发生区域的车辆【4 3 1 。其他可 能的安全应用还包括碰撞预警、安全距离警告等，此外还可以提供道路堵塞的 最新消息，推荐最佳行车路线。另外，通过接入汽车c a n 总线或在汽车发动机 等关键部位布置故障监测传感器采集实时数据与装备有汽车故障诊断系统的高 性能计算机进行信息交换，这样可以做到车辆出现故障能及时发现及时处理， 减少上路时的故障发生率。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 1 车车通信系统框图 v 2 v 通信无线网络技术有以下4 个特点： 1 ) 由于车辆问有相对速度，当相对速度较大时，网络拓扑结构易变，以至 于整体网络效能变差； 2 ) 由于道路上的车辆呈非均匀分布，由于受通信范围的影响，网络拓扑有 可能被分为好几块，如图2 - 1 所示，a 、b 区内的车辆就能通信，而a 、 b 区之间的车辆就不能通信。 3 ) v 2 v 组成的网络规模非常庞大，从现在我国城市车辆的保有量来看，一 个大中型城市所需要的节点个数应该在6 0 万以上。 4 ) 该系统的优点是没有能源限制，车载电力系统能为其提供充足的电源， 所以不必考虑节点功耗问题。 从应用上来看，v 2 v 系统存在以下几个不足： 1 ) 只能为车辆提供周围车辆的信息，不能获取中控中心的最新交通实况信 息。 2 ) 车辆信息不能被中控中心获取，对统一调度与管理没有太大的意义。 2 1 2 车路通信系统 当v 2 1 通信由于距离较远无法实现时，车辆可以同过路边的接入设施或基站 连接到服务器，构成庞大的无线和有线互联网络，组成车路无线通信网络。路 边单元是指沿着马路在指定地点或专用地点设立的固定设备。 路边单元的主要功能如下： 1 ) 扩展车辆间组成网络的通信距离。在多跳网络中，一般情况下车载节点 的通信能力有限，在车流量不大时容易形成孤岛网络，随着路边节点的 加入，当车载单元进入路边通信范围时，路边单元可以将两个车载单元 组成的网络联系起来，扩大信息交换范围。路边单元还可以通过无线多 武汉理工大学硕士学位论文 跳技术，实现车辆向前传送数据的链路功能。 2 ) 可以对路面状况、气象信息、环境信息进行定点监控，为车辆提供信息。 3 ) 提供互联网接入车载节点的功能。 结构图可由围2 - 2 所示 f积 接收一量 图2 - 2 车路系统框图 在路边的设藏一般由一些功能模块，包括道路设施的信息获取敏感器件获 取道路的状况，环境敏感器件获取气象信息，装载在车辆上的敏感系统可以获 取车辆的速度等相关信息，同时负责与路边设施进行数据交换，还包括报警部 件、数据处理和融合单元、当地动态地理信息系统等。 车路系统，虽然具有拓扑结构稳定、信息量太、功能强大等优点，但是， 由于车辆间不能通信，车辆不能直接感知周围汽车状况，而是通过路边节点甚 至是中控室转发，导致实时性不强，对事故的避免难以作出及时响应。 2 1 3 协同智能交通信息系统 协同i t s 是利用无线网络技术，将车一车和车一路系统结合，通过协调与交通 相关的要素如车辆、道路、环境、道路设施等的关系，达到和谐智能管理的目 的。两种系统结合，可以弥补各系统的不足，对于车车系统，由于路边节点的 加入，可以保证网络拓扑结构的完整，不至于出现孤岛网络的情况；对于车一路 系统，由于车辆的间的通信加入，增强了汽车对周围车辆的感知，对事故感知 的实时性得到加强。 墨一 武汉理工大学硕士学位论文 为了更好的对车辆进行定位与跟踪，根据仿真结果，部分车载节点需要作 为锚节点，这也是选择车车路系统的重要依据之一。 22 系统架构 本系统利用无线传感器技术将车车和车路系统整合在一起形成一个完整的 体系，并通过中控室对辖区内的车辆和交通设施进行远程监控和管理。在无线 通信协议方面，采用z i g b e e 协议，完全丌源的协议栈代码减少了底层的开发工 作，可以将精力用于应用层的开发。 系统结构图如图2 - 3 所示 移动网络 1 争z ： j i 基蚺黔。 ， 圈_ 接收点 图2 - 3 系统结构图 该系统由分布在路边的固定节点( 以下称接收节点) ，与远程终端连接的汇 聚节点( 以下称基站) 和车载移动节点组成。接收节点间的距离大约在5 0 米左 右，基站的通信半径为1 0 0 0 m ，由市电供电，没有市电的地方可以采用太阳能 或风力供电；车载节点通信距离为5 0 m ，由汽车电源提供电力。固定节点、移 动节点、汇聚节点组成多跳树状拓朴结构，根据z i 曲协议每个汇聚节点都可 ， ，?=l 武汉理工人学硕士学位论文 以容纳6 5 0 0 0 个节点，节点容量( 4 万辆平方千米) 能满足目前城市汽车的保 有量的需求。 2 2 1 系统方案描述 本文设计的基于无线传感器网络的智能交通系统，是为了实现对道路和车 辆的信息化管理。无线传感器网络部署简便、廉价和寿命长的特点，可以为驾 驶员提供路况、气象、交通规则等信息，使行车更加安全便捷，方便交通管理 部门自动记录违章事件，车辆自动跟踪等。 系统硬件设施主要包括车载移动节点、路边固定传感器节点、基站和远程 服务器等。网络服务系统包括路基信息获取星状网络、多跳无线传感器网络、 有线网络三种网络结构。车辆管理管理办法主要有车载移动节点与路边固定节 点交互方法，车载移动节点之间的交互方法，车辆自动跟踪方法等。 车载移动节点采集车辆的参数信息，如：牌照、车速等信息发送至路边固 定节点。路边固定节点采集温度、湿度、气压和雾气等气象参数，通过多跳无 线传感器网络将采集到的信息和车载节点发送过来的信息传送至基站，基站通 过其他有线或无线宽带网络传至中控室。中控室的远程服务器将收集的信息进 行综合处理与分析后再通过网络将信息或控制命令传回给车载节点。 2 2 2 系统硬件节点 固定节点分布在道路两旁，节点系统的无线通信单元采用支持z i g b e e 协议 的无线收发芯片，节点微控芯片采用普通8 0 5 1 或m s p 4 3 0 单片机，节点采用城 市公共设施供电系统供电。固定节点主要分为两部分，一部分是用来与车载节 点交换信息的，通信距离为5 0 米：另一部分是作为基站，与其他固定节点组成 多跳无线传感器网络使用，在城市可以组成网格网络，要求通信距离在l k m 以 上，故在发射端添加功率放大器。作为基站的固定节点上装有测量气象信息的 传感器，能定期的采集周围的气象参数，能为车辆提供气象信息，对行车安全 方便提供帮助。图2 - 4 为固定节点的结构图，该节点包括c p u 、存储单元、电 源管理单元、天线、无线通信单元、有线通信单元、功率放大器，其中后两个 模块为基站节点所特有。 武汉理工大学硕七学位论文 图2 4 固定节点硬件结构图 车载移动节点挂靠在车辆的电子系统总线上，可以和车辆的电子系统共享 数据和相互控制，电源由车载电池提供，通信单元也采用支持z i g b e e 协议的无 线收发芯片，通信距离5 0 米，能够保证经过固定节点车辆过多和车速较快情况 下，车载节点和固定节点间的数据能完全交换，也能保证通信距离之内的车辆 间的数据交换。图2 5 为车载移动节点的结构图。车载移动节点安装在车辆上， 和车辆的电子系统通过通信接口连接在一起，双方可以共享数据并且车载节点 还能对行车电脑进行控制，该节点包括c p u 、存储单元、显示单元、电源管理 单元、天线、无线通信单元、节点与车辆电子系统通信接口和串行接口组成， 车辆电源系统为车载节点供电。 图2 5 车载移动节点硬件结构图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 2 2 3 网络管理方法 图2 5 为系统整体设计方案示意图，当车辆进如固定节点覆盖范围( 接收点) 后，加入其为汇聚节点的星状网络，接收其发送的位置信息和从基站传过来的 气象和路况信息，并向接收点发送车辆信息。沿路边的固定节点与基站组建一 个特定区域内的多跳无线传感器网络，基站负责将整个网络内固定节点汇集， 经过数据融合后通过宽带网络传送给中控室，同时将中控室的指令发送到网内 的固定节点，通过固定节点向车载节点传送，车载节点之间的通信为多跳链式 网络，能够交换位置信息。 系统网络的管理方法流程如图2 8 所示： 爹惫冷 o 鼍? 。 二一， 女 图3 1 3 天线全向辐射模式图 c c 2 3 4 0 的输出功率可以从0 6 d b m 2 75 d b m1 6 级可调，接收灵敏度 9 2 d b m l l 5 l ，根据弗里斯传输方程可以算出该系统的理论覆盖范围。在发送和接 辅功率( d b m 图3 1 4 输出功率与通讯距离的关系 一 攀 武汉理工大学硕+ 学位论文 收天线增益为3 d b i 的时候，输出功率与通讯距离的关系如图3 1 4 所示，最大通 信距离为5 7 1 7 m ，最小通信距离为1 2 9 5 m ，理论上符合本系统的设计要求，实 际的通讯距离要求在测试现场根据测试环境进行微调。 3 6 硬件抗干扰措施 干扰入侵系统的主要渠道有三条，一是以场的形式从空间入侵，二是沿电 源线路从供电系统入侵，三是叠加在信号上从过程通道入侵。干扰对系统的影 响主要表现在：如果干扰叠加在输入信号上，则会使数据采集误差增大；如果 干扰叠加在输出信号上，则会使各输出信号混乱，导致输出失真；如果干扰篡 改内部程序则会导致控制状态失灵，r a m 中数据被修改，使系统无法运行。硬 件抗干扰效率高，若硬件措施得当，可以将绝大多数干扰拒之1 7 # b t j 。 本系统硬件设计的软件为p r o t e l9 9s e ，p c b 板的布局和布线技术也部分地 决定了整个系统的稳定性和可靠性。为增强系统的抗干扰能力，保证系统的稳 定性和可靠性，设计中采取了以下措施： ( 1 ) 系统c p u + 通信部分的电容、电阻等元器件尽量采用小封装贴片原件，缩 短长度，减小分布参数对系统的影响。 ( 2 ) 电路板中各种电源和地线之间均匀放置多个o 1 心的去耦电容，提高电源 抗干扰能力。 ( 3 ) 芯片选用c m o s 型芯片，其寄生电阻和电容更小，功耗更低，但是c m o s 芯片的输入阻抗很高，易受感应，故在使用时，对未使用端要接地或接正电源。 ( 4 ) p c b 板上尽量减少过孔，所有过孔和焊盘全部补泪滴，不但能减小分布电 容还能提高机械性能。 ( 5 ) 电路的布线按信号的流向采用全直线，以减少高频信号对外的发射和相互 间的耦合，而且布线也应尽可能的短，减少分布参数，降低信号损耗。 ( 6 ) 采用硬件滤波技术，利用r c 低通滤波器削弱“毛刺 等高频干扰信号。 ( 7 ) 射频芯片部分用金属屏蔽盒包裹，减小电磁干扰。 3 7 本章小结 无线传感器硬件系统需要低功耗、高性能的c p u 和信号稳定的2 4 g 无线收 3 0 武汉理工人学硕十学位论文 发器，并涉及到多种通信接口电路，因此系统的核心部分选择了t i 公司的 c c 2 4 3 08 0 5 1 内核的z i g b e e2 4 g 无线射频芯片。基于c c 2 4 3 0 设计了硬件总体 方案，对电路各种关键参数的选取给予了详细推导和说明，然后设计了显示单 元、串行接口、c a n 通信模块、功率放大模块、天线并对各模块中采用的主要 芯片做了介绍，最后阐述了硬件抗干扰措施及p c b 布线规则，为整个硬件系统 的稳定性和可靠性奠定了基础。 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章定位算法研究 无线传感器网络是一个动态的网络，在智能交通系统中，随着汽车不断的 运动，不断的有新的节点加入和部分节点退出网络，怎样对网络中的未知位置 节点进行有效的定位，是本课题研究的重点。 目前虽然有不少定位算法，如：g p s f r e e 定位算法、质心定位算法、d v - h o p 定位算法等，可以通过频繁的刷新位置估计信息应用于移动网络，但毕竟这几 种算法不是针对移动节点而提出的，频繁的刷新位置而提高定位精度会消耗大 量的通信和计算开销，极大的影响算法的可用性。 4 1 无线传感器节点定位背景 4 1 1 节点定位概念 所谓的传感器节点定位就是指通过一定的技术、方法和手段获取无线传感 器网络中节点的绝对( 相对于地理经纬度) 或相对位置信息的过程1 5 j 。获得节点 位置最简单的方法是通过全球定位系统( g p s ) 来实现，但在城市中由于高楼的 挡遮、天气因素的影响，g p s 信号有可能收不到，更重要的是由于成本因素不 可能为每个传感器节点提供一个g p s 接收器。在本系统中有部分的路边节点是 固定的，这样就可以给这些节点匹配地图坐标，而且为部分车载传感器节点也 提供了g p s 接收器，这些已知坐标信息的传感器被称为锚节点。除此之外需要 确定的自身位置的节点之外的节点就是未知节点，未知节点通过锚节点提供的 信息和某种算法计算出自身位置。在如图4 1 所示的传感器的网络中，a 表示锚 图4 1 传感器网络中的锚节点与未知节点示意图 武汉理丁大学硕士学位论文 节点，u 表示未知节点，u 节点通过与临近的a 节点或应经获得位置信息的u 节点获取信息，根据一定的定位算法算出自身的位置，怎样提高定位精度、减 少通信和计算开销是节点定位的一个重要目标。 4 1 2 节点定位的目的和意义 在传感器网络中，位置信息对传感器网络的监控活动至关重要，获取信息 的节点位置或确定事件发生的位置是传感器节点监测消息中所包含的重要信 息，对于大多数的应用，不知道位置而感知的数据是没有任何意义的。因此， 确定获取信息节点位置或确定事件发生的位置是传感器网络最基本的功能之 一，对传感器网络应用的有效性起着关键的作用。 在本课题中车辆的位置信息是交通数据中最重要的信息，只有知道车辆的 位置才能对区域