无线传感器网络在智能交通系统中应用

无线传感器网络应用于智能交通系统关键词：无线传感器，智能交通系统一、无线传感器网络促进智能交通的发展智能交通系统(ITS )的应用主要体现在城市交通中微观的交通信息采集、交通控制和引导等方面，通过有效地使用和管理交通信息来提高交通系统的效率。 主要由信息收集输入、战略控制、输出执行、各子系统之间的数据传输和通信等子系统构成。 信息采集子系统通过传感器采集车辆和路面信息，战略控制子系统根据设定的目标(例如通行量最大或平均等待时间最短等)，使用计算方法(例如模糊控制、遗传算法等)计算优化方案，执行控制信号的子系统(一般为交通信号核心)无线传感器网络是一种融合短距离无线通信技术、微电子传感器、嵌入式系统的新技术，已被应用于智能交通系统等需要数据采集和检测的相关领域。 基于IEEE 802.15.4标准的ZigBee技术具有以下良好特性：耗电量低，两节电池可支持一个节点工作624个月； 网络能力强，网络达到最大节点，支持树、星、网等多种网络方式传输距离远，两个节点的室外传输距离可达数百米，增加发射功率后可达数千米可靠性高， 具备多级安全模式低成本，简化开放的ZigBee协议堆栈，在2.4GHZ免许可的ISM频带工作。无线传感器网络具有良好的特性，能够为智能交通系统信息采集提供有效手段，监控交叉路口各个方向的车辆，基于监控结果改进信号控制算法，提高交通效率。 无线传感器网络可以应用于执行子系统中的控制子系统、引导子系统等。 例如，可以应用该技术来改善信号控制器，以实现智能总线系统的总线优先功能。ITS用无线传感器网络构建如图1所示，在无线传感器网络结构中，道路两侧的收敛节点构成自组织的多跳网状基础结构，交通信息收集专用的传感器终端节点按照每个相邻的收敛节点构成星形网络并进行通信，最终的数据收敛到网关节点网关节点可以是模块形式布置在交叉路口的交通信号控制器中，并且进一步通过信号控制器的专用网络将收集到的数据发送到交通中心并处理数据。在无线传感器网络的部署中，收敛节点可以安装在道路柱、铁棒等交通工具中，网关节点可以集成在交叉路口的交通信号控制器中，专用传感器终端节点可以嵌入路面下或安装在道路上，道路上的运动车辆也安装传感器节点以移动到传感器网络中图1用于智能交通信息采集的无线传感器网络结构采用无线传感器网络的交通信息采集在交通信息采集中，终端节点能够使用非接触式地磁传感器定时采集并感测区域内的车辆速度、车距等信息。 当车辆进入传感器的监视范围内时，终端节点通过磁传感器收集车辆行驶速度等重要信息，在下一定时将信息发送给被唤醒的节点。 当下一节点感知到所述车辆时，所述车辆的平均速度可配合两个传感器节点之间行驶时间的估计而被估计。 多个终端节点分别进行收集，通过收集节点将初步处理过的信息收集到网关节点，进行数据融合，得到道路交通量和车辆行驶速度等信息，为道路*通信信号控制提供正确的输入信息。 通过在终端节点设置温湿度、照度、气体检测等各种传感器，也能够检测路面状况、视野、车辆废气污染等。图2用于交通信息采集的无线传感器网络配置二、无线传感器网络在ITS中的应用为了实现智能总线系统中的总线优先功能，需要改造现有的交通信号控制器。 通过增加传感器等辅助设备，交通信号控制器估计公交车辆到达交叉路口的时间(行程时间)，计算公交车辆是否需要在交叉路口优先(选择乘客人数作为优先权)，选择适当的优先控制策略，调整绿信号比，可优先释放公交车辆。 交通信号控制器的改造如下车载无线通信终端节点在交叉路径*通信信号控制器上集成无线网关总线车辆定位中使用的终端节点可以通过构建基于ZigBee的无线传感器网络来实现。在接近交叉路口时，车载ZigBee的无线终端节点进行总线车辆信息广播，在道路上展开的无线传感器网络取得信息后，总线车辆所在的终端节点追踪并取得信息，汇集到无线传感器网络网关节点，通过内部连接将最后的信息传输到交通信号控制器网络节点和网关节点的设计网络节点软件功能设计在ITS无线传感器网络的设计中，网络节点需要根据功能而分开设计。 终端节点、汇聚节点、网关节点的软件功能如图3所示。 终端节点在运动车辆信息收集和道路信息取得等中设置不同的传感器。 可以根据紧凑型功能设备(RFD )标准来实现其功能的实现。 终端节点和汇聚节点通过星型网络构建网络，在一定时间点从睡眠状态中醒来与汇聚节点积极通信。 信息路由传递给协调员和路由器，协调员和路由器在父节点和网络上具有路由功能，从而降低节点功耗和软件复杂性。 收敛节点是终端节点软件功能的扩展，实现了扩展网络和路由消息的功能，使更多重点节点能够访问网络。 可按照全功能设备(FFD，Full Function Device )标准进行设计。图3无线传感器网络节点的软件功能网关节点是网络所需的协调者，其处理所收集的数据并将其传递至交通信号控制器，例如启动网络、设置网络成员地址、维护网络、维护节点绑定关系表等，并且将其转发至高级信息中心三、网络节点的硬件功能设计目前许多无线传感器网络解决方案包括由各芯片厂商推出的单片机外置射频芯片和射频、集成有微处理器的单片机等。 节点设计中经常使用的ZigBee射频芯片包括Atmel的AT86RF230、TI的CC2420、FREESCALE的MC1319x和MC1320x、Microchip的MRF24J40等。 此外，芯片制造商还发布了一个单芯片解决方案，其中TI CC2430采用CC2420芯片架构，将ZigBee射频前端、存储器和微控制器集成到单芯片中基于Atmel的AT86RF230射频芯片与AVR单片机设计方案如图4所示，典型的终端节点和汇聚节点的设计以Atmel的8位RISC结构低功耗ATMegal1281V MCU为系统控制的核心。 采用512 KB的AT45DB041D作为外部程序存储器。 射频模块使用支持atmel ZigBee协议的AT86RF230，RF功率达到3db，室外传输距离为300米以上的节点的扩展接口通过连接模拟输入、数字I/O、I2C、SPI和UART接口这些扩展接口使传感器和其他外围设备更容易连接，例如外置光度、温度、气压、声音、地磁和加速度等传感器。图4传感器节点设计基于ti的CC2420芯片和ARM单片机设计方案当设计无线传感器网络网关时，需要强数据处理能力来实现复杂的路由协议、信息处理等。 图5所示的Crossbow的imote2节点采用Marvell PXA271高性能低功耗处理器。 所述处理器使用动态电压调节技术来以13MHz到13MHz的频率范围操作在低压(0.85V )低频(13MHz )模式中，并且具有卓越的动态电源管理技术。 另外，该处理器封装内置有3芯片256KB SRAM、32mb闪存和32MB SDRAM，实现了小型化。 通过提供多种I/O，可灵活应对各种传感器。 并且支持MMX协处理器，提高多媒体处理能力，可用于无线多媒体传感器网络中的语音及影像处理。 Imote2使用TI的CC2420 ZigBee射频芯片，并且支持2.4GHZ、16信道250kb/s数据传输和发射功率- 24到0 DBM。 有效通信距离为30米，可以增加SMA接口外接天线处的传输距离。图5 Imote2系统配置节点设计的其他注意事项设计智能交通系统专用无线传感器网络节点时，必须考虑以下事项节点低功耗设计。 终端节点都是电池(太阳能电池可用)。节点成本低廉。 在大规模开展交通信息采集等工作时，节点成本是项目的关键。节点的数据处理和存储能力。 一些节点需要快速的信息采集和识别算法，因此需要数据处理能力。 还需要考虑在有限的空间中存储程序和数据以及支持代码在线更新的功能。根据用途不同，无线传感器节点具有不同的传感器接口，可以外接不同的传感器。其中，能源管理应当作为重点来考虑。 特别是使用32位ARM处理器外部无线电芯片的解决方案需要有效地降低节点功耗，并需要在系统级软件(如Tiny