無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的特點(diǎn)及應(yīng)用研究

無線傳感網(wǎng)促進(jìn)智能交通的發(fā)展

智能交通系統(tǒng)（ITS）應(yīng)用在城市交通中主要體現(xiàn)在微觀的交通信息采集、交通控制和誘導(dǎo)等方面，通過提高對(duì)交通信息的有效使用和管理來提高交通系統(tǒng)的效率，主要是由信息采集輸入、策略控制、輸出執(zhí)行、各子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)傳輸與通信等子系統(tǒng)組成。信息采集子系統(tǒng)通過傳感器采集車輛和路面信息，策略控制子系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)（如通行量最大、或平均候車時(shí)間最短等）運(yùn)用計(jì)算方法（例如模糊控制、遺傳算法等）計(jì)算出最佳方案，并輸出控制信號(hào)給執(zhí)行子系統(tǒng)（一般是交通信號(hào)控制器），以引導(dǎo)和控制車輛的通行，達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是一種融合短程無線通訊技術(shù)、微電子傳感器、嵌入式系統(tǒng)的新技術(shù)，逐漸被用于智能交通系統(tǒng)等需要數(shù)據(jù)采集與檢測(cè)的相關(guān)領(lǐng)域?；贗EEE 802.15.4規(guī)范的ZigBee技術(shù)，具備以下良好特性：①功耗低，2節(jié)普通5號(hào)電池可支持一個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6“24個(gè)月;②組網(wǎng)能力強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)最多可達(dá)個(gè)節(jié)點(diǎn)，并支持樹狀、星狀、網(wǎng)狀等多種組網(wǎng)方式;③傳輸距離遠(yuǎn)，兩節(jié)點(diǎn)室外傳輸距離可達(dá)幾百米，在增加發(fā)射功率后可達(dá)幾千米;④可靠性高，具備多級(jí)安全模式;⑤成本低，開放的簡(jiǎn)化ZigBee協(xié)議棧，工作在2.4GHz免執(zhí)照的ISM頻段。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)具備優(yōu)良特性，可以為智能交通系統(tǒng)的信息采集提供一種有效手段，可以監(jiān)測(cè)路口各個(gè)方向上的車輛，根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果，改進(jìn)簡(jiǎn)化、改進(jìn)信號(hào)控制算法，提高交通效率。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以應(yīng)用于執(zhí)行子系統(tǒng)中的控制子系統(tǒng)和引導(dǎo)子系統(tǒng)等方面。例如可以應(yīng)用該技術(shù)改進(jìn)信號(hào)控制器，實(shí)現(xiàn)智能公交系統(tǒng)的公交優(yōu)先功能。

用于ITS的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

如圖1所示，在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，安裝道路兩旁的匯聚節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)自組織的多跳網(wǎng)狀Mesh基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架，交通信息采集專用的傳感器終端節(jié)點(diǎn)與每個(gè)臨近的匯聚節(jié)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊，最終的數(shù)據(jù)將被匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以作為一個(gè)模塊安裝在交叉路口的交通信號(hào)控制器內(nèi)，通過信號(hào)控制器的專有網(wǎng)絡(luò)，將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到交管中心作進(jìn)一步處理。

在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署中，匯聚節(jié)點(diǎn)可以安裝在路邊立柱、橫杠等交通設(shè)施上，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以集成再交叉路口的交通信號(hào)控制器內(nèi)，專用傳感器終端節(jié)點(diǎn)可以填埋在路面下或者安裝在路邊，道路上的運(yùn)動(dòng)車輛也可以安裝傳感器節(jié)點(diǎn)動(dòng)態(tài)加入傳感器網(wǎng)絡(luò)。

圖1 用于智能交通信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交通信息采集

在交通信息采集中，終端節(jié)點(diǎn)可采用非接觸式地磁傳感器來定時(shí)收集和感知區(qū)域內(nèi)車輛的速度、車距等信息。當(dāng)車輛進(jìn)入傳感器的監(jiān)控范圍后，終端節(jié)點(diǎn)通過磁力傳感器來采集車輛的行駛速度等重要信息，并將信息傳送給下一個(gè)定時(shí)醒來的節(jié)點(diǎn)。當(dāng)下一個(gè)節(jié)點(diǎn)感應(yīng)到該車輛時(shí)，結(jié)合車輛在兩個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)間的行駛時(shí)間估計(jì)，就可估算出車輛的平均速度。多個(gè)終端節(jié)點(diǎn)將各自采集并初步處理后的信息通過匯聚節(jié)點(diǎn)匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，獲得道路車流量與車輛行使速度等信息，從而為路*通信號(hào)控制提供精確的輸入信息。通過給終端節(jié)點(diǎn)安裝溫濕度、光照度、氣體檢測(cè)等多種傳感器，還可以進(jìn)行路面狀況、能見度、車輛尾氣污染等檢測(cè)。

圖2 用于交通信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在ITS中的應(yīng)用

實(shí)現(xiàn)智能公交系統(tǒng)中的公交優(yōu)先功能需要對(duì)現(xiàn)有交通信號(hào)控制器進(jìn)行改造。通過添加傳感器等輔助設(shè)備，交通信號(hào)控制器可以估算出公交車輛到達(dá)交叉路口的時(shí)間（旅行時(shí)間），計(jì)算出公交車輛在路口是否需要給予優(yōu)先（可選擇乘客數(shù)量作為優(yōu)先權(quán)重），然后選擇合適的優(yōu)先控制策略，通過調(diào)整綠信比來優(yōu)先放行公交車輛。交通信號(hào)控制器的改造包括：

①車載無線通訊終端節(jié)點(diǎn);

②交叉路*通信號(hào)控制器上集成無線網(wǎng)關(guān);

③用于公交車輛定位的終端節(jié)點(diǎn);

④通過構(gòu)建基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)上述功能。

當(dāng)要臨近路口時(shí)，車載ZigBee無線終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行公交車輛信息廣播，路邊部署的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)獲取信息后，公交車輛定位的終端節(jié)點(diǎn)對(duì)其跟蹤獲取信息并匯聚到無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上，通過內(nèi)部連接最后信息傳送給交通信號(hào)控制器，進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)先處理。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件功能設(shè)計(jì)

在ITS無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)中，網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)按照功能不同，需要分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。終端節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的軟件功能如圖3所示。終端節(jié)點(diǎn)安裝不同的傳感器用于運(yùn)動(dòng)車輛信息采集和道路信息獲取等。其功能實(shí)現(xiàn)可按照精簡(jiǎn)功能設(shè)備（RFD，Reduced Function Device）標(biāo)準(zhǔn)來實(shí)現(xiàn)。終端節(jié)點(diǎn)與匯聚節(jié)點(diǎn)按照星型網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)，在固定時(shí)間點(diǎn)由睡眠狀態(tài)醒來與匯聚節(jié)點(diǎn)主動(dòng)通訊。信息路由則交給父（匯聚）節(jié)點(diǎn)及網(wǎng)絡(luò)中具有路由功能的協(xié)調(diào)器和路由器完成，降低了節(jié)點(diǎn)功耗和軟件實(shí)現(xiàn)復(fù)雜度。匯聚節(jié)點(diǎn)是終端節(jié)點(diǎn)軟件功能上的擴(kuò)展，實(shí)現(xiàn)了擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)及路由消息的功能，允許更多重點(diǎn)節(jié)點(diǎn)接入網(wǎng)絡(luò)?？砂凑杖δ茉O(shè)備（FFD，F(xiàn)ull Function Device）標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)軟件功能

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)是網(wǎng)絡(luò)中所需要的協(xié)調(diào)器，負(fù)責(zé)啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò)、配置網(wǎng)絡(luò)成員地址、維護(hù)網(wǎng)絡(luò)、維護(hù)節(jié)點(diǎn)的綁定關(guān)系表等，還負(fù)責(zé)將所采集的數(shù)據(jù)初步處理并交付交通信號(hào)控制器傳輸?shù)缴弦患?jí)信息中心，需要較多存儲(chǔ)空間、計(jì)算及通訊能力。

網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)硬件功能設(shè)計(jì)

現(xiàn)有較多的無線傳感網(wǎng)解決方案，包括各芯片產(chǎn)商推出的單片機(jī)外接射頻芯片和集成射頻、微處理器的單芯片等。在節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)中較常采用的ZigBee射頻芯片有Atmel的AT86RF230、TI的CC2420、Freescale的MC1319x和MC1320x、Microchip的MRF24J40等。此外，芯片產(chǎn)商推出了單芯片解決方案，如TI CC2430延用了CC2420 芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee 射頻前端、內(nèi)存和微控制器;Freescale的MC1321x/MC1322x和Jennic的JN5121/JN513x單芯片解決方案等。

●基于Atmel的AT86RF230射頻芯片和AVR單片機(jī)設(shè)計(jì)方案

典型的終端節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)如圖4所示，采用Atmel的8位RISC結(jié)構(gòu)低功耗ATMegal1281V MCU作為系統(tǒng)控制核心。采用512 KB 的AT45DB041D作為外部程序存儲(chǔ)器。射頻模塊使用Atmel的支持ZigBee協(xié)議的AT86RF230，RF功率達(dá)到3dBm，室外傳輸距離可達(dá)300米以上節(jié)點(diǎn)的擴(kuò)展接口可連接模擬輸入、數(shù)字I/O、I2C、SPI和UART接口，這些擴(kuò)展接口使其易于與傳感器及其它外設(shè)連接，例如外接光度、溫溫度、氣壓、聲、地磁和加速度等傳感器。

圖4 傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

●基于TI的CC2420芯片和ARM單片機(jī)設(shè)計(jì)方案

在設(shè)計(jì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)網(wǎng)關(guān)時(shí)，需要較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，用以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜路由協(xié)議以及信息處理等。如圖5所示Crossbow的imote2節(jié)點(diǎn)采用了Marvell PXA271 高性能、低功耗處理器。該處理器使用動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)技術(shù)，頻率范圍13MHz”416MHz，可工作于低電壓（0.85V）低頻率（13MHz）模式，具備了優(yōu)良的動(dòng)態(tài)電源管理技術(shù)。此外，該處理器封裝內(nèi)集成三個(gè)芯片256KB SRAM，32MB FLASH以及32MB SDRAM，減小了體積。通過提供多種I/O，能夠靈活的支持不同種類的傳感器。該處理器還支持一個(gè)MMX協(xié)處理器，提高多媒體處理能力，可以用于無線多媒體傳感器網(wǎng)絡(luò)中的語音和圖像處理。Imote2使用TI的CC2420 ZigBee射頻芯片，支持2.4GHz 、16通道250kb/s數(shù)據(jù)傳輸，發(fā)送功率-24～0dBm。有效通訊距離是30米，可以通過SMA接口外接天線來增加傳輸距離。

圖5 Imote2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

●節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)其他考慮

在智能交通系統(tǒng)專用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)時(shí)需要如下考慮：

①節(jié)點(diǎn)低功耗設(shè)計(jì)。終端節(jié)點(diǎn)都是電池（可用太陽能蓄電池）供電。

② 節(jié)點(diǎn)成本要低廉。在進(jìn)行大規(guī)模交通信息采集等部署時(shí)，節(jié)點(diǎn)成本將是項(xiàng)目關(guān)鍵。

③節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)處理及存儲(chǔ)能力。一些節(jié)點(diǎn)需要進(jìn)行高速信息采集并且運(yùn)行識(shí)別算法，所以需要數(shù)據(jù)處理能力。還需要考慮在有限的空間之內(nèi)存儲(chǔ)程序、數(shù)據(jù)、以及支持代碼在線更新等功能。

④此外，根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合的需要，無線傳感器節(jié)點(diǎn)要具有不同的傳感器接口，能外接不同的傳感器。

其中，能耗管理應(yīng)該作為重點(diǎn)考慮。特別是采用32位ARM處理器外接射頻芯片的解決方案，需要有效降低節(jié)點(diǎn)能耗，需要在系統(tǒng)級(jí)軟件上進(jìn)一步改善能耗管理，例如優(yōu)化TinyOS或嵌入式Linux電源管理功能。

結(jié)語

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)應(yīng)用與研究得到更多關(guān)注。本文結(jié)合智能交通系統(tǒng)中的典型應(yīng)用，討論了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)等問題。隨著技術(shù)發(fā)展與成熟，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)可以在智能交通系統(tǒng)中更多關(guān)鍵性場(chǎng)合得到應(yīng)用，例如電子收費(fèi)、交通安全與自動(dòng)駕駛、停車管理、交通誘導(dǎo)系統(tǒng)等，更進(jìn)一步推動(dòng)智能交通系統(tǒng)的發(fā)展。

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