無線傳感網促進智能交通的發展

智能交通系統（ITS）應用在城市交通中主要體現在微觀的交通信息采集、交通控制和誘導等方面，通過提高對交通信息的有效使用和管理來提高交通系統的效率，主要是由信息采集輸入、策略控制、輸出執行、各子系統間數據傳輸與通信等子系統組成。信息采集子系統通過傳感器采集車輛和路面信息，策略控制子系統根據設定的目標（如通行量最大、或平均候車時間最短等）運用計算方法（例如模糊控制、遺傳算法等）計算出最佳方案，并輸出控制信號給執行子系統（一般是交通信號控制器），以引導和控制車輛的通行，達到預設的目標。

無線傳感器網絡是一種融合短程無線通訊技術、微電子傳感器、嵌入式系統的新技術，逐漸被用于智能交通系統等需要數據采集與檢測的相關領域。基于IEEE 802.15.4規范的ZigBee技術，具備以下良好特性：①功耗低，2節普通5號電池可支持一個節點工作6“24個月;②組網能力強，網絡最多可達個節點，并支持樹狀、星狀、網狀等多種組網方式;③傳輸距離遠，兩節點室外傳輸距離可達幾百米，在增加發射功率后可達幾千米;④可靠性高，具備多級安全模式;⑤成本低，開放的簡化ZigBee協議棧，工作在2.4GHz免執照的ISM頻段。

無線傳感器網絡具備優良特性，可以為智能交通系統的信息采集提供一種有效手段，可以監測路口各個方向上的車輛，根據監測結果，改進簡化、改進信號控制算法，提高交通效率。無線傳感器網絡可以應用于執行子系統中的控制子系統和引導子系統等方面。例如可以應用該技術改進信號控制器，實現智能公交系統的公交優先功能。

用于ITS的無線傳感器網絡構建

如圖1所示，在無線傳感器網絡結構中，安裝道路兩旁的匯聚節點組成一個自組織的多跳網狀Mesh基礎網絡構架，交通信息采集專用的傳感器終端節點與每個臨近的匯聚節點組成星型網絡進行通訊，最終的數據將被匯聚到網關節點上。網關節點可以作為一個模塊安裝在交叉路口的交通信號控制器內，通過信號控制器的專有網絡，將所采集到的數據發送到交管中心作進一步處理。

在無線傳感器網絡部署中，匯聚節點可以安裝在路邊立柱、橫杠等交通設施上，網關節點可以集成再交叉路口的交通信號控制器內，專用傳感器終端節點可以填埋在路面下或者安裝在路邊，道路上的運動車輛也可以安裝傳感器節點動態加入傳感器網絡。

圖1 用于智能交通信息采集的無線傳感器網絡結構

采用無線傳感器網絡進行交通信息采集

在交通信息采集中，終端節點可采用非接觸式地磁傳感器來定時收集和感知區域內車輛的速度、車距等信息。當車輛進入傳感器的監控范圍后，終端節點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定時醒來的節點。當下一個節點感應到該車輛時，結合車輛在兩個傳感器節點間的行駛時間估計，就可估算出車輛的平均速度。多個終端節點將各自采集并初步處理后的信息通過匯聚節點匯聚到網關節點，進行數據融合，獲得道路車流量與車輛行使速度等信息，從而為路*通信號控制提供精確的輸入信息。通過給終端節點安裝溫濕度、光照度、氣體檢測等多種傳感器，還可以進行路面狀況、能見度、車輛尾氣污染等檢測。

圖2 用于交通信息采集的無線傳感器網絡部署

無線傳感器網絡在ITS中的應用

實現智能公交系統中的公交優先功能需要對現有交通信號控制器進行改造。通過添加傳感器等輔助設備，交通信號控制器可以估算出公交車輛到達交叉路口的時間（旅行時間），計算出公交車輛在路口是否需要給予優先（可選擇乘客數量作為優先權重），然后選擇合適的優先控制策略，通過調整綠信比來優先放行公交車輛。交通信號控制器的改造包括：

①車載無線通訊終端節點;

②交叉路*通信號控制器上集成無線網關;

③用于公交車輛定位的終端節點;

④通過構建基于ZigBee的無線傳感器網絡可以實現上述功能。

當要臨近路口時，車載ZigBee無線終端節點進行公交車輛信息廣播，路邊部署的無線傳感器網絡獲取信息后，公交車輛定位的終端節點對其跟蹤獲取信息并匯聚到無線傳感器網絡網關節點上，通過內部連接最后信息傳送給交通信號控制器，進行相應的優先處理。

網絡節點和網關節點的設計

網絡節點軟件功能設計

在ITS無線傳感器網絡的設計中，網絡節點按照功能不同，需要分別進行設計。終端節點、匯聚節點和網關節點的軟件功能如圖3所示。終端節點安裝不同的傳感器用于運動車輛信息采集和道路信息獲取等。其功能實現可按照精簡功能設備（RFD，Reduced Function Device）標準來實現。終端節點與匯聚節點按照星型網絡組網，在固定時間點由睡眠狀態醒來與匯聚節點主動通訊。信息路由則交給父（匯聚）節點及網絡中具有路由功能的協調器和路由器完成，降低了節點功耗和軟件實現復雜度。匯聚節點是終端節點軟件功能上的擴展，實現了擴展網絡及路由消息的功能，允許更多重點節點接入網絡。可按照全功能設備（FFD，Full Function Device）標準進行設計。

圖3 無線傳感器網絡節點軟件功能

網關節點是網絡中所需要的協調器，負責啟動網絡、配置網絡成員地址、維護網絡、維護節點的綁定關系表等，還負責將所采集的數據初步處理并交付交通信號控制器傳輸到上一級信息中心，需要較多存儲空間、計算及通訊能力。

網絡節點硬件功能設計

現有較多的無線傳感網解決方案，包括各芯片產商推出的單片機外接射頻芯片和集成射頻、微處理器的單芯片等。在節點設計中較常采用的ZigBee射頻芯片有Atmel的AT86RF230、TI的CC2420、Freescale的MC1319x和MC1320x、Microchip的MRF24J40等。此外，芯片產商推出了單芯片解決方案，如TI CC2430延用了CC2420 芯片的架構，在單個芯片上整合了ZigBee 射頻前端、內存和微控制器;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單片機設計方案

典型的終端節點和匯聚節點設計如圖4所示，采用Atmel的8位RISC結構低功耗ATMegal1281V MCU作為系統控制核心。采用512 KB 的AT45DB041D作為外部程序存儲器。射頻模塊使用Atmel的支持ZigBee協議的AT86RF230，RF功率達到3dBm，室外傳輸距離可達300米以上節點的擴展接口可連接模擬輸入、數字I/O、I2C、SPI和UART接口，這些擴展接口使其易于與傳感器及其它外設連接，例如外接光度、溫溫度、氣壓、聲、地磁和加速度等傳感器。

圖4 傳感器節點設計

●基于TI的CC2420芯片和ARM單片機設計方案

在設計無線傳感器網絡網關時，需要較強的數據處理能力，用以實現復雜路由協議以及信息處理等。如圖5所示Crossbow的imote2節點采用了Marvell PXA271 高性能、低功耗處理器。該處理器使用動態電壓調節技術，頻率范圍13MHz”416MHz，可工作于低電壓（0.85V）低頻率（13MHz）模式，具備了優良的動態電源管理技術。此外，該處理器封裝內集成三個芯片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MMX協處理器，提高多媒體處理能力，可以用于無線多媒體傳感器網絡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數據傳輸，發送功率-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系統結構

●節點設計其他考慮

在智能交通系統專用無線傳感器網絡節點設計時需要如下考慮：

①節點低功耗設計。終端節點都是電池（可用太陽能蓄電池）供電。

② 節點成本要低廉。在進行大規模交通信息采集等部署時，節點成本將是項目關鍵。

③節點的數據處理及存儲能力。一些節點需要進行高速信息采集并且運行識別算法，所以需要數據處理能力。還需要考慮在有限的空間之內存儲程序、數據、以及支持代碼在線更新等功能。

④此外，根據不同應用場合的需要，無線傳感器節點要具有不同的傳感器接口，能外接不同的傳感器。

其中，能耗管理應該作為重點考慮。特別是采用32位ARM處理器外接射頻芯片的解決方案，需要有效降低節點能耗，需要在系統級軟件上進一步改善能耗管理，例如優化TinyOS或嵌入式Linux電源管理功能。

結語

無線傳感器網絡技術應用與研究得到更多關注。本文結合智能交通系統中的典型應用，討論了無線傳感器網絡的設計等問題。隨著技術發展與成熟，無線傳感器網絡技術可以在智能交通系統中更多關鍵性場合得到應用，例如電子收費、交通安全與自動駕駛、停車管理、交通誘導系統等，更進一步推動智能交通系統的發展。

責任編輯：gt