畢業(yè)設(shè)計專業(yè)：電氣自動化班級學(xué)號： 201103010108 學(xué)生姓名：指導(dǎo)教師：師二一四年三月甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院畢業(yè)設(shè)計基于無線傳感器在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用Based on the wireless sensor in the application of intelligent transportation system專業(yè)班級：電氣自動化1101班學(xué)生姓名：楊旭恒指導(dǎo)教師：高立兵講師系別：機電工程系2014 年 3 月摘要智能交通系統(tǒng)將信息技術(shù)、電子控制技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等高新技術(shù)綜合應(yīng)用于運輸管理體系。ZigBee作為一種新興的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，具有功耗低、成本低等特點。介紹了在小區(qū)域智能交通模擬平臺上使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的實例，建立了信息發(fā)布訂閱和信號控制系統(tǒng)。重點介紹了系統(tǒng)的節(jié)點硬件、ZigBee協(xié)議的數(shù)據(jù)傳輸以及兩個子系統(tǒng)的軟件設(shè)計針對目前中國的交叉路口多，車流量大，交通混亂的現(xiàn)象研究一種控制交通信號燈的基于無線傳感器的智能交通系統(tǒng)。本文主要介紹了利用HMC1021Z巨磁阻傳感器以及LPC2138微處理器、射頻模塊組成的無線傳感網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的應(yīng)用，本文的研究內(nèi)容如下：首先查閱了國內(nèi)外文獻(xiàn)了解課題研究背景、磁阻傳感器的工作原理以及鐵磁物質(zhì)對周圍磁場產(chǎn)生影響的原理，并了解相關(guān)微處理器的結(jié)構(gòu)及功能。對整個系統(tǒng)的方案進(jìn)行設(shè)計，通過進(jìn)一步學(xué)習(xí)完善已有的設(shè)計方案。將設(shè)計方案轉(zhuǎn)化為電路圖，畫出電路版圖，投片，完成硬件平臺的搭建。進(jìn)行軟件的編程，及硬件的調(diào)試。將軟件和硬件結(jié)合到一起，進(jìn)行模擬路況實驗。本課題參照國內(nèi)外智能交通系統(tǒng)的設(shè)計以及磁阻傳感器研究成果，設(shè)計了利用巨磁阻傳感器及射頻模塊，微處理器構(gòu)成的基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的智能交通系統(tǒng)，在設(shè)計過程中得到的主要成果如下：1、 利用HMC1021Z巨磁阻傳感器，傳感器電路中使用濾波電路使輸出信號更加穩(wěn)定，該電路中還使用運算放大器，可使芯片的輸出電壓信號放大以便在有鐵磁物體經(jīng)過傳感器附近時輸出供處理器使用的高電平信號，實際測得巨磁阻傳感器可正常運行，并可較為精確的計算通過交通信號燈的車流量大小。2、 收發(fā)單元利用射頻模塊，將處理器處理后的信息傳送到交通信號燈控制中心，以便在不同車流量情況下更好的控制交通信號燈。經(jīng)試驗測量后，射頻模塊工作狀況良好，可精確傳送經(jīng)處理器處理過的信息。3、 通過使用LPC2138微處理器，控制巨磁阻傳感器的數(shù)據(jù)采集和射頻模塊的數(shù)據(jù)收發(fā)。它的最小封裝和最低功耗，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性。在每個無線節(jié)點中，巨磁阻傳感器收集經(jīng)過該節(jié)點的車流量信息，將其信號放大并經(jīng)A/D 轉(zhuǎn)換器傳輸至LPC2138，經(jīng)處理后將信息通過射頻模塊傳輸至主控節(jié)點。經(jīng)實驗驗證，使用該芯片可以精確的完成以上功能，驗證了理論分析設(shè)計設(shè)計的正確性。4、 該系統(tǒng)實現(xiàn)了集數(shù)據(jù)采集、處理，以及由交通信號燈顯示控制結(jié)果等基本的功能于一體的傳感器智能化設(shè)計，經(jīng)過試驗證明該系統(tǒng)具有可行性與穩(wěn)定性。5、 提出了將所設(shè)計的傳感器應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中的方案。關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；智能交通系統(tǒng)；ZigBe；網(wǎng)絡(luò)模型；路由技術(shù) AbstractIntelligent transportation system will be information technology, electronic control technology and network technology and other high and new technology comprehensive application in the transportation management system. ZigBee as a new wireless sensor network (WSN), with low power consumption, low cost, etc. Introduces the intelligent transportation simulation flat in a small area Platform using an instance of the wireless sensor network (WSN), established the information publish/subscribe and signal control system. Mainly introduced hardware, ZigBee protocol of nodes in the system of data transmission and the software design of two sub-systems according to the present Chinas intersection, traffic, traffic chaos phenomenon research a kind of control traffic lights intelligent transportation system based on wireless sensor. This article mainly introduced the use of HMC1021Z giant magnetoresistance sensor and microprocessor LPC2138, rf modules of the application of wireless sensor network in intelligent transportation, this paper research content is as follows: First consult literature at home and abroad to understand the topic research background, the working principle of magnetic resistance sensor and the principle of ferromagnetic material influence on the surrounding magnetic field, and to understand the structure and function of the microprocessor. The design scheme of the whole system, and through further study and improve the existing design. Draw the circuit diagram, design scheme can be converted to map, cast slice, complete the construction of the hardware platform. For software programming, and hardware debugging. The software and hardware together, simulated road experiment. This topic by reference to the design of the intelligent transportation system both at home and abroad and the magnetic resistance sensor research, design and the use of giant magnetoresistance sensor radio frequency module, a microprocessor based on wireless sensor network is composed of intelligent transportation system, in the design process of the main results were as follows: 1. Using HMC1021Z giant magnetic resistance sensor, the sensor circuit is used in filtering circuit make the output signal is more stable, the circuit is also used in the operational amplifier, can make the output voltage signal amplification of chip in order to have a ferromagnetic objects pass near the sensor output for the processor using high level signal, the actual measured giant magnetoresistance sensor can run normally, and can be more accurate calculate the size of traffic through the traffic lights. 2. The transceiver unit using radio frequency module, after processing the information sent to the traffic light control center, under different traffic conditions in order to better control the traffic lights. After test measurements, rf modules work in good condition, can accurately convey information treated by the processor. 3. Through the use of micro processor LPC2138, control of the giant magnetoresistance sensor data acquisition and rf module to send and receive data. Its smallest encapsulation and lowest power consumption, increase the stability and feasibility of the system. In each of the wireless nodes, giant magnetoresistance sensor after the node of traffic information collection, the signal amplification and A/D converter to the LPC2138, the processed to transmit information through radio frequency module to the master node. Verified by the experiment, the use of the chip can be accurate to complete the above function, theoretical analysis is verified the correctness of the design. 4. The system has realized the collection of data acquisition, processing, and by the basic function such as traffic lights display control results in the integration of intelligent sensor design, after tests showed that the system has the feasibility and stability. 5. Put forward the design scheme of sensor applied in intelligent transportation system. Key words: wireless sensor network (WSN); Intelligent transportation system; ZigBe; The network model; Routing technology 目錄1 引言 . 12 正文. 32.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)與要求 . 32.2 無線傳感器的優(yōu)點 . 42.3 課題研究主要內(nèi)容 . 42.4 無線傳感網(wǎng)促進(jìn)智能交通的發(fā)展 . 72.5 城市軌道交通應(yīng)用需求分析. 72.6 車輛運行狀態(tài)監(jiān)測 . 92.7 車道空間占用率與擁堵期望值. 102.8 ITS 的無線傳感器 . 102.8.1 用于ITS 的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建 . 102.8.2 采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行交通信息采集 . 112.8.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在ITS 中的應(yīng)用 . 122.9 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點 . 122.9.1 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點軟件功能設(shè)計 . 122.9.2 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點硬件功能設(shè)計 . 132.9.3 基于Atmel 的AT86RF230 射頻芯片和AVR 單片機設(shè)計方案 . 142.9.4 基于TI 的CC2420 芯片和ARM 單片機設(shè)計方案 . 142.9.5 節(jié)點設(shè)計其他考慮 . 152.10 交通信息采集傳感器網(wǎng)絡(luò) . 162.10.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)融合 . 172.10.2 傳感器網(wǎng)絡(luò)擁塞控制 . 183 結(jié)論 . 204 發(fā)展前景與拓展. 241、 發(fā)展前景 . 242、 可拓展性. 255 致謝 . 276 參考文獻(xiàn) . 27甘肅有色冶金職業(yè)技術(shù)學(xué)院2014屆畢業(yè)設(shè)計1 引言隨著微電子機械系統(tǒng)(MEMS)、計算機、通信、自動控制和人工智能等學(xué)科的發(fā)展，產(chǎn)生了一種新的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)一一無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新興的測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，是能夠自主實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、融合和傳輸?shù)葢?yīng)用的智能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使邏輯上的信息世界與真實的物理世界緊密結(jié)合，從而真正實現(xiàn)“無處不在”的計算模式，最終將成為人類生產(chǎn)和生活不可分割的一部分隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，生活方式變得更加快捷，城市的道路也逐漸變得縱橫交錯，快捷方便的交通在人們生活中占有及其重要的位置，而交通安全問題則是重中之重。據(jù)世界衛(wèi)生組織統(tǒng)計，全世界每年死于道路交通事故的人數(shù)約有120 萬，另有數(shù)100 萬人受傷。中國擁有全世界1. 9 %的汽車，引發(fā)的交通事故占了全球的15 % ，已經(jīng)成為交通事故最多發(fā)的國家。2000 年后全國每年的交通事故死亡人數(shù)約在10 萬人，受傷人數(shù)約50萬，其中60 %以上是行人、乘客和騎自行車者。中國每年由于汽車安全方面所受到的損失約為5180 億(人民幣)，死亡率為9 人/ 萬車，因此，有效地解決交通安全問題成為擺在人們面前一個棘手的問題。在中國，城市的道路縱橫交錯，形成很多交叉口，相交道路的各種車輛和行人都要在交叉口處匯集通過。而目前的交通情況是人車混行現(xiàn)象嚴(yán)重，非機動車的數(shù)量較大，路口混亂。由于車輛和過街行人之間、車輛和車輛之間、特別是非機動車和機動車之間的干擾，不僅會阻滯交通，而且還容易發(fā)生交通事故。根據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)統(tǒng)計，我國發(fā)生在交叉口的交通事故約占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故類型中居首位，對交叉口交通安全影響最大的是沖突點問題，其在很大程度上是由于信號燈配時不合理(如黃燈時間太短,駕駛員來不及反應(yīng))，以及駕駛員不遵循交通信號燈，搶綠燈末或紅燈頭所引發(fā)交通流運行的不夠穩(wěn)定。隨著我國經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，私家車也越來越多，交通控制還是延續(xù)原有的定時控制，在車輛增加的基礎(chǔ)上，這種控制弊端也越來越多的體現(xiàn)出來，造成了十字交叉路口的交通擁堵和秩序混亂，嚴(yán)重的影響了人們的出行。智能交通中的信號燈控制顯示出了越來越多的重要性。國外已經(jīng)率先開展了智能交通方面的研究。在我國交通阻塞已經(jīng)成為阻礙國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的瓶頸，在美國等發(fā)達(dá)國家也是如此，許多國家都致力于智能交通系統(tǒng)(ITS)的研究和開發(fā)，以期從根本上解決這個問題，當(dāng)前的交通傳感系統(tǒng)是由錄像、聲納、雷達(dá)等電子設(shè)備組成，需要穩(wěn)定的電源供應(yīng)，對這些設(shè)備本身及配套電源網(wǎng)絡(luò)需要大量的投資，雖然傳統(tǒng)的交通傳感系統(tǒng)也能提供精確的、實時的交通信息，但我們介紹的公路交通無線傳感器非常小，造價極低(約合30美元)，這些傳感器使用電磁感應(yīng)技術(shù)測量車速，它們也能檢測冰雪揚塵等路況信息，每一個區(qū)域內(nèi)的傳感器發(fā)送數(shù)據(jù)到300m以外的接收器中，通過這個接收器的信息中轉(zhuǎn)到處理站中。每個感應(yīng)器節(jié)點消耗非常小的能量，只配備一小塊內(nèi)嵌式鋰電池可使節(jié)點使用1O年以上。與傳統(tǒng)的感應(yīng)系統(tǒng)相比，無線傳感器形成的網(wǎng)絡(luò)更具商業(yè)價值。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為一種新興技術(shù)，在國內(nèi)城市軌道交通領(lǐng)域中的應(yīng)用研究是一個極佳的結(jié)合點，富有創(chuàng)新意義且具有極其廣闊的應(yīng)用前景。與傳統(tǒng)的總線技術(shù)傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用不同，智能化水平很高的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用使節(jié)點的使用和布置范圍更加靈活，而且無線技術(shù)較之于傳統(tǒng)的現(xiàn)場總線技術(shù)可以大大降低成本，應(yīng)用在城市軌道交通這樣的領(lǐng)域具有不可替代的優(yōu)勢。美國VII系統(tǒng)(vehicle infrastructure integration)，利用車輛與車輛、車輛與路邊裝置的信息交流實現(xiàn)某些功能，從而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天氣信息、路面狀況、交叉口防碰撞、電子收費等。目前發(fā)展的重點主要集中在2個應(yīng)用上: 以車輛為基礎(chǔ); 以路邊裝置為基礎(chǔ)。歐洲主要是CVIS 系統(tǒng)(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多個合作者，由布魯塞爾的ERTICO 組織統(tǒng)籌，從2006 年2 月開始到2010年6月，工作期為4年。其目標(biāo)是開發(fā)出集硬件和軟件于一體的綜合交流平臺，這個平臺能運用到車輛和路邊裝置提高交通管理效率，其中車輛不僅僅局限于私人小汽車，還包括公共交通和商業(yè)運輸。日本主要的系統(tǒng)是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 為基礎(chǔ)的綜合系統(tǒng)概念,由NPA (National Police Agency) 等5個相關(guān)部門和機構(gòu)共同開發(fā)的，是繼20 世紀(jì)90 年代初UTMS 系統(tǒng)以來的第2代交通管理系統(tǒng)，DSSS 是UTMS21中保障安全的核心項目，用于提高車輛與過街行人的安全。因此，從國外的交通控制的發(fā)展趨勢可以看出，現(xiàn)代的交通控制向著智能化的方向發(fā)展，大多采用計算機技術(shù)、自動化控制技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使車輛行駛和道路導(dǎo)航實現(xiàn)智能化，從而緩解道路交通擁堵，減少交通事故，改善道路交通環(huán)境，節(jié)約交通能源，減輕駕駛疲勞等功能，最終實現(xiàn)安全、舒適、快速、經(jīng)濟(jì)的交通環(huán)境。2 正文2.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵技術(shù)與要求無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)目前的主要關(guān)鍵技術(shù)包括下述l0項。（1)安全問題：密鑰管理；身份認(rèn)證；攻防技術(shù)。（2)定位技術(shù)：GPS定位；集中定位方式；分布定位方式。（3)拓補結(jié)構(gòu)：基于簇的網(wǎng)；網(wǎng)狀網(wǎng)；鏈狀網(wǎng)。（4)數(shù)據(jù)融合：根據(jù)融合前后數(shù)據(jù)信息量有無改變可分為無損融合，有損融合；根據(jù)融合級別可分為像素級融合，特征級融合，決策級融合；根據(jù)網(wǎng)絡(luò)拓補結(jié)構(gòu)可分為簡單樹型網(wǎng)內(nèi)融合，簇型網(wǎng)內(nèi)融合，族一樹型網(wǎng)內(nèi)融合。（5)MAC(媒體擠入控制)層協(xié)議：目標(biāo)是創(chuàng)建網(wǎng)（6)路由算法：有Flooding算法；SPIN算法；SAR算法；定向擴散算法等。（7)自組織：層次結(jié)構(gòu)方式管理，對等管理方案。（8)能源感知計算：目的是最大化系統(tǒng)生命期。（9)操作系統(tǒng)：滿足WSN特殊需要，高效地利用有限硬件資源服務(wù)應(yīng)用軟件。（10)跨層設(shè)計：層間信息交換滿足全局性需要，通過全局性優(yōu)化提高網(wǎng)絡(luò)性能。在上述關(guān)鍵技術(shù)基礎(chǔ)上，針對WSN的具體應(yīng)用與實施的經(jīng)濟(jì)效益性，提出下述兩方面要求：1)技術(shù)要求服務(wù)種類(地理區(qū)域的組織，時間的規(guī)劃，高性能的人機服務(wù)界面)，服務(wù)質(zhì)量(以任務(wù)的關(guān)鍵性為中心)，容錯特性，生命周期(帕拉脫最優(yōu))，可擴展性，可編程(節(jié)點支持程序的直接寫入)，可維護(hù)性(外部維護(hù))，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的完整性(拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)實時重連，幾何結(jié)構(gòu)盲區(qū)的消除)等。2)機制要求多跳無線通信機制，能量有效機制，自組織、自設(shè)置機制(節(jié)點可定位、自組織，參數(shù)自調(diào)節(jié))，網(wǎng)內(nèi)合作和處理機制，數(shù)據(jù)為中心(數(shù)據(jù)庫)，本地化(集群或者分層處理)，均衡機制等。2.2 無線傳感器的優(yōu)點無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks,WSN)是一種融合無線通訊技術(shù)、微電子傳感器、嵌入式系統(tǒng)的新技術(shù)，可以為智能交通系統(tǒng)的信息采集和傳輸提供一種有效手段，用來監(jiān)測路口各個方向上的車流量、車速等信息。在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中，安裝道路兩旁的傳感器節(jié)點組成一個自組織的多跳Mesh網(wǎng)，每個節(jié)點都采集交通信息，最終的數(shù)據(jù)將被匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點上。網(wǎng)關(guān)節(jié)點利用3G 網(wǎng)絡(luò)將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到控制中心。與上述傳統(tǒng)裝置相比，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)用于構(gòu)建交通信息系統(tǒng)具有以下優(yōu)點：(1) 其無線自組、泛在協(xié)同的特點使系統(tǒng)布設(shè)和維護(hù)十分方便，便于提高交通信息采集系統(tǒng)的可擴展性；(2) 用戶可以與傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行信息交互，可以進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢、空中編程、節(jié)點健康監(jiān)測等，極大地方便用戶的使用，減少維護(hù)成本；(3) 規(guī)模的分布式監(jiān)測和協(xié)同計算技術(shù)在能力上優(yōu)于傳統(tǒng)的單點或局部監(jiān)測技術(shù)。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，作為現(xiàn)有技術(shù)的補充，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署和維護(hù)方便，特別適合于部署在有線傳輸不能覆蓋的路段。2.3 課題研究主要內(nèi)容智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System ，簡稱 ITS) 是利用尖端的電子信息技術(shù)，形成行人、公路和車輛三位一體的新公路交通系統(tǒng)的總稱。我國現(xiàn)有的交通控制系統(tǒng)，相對于國外的發(fā)展具有較大的差距，這種落后的控制方式已經(jīng)無法滿足當(dāng)前的交通運輸?shù)膲毫?。目前，我國的智能交通系統(tǒng)對車輛的檢測大多采用環(huán)形線圈探測器、微波探測器、超聲波和視頻探測器等。從性價比角度考慮，環(huán)形線圈探測器其技術(shù)成熟，檢測精度高，可全天候的工作，但是安裝時候需要切割地面，影響路面的壽命，目前主要應(yīng)用在停車場內(nèi)。超聲波和微波容易受到天氣和障礙物的影響，造成誤檢。視頻探測是目前應(yīng)用較多的檢測方式，適用于城市交叉路口的交通控制，但易受惡劣氣候的影響，夜間要求有路燈照明。上述的交通控制系統(tǒng)普遍價格比較昂貴，需要有線的方式進(jìn)行檢測，只能夠提供單一的十字路口的交通控制。雖然汽車由于型號不同而具有不同的結(jié)構(gòu)，但各類汽車中均含有大量的鐵磁物質(zhì)，尤其是汽車底盤均用鐵磁材料制造而成。汽車在行駛過程中會對周圍的地磁場產(chǎn)生影響，有些汽車甚至可以影響到十幾米以外的地球磁場。將磁敏傳感器置于道路兩側(cè)或路基之下的適當(dāng)位置處便可感應(yīng)到地磁場的變化，通過磁敏器件的輸出信號可以判斷出車輛通過的情況，從而實現(xiàn)對車流量進(jìn)行監(jiān)測。因此本系統(tǒng)根據(jù)上述系統(tǒng)的弊端，提出了一種新的控制方式，采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)合巨磁阻傳感器來完成交通的智能控制，相臨十字交叉路口處的無線傳感器匯聚節(jié)點之間能夠進(jìn)行通信，提供了相對較多的數(shù)據(jù)冗余信息。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)作為新興的測控網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ,是能夠自主實現(xiàn)數(shù)據(jù)的采集、融合和傳輸?shù)葢?yīng)用的智能網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用系統(tǒng)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)使邏輯上的信息世界與真實的物理世界緊密結(jié)合,從而真正實現(xiàn)“無處不在 ”的計算模式，而且該系統(tǒng)具有體積小、成本低、便于安裝的優(yōu)點，能夠全天候的工作，便于在交通部門進(jìn)行推廣和普及。本系統(tǒng)選用靈敏度較高的巨磁阻傳感器來完成對行駛車輛的檢測。系統(tǒng)的頻率選擇在2.4Ghz工作頻段，該頻段相對于433Mhz、868Mhz、915Mhz具有較寬的工作頻帶和較快的信號傳輸速率。整套系統(tǒng)支持ZigBee協(xié)議，具有數(shù)據(jù)較驗和沖突檢測的功能。該系統(tǒng)主要由無線傳感器節(jié)點和無線傳感器匯聚節(jié)點組成。無線傳感器節(jié)點是整套系統(tǒng)的基本組成部分，節(jié)點是整個系統(tǒng)的基本組成單元，節(jié)點電路的基本組成框圖如圖所示：微處理器模塊收發(fā)芯片射頻天線A/D轉(zhuǎn)換模塊系統(tǒng)供電和電源管理模塊調(diào)試與測試接口巨磁阻傳感器巨磁阻傳感器擴展接口圖1 無線傳感器節(jié)點的基本組成框圖整個系統(tǒng)由微處理器、傳感器單元、收發(fā)單元及供電單元組成。微處理器使用 LPC2138，它是基于一個支持實時仿真和嵌入式跟蹤的 32/16 位 ARM7TDMI-S CPU的微控制器，并內(nèi)嵌32/64/128/256/512kB的高速Flash存儲器。128位寬度的存儲器接口和獨特的加速結(jié)構(gòu)使32位代碼能夠在最大時鐘速率下運行，對代碼規(guī)模有嚴(yán)格控制的應(yīng)用它具有高性能和低功耗的特性，指令集和相關(guān)的譯碼機制比復(fù)雜指令集計算機要簡單的多。傳感器為磁阻傳感器，由兩個相距5-10 cm 的磁阻傳感器，當(dāng)有車輛通過時，傳感器周圍的地磁場發(fā)生變化，變化的磁場信號經(jīng)過信號放大后經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器后送入微處理器，處理器便立即啟用定時器記錄下車輛通過的時刻，然后開始采集后端傳感器的輸出信號，當(dāng)檢測到車輛后計時器停止計時。重新開始車輛的計數(shù)工作，檢測下一輛車，系統(tǒng)采用兩個傳感器能夠判斷車輛行駛的方向。檢測后的信息經(jīng)處理后發(fā)送至收發(fā)單元，收發(fā)單元將檢信號發(fā)送給無線傳感器匯聚節(jié)點。整套系統(tǒng)的設(shè)計原理框圖如圖所示：圖2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)智能交通控制原理框圖安裝在道路邊的無線傳感器節(jié)點實時的檢測檢測車道上行經(jīng)的車輛，并能夠由遠(yuǎn)離信號燈的無線傳感器節(jié)點實時的檢測停留在車道上的排對車輛長度，傳感器節(jié)點將監(jiān)測到的信息實時的發(fā)送給無線傳感器匯聚節(jié)點。匯聚節(jié)點根據(jù)道路兩邊布置的傳感器發(fā)送來的信息。以路面的實際車輛長度為輸入量，輸出量為實際控制延長的綠燈時間，最終實現(xiàn)平面交叉口信號燈的控制。收發(fā)單元則使用射頻模塊，在電子學(xué)理論中，電流流過導(dǎo)體，導(dǎo)體周圍會形成磁場；交變電流通過導(dǎo)體，導(dǎo)體周圍會形成交變的電磁場，稱為電磁波。在電磁波頻率低于100khz 時，電磁波會被地表吸收，不能形成有效的傳輸，但電磁波頻率高于100khz 時，電磁波可以在空氣中傳播。射頻則指具有遠(yuǎn)距離傳輸能力的高頻電磁波，射頻模塊則是基于射頻技術(shù)的可進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸?shù)挠布O(shè)備。2.4 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(zhí)行子系統(tǒng)(一般是交通信號控制器)，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號電池可支持一個節(jié)點工作624個月；（2） 組網(wǎng)能力強，網(wǎng)絡(luò)最多可達(dá)個節(jié)點，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，具備多級安全模式；（5） 成本低，開放的簡化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)測路口各個方向上的車輛，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，改進(jìn)簡化、改進(jìn)信號控制算法，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)信號控制器，實現(xiàn)智能公交系統(tǒng)的公交優(yōu)先功能。2.5 城市軌道交通應(yīng)用需求分析軌道交通的運輸生產(chǎn)、組織是一個高可靠性的復(fù)雜系統(tǒng)，同時也是一個規(guī)模龐大、專業(yè)分工很細(xì)的系統(tǒng)，需要各個方面協(xié)調(diào)一致工作。其中，監(jiān)控系統(tǒng)是整個系統(tǒng)安全與高效運行的“視聽中心”。整個系統(tǒng)運行狀態(tài)及各個運行環(huán)節(jié)的第一手資料的獲取就依靠監(jiān)控系統(tǒng)。但是，各個專業(yè)系統(tǒng)有自己的管理和技術(shù)體系，有各自的目標(biāo)和發(fā)展規(guī)劃。同時，針對每套系統(tǒng)都有相對應(yīng)的監(jiān)管系統(tǒng)。這樣的系統(tǒng)，在一定程度上可以發(fā)揮專業(yè)分工的好處，在管理中也起到了很大的作用。但從整體來看，各個監(jiān)管系統(tǒng)之間的相互聯(lián)系比較松散，橫向協(xié)調(diào)不暢，造成各個專業(yè)系統(tǒng)在監(jiān)管上不能與整個城市軌道交通的建設(shè)、管理、運營總體目標(biāo)相一致。尤其是隨著各個專業(yè)系統(tǒng)的建設(shè)發(fā)展，各自需求的傳感監(jiān)控設(shè)備日益增多，造成了大量通信帶寬和能量的浪費。為了更好地對各專業(yè)系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)管，有效地發(fā)揮城市軌道交通的總體運輸能力，取得更好的經(jīng)濟(jì)和社會效益，需要將各專業(yè)監(jiān)管系統(tǒng)組成一個相互聯(lián)系、資源共享、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的整體，也就是通過WSN技術(shù)建立城市軌道自組織網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測和控制系統(tǒng)。自組織網(wǎng)絡(luò)技術(shù)突破了原來傳統(tǒng)的集中式、分布式的cs(客戶月艮務(wù)器)結(jié)構(gòu)，建立了全新的系統(tǒng)模式。在這一系統(tǒng)中，所有的單元(子系統(tǒng))都是獨立平等的，它們之間不存在任何隸屬關(guān)系。各個單元都能獨立完成各自的任務(wù)而不受其他單元的干預(yù)，同時各個單元之間也能協(xié)調(diào)工作來實現(xiàn)整個系統(tǒng)的運行。這就是自律分散系統(tǒng)的兩大特性：自律可控性和自律可協(xié)調(diào)性。實現(xiàn)這一系統(tǒng)模型的關(guān)鍵概念是數(shù)據(jù)域和廣播的通信方式。系統(tǒng)中的每個單元都主動地向數(shù)據(jù)域廣播其內(nèi)部處理信息，同時根據(jù)各自的需求從數(shù)據(jù)域中接收信息。各個子系統(tǒng)都只同數(shù)據(jù)域打交道，它們相互之間沒有直接的耦合關(guān)系。這就較好地保證了在線擴展、在線維護(hù)及容錯。軌道交通監(jiān)控系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)設(shè)計與開發(fā)，是用先進(jìn)的計算機網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將相關(guān)監(jiān)控子系統(tǒng)互聯(lián)后建立綜合監(jiān)控系統(tǒng)；由各子系統(tǒng)獲取各類事故和災(zāi)害監(jiān)測的原始信息，并經(jīng)初步分析，或直接將安全信息傳送至相關(guān)安全監(jiān)測指揮調(diào)度中心。管理部門根據(jù)故障或是災(zāi)害的性質(zhì)和級別，對運行中的列車采取措施，或采取特殊行車組織方法。緊急情況發(fā)生時，安全保障信息系統(tǒng)為綜合維修和救援部門提供相關(guān)信息，使其盡快排除故障。目前城市軌道交通系統(tǒng)各專業(yè)均有自成體系的監(jiān)控系統(tǒng)，根據(jù)其功能可簡單分為：FAS(防災(zāi)報警系統(tǒng))、TSIS(行車安全監(jiān)測系統(tǒng))、SCADA(監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng))、BAS(環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng))。它們分布在城市軌道交通沿線、車站和調(diào)車場等地方，利用各類通信網(wǎng)絡(luò)，將有關(guān)信息送至控制中心。WSN在軌道交通中的具體應(yīng)用前景和需求2.6 車輛運行狀態(tài)監(jiān)測要保證列車安全、快速、高效地運行，必須有一個完整、相對獨立的診斷系統(tǒng)。列車故障診斷系統(tǒng)是城市軌道交通行車安全保障體系的重要組成部分，可提高列車運營安全性及車輛利用率，還可優(yōu)化運行管理。我國的列車故障診斷技術(shù)仍處于探索研究階段。在SS4B、SS8型電力機車上我國自主開發(fā)了具有監(jiān)測、記錄和顯示功能的故障診斷系統(tǒng)，但還是一種以繼電保護(hù)為基礎(chǔ)的故障診斷系統(tǒng)，而且沒有把診斷對象看成一個有機的整體，也未能有效地考慮多故障同時發(fā)生和各種故障之問可能存在的相互聯(lián)系及影響。目前正在探索數(shù)據(jù)融合技術(shù)在列車故障診斷系統(tǒng)中的應(yīng)用，使各獨立的故障形成一個整體，以提高整個系統(tǒng)的容錯性、魯棒性、可靠性。TSIS是ATC(列車自動控制系統(tǒng))的主要組成部分。TSIS主要包括列車識別與跟蹤、列車軌道態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)、軌旁信號設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)、列車防護(hù)系統(tǒng)和列車設(shè)備安全監(jiān)測系統(tǒng)。各個系統(tǒng)功能如下。（1)列車車次號自動識別與自動追蹤：根據(jù)當(dāng)日列車計劃運行時刻表確定的列車車次號，車地信號交流后系統(tǒng)完成列車自動識別。根據(jù)列車在線運行的位置、進(jìn)路狀態(tài)等信息實現(xiàn)全線列車的自動追蹤運行，列車車次號顯示及列車進(jìn)人、駛出管轄區(qū)的車次號自動移位。（2)列車運行軌道狀態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)：根據(jù)傳感器和監(jiān)控設(shè)備監(jiān)測軌道上是否有阻礙列車正常運行的隱患，包括軌道上是否有異物、道岔是否到位，以及根據(jù)電流和電壓判斷軌道電路是否正常。（3)軌旁信號設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)：軌旁設(shè)備包括信號燈、為ATC服務(wù)的地面設(shè)備(包括應(yīng)答器、軌問電纜和道岔設(shè)備的交流電機)等。軌旁設(shè)備是實現(xiàn)自動駕駛的基本保障，因此必須保證其完整性。監(jiān)測系統(tǒng)對管轄區(qū)內(nèi)的各種信號設(shè)備的工作狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視和監(jiān)測。信號設(shè)備一旦檢測到故障信息，立即傳送至控制中心，并在相關(guān)調(diào)度員工作站或維修工作站上給出報警及故障源提示，并對故障發(fā)生的地點、時問、內(nèi)容進(jìn)行記錄。行車調(diào)度員應(yīng)確認(rèn)故障狀態(tài)、故障恢復(fù)情況及時問。（4)列車防護(hù)系統(tǒng)：主要是為工作人員提供列車靠近時告警信息。當(dāng)在線路上進(jìn)行施工或維修時，需設(shè)置安全防護(hù)帶。列車接近安全防護(hù)帶時，報警裝置將發(fā)出尖銳的報警聲音，同時向列車控制中心傳遞信息，告知前方有工作人員，避免出現(xiàn)運行事故。2.7 車道空間占用率與擁堵期望值設(shè)城市共有n條車道，雙向車道獨立對待，多車道換算成單車道，車道與交叉道El按安置傳感器網(wǎng)絡(luò)匯聚節(jié)點將檢測到駛?cè)牒婉偝雒恳卉嚨赖能囕v的車長、數(shù)量和速度等信號，無線接入互聯(lián)網(wǎng)，傳送到交通控制中心，通過模式識別和計數(shù)，算出每條車道上實時的車輛數(shù)，通過調(diào)用路網(wǎng)數(shù)據(jù)庫信息，算出每個路段的空間占用率SOC(space occupan，cy) ，比較SOC的擁堵參數(shù)，通過信息發(fā)布，發(fā)出路段擁堵信息，供出行者參考此外，根據(jù)實時的SOC參數(shù)，給出各個路段的車速參數(shù)，當(dāng)接到需要推薦最佳行車線路的請求時，計算離目的地最近的3條參考路線的行車時間，供需求者參考具體計算模型如下，設(shè)：d (i=1，2，n)為城市第i條車道的長度；bi()(i：l，2， )為在t時刻城市第i條車道上的實時的車輛數(shù)； (r=1，2，b (t)為車道i上每一車輛的車長；At為采樣時間；p ( )為在時間 內(nèi)駛?cè)胲嚨纈上的車輛數(shù)；L ( =1，2，P (f) 為駛?cè)胲嚨纈各車的長度；q (f)為在時間內(nèi)駛出車道i上的車輛數(shù)；L (k=1，2，q ( )為駛出車道i各車的長度，那么在t時刻第i條車道上的空間占用率是： bi(t)SOC(t)= d (1)在t+f時刻第i條車道上的空間占用率是：6 (I) p(at) (t)SOC (f+f)=(厶，+ 一 )d (2)這樣，在t+At時刻在道路i 上的擁堵期望值是：hi(t) pi(t) (t) bi(Orh(f+ )=( + 一 )L (3) 根據(jù)車道的SOC值，通過信息發(fā)布，讓出行者了解路網(wǎng)的通行狀況，避開高SOC的路段；結(jié)合31節(jié)中的車輛跟隨邏輯模型，依據(jù)SOC計算有關(guān)路段的平均車速；根據(jù)相鄰兩次采樣的SOC，計算SOC的變化率，作為期望估計(結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)等智能算法，做必要的期望值優(yōu)化估計)，估計車輛從當(dāng)前位置到達(dá)目的地的最短3 條路徑所需要的時間，供司機作選擇路徑參考，引導(dǎo)車輛朝最佳路徑行駛，以及實現(xiàn)交通智能控制的目的等2.8 ITS 的無線傳感器2.8.1 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)點組成一個自組織的多跳網(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)點與每個臨近的匯聚節(jié)點組成星型網(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)點上。網(wǎng)關(guān)節(jié)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(nèi)，通過信號控制器的專有網(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)點可以集成再交叉路口的交通信號控制器內(nèi)，專用傳感器終端節(jié)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(jié)點動態(tài)加入傳感器網(wǎng)絡(luò)。圖3 用于智能交通信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)2.8.2 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)點可采用非接觸式地磁傳感器來定時收集和感知區(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(jié)點。當(dāng)下一個節(jié)點感應(yīng)到該車輛時，結(jié)合車輛在兩個傳感器節(jié)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(jié)點將各自采集并初步處理后的信息通過匯聚節(jié)點匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點，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，從而為路口交通信號控制提供精確的輸入信息。通過給終端節(jié)點安裝溫濕度、光照度、氣體檢測等多種傳感器，還可以進(jìn)行路面狀況、能見度、車輛尾氣污染等檢測。圖4 用于交通信息采集的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)部署2.8.3 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在ITS 中的應(yīng)用實現(xiàn)智能公交系統(tǒng)中的公交優(yōu)先功能需要對現(xiàn)有交通信號控制器進(jìn)行改造。通過添加傳感器等輔助設(shè)備，交通信號控制器可以估算出公交車輛到達(dá)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(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。交通信號控制器的改造包括：（1） 車載無線通訊終端節(jié)點；（2） 交