無線傳感器網絡在智能交通系統中的應用

摘要： 無線傳感器網(WSN)綜合了嵌入式系統、無線通訊、微電子等技術，逐漸應用于智能樓宇與智能家居、醫療監護、工業監控等領域。本文介紹了無線傳感器網絡常用芯片和典型解決方案，及其在智能交通系統(ITS)中的典型應用。
關鍵詞： 無線傳感器網絡；智能交通系統；交通信息采集；智能公交系統

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，從而為路口交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交叉路口交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。