基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的車流量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

王志秦

（唐山學(xué)院 信息工程系，河北 唐山063000）

0 引言

在國(guó)內(nèi)各大中型城市解決交通擁堵問(wèn)題的過(guò)程中，智能交通系統(tǒng)受到了廣泛關(guān)注。智能交通系統(tǒng)具有采集和分析處理交通信息、控制交通信號(hào)、引導(dǎo)車輛通行等功能，能夠有效緩解交通擁堵，實(shí)現(xiàn)節(jié)能環(huán)保。采集交通信息，尤其是主干道路的車流量信息是合理控制和引導(dǎo)車輛的基礎(chǔ)，具有重要研究意義。近年來(lái)隨著電子信息技術(shù)的快速發(fā)展，無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)為車流量檢測(cè)提供了新的技術(shù)手段［1］。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)具有成本低、便于大規(guī)模部署、維護(hù)方便、擴(kuò)展性能好、可分布式檢測(cè)和協(xié)同計(jì)算等明顯優(yōu)勢(shì)，系統(tǒng)效果優(yōu)于傳統(tǒng)的車流量檢測(cè)系統(tǒng)，是構(gòu)成智能交通系統(tǒng)的重要組成部分和發(fā)展方向［2］。

1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的車流量檢測(cè)系統(tǒng)

1．1 系統(tǒng)組成

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Networks，WSN）是由部署在檢測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過(guò)無(wú)線通信方式構(gòu)成的一個(gè)多跳自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，可以將覆蓋區(qū)域內(nèi)被感知對(duì)象的信息發(fā)送給觀察者。傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)通常包括傳感器節(jié)點(diǎn)、匯聚節(jié)點(diǎn)和管理節(jié)點(diǎn)［3］。

在車流量檢測(cè)系統(tǒng)中，傳感器節(jié)點(diǎn)部署在需要檢測(cè)車流量的道路上，這些節(jié)點(diǎn)能夠通過(guò)自組織方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，檢測(cè)到的車流量數(shù)據(jù)能夠沿著傳感器節(jié)點(diǎn)逐個(gè)跳躍傳輸，經(jīng)過(guò)多跳后傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，并通過(guò)有線、GPRS或其他通信方式送達(dá)管理節(jié)點(diǎn)。用戶可通過(guò)管理節(jié)點(diǎn)對(duì)該傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行配置和管理。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的車流量檢測(cè)系統(tǒng)是由設(shè)置于道路交叉路口的匯聚節(jié)點(diǎn)和遠(yuǎn)端的管理節(jié)點(diǎn)組成，系統(tǒng)的組成結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)安裝部署方式

在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的車流量檢測(cè)系統(tǒng)中，管理節(jié)點(diǎn)位于遠(yuǎn)端與智能交通系統(tǒng)的數(shù)據(jù)中心集成；檢測(cè)節(jié)點(diǎn)通過(guò)傳感器檢測(cè)路面上的車流量信息，這些節(jié)點(diǎn)大量離散分布于道路的路面上，自帶電池并通過(guò)低功耗運(yùn)行方式延長(zhǎng)使用時(shí)間；匯聚節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)建立協(xié)調(diào)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和處理匯聚的車流量信息，布置在道路的交叉路口附近，并由信號(hào)燈系統(tǒng)提供電源。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)的安裝部署方式如圖2所示。

圖1 車流量檢測(cè)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)圖

圖2 安裝部署方式

1．3 車流量檢測(cè)手段

傳統(tǒng)的車流量檢測(cè)方法主要有感應(yīng)線圈和視頻采集等方法。感應(yīng)線圈由于其原理簡(jiǎn)單而廣泛應(yīng)用于單點(diǎn)檢測(cè)，但是其安裝部署方法受到限制且成本較高，數(shù)據(jù)傳遞采用有線方式，不利于大規(guī)模分布式部署。視頻采集方法受到攝像頭采集效果和天氣、光線的影響，車流量檢測(cè)數(shù)據(jù)精度低。其他如紅外、超聲等檢測(cè)方法受成本和應(yīng)用的影響不適合大規(guī)模部署。

采用磁阻傳感器檢測(cè)車流量信息是一種有效的檢測(cè)手段。磁阻傳感器是利用磁性金屬在磁場(chǎng)中電阻變小的磁阻效應(yīng)來(lái)測(cè)量磁感應(yīng)強(qiáng)度及磁感應(yīng)強(qiáng)度的水平分量和垂直分量的傳感器，由于它體積小、靈敏度高、易安裝等特點(diǎn)，在弱電磁場(chǎng)測(cè)量方面有廣泛的應(yīng)用前景。目前絕大多數(shù)車輛都是由鋼鐵構(gòu)成，當(dāng)車輛經(jīng)過(guò)時(shí)，會(huì)對(duì)地球磁場(chǎng)產(chǎn)生較大的影響，通過(guò)磁阻傳感器可感知車輛通過(guò)的信息，從而形成對(duì)車流量的檢測(cè)。

2 車流量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)

車流量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)是整個(gè)系統(tǒng)中重點(diǎn)設(shè)計(jì)的環(huán)節(jié)，該節(jié)點(diǎn)的性能決定了最終車流量檢測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)使用壽命。針對(duì)道路車輛運(yùn)行信息檢測(cè)的特點(diǎn)和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，決定采用基于ZigBee技術(shù)的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，使用超低功耗MSP430系列微控制器，ZigBee射頻收發(fā)器，利用磁阻傳感器檢測(cè)車流量信息，并配以電源管理芯片和鋰電池，而且為延長(zhǎng)電池使用壽命，配有太陽(yáng)能電池和充電電路。系統(tǒng)的硬件原理如圖3所示。

圖3 硬件原理圖

2．1 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件總體結(jié)構(gòu)

檢測(cè)節(jié)點(diǎn)以MSP430系列超低功耗單片機(jī)作為系統(tǒng)的控制核心；磁阻傳感器檢測(cè)車輛信息并傳遞給 MCU，MCU對(duì)檢測(cè)信息做處理，并將需要發(fā)送的數(shù)據(jù)信息放入數(shù)據(jù)緩沖池；在系統(tǒng)喚醒的時(shí)間可將信息通過(guò)射頻收發(fā)器發(fā)送出去，MCU控制系統(tǒng)進(jìn)入和退出休眠狀態(tài)；鋰電池和電源管理電路負(fù)責(zé)為系統(tǒng)供電，太陽(yáng)能電池及充電電路可以在有光照時(shí)為鋰電池充電。車流量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 車流量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)硬件結(jié)構(gòu)圖

2．2 ZigBee網(wǎng)絡(luò)硬件組成

TI公司的MSP430系列微控制器是專為低功耗應(yīng)用而精心設(shè)計(jì)的超低功耗、16位RISC混合信號(hào)處理器，適合用于長(zhǎng)時(shí)間電池供電的場(chǎng)合。MSP430F5418A內(nèi)部集成了128 KB的FLASH，16 KB RAM，能夠支持較復(fù)雜程序的開(kāi)發(fā)，如ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。具備1．8～3．6 V的寬工作電壓范圍，0．5μA的待機(jī)功耗，靈活的時(shí)鐘選擇可使設(shè)計(jì)人員能靈活設(shè)定處理器速度與工作電壓，從而優(yōu)化電池的使用壽命，非常適合在低功耗ZigBee網(wǎng)絡(luò)中工作［4］。

TI公司的 CC2520是第二代ZigBee／IEEE802．15．4射頻收發(fā)器，應(yīng)用范圍包括工業(yè)監(jiān)視與控制、家庭與大樓自動(dòng)化、機(jī)頂盒、遙控和無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。它主要用于企業(yè)、科研與醫(yī)療等部門的2．4 GHz免費(fèi)頻段，具有較高的靈敏度和穩(wěn)定性，并可低電壓工作。應(yīng)用于典型系統(tǒng)時(shí)，CC2520只需搭配1顆微控制器芯片和數(shù)顆被動(dòng)零件。CC2520提供豐富的硬件支持電路，如封包處理、數(shù)據(jù)緩沖、爆發(fā)傳輸、數(shù)據(jù)加密、數(shù)據(jù)驗(yàn)證、凈信道評(píng)估（clear channel assessment）、鏈路質(zhì)量指示和封包時(shí)間信息，大幅減輕協(xié)調(diào)器控制器的作業(yè)負(fù)荷［5］。

2．3 磁阻傳感器電路

Honeywell HMC5883L是一種采用各向異性磁阻（AMR）技術(shù)表面貼裝并帶有數(shù)字接口的弱磁傳感器芯片，應(yīng)用于低成本羅盤和磁場(chǎng)檢測(cè)領(lǐng)域。傳感器帶有的對(duì)于正交軸低敏感的固相結(jié)構(gòu)能用于測(cè)量地球磁場(chǎng)的方向和大小，其測(cè)量范圍從1 mG到8 G。HMC5883L包括高分辨率HMC118X系列磁阻傳感器，該傳感器具有在軸向高靈敏度和線性高精度的特點(diǎn)。內(nèi)部附帶集成電路包括放大器、自動(dòng)消磁驅(qū)動(dòng)器、偏差校準(zhǔn)、12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，具有簡(jiǎn)易的I2C系列總線接口。Honeywell H MC5883L的磁傳感器在低磁場(chǎng)傳感器行業(yè)中是靈敏度最高和可靠性最好的傳感器［6］。

2．4 電源管理及太陽(yáng)能電池電路

系統(tǒng)采用鋰電池供電，并配以LDO電路，在系統(tǒng)采用低功耗工作時(shí)，系統(tǒng)電量能夠維持系統(tǒng)正常運(yùn)行2年以上，為了延長(zhǎng)系統(tǒng)工作時(shí)間，結(jié)合檢測(cè)節(jié)點(diǎn)在公路路面安裝的特點(diǎn)，加入小型太陽(yáng)能電池并配以充電電路為系統(tǒng)提供可充電電能。

3 車流量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件設(shè)計(jì)

在車流量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)議采用TI公司的免費(fèi)ZigBee協(xié)議棧Z－Stack。Z－Stack是一個(gè)多平臺(tái)、全功能的協(xié)議棧，提供了大多數(shù)任務(wù)事件處理函數(shù)，不需要大范圍地改動(dòng)Z－Stack協(xié)議的代碼，只需根據(jù)實(shí)際需要編寫應(yīng)用層的任務(wù)事件處理函數(shù)，將主要精力集中于信息處理程序。

3．1 磁阻傳感器信號(hào)處理

磁阻傳感器HMC5883L能夠?qū)，Y，Z三軸向的磁阻變化數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于片內(nèi)寄存器，MCU通過(guò)I2C總線可以讀寫到這些數(shù)據(jù)，并將這些數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于數(shù)據(jù)緩沖池。在系統(tǒng)應(yīng)用前對(duì)沒(méi)有車輛經(jīng)過(guò)時(shí)的本地磁場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行記錄并獲取其平均值，并根據(jù)車輛通過(guò)時(shí)的影響平均值設(shè)定數(shù)據(jù)的閾值范圍。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行后，讀取的數(shù)據(jù)與閾值范圍進(jìn)行比較實(shí)現(xiàn)對(duì)車流量的統(tǒng)計(jì)。

3．2 車流量檢測(cè)算法

車流量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采用休眠喚醒方式工作，休眠喚醒時(shí)間周期短于100 ms，以城市道路車輛行駛速度60 km／h計(jì)算，普通車輛通過(guò)車流量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的時(shí)間長(zhǎng)于250 ms，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)足以檢測(cè)到車輛并完成信息處理。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)在喚醒工作狀態(tài)時(shí)，不斷檢測(cè)磁阻傳感器數(shù)據(jù)，如果發(fā)現(xiàn)車輛通過(guò)，則對(duì)通過(guò)的車輛計(jì)數(shù)，并將數(shù)據(jù)放于數(shù)據(jù)緩存池中，當(dāng)喚醒次數(shù)達(dá)到一定閾值，則將統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)總和集中發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)路段內(nèi)的數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，確定車流量信息。

3．3 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程

Z－Stack協(xié)議棧采用事件輪詢機(jī)制，系統(tǒng)初始化后按優(yōu)先級(jí)查詢是否有就緒任務(wù)事件，存在就緒任務(wù)事件則調(diào)用任務(wù)事件所對(duì)應(yīng)的處理函數(shù)，執(zhí)行完所有就緒任務(wù)事件后進(jìn)入低功耗模式。

匯聚節(jié)點(diǎn)上電后初始化協(xié)議棧，選擇合適的信道，允許ZigBee設(shè)備與其連接，并建立ZigBee網(wǎng)絡(luò)；檢測(cè)節(jié)點(diǎn)上電初始化后，進(jìn)行信道掃描，尋找周邊節(jié)點(diǎn)并與其建立連接。Zig－Bee網(wǎng)絡(luò)建立后，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)周期性采集車流量數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線信道傳送給匯聚節(jié)點(diǎn)。匯聚節(jié)點(diǎn)接收到各個(gè)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)匯總統(tǒng)計(jì)后，傳輸給管理節(jié)點(diǎn)并與智能交通系統(tǒng)數(shù)據(jù)集成。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)軟件流程圖如圖5所示。

圖5 檢測(cè)節(jié)點(diǎn)流程圖

4 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在一條雙向單車道上進(jìn)行，在兩條車道上交錯(cuò)布置10個(gè)車流量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)直線間隔距離15 m，匯聚節(jié)點(diǎn)置于道路一端，車流量數(shù)據(jù)集中顯示于匯聚節(jié)點(diǎn)配備的液晶顯示屏，測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 測(cè)試數(shù)據(jù)

實(shí)驗(yàn)表明，雖然由于車速、車輛變道、不按照車道行駛等原因會(huì)使檢測(cè)數(shù)據(jù)產(chǎn)生誤差，但是檢測(cè)數(shù)據(jù)與實(shí)際通過(guò)車輛數(shù)據(jù)之間的誤差很小，當(dāng)實(shí)驗(yàn)次數(shù)增加時(shí)平均數(shù)據(jù)誤差會(huì)逐漸減小。所以基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的車流量檢測(cè)節(jié)點(diǎn)能夠有效準(zhǔn)確地檢測(cè)車流量信息。

5 結(jié)論

本系統(tǒng)利用無(wú)線傳感器組網(wǎng)進(jìn)行車流量檢測(cè)，檢測(cè)節(jié)點(diǎn)利用磁阻傳感器感應(yīng)車流量信號(hào)，各節(jié)點(diǎn)構(gòu)成ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并將檢測(cè)信息發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)，供智能交通系統(tǒng)使用。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)大量離散分布于道路的路面上，可以全路段檢測(cè)車流量，檢測(cè)精度較高。檢測(cè)節(jié)點(diǎn)采用低功耗硬件配置，設(shè)計(jì)了電源管理電路使節(jié)點(diǎn)在休眠和喚醒的方式下工作，可以利用太陽(yáng)能電池充電，充分延長(zhǎng)檢測(cè)節(jié)點(diǎn)的在網(wǎng)工作時(shí)間。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢測(cè)車流量信息，具有安裝布線方便、易維護(hù)、工作穩(wěn)定、壽命長(zhǎng)的特點(diǎn)。

［1］ 仲元昌，蔡增增，趙貞貞，等．面向交通信息采集的智能無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)［J］．計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2012，48（24）：62－66．

［2］ 任亮亮．基于視頻識(shí)別和WSN的城市交通燈動(dòng)態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)［J］．電子世界，2012（4）：113－114．

［3］ 沙超，王汝傳，張悅．一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能交通系統(tǒng)［J］．傳感器與微系統(tǒng)，2012，31（10）：81－87．

［4］ 袁凌云，朱云，龍?chǎng)牧⒊桑植际綗o(wú)線交通監(jiān)控系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)［J］．計(jì)算機(jī)工程，2006，32（8）：249－251．

［5］ 馮勇平，張頔，羅嶸．一種低功耗無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)［J］．電子技術(shù)應(yīng)用，2009（4）：33－36．

［6］ 楊波，鄒富強(qiáng)．異向性磁阻傳感器檢測(cè)車流量的新方法［J］．浙江大學(xué)學(xué)報(bào)：工學(xué)版，2011，45（12）：2109－2158．