無線傳感網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的應(yīng)用分析

武漢船舶職業(yè)技術(shù)學(xué)院電氣與電子工程學(xué)院 張罡

智能交通即運(yùn)用信息化、智能化的技術(shù)手段，包括計(jì)算機(jī)、傳感器、自控制等技術(shù)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)自動(dòng)采集交通信息，有機(jī)整合交通信號(hào)控制、交通誘導(dǎo)、交通干預(yù)等系統(tǒng)，運(yùn)用計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)時(shí)監(jiān)管，確保交通系統(tǒng)有序運(yùn)行。智能交通系統(tǒng)構(gòu)建的過程中，首先要解決信息采集問題，可以構(gòu)建無線傳感網(wǎng)絡(luò)，運(yùn)用傳感器采集各個(gè)區(qū)域信息。目前來看，我國在這方面的研究較少，交通信息采集普遍采用比較常規(guī)的探測(cè)技術(shù)，包括微波、視頻、超聲波等，這些探測(cè)技術(shù)已經(jīng)逐漸無法滿足智能交通系統(tǒng)的發(fā)展需求，需要深入研究無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)提升智能交通系統(tǒng)的運(yùn)行效率和智能化水平。本文根據(jù)無線傳感網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的應(yīng)用特點(diǎn)，將巨磁阻傳感器的磁敏探測(cè)技術(shù)作為技術(shù)，分析了無線傳感網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的應(yīng)用方案。

1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)與智能交通的發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 無線傳感網(wǎng)絡(luò)發(fā)展現(xiàn)狀

現(xiàn)如今，智能化技術(shù)的應(yīng)用愈加廣泛，不僅提升了作業(yè)效率，同時(shí)也減少了人力成本的投入。在智能交通建設(shè)的過程中，應(yīng)該充分發(fā)揮無線傳感網(wǎng)絡(luò)的作用。所謂無線傳感網(wǎng)絡(luò)，就是在監(jiān)測(cè)區(qū)域中布置大量小型或微型傳感器，利用傳感器對(duì)環(huán)境、目標(biāo)對(duì)象的信息進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和感知，采用嵌入式系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的智能化處理，同時(shí)利用隨機(jī)自組織無線通信網(wǎng)絡(luò)，采用多跳中繼的方式向用戶終端傳遞感知信息，實(shí)現(xiàn)智能化管理、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。無線傳感網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用多種技術(shù)，包括傳感技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、分布式智能信息處理技術(shù)等。在該網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)研究的過程中，要不斷融合各種先進(jìn)的技術(shù)手段，包括納米材料、微細(xì)加工、系統(tǒng)芯片SOC設(shè)計(jì)等，從而達(dá)到集成化、網(wǎng)絡(luò)化、系統(tǒng)化等設(shè)計(jì)要求[1]。無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)長期無人值守，在各個(gè)行業(yè)和領(lǐng)域中都有廣泛的應(yīng)用前景，除了在智能交通中應(yīng)用，在生物醫(yī)療、防控反恐、國防軍事等領(lǐng)域中也發(fā)揮著巨大的優(yōu)勢(shì)作用。我國在無線傳感網(wǎng)絡(luò)方面的研究還處于起步階段，由于該技術(shù)有很高的應(yīng)用價(jià)值，所以我國十分支持該技術(shù)的研究，各個(gè)研究機(jī)構(gòu)、專家學(xué)者都積極參與該項(xiàng)技術(shù)的研究和分析。具體研究?jī)?nèi)容包括無線傳感器節(jié)點(diǎn)硬件設(shè)計(jì)、網(wǎng)絡(luò)路由技術(shù)、通信協(xié)議等[2]。在傳感網(wǎng)絡(luò)的研究方面，加州大學(xué)伯克利分校對(duì)傳感器位置進(jìn)行研究，運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)連通性技術(shù)進(jìn)行位置重構(gòu)，以此為基礎(chǔ)開發(fā)傳感器操作系統(tǒng)TinyOS。其他研究機(jī)構(gòu)也進(jìn)行了相關(guān)研究，包括無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境模擬分析、傳感器網(wǎng)絡(luò)簡(jiǎn)式結(jié)構(gòu)等；在傳感器節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)研究方面，目前已經(jīng)開發(fā)出Berkeley、MITuAMPs、InteliMote等平臺(tái)。不同應(yīng)用場(chǎng)合需要采用不同的傳感器節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)方案，雖然硬件大小、設(shè)計(jì)代價(jià)等方面不同，但普遍可以在TinyOS系統(tǒng)中應(yīng)用；在協(xié)議研究方面，提出了以談判類協(xié)議、多路徑類協(xié)議、定向發(fā)布類協(xié)議為基礎(chǔ)的路由算法。

1.2 智能交通發(fā)展現(xiàn)狀

在國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的過程中，交通問題不斷加劇，為改善交通問題，各個(gè)國家都大力投入人力、物力研究智能交通系統(tǒng)。在系統(tǒng)研究的過程中，根據(jù)交通發(fā)展需求，將信息、測(cè)量、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)手段應(yīng)用在交通領(lǐng)域中，構(gòu)建智能化人機(jī)交互系統(tǒng)，可以對(duì)交通運(yùn)輸進(jìn)行實(shí)時(shí)、精準(zhǔn)的監(jiān)控管理[3]。智能交通系統(tǒng)由多個(gè)系統(tǒng)組成，包括車輛定位系統(tǒng)、交通信息發(fā)布系統(tǒng)、交通視頻監(jiān)視系統(tǒng)等。其中，交通狀況探測(cè)、動(dòng)態(tài)控制、信息發(fā)布、運(yùn)行狀態(tài)評(píng)價(jià)是智能交通系統(tǒng)的四大功能，將交通數(shù)據(jù)采集作為核心探測(cè)功能，提供真實(shí)、精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)信息，為信號(hào)燈控制、司機(jī)駕駛行為監(jiān)管、交通事故現(xiàn)場(chǎng)響應(yīng)等工作提供準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)信息支持，保障交通規(guī)劃決策更加科學(xué)合理。

2 無線傳感網(wǎng)絡(luò)在城市交通管理系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 在交通環(huán)境監(jiān)測(cè)中應(yīng)用

無線傳感網(wǎng)絡(luò)可以監(jiān)測(cè)城市車輛和交通情況，利用傳感器監(jiān)測(cè)各個(gè)車輛，掌握車輛行駛速度、流量等參數(shù)，然后實(shí)時(shí)傳輸監(jiān)測(cè)結(jié)果，為各個(gè)管理部門提供數(shù)據(jù)和信息依據(jù)，便于各部門管理交通環(huán)境，有效控制交通違法行為，對(duì)緩解城市交通擁堵等問題有一定幫助[4]。例如，可以在電線桿上安裝傳感器，通過傳感器檢測(cè)車輛行駛速度、車牌等信息。其他節(jié)點(diǎn)路由運(yùn)用多跳自組網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，然后利用以太網(wǎng)給交通管理部門傳輸數(shù)據(jù)，便于監(jiān)控違規(guī)駕駛等行為。

無線傳感網(wǎng)絡(luò)具有無線傳輸?shù)墓δ?，同時(shí)具有實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的特性，所以可以將信號(hào)燈、路燈、交通標(biāo)志等交通設(shè)施組織在一起，構(gòu)成智能交通網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制各個(gè)交通設(shè)施。例如，可以在十字路口安裝無線傳感器，探測(cè)路口車流量，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)反饋給交通信號(hào)燈，然后通過算法計(jì)算信號(hào)燈切換頻率，合理調(diào)節(jié)車輛等候時(shí)間，避免長時(shí)間、大范圍擁堵。傳感器也具有報(bào)警功能，如果發(fā)生安全事故、違規(guī)行為，傳感器會(huì)及時(shí)傳輸信息并報(bào)警，確保交通安全性，使車輛行駛更加規(guī)范?？梢圆捎肕ICA2、MICAz等產(chǎn)品，滿足此類應(yīng)用需求。

可以在道路兩側(cè)安裝無線傳感器，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)交通自然環(huán)境，包括路況、積水、粉塵、噪聲等，既可以保障交通安全，也可以滿足環(huán)保要求。例如，可以在道路兩側(cè)安裝傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周圍噪聲、粉塵、CO2等參數(shù)變化，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，為環(huán)境監(jiān)測(cè)、交通管理等部門提供準(zhǔn)確的工作依據(jù)[5]。

此外，在地鐵、車站、機(jī)場(chǎng)等公共交通環(huán)境中，無線傳感網(wǎng)絡(luò)也發(fā)揮著重要的監(jiān)測(cè)作用，可以監(jiān)測(cè)和管理人流量，同時(shí)也可以預(yù)防恐怖活動(dòng)。例如，在人流量較大的公共交通樞紐位置設(shè)置無線傳感網(wǎng)絡(luò)，通過傳感器監(jiān)測(cè)環(huán)境參數(shù)，如果發(fā)生火災(zāi)、毒氣釋放、爆炸等事故，傳感器會(huì)第一時(shí)間報(bào)警，并向控制室傳輸數(shù)據(jù)信息，為值班人員實(shí)施處理措施提供依據(jù)。

2.2 在高速公路系統(tǒng)中應(yīng)用

在智能交通系統(tǒng)建設(shè)的過程中，高速公路是十分重要的建設(shè)內(nèi)容，可以在高速公路系統(tǒng)中應(yīng)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)，為車輛和路況監(jiān)測(cè)管理提供技術(shù)支持。例如，可以結(jié)合RFID技術(shù)，在高速公路收費(fèi)系統(tǒng)中應(yīng)用，在車輛靠近時(shí)發(fā)出警報(bào)，并且精準(zhǔn)識(shí)別車輛信息，將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋給管理系統(tǒng)[6]。在無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用下，RFID技術(shù)得到優(yōu)化，突破了空間上的局限性，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停車收費(fèi)，可以節(jié)省人工成本。在路況監(jiān)測(cè)的過程中，可以利用傳感器獲取路面信息，包括溫度、濕度、平整度等，同時(shí)監(jiān)測(cè)車輛行駛速度，并且將數(shù)據(jù)傳輸給管理部門，確保管理部門可以及時(shí)發(fā)現(xiàn)高速公路中的違章行為、安全隱患，然后采取有效的管理或預(yù)防措施。

2.3 在智能停車場(chǎng)中應(yīng)用

在停車場(chǎng)智能化管理模式中，可以利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)提升智能化管理水平，真正實(shí)現(xiàn)無人管理、智能服務(wù)?？梢栽谕＼噲?chǎng)內(nèi)部安裝傳感器，既可以感知車輛進(jìn)出情況，也能確認(rèn)車輛是否進(jìn)入車位，并且向中央系統(tǒng)反饋信息，自動(dòng)統(tǒng)計(jì)停車場(chǎng)中的空閑車位，為車輛尋找車位提供便利，同時(shí)也可以避免沒有停車位后依舊有車輛進(jìn)入，進(jìn)而造成停車場(chǎng)內(nèi)部堵塞的情況。也可以結(jié)合RFID技術(shù)，利用傳感器對(duì)場(chǎng)內(nèi)車輛停留狀態(tài)、時(shí)間進(jìn)行監(jiān)測(cè)感知，在出口位置設(shè)置收費(fèi)點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)。

2.4 在無人駕駛汽車中應(yīng)用

現(xiàn)如今，我國積極開展無人駕駛系統(tǒng)研究工作，可以利用無線傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行無人駕駛監(jiān)控，實(shí)時(shí)傳輸行駛數(shù)據(jù)和各項(xiàng)參數(shù)，可以確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

3 無線傳感網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的應(yīng)用

3.1 傳感器網(wǎng)絡(luò)體系結(jié)構(gòu)

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過程中，首先要構(gòu)建完整的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，以傳感器節(jié)點(diǎn)和匯聚節(jié)點(diǎn)為主要構(gòu)成部分[7]。傳感器節(jié)點(diǎn)可以在監(jiān)測(cè)區(qū)域部署，采用自組織的方式構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，在采集數(shù)據(jù)后，利用多跳路由將數(shù)據(jù)信息傳輸?shù)絽R聚節(jié)點(diǎn)，最后向管理系統(tǒng)傳輸，對(duì)數(shù)據(jù)處理完之后配置網(wǎng)絡(luò)。

傳感器節(jié)點(diǎn)和匯集節(jié)點(diǎn)可以構(gòu)成微型嵌入式系統(tǒng)，但對(duì)比兩個(gè)節(jié)點(diǎn)，前者的處理、通信等能力比較薄弱，且采用電池供電的方式，可以提供的能量有限。后者可以連接外部網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)通信協(xié)議轉(zhuǎn)換，并且不需要使用電池，可以保障能量供給充足[8]。傳感器模塊負(fù)責(zé)采集和轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)，主要分為兩個(gè)部分，一部分是傳感器;另一部分是ADC/DAC模塊。控制模塊可以控制所有傳感器節(jié)點(diǎn)，也能控制各項(xiàng)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，可以采用低功率單片機(jī)作為控制單元。在智能交通系統(tǒng)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的最典型案例，就是在1995年，美國交通部提出的“國家智能交通系統(tǒng)項(xiàng)目計(jì)劃”。我國在這方面研究時(shí)，可以參考該項(xiàng)目?jī)?nèi)容，結(jié)合國內(nèi)實(shí)踐研究的情況，保障應(yīng)用的合理性和有效性。

3.2 檢測(cè)器通信協(xié)議設(shè)計(jì)

在無線傳感網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用的過程中，要充分發(fā)揮車輛檢測(cè)器的作用。為此，必須做好通信協(xié)議設(shè)計(jì)。受到傳輸介質(zhì)差異的影響，傳統(tǒng)CSMA/CD與CSMA/CA的工作方式不同。前者利用電纜的電壓變化進(jìn)行檢測(cè)，在數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程中，如果出現(xiàn)碰撞的情況，電壓會(huì)發(fā)生變化；后者利用空氣作為傳輸介質(zhì)，接入機(jī)制采用沖突避免的形式[9]。該協(xié)議在判斷信道是否空閑時(shí)，采用能量檢測(cè)的方式。在車輛檢測(cè)器MAC協(xié)議設(shè)計(jì)的過程中，要分析非堅(jiān)持CAMA/CA。以能量檢測(cè)來說，就是利用接收端接收信號(hào)能量大小進(jìn)行判斷，如果功率超過一定值，則說明用戶占用信道，否則非占用。在IEEE802.15.4CSAM/CA機(jī)制中，網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器會(huì)發(fā)出信標(biāo)，傳感器節(jié)點(diǎn)獲取信標(biāo)，然后傳送給基站。由于在相同時(shí)間內(nèi)只能一個(gè)節(jié)點(diǎn)向基站傳輸信息，所以傳輸節(jié)點(diǎn)利用CSMA/CA機(jī)制進(jìn)行競(jìng)爭(zhēng)，最終確定哪一個(gè)節(jié)點(diǎn)可以獲取傳輸媒體使用權(quán)[10]。所以，如果節(jié)點(diǎn)準(zhǔn)備傳輸數(shù)據(jù)，會(huì)對(duì)無線傳輸媒體進(jìn)行監(jiān)測(cè)，確認(rèn)其他設(shè)備是否使用，如果處于空閑狀態(tài)，則節(jié)點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)倒退延遲時(shí)間，用來錯(cuò)開各個(gè)節(jié)點(diǎn)，避免同時(shí)傳輸產(chǎn)生碰撞。如果目前沒有信道處于忙碌狀態(tài)，則監(jiān)測(cè)為空閑之后，會(huì)進(jìn)行CSMA/CA競(jìng)爭(zhēng)。

3.3 檢測(cè)器軟件流程設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)也是十分重要的環(huán)節(jié)，檢測(cè)軟件應(yīng)該具備初始化、AD采集、電壓調(diào)整、射頻、算法等模塊。初始化模塊可以完成初始化操作，包括建立MSP430單片機(jī)時(shí)鐘、初始化I/O口等，AD采集模塊可以轉(zhuǎn)換二級(jí)放大輸出信號(hào)的模數(shù)；射頻模塊可以控制檢測(cè)器和中繼器，確保傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。在模塊設(shè)計(jì)的過程中，應(yīng)該先明確具體的工作方式。主要分為兩種，分別是配置查詢和正常檢測(cè)。前者采用Uart口查詢檢測(cè)器參數(shù)或進(jìn)行配置[11]。兩種工作方式可以利用硬件跳線進(jìn)行切換，程序中會(huì)采用檢測(cè)單片機(jī)的引腳電平確定具體選擇哪種工作方式，在引腳為高電平的情況下，選擇配置查詢的方式，低電平則選擇正常檢測(cè)方式。AD采集模塊發(fā)揮著十分重要的作用，主要應(yīng)用在電壓調(diào)整、車輛經(jīng)過檢測(cè)等環(huán)節(jié)。在實(shí)際設(shè)計(jì)的過程中，要進(jìn)行模塊初始化和轉(zhuǎn)換。AD轉(zhuǎn)換采用單通道單次轉(zhuǎn)換的方式，將單片機(jī)內(nèi)部震蕩時(shí)鐘作為時(shí)鐘，電壓為3.3V，由于采用MSP430F1611單片機(jī)，所以模數(shù)轉(zhuǎn)換器的分辨率為12位。

4 結(jié)語

綜上所述，在智能交通發(fā)展的過程中，為提升系統(tǒng)的智能化水平，可以采用無線傳感網(wǎng)絡(luò)。具體來說，就是利用傳感器節(jié)點(diǎn)，對(duì)交通環(huán)境、車輛情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，及時(shí)掌握各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)，并向各個(gè)用戶端傳輸反饋，為交通管理、規(guī)劃決策提供更多數(shù)據(jù)和信息支持，解決交通擁堵等問題。

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