无线传感器网络在公路车辆测速上应用分析Word格式文档下载.docx
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但是国内智能交通系统的技术先进性和创新性还有待提高，特别是在信息的采集、应用以及系统软件方面和国外还有很大的差距。
而且智能交通系统在中国的发展还处在初级水准，未来还有众多领域有待开发，市场前景广阔，高速增长的态势在较长一段时间内持续爆发。
我们是交通类院校，各类专业紧密围绕交通主题开设，毕业论文将专业与交通结合，不仅是对所学专业知识的综合考验，更是交通精神和使命的体现。
同时，个人希望通过这篇论文进一步巩固和学习无线传感器网络的相关知识。
1.无线传感器网络概述
1.1网络概念
随着嵌入式计算、微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS）、无线通信等高科技技术的不断进步和日益成熟，低成本、低功耗、多功能的微型传感器得到了快速发展，其在微小的体积内能够集成传感器、嵌入式微处理器和无线收发器等器件，具备数据处理和无线通信的能力。
无线传感器网络由大量传感器组成，与互联网等网络不同，无线传感器网络的存在是为了完成一定的任务。
这些节点被密集部署在某个指定的地理区域内，通过无线通信和自组织方式形成多跳的无线网络，用来感知、采集、和处理所监测的区域内各种环境数据或目标信息，并将所采集感知的数据传送给监控中心或终端用户，协作的完成指定的任务。
通过采用不同种类的传感器，无线传感器网络可以测量速度、温度、亮度、噪声、压力湿度、等各种不同的物理信息。
如图1-1所示
监测区域
传感器节点
图1-1无线传感网网络结构
1.2关键技术
1）微机电系统技术
微机电系统技术是制造低成本、低功耗、微型传感器节点的关键技术。
在制造微米级机械加工技术基础上，通过采用高度集成工序，制造出各种机电零部件和复杂的微机电系统。
微型机械加工技术有很多种类，如平面加工、批量加工、表面加工等，他们采用不同的加工工序。
2）无线通信技术
无线通信技术是保证无线传感器正常运作的关键技术。
目前，无线传感器网络使用的国际通信协议标准主要有IEEE802.15.4和Zigbee两种，已得到业界普遍认可。
这两个标准规定了协议的不同子层：
IEEE802.15.4定义了物理层和媒体访问控制（MAC）层规范，Zigbee则定义了网络层和应用层规范。
3）硬件与软件平台
无线传感器网络的发展很大程度上依赖于是否能开发和研制出适用于传感器网络的低功耗、低成本的硬件和软件平台。
微机电系统技术，可以大大减少和降低传感器的价格和体积。
一方面，在系统软件的设计中采用能量感知技术，也能够大大提高节点的能量效率。
传感器节点的系统软件主要包括网络协议、应用协议和操作系统。
另一方面，能量感知技术和低功率电路与系统设计技术在硬件设计中采用可以降低节点的功耗。
1.3测速原理
1）高速公路上单节点车速检测
单节点的车速估计，最大的优越性是对道路车流量的检测，是一个估计值，与实际值有一定的差距，但是足以满足当前监控中心和自驾车用户的需求，尤其是要外出的驾车人想知道每条道路是否堵车等信息。
这样跟据需要我们只是对每个特定的道路进行车流量速度的检测，不需要知道某个特定的车辆速度，车速计算一般就是一段路程除以一定的时间。
如图1-2所示
L+2r
2r
2rL
图1-2单节点传感器示意图
预先设定通过节点的车辆长度L，实际检测的长度是车辆的长度加上检测直径2r，如图2-4所示。
然后利用检测到的车辆到达节点的时刻t1和离开节点的时间t2得到时间T=t2-t1,式（1-1）估计出车辆的速度v。
已知L——车辆长度；
r——检测区半径；
T——车辆经过时间；
（1-1）
估计的车辆与真实的车辆有一定误差，因此，节点对数据在网关处要被处理，每辆车经过节点都会有一个速度值，通过无线网络传输到网关。
由式（2-2）可以看出，在网关节点上需要对大量速度值进行处理，设定了一个车数量的最大值m，得到他们的算术平均值，这个平均值作为这条道路的车流量估计速度
。
（1-2）
式中m——车流的车辆数量
v——第一个车辆经过节点检测的速度；
i——道路车流量估计的速度。
2）双节点车速检测
高速公路的发展是城市交通发展的一个重要体现，然而，高速公路事故频繁发生，而发生交通意外往往是车速过快导致。
双节点车速检测是对具体某个车辆的检测，一般用于超速检测，提高检测的精确度显得至关重要。
因此，及时提醒驾驶员控制车速十分必要。
检测车速的原理是：
当有车辆经过时，前后两个传感器节点不同时间检测到车辆的波形，后一个时间减去前一个时间，并且两传感器节点之间距离已知。
因此，根据路程和时间的关系，可以计算出车辆经过两个节点的平均速度。
如图1-3是高速公路测速系统示意图。
图中检测器节点S1和S2被布设在行车道上，这段路之间距离为L。
检测器节点S1和S2输出的检测信号波形是基本相同的，所以S1与S2检测信号中判别跳变点之间的时间差即T
S1节点S2节点
车辆前进方向图1-3双节点传感器放置示意图
∆L
t1
t2
图2-1无线传感器网络测速系统图
大量的传感器按照道路行驶方向铺撒在道路上，间距为3到5米，在车道路中间直径5mm、高度15mm的圆柱形洞内，从监测区一直覆盖到最近的监控指挥中心。
首先，当公路上车辆进入网络监控区域时，引发在工作状态的普通无线传感器内磁场变化，并将变化的磁通量传给簇头，由簇头进行融合处理。
其次，簇头直接发给工作状态的汇聚节点，汇聚节点按照道路行驶方向将数据跳传给下一个节点，像接力赛一样，然后再传给下一个节点。
最后，将数据经无线网边界的应用层网关，传到互联网中，这样监控中心就收到了数据。
利用移动网络技术，将最终的数据发送到使用终端中。
如图2-1所示
2.2无线传感器
本文选用各向异性磁阻传感器（AnisotropicMagnetoresistive），下文简称AMR传感器。
AMR传感器的芯片HMC5883L，Honeywell公司研发的，它的主要原理是霍尼韦尔技术原理，具有一定方向的初始磁偏置，在外磁场作用下，两个阻抗一个变大一个变小，检测电路通过检测这一阻抗变化的差值，输出一个大小与外磁场成比例的检测电压。
AMR传感器具有一些简单的驱动电路、自检功能以及各种数字接口。
ARM感器节点由4个功能模块组成：
感知模块，处理模块、通信模块和电源模块，如图2-2所示。
感知模块由一个或多个传感器以模/数转
换。
传感器负责感知监测目标的磁通量，并产生相应的波形。
模/数转换器把将模拟信号转换为数字信号，并把转换后的信号传送给处理模块处理。
处理模块由一个微处理器和内存两部分组成，并控制传感器。
通信模块由数/模转换器和短距离无线收发器组成，负责发送、接受数据和控制信息。
电源模块负责节点的供电。
如图2-2无线传感器组成结构
2.3簇节构
无线ARM传感器网络，需要密集地部署在道路上面，同时指挥监控中心，需要准确地知道网络所在的测速区域，因此，选用GAF算法。
该算法根据节点的地理位置信息和节点的无线发射半径将网络部署区域划分为若干虚拟单元，各节点按照其位置信息被划分到相应单元格中在每一个虚拟单元格内，定期选举并保持一个节点作为簇头，代表本单元发表数据，其他节点进入休眠状态。
在GAF算法中，各节点之间装换关系如图2-3所示。
GAF算法通常分为两个步骤：
虚拟单元格划分阶段和虚拟单元格簇头选择阶段。
在虚拟单元格划分阶段，算法根据节点的位置信息和通信半径将整个网络划分为若干个虚拟单元格，并保证相邻单元格的任意两个节点都可以直接通信。
如图2-4所示。
在虚拟单元格簇头选择阶段，各单元格初始时都处于发现状态，按照各节点上述的转换规律，各节点将与本单元内的其他节点进行信息交换、以确定自己是需要处于簇头结点。
图2-3节点状态唤醒图
这种算法，簇头节点消耗的能量比较大，在下一次成为簇头节点的机率大大减小，从而能够有效地降低和均衡节点的能量消耗，显著延长网络时间。
与传统的无线自主网络不同的是，测速系统网络具有规模大，在一条道路上可能要加入几十甚至上百个节点；
节点资源有限，因为每个传感器的干电池电量有限；
拓扑结构变化频繁，随时有一些新节点的加入与消亡等特点，因此，合理有效的拓扑结构显得相当有必要。
无线传感网网络节点多、网络规模大、而且组网的难度大、网络传感器所处环境相对复杂。
高效、安全的网络，是我们不断探讨的话题。
整个网络系统的优化，充足持久的供电，信息路径的科学传送，都是需要考虑的。
簇头
节点图2-4簇结构示意图
2.4拓扑结构
网络拓扑结构是指由传输媒体互联所形成的网络节点的物理连接结构，无线传感器网络作为一种特殊的无线自主网络，同样需要有效的拓扑控制。
1）LEACH算法
协议分层路由的基本思想是将网络中的传感器节点分成多个簇，每个簇分为簇头和成员节点。
簇内成员节点的采集数据传送给簇头，簇头与其它簇头之间建立连接同路，按照这条通路将数据传送到节点。
LEACH（Low-EnergyAdaptive ClusteringHierarchy）协议，是一种低功耗自适应分层路由协议。
如图2-5所示。
汇聚节点
簇头
簇成员
图2-5LEACH协议的路由结构
LEACH协议通过本地协作方式分簇，为了使整个网络的数据量最小化发送，同时，网络的能耗要最少，其中就是，簇头间的能耗平衡，因此，簇头需要随机产生，实现延长网络生命的目的。
缺点是，在不同轮中产生的簇头数量可能相差大，并且分布不均衡，在一定程度上会影响网络性能。
2）PEGASIS协议
PEGASIS（Pow-EfficientGatheringinSensorInformationgSystems）协议在LEACH协议基础上提出的新的一种分层路由协议，它仍然采用动态选举簇结构，将网络中所有工作状态的节点形成一条链。
各簇头轮流成为链首，相邻汇聚之间数据按照协议，根据现实情况，传输方向即是道路方向，并且在传输过程中，数据仍然被无线传感器节点处理。
图2-6拓扑结构图
2.5网关
无线传感器网络与互联网融合有两种方式，一种是节点到网关；
另一种是，靠节点自身IP变化直接联网。
本文无线传感器网络与互联网的互联融合是在无线传感网的边界部署应用层网关，网关可以是一台功能强大的计算机，负责向终端用户提供无线传感器网络的视图。
在特殊场合，可以对Sink节点充电，提高网络使用时间。
如图2-7所示。
终端
Sink节点传感器
网关无线传感器网络关
图2-7基于应用层网关的无线传感器网络与互联网互联融合网络结构
3.无线传感网在公路车辆测速上存在问题分析与解决方法
同超声、红外等检测手段有很大的不同，地磁传感器检测根据车辆对地磁场的扰动变化，通过无线组网的方式对车辆检测，并且应用在主要交通要道上和红绿灯处。
无线传感器网作为这一种新的技术，自身还有很多要完善的地方和领域，利用无线传感器网络进行公路车辆测速，更是一种新的车辆测速技术，存在缺陷和不足。
3.1温度漂移弊端与解决方法
1）温度漂移弊端
电磁学中，变化的磁场的产生相应的电场，此传感器应用的就是这个道理。
同时，在公路上面，并排车辆的距离很近，多辆车共同经过时，旁边的车也在传感器的检测半径内，容易引起传感器误动作。
加上于传感器灵敏性的差异、车辆车型的不同、高速现场强电磁场的干扰，容易导致磁干扰与真实磁干扰强度有偏差。
干扰强度的大小，决定了系统的精确度，设法判别出干扰强比较弱的车辆是整个测速系统的基础与关键。
这里把一辆汽车作为一个大的铁磁性物体，如图3-1所示。
当汽车进入磁场内时，会干扰地球磁场。
传感器一般放置在含有铁磁性物质比较多的地方。
比如汽车的发送机和车轮部位，因为那里含有较高的铁磁性物质。
图3-1汽车在磁场内示意图
2）解决方法
解决这个问题的方法主要有两个：
—是研究周围环境要素，尤其是温度的对传感器的影响特征；
二是在无车辆的状态下自动更新基线、阈值。
本文采用后一种方法。
将传感器固定在车道中央，当有车辆经过时，它可以检测到磁场发生变化的车辆信号。
由此，通过对车辆地磁响应信号的分析可以获得道路车辆信出的息。
这里可以把地磁信号分成三种不同的信号，其一是地磁场的本地信号G（k）s，没有车辆经过时地球表面的磁场信号，其二是AMR传感器采集到受相邻道路的车辆的干扰或者是其他物体影响的干扰信号N（k）s，最后一种是车辆信号V（k）s，即车辆通过时对磁场的扰动信号。
AMR传感器在k时刻采集的信号M（k）s是背景磁场信号G（k）s和干扰信号N（k）s再加上车辆信号V（k）s共同叠加的信号，如式（3-1）所示。
M（k）s=G（k）s+N（k）s+V（k）s（3-1）
式子中M（k）s——传感器采集的地磁信号；
G（k）s——背景地磁场信号；
N（k）s——干扰磁场信号；
V（k）s——车辆扰动磁场信号；
根据式（3-1）可以看出，算法的最终目的就是提取车辆扰动地磁信号
V（k）s，经过各种运算得出车辆信息。
如图3-2车辆检测结构图可以看出，采集模块，用于实时采集目标地的原始三维地磁信号，并从所述原始三维地磁信号中获取基线数据；
滤波模块，用于对采集到的三种地磁信号进行滤波，并从中获得三维地磁信号数据；
检测模块，用于将所述三维地磁信号数据与基线数据做差值计算，若三个差值中至少有两个大于预设阈值，则将所述三维地磁信号判断为有车信号；
更新模块，对所述三维地磁信号基线数据进行更新。
其中，采集模块采用三轴各向异性磁阻传感器。
通过更新模块，虑掉其它信号，最终到所需的车辆信号
图3-2车辆检测结构示意图
3.2单节点测速结果误差与解决方法
1）单节点测速误差
因为单节点车速只是估计值，存在一定的误差。
加上每个检测节点的检测围不同所以车辆驶过节点的实际行驶路程计算比较麻烦，准确度并不高。
如下表3-3可以看出车辆在20km/h与30km/h之间单节点车速检测比较准确。
表3-3单节点车流量速度估计统计表
检测次数
检测速度（km/h）
实际速度（km/h）
1
14.30
9.85
2
18.20
16.93
3
24.42
25.60
4
26.68
26.50
5
28.61
29.01
6
35.02
38.02
如表3-3为单节点车速估计统计表。
单节点检测能够更加节能但是检测准确度的范围比较小。
但优点就是功耗比较很少，很稳定。
要达到更高的检测精度一般是使用多个节点进行车速的检测，通过过表3-3我们能够看出单节点的车速检测有一定的误差，由于车辆的长度不同，对地磁场的干扰也不一样，所以在单节点测量车流量速度上存在一定的误差。
已知，单节点测速L为车辆长度,r为检测区半径,T为车辆经过时间，就单独车辆测速而言，可以在传感器内加入RFID读写器，在车头出将车辆的信息，包括车主，车型等等注入到电子标签内，当车辆经过时，读写器会识别到车辆长度，这样不但提高L的精确度，而且还增加了车辆智能识别的功能。
同时，提高传感器内的磁场强度，当车辆经过时，中心磁场变化就会更加明显，这样采集到的波形更加准确，从而更加接近真实车速。
如公式1-2描述，整体车流的速度，取决于车速与采样次数，通过改进算法，提高采样频率，这样，单节点测车流的误差会大大减小。
4.无线传感器网络在公路车辆测速上优势分析
随着城市的发展和道路的建设,城市交通拥塞现象日趋恶化。
尤其是私家车数量的快速增长，进一步增加了城市交通压力，交通问题成为困扰人们的普遍问题。
传统地感线圈测速、图像监控分析测速、雷达测速已无法满足日益增长的道路交通测速需求，无线ARM传感网对汽车测速对于缓解道路交通压力，成为保障道路交通顺利通行的有效手段之一。
1）经济性
AMR传感器自身体积小、价格便宜，成本少利用无线传感器对汽车测速，相对之前的埋在道路下地感传感器、路口监控分析仪、雷达测速对汽车传感器，省去昂贵综合布线材料和人工费用，减少对道路的破坏，无需人工维护，大大降低成本，符合低碳环保的经济效益。
整个系统的管理费用、维护费用，都大大减少了，运营成本也减少了。
网络系统具有自我配置和自我修复的能力，也减轻了大量财政开支，节约资金，符合科学发展观的理念。
2）方便快捷性
传统的测速，需要大量布线，很长的工期，在一些临时紧急重要路段，传统方法效果甚微。
无线传感网，布置简单，随意敷撒在监控区域的道路表面即可，无需挖路布线，设备之间自动连接到无线网络，不仅降低了系统安装成本，更重要的是，避免了安装扰乱交通秩序。
3）系统联动性
在高速路口，利用单节点测速原理，当高速匝道入口拥挤时，发送报警信号给控制中心，直接联动封闭系统，智能实现道路临时封闭功能，省去大量人工在机器面前上岗执勤，从而实现智能分流。
结束语
近年来，智能交通系统（ITS，intelligenttransportationsystem）受到越来越多的国内外专家、学者和政府决策部门关注，对减缓交通拥堵的发挥很大作用。
随着无线传感器网络技术的不断发展，无线传感器网络将不断被创新性应用交通领域。
无线传感网测速，作为新的测速技术，将极大的推动现代交通水平的提高，提供交通引导建议，减少交通拥挤，给用户和相关部门部门带来便利。
但是，这项技术的大规模运用，还需要不断的研究和探讨，无线传感网测速存在能耗高、传输协议不统一、网络不稳定等等问题。
认真解决无线传感网测速的技术问题，还需结合交通应用的实际情况，组建稳定的测速系统，使无线传感网测速在现代智能交通中发挥更大的作用。
无线传感网测速技术的发展，必将推动全社会智能交通的进步。
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