ZigBee智能交通系统Word格式.docx
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摘要
无线传感器网（WSN）综合了嵌入式系统、无线通讯、微电子等技术，逐渐应用于
智能楼宇与智能家居、医疗监护、工业监控等领域。
本文介绍了无线传感器网络常用芯片和典型解决方案，及其在智能交通系统（ITS）中的典型应用。
关键词：
无线传感器网络；
智能交通系统；
交通信息采集；
智能公交系统
一、课题背景
随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。
据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120万，另有数100万人受伤。
中国拥有全世界1.9%的汽车，引发的交通事故占了全球的15%，已经成为交通事故最多发的国家。
2000年后全国每年的交通事故死亡人数约在10万人，受伤人数约50万，其中60%以上是行人、乘客和骑自行车者。
中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180亿（人民币），死亡率为9人/万·
车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。
在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。
而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。
由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。
根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理（如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应），以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。
随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。
智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。
国外已经率先开展了智能交通方面的研究。
美国VII系统（vehicleinfrastructureintegration），利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。
其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。
目前发展的重点主要集中在2个应用上:
①以车辆为基础;
②以路边装置为基础。
欧洲主要是CVIS系统（cooperativevehicleinfrastructuresystem）。
它有60多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO组织统筹，从2006年2月开始到2010年6月，工作期为4年。
其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。
日本主要的系统是UTMS21（universal trafficmanagementsystemforthe21st century, UTMS21）。
是以ITS为基础的综合系统概念,由NPA（NationalPoliceAgency）等5个相关部门和机构共同开发的，是继20世纪90年代初UTMS系统以来的第2代交通管理系统，DSSS是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。
因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。
二、课题研究主要内容
智能交通系统（IntelligentTransportationSystem，简称ITS）是利用尖端的电子信息技术，形成行人、公路和车辆三位一体的新公路交通系统的总称。
我国现有的交通控制系统，相对于国外的发展具有较大的差距，这种落后的控制方式已经无法满足当前的交通运输的压力。
目前，我国的智能交通系统对车辆的检测大多采用环形线圈探测器、微波探测器、超声波和视频探测器等。
从性价比角度考虑，环形线圈探测器其技术成熟，检测精度高，可全天候的工作，但是安装时候需要切割地面，影响路面的寿命，目前主要应用在停车场内。
超声波和微波容易受到天气和障碍物的影响，造成误检。
视频探测是目前应用较多的检测方式，适用于城市交叉路口的交通控制，但易受恶劣气候的影响，夜间要求有路灯照明。
上述的交通控制系统普遍价格比较昂贵，需要有线的方式进行检测，只能够提供单一的十字路口的交通控制。
虽然汽车由于型号不同而具有不同的结构，但各类汽车中均含有大量的铁磁物质，尤其是汽车底盘均用铁磁材料制造而成。
汽车在行驶过程中会对周围的地磁场产生影响，有些汽车甚至可以影响到十几米以外的地球磁场。
将磁敏传感器置于道路两侧或路基之下的适当位置处便可感应到地磁场的变化，通过磁敏器件的输出信号可以判断出车辆通过的情况，从而实现对车流量进行监测。
因此本系统根据上述系统的弊端，提出了一种新的控制方式，采用无线传感器网络结合巨磁阻传感器来完成交通的智能控制，相临十字交叉路口处的无线传感器汇聚节点之间能够进行通信，提供了相对较多的数据冗余信息。
无线传感器网络作为新兴的测控网络技术,是能够自主实现数据的采集、融合和传输等应用的智能网络应用系统。
无线传感器网络使逻辑上的信息世界与真实的物理世界紧密结合,从而真正实现“无处不在”的计算模式，而且该系统具有体积小、成本低、便于安装的优点，能够全天候的工作，便于在交通部门进行推广和普及。
本系统选用灵敏度较高的巨磁阻传感器来完成对行驶车辆的检测。
系统的频率选择在2.4Ghz工作频段，该频段相对于433Mhz、868Mhz、915Mhz具有较宽的工作频带和较快的信号传输速率。
整套系统支持ZigBee协议，具有数据较验和冲突检测的功能。
该系统主要由无线传感器节点和无线传感器汇聚节点组成。
无线传感器节点是整套系统的基本组成部分，节点是整个系统的基本组成单元，节点电路的基本组成框图如图１所示：
图１ 无线传感器节点的基本组成框图
整个系统由微处理器、传感器单元、收发单元及供电单元组成。
微处理器使用LPC2138，它是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的32/16位ARM7TDMI-SCPU的微控制器，并内嵌32/64/128/256/512kB的高速Flash存储器。
128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行，对代码规模有严格控制的应用它具有高性能和低功耗的特性，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单的多。
传感器为磁阻传感器，由两个相距5-10cm的磁阻传感器，当有车辆通过时，传感器周围的地磁场发生变化，变化的磁场信号经过信号放大后经过A/D转换器后送入微处理器，处理器便立即启用定时器记录下车辆通过的时刻，然后开始采集后端传感器的输出信号，当检测到车辆后计时器停止计时。
重新开始车辆的计数工作，检测下一辆车，系统采用两个传感器能够判断车辆行驶的方向。
检测后的信息经处理后发送至收发单元，收发单元将检信号发送给无线传感器汇聚节点。
整套系统的设计原理框图如图２所示：
图２ 无线传感器网络智能交通控制原理框图
安装在道路边的无线传感器节点实时的检测检测车道上行经的车辆，并能够由远离信号灯的无线传感器节点实时的检测停留在车道上的排对车辆长度，传感器节点将监测到的信息实时的发送给无线传感器汇聚节点。
汇聚节点根据道路两边布置的传感器发送来的信息。
以路面的实际车辆长度为输入量，输出量为实际控制延长的绿灯时间，最终实现平面交叉口信号灯的控制。
收发单元则使用射频模块，在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；
交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。
在电磁波频率低于100khz时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于100khz时，电磁波可以在空气中传播。
射频则指具有远距离传输能力的高频电磁波，射频模块则是基于射频技术的可进行远距离传输的硬件设备。
三、发展前景与拓展
1、发展前景
据我中新专家研究，采用智能交通技术提高道路管理水平后，每年仅交通事故死亡人数就可减少30%以上，并能提高交通工具的使用效率50%以上。
为此，世界各发达国家竞相投入大量资金和人力，进行大规模的智能交通技术研究试验。
目前，很多发达国家已从对该系统的研究与测试转入全面部署阶段。
智能交通系统将是21世纪交通发展的主流，这一系统可使现有公路使用率提高15％到30％。
除了欧、美、日以外，新兴的工业国家和发展中国家也开始了智能交通系统的全面开发和研究。
韩国由交通部牵头制定了全面的智能交通系统框架结构和发展计划；
新加坡的城市道路电子动态收费系统应用最为成功，已成为居民生活不可分割的部分，目前，新加坡已经在全国开始推行不停车电子收费；
中东的一些国家也开始讨论本国智能交通系统的研究计划；
在香港，城市道路电子动态收费也已成功地试运行多年。
国务院出台的“四万亿计划”的效应将呈几何级数放大。
北京、上海、江苏、浙江、广东、河南、云南、山东等地近日不约而同推出了一系列举措。
地方投资主攻交通基础设施建设。
中国智能交通系统需求和发展前景广阔。
以不停车收费系统（ETC）的为例，日本不停车收费车载机的装机总数已经达到1776万台，利用率近70%，即收费交易中的70%是通过不停车收费系统完成的，在东京周边高速公路上利用率已经达到76%，可以说大部分的车都是用不停车收费系统来交费的。
ETC利用率达到50%时，收费站的拥堵大大缓解；
达到66%的时候，交通拥堵基本没有。
因此，智能交通设备行业市场前景广阔。
本产品所采用的巨磁阻传感器有着价格低廉、耐用性高、精度高、周遭环境适应性好的特点。
可迅速进入市场，并大量生产以代替传统的时控红绿灯系统已达到真正的交通只能红绿灯变换。
2、可拓展性
如图6、7，通过大量生产本产品可达到多个路口协同工作，应用神经网络算法从城市交通网络着手进一步提高其智能化程度。
通过数据库系统记录整个城市的交通状况并加以分析，使用最优化的手段来管理日益变化的大都市交通系统。
图6系统结构图
图7程序流程图
四、课题的详细设计
无线传感网促进智能交通的发展
智能交通系统（ITS）应用在城市交通中主要体现在微观的交通信息采集、交通控制和诱导等方面，通过提高对交通信息的有效使用和管理来提高交通系统的效率，主要是由信息采集输入、策略控制、输出执行、各子系统间数据传输与通信等子系统组成。
信息采集子系统通过传感器采集车辆和路面信息，策略控制子系统根据设定的目标（如通行量最大、或平均候车时间最短等）运用计算方法（例如模糊控制、遗传算法等）计算出最佳方案，并输出控制信号给执行子系统（一般是交通信号控制器），以引导和控制车辆的通行，达到预设的目标。
无线传感器网络是一种融合短程无线通讯技术、微电子传感器、嵌入式系统的新技术，逐渐被用于智能交通系统等需要数据采集与检测的相关领域。
基于IEEE802.15.4规范的ZigBee技术，具备以下良好特性：
1耗低，2节普通5号电池可支持一个节点工作6~24个月；
2组网能力强，网络最多可达个节点，并支持树状、星状、网状等多种
组网方式；
3输距离远，两节点室外传输距离可达几百米，在增加发射功率后可达几
千米；
④可靠性高，具备多级安全模式；
⑤成本低，开放的简化ZigBee协议栈，工作在2.4GHz免执照的ISM频段。
无线传感器网络具备优良特性，可以为智能交通系统的信息采集提供一种有效手段，可以监测路口各个方向上的车辆，根据监测结果，改进简化、改进信号控制算法，提高交通效率。
无线传感器网络可以应用于执行子系统中的控制子系统和引导子系统等方面。
例如可以应用该技术改进信号控制器，实现智能公交系统的公交优先功能。
用于ITS的无线传感器网络构建
如图1所示，在无线传感器网络结构中，安装道路两旁的汇聚节点组成一个自组织的多跳网状Mesh基础网络构架，交通信息采集专用的传感器终端节点与每个临近的汇聚节点组成星型网络进行通讯，最终的数据将被汇聚到网关节点上。
网关节点可以作为一个模块安装在交叉路口的交通信号控制器内，通过信号控制器的专有网络，将所采集到的数据发送到交管中心作进一步处理。
在无线传感器网络部署中，汇聚节点可以安装在路边立柱、横杠等交通设施上，网关节点可以集成再交叉路口的交通信号控制器内，专用传感器终端节点可以填埋在路面下或者安装在路边，道路上的运动车辆也可以安装传感器节点动态加入传感器网络。
图1用于智能交通信息采集的无线传感器网络结构
采用无线传感器网络进行交通信息采集
在交通信息采集中，终端节点可采用非接触式地磁传感器来定时收集和感知区域内车辆的速度、车距等信息。
当车辆进入传感器的监控范围后，终端节点通过磁力传感器来采集车辆的行驶速度等重要信息，并将信息传送给下一个定时醒来的节点。
当下一个节点感应到该车辆时，结合车辆在两个传感器节点间的行驶时间估计，就可估算出车辆的平均速度。
多个终端节点将各自采集并初步处理后的信息通过汇聚节点汇聚到网关节点，进行数据融合，获得道路车流量与车辆行使速度等信息，从而为路口交通信号控制提供精确的输入信息。
通过给终端节点安装温湿度、光照度、气体检测等多种传感器，还可以进行路面状况、能见度、车辆尾气污染等检测。
图2用于交通信息采集的无线传感器网络部署
无线传感器网络在ITS中的应用
实现智能公交系统中的公交优先功能需要对现有交通信号控制器进行改造。
通过添加传感器等辅助设备，交通信号控制器可以估算出公交车辆到达交叉路口的时间（旅行时间），计算出公交车辆在路口是否需要给予优先（可选择乘客数量作为优先权重），然后选择合适的优先控制策略，通过调整绿信比来优先放行公交车辆。
交通信号控制器的改造包括：
①车载无线通讯终端节点；
②交叉路口交通信号控制器上集成无线网关；
③用于公交车辆定位的终端节点；
④通过构建基于ZigBee的无线传感器网络可以实现上述功能。
当要临近路口时，车载ZigBee无线终端节点进行公交车辆信息广播，路边部署的无线传感器网络获取信息后，公交车辆定位的终端节点对其跟踪获取信息并汇聚到无线传感器网络网关节点上，通过内部连接最后信息传送给交通信号控制器，进行相应的优先处理。
网络节点和网关节点的设计
硬件部分
1主控模块
2传感器模块
3模拟现场
通过多辆装有铁磁物质的玩具车和四组LED阵列红绿灯以及我们的主控模块和传感器模块来模拟行车现场效果。
我们的作品也可模拟真是车辆运行，只需更换传感器模块的若干电阻以增大放大倍数去调节传感器的灵敏度来达到模拟真实车辆运行的目的。
Zigbee无线数据传输网络
Zigbee是一种高可靠的无线数传网络，类似于CDMA和GSM网络。
Zigbee数传模块类似于移动网络基站。
通讯距离从标准的75m到几百米、几公里，并且支持无限扩展。
本产品选用有着1.6公里通讯距离的产品。
Zigbee是一个由可多到65000个无线数传模块组成的一个无线数传网络平台，在整个网络范围内，每一个Zigbee网络数传模块之间可以相互通信。
与移动通信的CDMA网或GSM网不同的是，Zigbee网络主要是为工业现场自动化控制数据传输而建立，因而，它具有简单，使用方便，工作可靠，价格低的特点。
每个Zigbee网络节点不仅本身可以作为监控对象，例如其所连接的传感器直接进行数据采集和监控，还可以自动中转别的网络节点传过来的数据资料。
除此之外，每一个Zigbee网络节点（FFD）还可在自己信号覆盖的范围内，和多个不承担网络信息中转任务的孤立的子节点（RFD）无线连接。
应用Zigbee网络可以为城市的每一个节点安装本产品，使本产可以适应几乎所有复杂多变的路况。
网络节点软件功能设计
算法将每个十字路口看做一个节点，各个节点以道路连接成为类似神经网络的结构。
每个节点输入共分为三个部分：
第一部分为直接连接该节点的道路上开往该节点的车辆数目，本部分输入由巨磁阻传感器模块测量并发送至该节点的主控模块；
第二部分为相邻的各级节点开往该节点的车辆数目，本部分输入由相邻节点的主控模块统计并发送至该节点的主控模块；
第三部分为以往由该节点开往各个方向的车辆数目，本部分输入由该节点的主控模块从车流量数据库调出。
在计算红绿灯各个状态的持续时间时，主控模块将三部分输入进行加权，其权值按第一部分优先于第二部分，第二部分优先于第三部分进行分布。
其中第二部分中以距离该节点由近到远权值优先级递减的方式分布。
在实际操作时，各个部分权值需通过大量实验以及对道路状况的分析求得。
在ITS无线传感器网络的设计中，网络节点按照功能不同，需要分别进行设计。
终端节点、汇聚节点和网关节点的软件功能如图3所示。
终端节点安装不同的传感器用于运动车辆信息采集和道路信息获取等。
其功能实现可按照精简功能设备（RFD，ReducedFunctionDevice）标准来实现。
终端节点与汇聚节点按照星型网络组网，在固定时间点由睡眠状态醒来与汇聚节点主动通讯。
信息路由则交给父（汇聚）节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成，降低了节点功耗和软件实现复杂度。
汇聚节点是终端节点软件功能上的扩展，实现了扩展网络及路由消息的功能，允许更多重点节点接入网络。
可按照全功能设备（FFD，FullFunctionDevice）标准进行设计。
图3无线传感器网络节点软件功能
网关节点是网络中所需要的协调器，负责启动网络、配置网络成员地址、维护网络、维护节点的绑定关系表等，还负责将所采集的数据初步处理并交付交通信号控制器传输到上一级信息中心，需要较多存储空间、计算及通讯能力。
网络节点硬件功能设计现有较多的无线传感网解决方案，包括各芯片产商推出的单片机外接射频芯片和集成射频、微处理器的单芯片等。
在节点设计中较常采用的ZigBee射频芯片有Atmel的AT86RF230、TI的CC2530、Freescale的MC1319x和MC1320x、Microchip的MRF24J40等。
此外，芯片产商推出了单芯片解决方案，如TICC2530延用了CC2520芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器；
Freescale的MC1321x/MC1322x和Jennic的JN5121/JN513x单芯片解决方案等。
●基于TI的CC2530芯片和ARM单片机设计方案
在设计无线传感器网络网关时，需要较强的数据处理能力，用以实现复杂路由协议以及信息处理等。
如图5所示Crossbow的imote2节点采用了MarvellPXA271高性能、低功耗处理器。
该处理器使用动态电压调节技术，频率范围13MHz~416MHz，可工作于低电压（0.85V）低频率（13MHz）模式，具备了优良的动态电源管理技术。
此外，该处理器封装内集成三个芯片256KBSRAM，32MBFLASH以及32MBSDRAM，减小了体积。
通过提供多种I/O，能够灵活的支持不同种类的传感器。
该处理器还支持一个MMX协处理器，提高多媒体处理能力，可以用于无线多媒体传感器网络中的语音和图像处理。
Imote2使用TI的CC2420ZigBee射频芯片，支持2.4GHz、16通道250kb/s数据传输，发送功率-24～0dBm。
有效通讯距离是30米，可以通过SMA接口外接天线来增加传输距离。
图5Imote2系统结构
●节点设计其他考虑
在智能交通系统专用无线传感器网络节点设计时需要如下考虑：
①节点低功耗设计。
终端节点都是电池（可用太阳能蓄电池）供电。
②节点成本要低廉。
在进行大规模交通信息采集等部署时，节点成本将是项目关键。
③节点的数据处理及存储能力。
一些节点需要进行高速信息采集并且运行识别算法，所以需要数据处理能力。
还需要考虑在有限的空间之内存储程序、数据、以及支持代码在线更新等功能。
④此外，根据不同应用场合的需要，无线传感器节点要具有不同的传感器接口，能外接不同的传感器。
其中，能耗管理应该作为重点考虑。
特别是采用32位ARM处理器外接射频芯片的解决方案，需要有效降低节点能耗，需要在系统级软件上进一步改善能耗管理，例如优化TinyOS或嵌入式Linux电源管理功能。
五、心得和体会
这次的课程设计让我学会了很多东西，实验室的实验箱可以做特别多的测试，奈何时间有限，不过这次的结果我依然很满意，虽然在细节上处理不周到，但是这毕竟是我一个人独立完成的课设报告，很激动，很兴奋，不过缺点也是有很多，比如考虑不周全，细节处理不到位等等的一系列问题，通过这次算不上智能交通的智能交通系统，深深的了解了理论和实践之间的差距，我要努力的去克服，去弥补，将来要学习的东西还有很多，要努力完善已经发现的错误，无线传感器网络技术应用与研究得到更多关注。
本文结合智能交通系统中的典型应用，讨论了无线传感器网络的设计等问题。
随着技术发展与成熟，无线传感器网络技术可以在智能交通系统中更多关键性场合得到应用，例如电子收费、交通安全与自动驾驶、停车管理、交通诱导系统等，更进一步推动智能交通系统的发展。
六、参考文献：
1.孙利民、李建中、陈渝、朱红松编著，‘无线传感器网络’，北京：
清华大学出版社，
2005-5
2.ZigBeeAlliance,ZigBeeSpecificationv1.1,Nov.2006
3.黄武陵、何小庆、艾云峰，‘嵌入式系统电源管理软件比较’，电子产品世界，
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4.张豫鹤、黄希、崔莉，‘面向交通信息采集的无线传感器网络节点’，计算机研究与
发展，2008年45卷1期，第110-118页
5.李楠、韩波、李平，‘智能交通系统中无线传感器网络的应用’，机电工程，2007年
第24卷第10期，第85-87页
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