无线传感网络在智能交通中应用设计研究.docx

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无线传感网络在智能交通中应用设计研究

《无线传感器网络》实践课程

_________RFID________在智能交通中应用设计研究

姓名__许佳丽____________________

学号_138325135_________________

专业_计算机科学与技术（物联网）

日期__2016-06-16________________

科文学院

RFID在智能交通中应用设计研究

摘要

物联网被称为继计算机、互联网之后世界信息产业的第三次革命。

目前，美国、欧洲、日本等国家都投入了大量资金深入研究物联网技术。

我国也高度重视，物联网已经被提升为国家战略高度。

随着技术的发展，物联网的产业在各个领域都有着很好的应用，它将成为我国工业与信息化结合发展的焦点。

随着城市化进程加快以及人民生活水平的不断提高，停车难正成为影响城市交通的重大问题。

基于这种情况并根据物联网技术提出了智能停车管理系统，这套系统的应用极大的减轻了人们出行的压力，很好的解决了现代社会城市堵车及停车难的问题。

本文通过对基于物联网的智能停车系统的详细介绍，拟探讨如下几个问题：

一、深刻研究了现代社会城市堵车及停车难的问题，提出了利用物联网技术，把各种感应设备装入与空间地理位置相关的停车场，再利用互联网或GPRS等网络手段，结合地理信息系统可视化的特征及信息集成方式，把从感应设备上获取的信息映射在电子地图上，建立可视化的智能停车管理系统来解决停车难的方法。

二、通过对国内外物联网的发展现状、物联网的关键技术、重庆智能停车系统的研究，提出了智能停车系统的基于物联网技术的解决方案。

三、通过对智能停车管理系统发展现状的分析，探讨了今后一段时期物联网技术及智能停车管理系统的发展趋势。

为人们描绘了一个美好的前景，极大的提高了人们的幸福指数。

总之，物联网技术在智能交通领域重点应用，将会全面提升管控水平和信息服务水平，为交通领域提供技术支持，本研究具有重要的现实意义和参考价值。

关键词：

物联网，智能停车，智能交通

一、引言…………………………………………………………

1.1发展历史……………………………………………………

1.2关键技术…………………………………………………

1.3国内外研究现状……………………………………………

1.4意义…………………………………………………………

二、智能停车分析………………………………………………

2.1设备重要性…………………………………………………

2.2研究进展……………………………………………………

2.3技术评估……………………………………………………

2.4设计思路…………………………………………………………

三、智能停车设计………………………………………………

3.1硬件设计…………………………………………………………

3.2软件设计…………………………………………………………

四、结论…………………………………………………………

五、参考文献……………………………………………………

1、引言

1.1发展历史

伴随社会经济的高速发展，汽车工业的繁荣，我国汽车保有量屡创新高，同时道路交通系统也面临着严峻挑战。

能源利用率低、大气环境污染严重、道路安全事故频发、交通严重拥堵等问题日益突出，为我国经济发展带来负面影响。

急需有效方案来解决这些问题，构建一个既顺畅又安全，既高效又环保的交通系统。

20世纪后期，发达国家逐渐认识到，将信息技术、电子通信技术应用到交通领域，能有效缓解交通拥堵问题，且对交通安全、事故处理等方面产生重大影响。

最终集成了通信技术、信息处理技术、控制技术、射频技术、计算机技术的智能交通系统应运而生。

它的诞生使交通变得更加高效、安全和可持续发展。

不难发现物联网技术为实现ITS提供了关键技术支撑。

ITS通过各类传感器采集交通数据，感知交通车流量、交通基础设施状态、以及出行者行为信息等。

借助现有通信网络和智能信息处理手段实现交通信息传输、交通运输监控、管理。

ITS正是利用物联网技术实现了交通运输的智能化。

由于智能交通系统并存多种检测、通信设备，且采用不同网络传输交通信息，系统通信协议呈现多样性，严重后果是设备之间、通信网络之间不能实现互联互通，极大降低了系统性能。

网关是实现系统中各种网络的互联互通的关键设备，能够有效解决智能交通感知网络和公共网络之间通信困难的问题。

目前，传统网关技术相对成熟，但针对应用于智能交通领域的网关研宄较少，已提出的网关设计方案实现的功能单一、实用性不强，不能更好的解决智能交通系统对网关的功能需求。

因此，本论文提出并实现一种具有自组网络、多模接入、多协议转换的智能交通系统网关。

1.2关键技术

无处不在的物联网服务将会产生海量的数据信息，物联网通过射频识别、智能无线传感、视频识别、地理信息系统、数据库管理、网络通信等技术将产生的海量数据信息存储、客户关系管理、业务数据统计分析、客户数据挖掘、信息整合及商业价值的分析的核心环节进行自主运营。

在数据挖掘的基础上、生成新的、融合的物联网应用。

1.2.1射频识别技术

RFID（RadioFrequencyIdentification），即射频识别，是无线射频识别的英文缩写，俗称电子标签，是一种非接触式的自动识别技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境。

可识别高速运动物体，并可同时识别多个标签，操作快捷简便，因此“RFID技术”已经成为21世纪全球自动识别技术发展的主要方向。

RFID系统由电子标签、阅读器、无线三部分组成。

电子标签是射频识别系统的核心，是射频识别系统的真正载体。

它由耦合元件及芯片组成，每个标签具有唯一的电子编码，附着在物体上的标识目标对象；依据射频标签供电方式的不同，可以分为有源标签和无源标签。

阅读器用于产生发射无线电射频信号并接收由电子标签反射回的无线电反射信号，经处理后获取标签数据信息，有时还可以写入标签信息的设备，可设计为手持式或固定式。

阅读器的天线可以设置为内置或外置。

天线为标签和阅读器提供射频信号欧诺关键传递的设备。

在实际应用中，除了系统功率，天线尤其是标签天线的结构和环境因素将影响数据的发射和接收，从而影响系统的识别距离。

RFID技术的基本原理是利用射频信号或空间耦合（电感或电磁耦合）的传输特性，实现对物体或商品的自动识别。

射频识别是无线电频率识别的简称，即通过无线电波进行识别。

RFID技术的基础主要是大规模集成电路技术、计算机软硬件技术、数据库技术以及无线电技术。

1.2.2智能无线传感技术

智能无线传感技术综合了传感技术、嵌入式计算技术、现代网络技术、无线通信技术和分布式智能信息处理技术，将功能相同或不同的无线智能传感器构成网络化、智能化的传感器网络，大大提高了传感器的监测能力。

本系统中的智能无线传感技术利用车辆通过道路时对地球磁场的影响来完成车辆占位的检测，与目前常用的地磁线圈（又称地感线圈）及超声波检测器相比，具有安装尺寸小、灵敏度高、施工量小、使用寿命长，对路面的破坏小等优点。

1.2.3地理信息系统（GIS）技术

地理信息系统（GeographicInformationSystem或Geo－Informationsystem，GIS）有时又称为“地学信息系统”或“资源与环境信息系统”。

它是一种特定的十分重要的空间信息系统。

它是在计算机硬、软件系统支持下，对整个或部分地球表层（包括大气层）空间中的有关地理分布数据进行采集、储存、管理、运算、分析、显示和描述的技术系统。

地理信息系统处理、管理的对象是多种地理空间实体数据及其关系，包括空间定位数据、图形数据、遥感图像数据、属性数据等，用于分析和处理在一定地理区域内分布的各种现象和过程，解决复杂的规划、决策和管理问题。

地理信息系统（GIS）技术是近些年迅速发展起来的一门空间信息分析技术，在很多领域它发挥着技术先导的作用。

GIS技术不仅可以有效地管理具有空间属性的各种资源环境信息，对资源环境管理和实践模式进行快速和重复的分析测试，便于制定决策、进行科学和政策的标准评价，而且可以有效地对多时期的资源环境状况及生产活动变化进行动态监测和分析比较，也可将数据收集、空间分析和决策过程综合为一个共同的信息流，明显地提高工作效率和经济效益，为解决资源环境问题及保障可持续发展提供技术支持。

物联网中接入的大量的基础物理设备都具有空间点位信息，这是GIS最擅长的领域，显然，物联网系统是整合了GIS技术的，其实在已有的GIS应用中，已经可以看到物联网的端倪，比如智能停车管理系统中，停车场中有实时监控设备，通过网络连接在系统中，利用GIS平台显示和管理。

随着技术水平的不断提高和物联网的不断发展，GIS与GPRS的结合使交通运输业全面提升运营管理水平，实时保障运输安全成为可能。

GIS技术的信息管理系统为交通运输行业移动车辆和财产的管理提供了一个比较理想的解决方案，保证了整个运营链的最优化。

为了实现智能调度、可视化运输管理，很多企业建立了基于互联网的交通运输信息管理系统，从而实现对全公司所有车辆在全国各地移动过程中的感知、定位、追踪与智能调度管理。

社会的交通运输信息平台，也借助这一技术，对在途车辆提供在线管理信息服务，实现车辆的实时管理。

运用GIS技术，可以实现交通运输物联网的综合信息化管理，满足交通运输全天候、全方位、实时的跟踪管理，降低运输成本，提高运输效率，给整个运输行业带来一个质的飞跃。

（1）采用地图、数字、图像、文字、符号等手段记录邮政运输的业务流程；

（2）利用多种查询方式实现信息的可视化显示，从而实现邮政运输业务流程的信息

化和自动化管理；

（3）改变传统落后的调度模式；

（4）建立相应的数据库系统对车辆位置状态进行规范化、标准化；

（5）建立车辆监控和调度管理提供辅助决策。

1.2.4数据库管理系统

数据库管理系统（databasemanagementsystem）是一种操纵和管理数据库的大型软件，用于建立、使用和维护数据库，简称dbms。

它对数据库进行统一的管理和控制，以保证数据库的安全性和完整性。

用户通过dbms访问数据库中的数据，数据库管理员也通过dbms进行数据库的维护工作。

它可使多个应用程序和用户用不同的方法在同时或不同时刻去建立，修改和询问数据库。

DBMS提供数据定义语言DDL（DataDefinitionLanguage）与数据操作语言DML（DataManipulationLanguage），供用户定义数据库的模式结构与权限约束，实现对数据的追加、删除等操作。

数据库管理系统专门研究如何存储和管理所有类型的数据，其中包括地理数据。

DBMS使存储和查找数据最优化，许多GIS为此而依靠它。

相对于GIS而言，它们没有分析和可视化的工具。

1.2..5网络通信技术

网络通信技术（NCT:

NetworkCommunicationTechnology）是指通过计算机和网络通讯设备对图形和文字等形式的资料进行采集、存储、处理和传输等,使信息资源达到充分共享的技术。

通信网络技术中的通信网是一种由通信端点、节（结）点和传输链路相互有机地连接起来，以实现在两个或更多的规定通信端点之间提供连接或非连接传输的通信体系。

通信网按功能与用途不同，一般可分为物理网、业务网和支撑管理网等三种。

物理网是由用户终端、交换系统、传输系统等通信设备所组成的实体结构，是通信网的物质基础，也称装备网。

用户终端是通信网的外围设备，它将用户发送的各种形式的信息转变为电磁信号送入通信网路传送，或将从通信网路中接收到的电磁信号等转变为用户可识别的信息。

用户终端按其功能不同，可分为电话终端、非话终端及多媒体通信终端。

电话终端指普通电话机、移动电话机等；非话终端指电报终端，传真终端、计算机终端、数据终端等；多媒体通信终端指可提供至少包含两种类型信息媒体或功能的终端设备，如可视电话、电视会议系统等。

交换系统是各种信息的集散中心，是实现信息交换的关键环节。

传输系统是信息传递的通道，它将用户终端与交换系统之间以及交换系统相互之间联接起来，形成网路。

传输系统按传输媒介的不同，可分为有线传输系统和无线传输系统两类。

有线传输系统以电磁波沿某种有形媒质的传播来实现信号的传递。

无线传输系统则是以电磁波在空中的传播来实现信号的传递。

业务网是疏通电话、电报、传真、数据、图像等各类通信业务的网路，是指通信网的服务功能。

按其业务种类，可分为电话网、电报网，数据网等。

电话网是各种业务的基础，电报网是通过在电话电路加装电报复用设备而形成的，数据网可由传输数据信号的电话电路或专用电路构成。

业务网具有等级结构，即在业务中设立不同层次的交换中心，并根据业务流量、流向、技术及经济分析，在交换机之间以一定的方式相互联接。

支撑管理网是为保证业务网正常运行，增强网路功能，提高全网服务质量而形成的网络。

在支撑管理网中传递的是相应的控制、监测及信令等信号。

按其功能不同，可分为信令网、同步网和管理网。

信令网由信令点、信令转接点、信令链路等组成，旨在为公共信道信令系统的使用者传送信令。

同步网为通信网内所有通信设备的时钟（或载波）提供同步控制信号，使它们工作在同一速率（或频率）上。

管理网是为保持通信网正常运行和服务所建立的软、硬系统，通常可分为话务管理网和传输监控网两部分。

数据通信是计算机和通信相结合而产生的一种新的通信方式，它是各类计算机网络赖以建立的基础，数据通信网的发展已有30年的历史，在人类进入信息社会的过程中，数据通信正起着越来越重要的作用。

每个停车场、诱导系统、管理平台之间都是通过网络通信技术实现互通，通过标准TCP/IP协议将他们之间连接起来，另外服务器端和各停车场的客户端都需要基于GIS平台多种通讯方式的支持。

1.3国内外研究现状

1.3.1国外研究现状

美、欧、日是世界上经济发展水平最高的国家,也是世界上ITS开发应用的最好国家。

从它们发展情况看,ITS的发展,已不限于解决交通拥堵、交通事故、交通污染等问题,也成为缓解能源短缺、培育新兴产业、增强国际竞争力、提升国家安全的战略措施。

经余30年发展,ITS的开发应用已取得巨大成就。

美、欧、日等发达国家基本上完成了ITS体系框架,关键技术研发己取得突破性进展,并在重点发展领域大规模应用。

回顾ITS的发展,可以说,科学技术的进步极大地推动了交通的发展,而ITS的提出并实施,又为高新技术发展提供了广阔的发展空间,促进了高新技术开发和应用。

从世界ITS发展情况来看,ITS的研发应用大致经过了三个阶段：

一是起步阶段。

ITS发展史可追溯到上世纪六七十年代。

20世纪60年代后期,美国运输部和通用汽车公司研发电子路线诱导系统,利用道路和车载电子装置进行路、车之间的交通情报交流,提供高速公路网络线指南,尝试构筑路、车之间情报通讯系统。

但5年的研发和小规模试验后,便处于了停止状态。

1973年至1979年,日本通产省进行路、车双向通讯汽车综合控制系统研发。

欧洲原西德1976年进行高速公路网诱导系统研发计划,但在此期间因实用化技术难于实现及通讯基础设施费用过于庞大等原因,均未能实现实用化和市场化。

二是关键技术研发和试点推广阶段。

20世纪80年代的信息技术革命,不仅带来了技术进步,还对交通发展传统理念产生了冲击。

ITS起初为“IVHS”一智能车辆道路系统概念正式提出。

由此开始,美、欧、日等发达国家都先后加大了研发力度,并根据自己的实际情况确定了研发重点和计划,形成较为完整的技术研发体系。

在此阶段,各国通过立法或其他形式,逐渐明确了发展ITS战略规划、发展目标、具体推进模式及投资融资渠道等。

三是产业形成和大规模应用阶段。

美、欧、日等发达国家在推动ITS研发和试点应用的同时,从拓展产业经济视角,不断ITS促进产业形成,注重国际层面竞争,大规模应用研发成果。

如美国,参与ITS研发公司达600多家,其中半数以上为美国大型公司,包括航空和国防工业公司。

日本,在四省一厅联合推动ITS北京邮电大学硕士论文物联网技术在智能交通中的应用研发活动后,一直在加速ITS实际应用进程,积极推动如车辆信息通信系统（VICS）、电子收费系统（ETC）但等应用。

VICS系统己进入国家范围内实施阶段并迅速扩展。

1.3.2国内研究现状

从20世纪70年代末至今,我国交通事业快速发展。

各级交通部门充分发挥“后起国”优势,通过技术引进和自主创新,一些先进技术逐渐在中国部分大城市交通部得到应用。

虽然在整体规模和层次与世界发达国家还有不小差距,但部分领域技术水平已处于世界领先位置。

目前,我国社会经济发展水平仍处于工业化阶段,在向信息社会迈进的过程中,工业化任务还没完成,但信息化浪潮已扑面而来。

对交通系统而言,一方面要求大力建设交通基础设施满足交通出行基本要求,另一方面要发展ITS,使交通基础设施服务能力尽可能提高。

我国ITS的研究应用起步较晚,但发展处于蓬勃上升趋势,初步开展了ITS规划的研究并在部分城市试点建设。

规划和政策层面：

成立了国家层面协调机构并开展规划研究,在制定科技发展“九五”计划和2010年长期规划时,交通部就将发展列入计划,开展了ITS发展炸略研究。

1998年,在国家质量技术监督局指导下,交通部正式批准成立了ISO/TC204中国委员会,该委员会把推进中国ITS标准化作为主要任务。

国家有关部委已成立了全国ITS协调小组,并完成了“中国ITS体系框架”、“中国标准体系框架研究”、“智能运输系统发展战略研究”等一批关系中国发展的重点项目,还完成了重大“ITS关键技术开发和示范工程”。

技术层面：

上世纪70年代中至80年代初,主要试验研究城市交通信号控制。

80年代中至90年代初,一些大城市如北京、天津、上海引进消化了城市信号控制系统,北京引进了英国SCOOT系统,天津、上海引进了澳大利亚SCATS系统等。

90年代,一些大城市逐渐建设交通监控系统,一些高速或高等级公路建设监控及电子收费系统。

GIS、GPS等技术也在管理、运营等领域应用。

“十五”期间,科技部将“智能交通系统关键技术开发和示范”作为重大项目列入国家科技攻关计划。

该项目包括共性关键技术、关键产品和技术开发、ITS工程示范和相关基础研究四大类16个课题。

己验收课题,获国家发明专利23项,制定企业标准7项,建立跨省市国道主干线联网电子收费、高等级公路综合管理、城市交通信息采华与融合等示范点巧15个,车载安全装置等中试线3条,生产线4条,成果转让介同27项。

应该说,“十五”期间,我国ITS发展取得明显成效。

但各城市通设各子系统尚无法有效协同整合,集成度较低,技术上处于分隔独立北京邮电大学硕士论文物联网技术在智能交通中的应用状态。

投资层面：

“十五”期间,ITS投入逐渐加大。

据科技部统计,示范工程专项调动项目参与单位投入资金达巧15亿元以上,但投资主体主要是中央政府和地方政府。

我国的一些企业积极性也较高,但因缺乏总体协调机构和投资机制,政府与企业间沟通不够,ITS尚未形成IT业中重要产业。

1.4意义

智能交通系统,是一个基于现代电子信息技术面向交通运输的服务系统。

它是以完善的交通设施为基础,将先进的信息技术、数据通信技术、控制技术、传感器技术、运筹学、人工智能和系统综合技术有效地集成应用于交通运输、服务控制和车辆制造,加强车辆、道路、使用者三者之间的联系,从而形成一种定时、准时、高效的综合运输系统,从而使交通基础设施发挥出最大的效能,提高服务质量,使社会能够高效地使用交通设施和资源。

它的突出特点是以信息的收集、处理、发布、交换、分析、利用为主线,为交通参与者提供多样性的服务。

也就是利用高科技使传统的交通模式变得更加智能化,更加安全、节能、高效率。

智能交通之所以有巨大的发展潜力,是与我国的国情分不开的。

汽车能源消耗是我国当前转变经济发展方式所面临的一个突出问题。

当前,中国的石油消耗量仅次于美国,居全球第二。

2009年,中国原油进口量首次突破2亿吨,进口依存度高达56%；我国交通运输业的石油消耗量仅次于工业,占总消耗量的25%左右；同美国的每辆车每年消耗名吨燃油、欧盟的吨、日本的吨相比,中国高达吨,能源利用率较低在污染排放上,我国机动车氮氧化物排放量占排放总量的,一辆轿车一年排出的有害废气比自身重量大倍。

并且,我国城市交通拥堵已经日益严重,大约有的汽油是消耗在堵车的时候。

面对这些交通运输业带来的能耗、污染以及拥堵问题,发展智能交通是解决思路之一。

智能交通能够提高道路的使用效率,使交通堵塞减少约,使短途运输效率提高,使现有道路的通行能力提高两至三倍。

车辆在智能交通体系内行驶,停车次数可以减少,行车时间减少一,车辆的使用效率能够提高以上。

智能交通系统能够大幅降低汽车耗能。

汽车油耗也可以由此降低。

以中国万辆汽车保有量测算,每年可减小万吨汽油的消耗。

汽车油耗由此可以降低巧。

据测算,全国汽车发动机空转的时间每减少一分钟,就可以减少万吨汽油转化的废气排放。

推动智能交通,可使中国温室气体排放量减少一。

智能交通还能够有效减少交通事故。

二、分析

2.1设备重要性

2.2研究进展

2.3技术评估

2.4设计思路

2.1交通路口建模与智能优化

2.1.1单交叉路口建模

2.1.1.1相关术语介绍

为了便于论文的叙述，本节首先介绍下交通信号控制的一些专业术语交通信号灯于年出现在英国伦敦，它是由绿灯与红灯构成的两色信号灯。

后来美国纽约使用了世界上最早的红黄绿三色信号灯，后被世界各国普遍采用。

周期：

是指信号灯灯色变化一个循环所经历的时间，按目前国内大部分城市所采取的固定红绿灯时间的方案，信号周期是红、黄、绿灯时间之和。

绿信比：

是指在一个周期内，每个相位内的有效绿灯时间与周期之比。

一般用表牙、其中表示绿信比，表示周期时长，表示有效绿灯时长。

也常作为确定信号控制系统性能的重要指标。

饱和流量：

是指交叉路口在一个周期内，可以通过停车线的最大车流量。

车辆滞留量：

是指因车辆过多或绿灯时间不足，造成一个周期内没有通过的车辆。

它是判断控制系统好坏的一个重要指标。

相位：

是指在周期时间内按需求人为设定的，同时取得通行权的一个或几个交通流的序列组，它是对于一个交叉路口多方向交通流而言的。

一般情况下，在交叉路口中能形成一个交通流方向的绿波带称为一相。

只有先确定每个交叉路口红灯和绿灯的时间，然后才能确定相位。

例如一个十字交叉路口相位的确定。

先要测算流量，测算一段时间内，各个方向的交通流量以及最高峰流量，然后根据这些数据的规律来计算它们通过路口所需要的时间。

图所示的是包括两个相位的路口，其中相位为东西方向直行和右转弯，相位为右转弯和南北方向直行。

据统计，相位越多，交通秩序越好，但会造成交叉路口的利用率过低，所以我国大部分城市采用的是四个相位的做法。

2.1.1.2问题描述

当交通拥堵时，一般交警会在交叉路口指挥车辆通行，这种方式具有智能控制车辆行驶的特点。

如果有一种控制系统具有替代交警指挥的作用，就可以实现对单个交叉路口的智能控制。

本文根据这个思路，展开了下文的研究。

由于我国大部分城市的道路交通普遍采用四相位的做法，所以本文研宄的对象为双向六车道四相位的道路。

道路叉路口的相位布局如图所示，其中第一相位为东西方向直行和右拐弯。

第二相位为由西向北行驶的车道和由东向南行驶的车道所构成。

第三相位为南北方向直行和右拐弯。

第四相位为由北向东行驶的车道和由南向西行驶的车道所构成。

本文所建立的智能交通信号控制系统需要大量的实时数据，因此系统必须能够保证实时检测车流量（第四章传感器部分有详细介绍如何检测车流量，即能够实时检测将要通过的车辆、已离开的车辆等参数。

本文所建立的智能交通信号控制系统是以交叉路口的车流量