基于WSN的公路監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

王洪通, 金淑梅, 王 忠

（四川大學(xué) 電氣信息學(xué)院，四川 成都 610065）

0 引言

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Networks，簡稱WSN)被列為21世紀(jì)最有影響的21項(xiàng)技術(shù)和改變世界的10大技術(shù)之一。其在各行各業(yè)的應(yīng)用，如工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療監(jiān)護(hù)、煤礦監(jiān)控智能家居等都帶動(dòng)著新興短距離無線通信技術(shù)的發(fā)展。zigbee作為一種具有低成本、近距離、低功耗、組網(wǎng)靈活等特點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)被廣泛應(yīng)用[1]。

當(dāng)今公路安全問題已成為人們?nèi)找骊P(guān)注的焦點(diǎn)，現(xiàn)有交通監(jiān)控系統(tǒng)的局限性，已迫使人們研究一套更加完善的智能監(jiān)控系統(tǒng)來滿足快速發(fā)展的交通需求。

本文針對當(dāng)今公路狀況，通過系統(tǒng)分析和仿真測試，提出了基于 zigbee技術(shù)的公路監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，以及具體的軟硬件功能的實(shí)現(xiàn)。

1 zigbee整體概況

1.1 zigbee技術(shù)簡介

Zigbee一種基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的無線通信技術(shù)，其數(shù)據(jù)鏈路層與物理層的標(biāo)準(zhǔn)由IEEE 802.15.4制定，網(wǎng)絡(luò)層以上的則由zigbee聯(lián)盟制定[2]。

Zigbee具有以下特點(diǎn)[3]：

①數(shù)據(jù)傳輸速率低：10～250 kb/s的速率，滿足低速率數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用；

②功耗低：低功耗待機(jī)模式下，2節(jié)5號(hào)干電池可支持1個(gè)節(jié)點(diǎn)工作6～24個(gè)月；

③成本低：Zigbee數(shù)據(jù)傳輸速率低，協(xié)議簡單，因此成本大大降低；

④時(shí)延短：Zigbee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15 ms，節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30 ms；

⑤安全性高：Zigbee提供了數(shù)據(jù)完整性檢查和鑒權(quán)功能，在數(shù)據(jù)傳輸中提供了三級安全性；

⑥免執(zhí)照頻段：使用的頻段分別為 2.4 GHz、868 MHz及915 MHz。

1.2 zigbee的組網(wǎng)方式

Zigbee網(wǎng)絡(luò)中存在3種不同類型的設(shè)備[4]：網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器、全功能設(shè)備FFD及簡化功能設(shè)備RFD。Zigbee網(wǎng)絡(luò)至少由兩個(gè)設(shè)備組成，且至少有一個(gè)作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，一個(gè)RFD只能和一個(gè)FFD進(jìn)行通信，而一個(gè)FFD可與多個(gè)RFD或FFD通信。Zigbee網(wǎng)絡(luò)支持3種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)：星形、網(wǎng)狀和叢樹結(jié)構(gòu)。

2 監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)主要功能

系統(tǒng)主要功能如下：

①車速測量：當(dāng)路邊節(jié)點(diǎn)接收到車載節(jié)點(diǎn)發(fā)送的周期性廣播信息后記錄該時(shí)刻，同時(shí)立即喚醒和將該時(shí)間發(fā)送到下一節(jié)點(diǎn)，下一節(jié)點(diǎn)同時(shí)記錄車輛經(jīng)過的時(shí)間，并根據(jù)時(shí)間差和已知距離計(jì)算車速，其后節(jié)點(diǎn)依次計(jì)算車速，sink節(jié)點(diǎn)對車速統(tǒng)計(jì)求平均值；

②超速：將統(tǒng)計(jì)計(jì)算所得速度與預(yù)設(shè)的閥值比較，進(jìn)行超速判決；

③追尾：Sink節(jié)點(diǎn)通過車速和車輛在傳感網(wǎng)絡(luò)停留的時(shí)間，以及同一網(wǎng)絡(luò)內(nèi)停車的數(shù)量進(jìn)行追尾可能性判決及預(yù)警；

④路況及氣象信息的收集：將傳感器部署在sink節(jié)點(diǎn)，通過定時(shí)器，每隔一段時(shí)間對信息進(jìn)行采集，sink節(jié)點(diǎn)通過對多個(gè) sink節(jié)點(diǎn)接收的信息進(jìn)行數(shù)據(jù)融合和分析處理，將信息進(jìn)行發(fā)布[5]。

2.2 系統(tǒng)的硬件實(shí)現(xiàn)

傳感器節(jié)點(diǎn)的硬件平臺(tái)一般由以下幾部分組成：傳感模塊、處理控制器模塊、通信模塊和電源模塊組成,如圖1所示。

圖1 傳感器節(jié)點(diǎn)硬件平臺(tái)模塊

本方案根據(jù)特定的公路應(yīng)用以及對功耗與功能的矛盾分析，提出了由4類節(jié)點(diǎn)構(gòu)成得監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)：網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)、Sink節(jié)點(diǎn)、路邊節(jié)點(diǎn)、車載節(jié)點(diǎn)。

①網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)，實(shí)現(xiàn) zigbee網(wǎng)絡(luò)與外界網(wǎng)絡(luò)（3G和 TCP/IP）的連接，需要較強(qiáng)的數(shù)據(jù)處理能力，用以實(shí)現(xiàn)協(xié)議間的轉(zhuǎn)換，以及信息處理等。本方案中采用基于 TI的 CC2420芯片和 S3C2410處理器，該處理器是Samsung公司基于ARM公司的處理器核，采用0.18 um制造工藝的32位微控制器。

②Sink節(jié)點(diǎn)由于要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)融合、信息采集并判別和控制不同傳感器工作等功能，有隨時(shí)更換任務(wù)的需求，因此采用MSP430F1611單片機(jī)，MSP430系列單片機(jī)是TI公司推出的 16位系列單片機(jī)，具有極低的功耗、豐富的片內(nèi)外設(shè)和方便靈活的開發(fā)手段。

③其余節(jié)點(diǎn)采用chipcon公司的CC2430芯片，該芯片內(nèi)置了增強(qiáng)型8051MCU和CC2420,是真正SoC的CMOS解決方案,采用0.18 um CMOS工藝生產(chǎn),工作時(shí)的電流損耗為27 mA;在接受和和發(fā)送模式下，電流損耗分別小于27 mA或25 mA。

2.3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

該監(jiān)控系統(tǒng)中，不同類型的節(jié)點(diǎn)完成不同的功能，但是所有的節(jié)點(diǎn)都是基于事件響應(yīng)的，因此其軟件實(shí)現(xiàn)流程均可用圖2表示。

2.4 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)部署

如圖3所示，在公路中間定間隔部署兩列傳感器節(jié)點(diǎn)，每列監(jiān)視道路的一側(cè)，沿車輛行駛的方向在傳感器網(wǎng)絡(luò)末端部署網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。每隔數(shù)個(gè)普通節(jié)點(diǎn)，部署一個(gè) sink節(jié)點(diǎn)。兩列節(jié)點(diǎn)錯(cuò)開部署，增加網(wǎng)絡(luò)的冗余度，提高網(wǎng)絡(luò)的魯棒性；通過增加 sink節(jié)點(diǎn)降低網(wǎng)絡(luò)的時(shí)延，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性；只有 sink節(jié)點(diǎn)帶有傳感器完成信息采集，降低系統(tǒng)的成本以及減少路邊普通節(jié)點(diǎn)的功耗[5]。

圖3 傳感器網(wǎng)絡(luò)分布

3 結(jié)語

WSN不僅在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)境、醫(yī)療等傳統(tǒng)領(lǐng)域具有巨大的運(yùn)用價(jià)值，未來的應(yīng)用還會(huì)涉及人們的日常生活，而zigbee技術(shù)作為其傳輸?shù)慕鉀Q方案必將帶動(dòng)WSN的大規(guī)模商用。本文章所提供的監(jiān)控系統(tǒng)提供了一套很好的應(yīng)用技術(shù)平臺(tái)，具有很強(qiáng)的參考性的。本系統(tǒng)的特色與創(chuàng)新點(diǎn)如下：

擴(kuò)展車載節(jié)點(diǎn)可實(shí)現(xiàn)不停車收費(fèi)等功能，具有很強(qiáng)的通用性；實(shí)現(xiàn)WSN網(wǎng)絡(luò)與3G網(wǎng)絡(luò)的連接，可作為3G網(wǎng)絡(luò)的新的數(shù)據(jù)增值業(yè)務(wù)；基于zigbee和3G網(wǎng)絡(luò)的定位功能，可替代高價(jià)且局限的GPS定位,監(jiān)控及預(yù)警的實(shí)時(shí)性；WSN的大規(guī)模商用剛處在起步階段，還存在著很多問題有待完善。相信伴隨著相關(guān)技術(shù)的發(fā)展和推進(jìn)，基于zigbee的WSN的應(yīng)用將更加廣泛。

[1] 孫利民,李建中.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2005:3-6;319-352．

[2] 明光照,李鷗,張延軍.基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能家居系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].通信技術(shù),2009,42(02):233-234.

[3] 孫強(qiáng),徐晨,黃勛.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)移動(dòng)匯聚節(jié)點(diǎn)的研究[J].通信技術(shù),2007,40(11):173-175.

[4] Pottie G,Kaiser W.Wireless Integrated Network Sensors[J].Communications of the ACM, 2000,43(05):551-558.

[5] Xing K,Ding M, Cheng X Z .Safety Warning Based on Highway Sensor Networks[C]//IEEE Communication Society WCNC.HongKong,China:IEEE,2005:2355-2361.