基于無線傳感器網絡技術的智能交通信息采集系統研究

摘 要：本文通過介紹無線傳感器體系結構及特點，提出了一種基于無線傳感器網絡技術的智能交通信息采集系統，并對系統進行試驗測試，以供實踐參考。

關鍵詞：無線傳感器；網絡技術；智能交通；試驗測試

中圖分類號：TP27 文獻標識碼：A

1 無線傳感器網絡體系的結構及特點

無線傳感器網絡是運用無線通信的方式將大量的廉價傳感器節點進行匯聚，并最終形成的一個自組織的網絡系統。主要目的是感知網絡覆蓋區域中存在的對象信息，并對其進行采集、處理，然后再發送給觀察者。通常典型的無線傳感器網絡系統，其組成部分主要包括互聯網、傳感器節點、通信衛星、匯聚節點以及管理節點等。無限傳感器網絡系統具體工作步驟為：首先在監測區內部或附近部署大量傳感器節點，以便監測周邊環境，然后收集相關數據信息，用無線收發裝置收集到的數據信息輸至匯聚節點處的數據處理中心。輸送時選擇多跳路由的方式。然后再將數據中心的數據信息通過匯聚節點輸送至用戶端，用戶才能夠通過管理節點實現對傳感器網絡的配置與管理以及對目標區域的監測。

2 無線傳感器網絡系統的設計

2.1 層次型網絡體系結構

層次型網絡體系，是以無線傳感器網絡系統的結構為基礎模型，然后根據目前交通智能化要求而設計出的一種交通監測體系。其主要組成內容為傳感器節點、匯聚節點、基站和終端用戶。層次型網絡體系的主要運行方法是：部署大量的傳感器節點在目標監測區域內及其周邊地區，對其周圍的的交通數據信息進行全面有效的收集；通過相應的收發裝置將收集到的數據信息輸送到匯聚節點的數據處理中心，并進行相應的處理，再將其傳送至基站，進行數據的接收、匯總和分析處理，最終用互聯網將輸送至高速公路監控中心，實現對交通數據信息實時監測，如圖1所示。

2.2 無線傳感器節點的設計

無線傳感器網絡的智能交通信息采集中，傳感器節點的設計要點是，以模塊化組成整個節點系統。包括電源模塊、無線通信模塊、微處理器模塊以及傳感器模塊等組成，如圖2所示。

傳感器節點中的電源模塊：電源模塊主要作用是提供給傳感器節點能量，系統節點用電池供電。戶外工作中，無線傳感器節點的電池更換常比較困難。因此為了能解決這一問題，盡量減小節點體積，目前無線傳感器網絡系統的交通信息采集中，大多使用可充電鋰離子鈕扣電池來完成系統供電。該電池優點在于無充電記憶，能量密度高等，能實現連續輸出電壓的提供，確保最大下拉電流。

無線通信模塊：主要任務是負責傳感器的節點間以及節點域基站間的通信，同時包括傳感器節點間數據收發以及信息交換。

微處理器模塊：無線傳感器節點中的核心單元為射頻單元和處理器單元。一般射頻單元的選擇和節點通信的距離、頻段以及數據通信接收和發送速率都有直接的關系。處理器單元的選擇則與傳感器節點的整體耗能量及其工作壽命有著及其密切的聯系。

傳感器模塊：該模塊為交通信息采集系統中最基本的一個單元，主要任務是進行無線傳感器網絡數據采集。

2.3 建立通信協議

IEEE802.15.4是ZigBee的規范基礎，它提出ZigBee的幀結構主要包括數據信息、數據長度、目標地址、數據模式以及校驗等五個部分。其中數據信息，占據字節數通常和數據長度相關并由其決定，主要表示用戶通過異步收發器輸送的數據或者命令；數據長度，占1個字節，主要用來表示數據信息長度；目標地址同樣占1個字節，主要表示的是發送數據目標位置；數據模式主要占據1個字節；校驗，1個字節，主要任務是對幀結構當中的所有數據信息進行校驗。

本文以ZigBee協議為基礎，在其基礎上建立了無線傳感器網絡交通信息采集系統的通信協議，并給出了數據信息字段的具體設計方法。包括數據、功能編碼以及節點信息等。通常節點信息字段數據占1個字節，其終端節點的節點號是低4位，控制端節點的節點號為高4位。只有通過掌握高4位，將采集到的節點數據幀傳輸至與其相對應的現場采集點，才能實現目標數據采集。

3 無線傳感器節點軟件的設計流程

無線傳感器網絡形成，需要系統對其節點實行上電初始化，一般要進行掃描頻段，才能選定信道。其信息數據的采集系統中，節點的工作狀態主要有兩種：一種是工作狀態，另一種是休眠狀態。具體表現為：節點上電復位后，無線傳感器的節點模塊就會開始對整個網絡進行掃描，以檢測節點是否正在開始網絡運行或者是否在進行信息的發送工作，如果檢測的結果顯示沒有信息，處理器為休眠狀態；如果檢測到有信息，處理器將會被喚醒，再次進入工作狀態。通常如果處理器未接收到確認幀，表明信息正在處理過程中；如果處理器已經接收到確認幀，則表明其已經進入休眠狀態，為掉電模式。

在無線傳感器節點運行過程中，為了能夠實現最大程度的降低其使用功耗，通常要求傳感器的節點模塊必須確保能夠在固定的時間內進行網絡掃描，保證其節點位于整個網絡當中。圖3所為具體的無線傳感器節點軟件設計流程。

4 無線網絡傳感器的應用測試

為對無線網絡傳感器在交通信息采集中應用的準確性以及網絡實時性，相關人員進行了專門測試。測試地點為一條雙向道路上。測試人員事先在車道上預設4個傳感器節點；每個傳感器的節點負責監測2個車道，收集這一段路的車流量數據信息，時間間隔30min；信息采集完成后其原始信號將會由路由節點輸送至匯聚節點，然后再由以太網將其輸送至監視主機；將此次測驗收集到的這一時段的車流量結果和人工統計的信息數據相比較。本測驗結果，用無線傳感器網絡技術的測量結果和標準的信息數據大致相同，基本無測量誤差。因此得出以下結論：用無線傳感器網絡技術采集數據，具有極高準確性和可靠性。具體數據見表1。

參考文獻

[1]徐利鋒.基于無線傳感器網絡技術在交通信息采集系統的應用[J].計算機應用于軟件，2012（04）.