基于ZigBee無線傳感器網絡的智能交通系統設計*

劉文軍，樊建席*，李春勝，楊 帆

(1.蘇州大學計算機科學與技術學院，江蘇蘇州215006;2.中油吉林化建工程有限公司，吉林吉林132021)

嵌入式系統和無線通信技術的進步催生了無線傳感器網絡WSN(Wireless Sensor Network)的產生。由于普通傳感節點有限的傳輸范圍，WSN通常采用多跳通信，這使得對大規模區域的監測成為可能。最新研究成果表明，在WSN中引入移動元素MEs(Mobile Elements)可以有效降低成本、提高系統的可靠性和能量效率［1－6］。

針對智能交通系統ITS(Intelligent Transportation System)應用，本文給出了一個交通流量監測和查詢應用的參考解決方案。所提出的方案采用基于ZigBee無線通信技術的異構傳感器網絡。ZigBee標準相對BlueTooth等技術在節點加入離開、網絡規模、能耗上具有明顯優勢。異構性表現在將網絡中的節點分為移動匯點MS(Mobile Sink)、副匯點VS(Vice Sink)和普通傳感節點SN(Sensor Node)3種角色。層次化的結構不僅顯著減少了通信開銷，還能夠保護普通節點，充分發揮計算能力更強的VS的功能性。特別地，本系統可以通過網關節點接入更大系統，從而作為一個子系統提供服務。提出的具有移動匯點預測功能的路由轉發協議可以有效降低延遲，特別是在大規模網絡時其優勢體現的更加明顯。此外，為了加快數據收集的速度，采用VS緩存被請求數據的機制，以方便后續訪問，進一步優化了結果。仿真結論表明，與現存應用于類似場景的協議相比，所提方案具有更好的擴展性、更短的信息收集延遲。

1 相關概念

1.1 ZigBee傳感器網絡

ZigBee是基于IEEE802.15.4標準的低功耗個域網協議［7］。根據該協議規定的技術是一種短距離、低功耗、低復雜度、高性價比的無線通信技術。ZigBee作為一種新興的無線通信技術，得到了越來越廣泛的關注和應用。ZigBee協議定義了3種類型的網絡設備:協調器(Coordinator)、路由器(Router)、終端節點(End-Device)。Tree和Mesh是ZigBee標準定義的兩種標準網絡拓撲。本系統的設計采用更具彈性的Mesh拓撲。

在帶有移動元素的WSN中，一個移動匯點在網絡部署區域中按照某種規則移動，當接近傳感節點的通信范圍時通過單跳或有限跳方式收集來自于靜態節點的數據。一般地，移動匯點的移動模型分為3 種［2］:隨機匯點移動性(Random Sink Mobility)、最優匯點移動性(Optimized Sink Mobility)和約束的匯點移動性(Constrained Sink Mobility)。本文工作采用第一種移動模型。

1.2 智能交通系統

智能交通系統是對通信、控制和信息處理技術在交通運輸系統中集成應用的統稱［8］。建立一個實時、精確和高效集成的交通管理系統是未來交通系統發展的方向。基于WSN的智能交通系統已成為解決城市交通中若干關鍵問題的一種行之有效的技術。該技術開啟了一類新型的智能城市感知應用，包括交通信息采集［9］，路況監測［10］，停車管理［11］和車輛預警服務［12］等。

本文基于ZigBee無線傳感器網絡的流量查詢應用要求給出高效的體系結構，所面臨的一個主要挑戰是讓網絡節點能夠獲取車輛的實時位置。文獻［5］提出了一種基于MS位置預測的自適應路由技術，中繼節點估計MS的即時位置，并向該虛擬目標路由數據包。該方法的不足是MS的隨機移動使得獲取的路由路徑偏離了最優路徑，仍會引起較高的傳輸延時。文獻［13］引入更為復雜的移動性管理技術，獲得的路由路徑得到了優化，但代價較高。

2 系統設計

2.1 應用場景

考慮如下應用場景:一個或多個移動用戶駕車在城市街區查詢附近的空閑停車場、停車位或特定路段的流量信息。該應用中行使的汽車充當移動匯點，由駕駛員操控向網絡發送查詢請求包，然后等待特定時間段內的數據響應。一旦請求數據返回，用戶基于收到的數據進行相應后續決策。該應用場景如圖1所示。

圖1 交通流量監測應用場景

該應用要求用戶能夠隨時隨地查詢網絡中的興趣信息，且查詢信息能夠在預定時間內返回給用戶。從圖1中可以看到系統中的元素是異構的。為了充分利用異構節點不同的功能性，將本系統中的元素分為如下3類:

(1)移動匯點(MS)由嵌入在車輛中的設備充當。假定車輛裝配了GPS，則可以方便獲取MS的位置和移動性信息。車輛通常以隨機模式進行移動，但在GPS設備提供的移動性信息幫助下，可以基于計算方法預測MS短時間內的移動軌跡。

(2)傳感節點(SN)在指定命令下負責對特定區域現象進行感測。假定該類節點稠密地部署于傳感區域，如一個大型商場或交通路段。節點的典型特征是在能量、處理能力和存儲能力上都有較強的約束。典型地，僅和一跳范圍內的鄰居進行通信，數據的傳輸采用多跳通信模式路由到達目標節點。節點的工作周期為DC。

(3)副匯點(VS)構成了ITS的骨干網絡，并負責將SN和MS連接起來。VS通常安放在路燈柱上，以太陽能方式供電，因而能量約束不像SN那樣苛刻。這些節點負責對收集的數據進行處理并轉發給MS，相比普通節點具有更強的計算、存儲和通信能力。

2.2 體系結構

假定系統中的每個元素有唯一的標識符(ID)，且具備位置感知能力。通信體系結構的設計要求能夠允許一個MS發送信息查詢請求，并能夠快速收到相應的響應。圖2給出了一個異構可擴展的ITS系統結構。

圖2 一個用于流量監測查詢應用的智能交通系統

在該分層體系結構中，VS和SN分別組成了高層和底層的通信設施。SN負責收集傳感范圍內的興趣數據，并以多跳方式和VS進行通信。VS由位于道路附近等距離排列的節點充當，負責連接MS和SN，完成信息的處理和轉發。VS接收來自SN的傳感信息，進行必要的信息提取、計算路由路徑，將響應信息和收集的數據按照路由路徑傳遞給目標VS，進而轉發給移動用戶。VS可以從收集到的數據中提取信息，發送給基站，為更大范圍的全局系統提供決策支持。

圖3 VS層體系結構

在對頂層結構抽象過程中，通常將其看作一個無向圖G(V，E)，其中以頂點V表示VS集合，邊集E表示連接相鄰VS的通信鏈路。V中的兩個頂點u和v是相鄰的，當且僅當節點u和v在彼此的通信范圍內，稱u是v的鄰居，反之亦然。如圖3給出了局部道路系統中VS的部署和相應的虛擬拓撲結構。圖3(a)圖示了等距離放置的若干VS，節點之間的通信關系如圖3(b)所示，每個節點和相鄰兩側共4個鄰居存在通信關系。在相同的節點部署情況下，一個大的通信功率使得節點具有更多的鄰居，意味著更短的路由路徑。反之，低的傳輸功率節省更多能量，但導致更長的路由路徑(延遲)。因此，在實際的應用中需根據實際需要確定無線傳輸范圍。

3 系統設計

3.1 初始化

為了構建一個連通的異構通信網絡，初始化階段是必要的。通過初始化過程，每個節點將通信范圍內的其他節點識別為鄰居。VS除了對所有指定距離范圍內的VS構建連接，還負責建立MS和SN之間的連接關系。一個連通網絡中的兩個非相鄰節點之間的通信通過多跳模式完成。

具體的初始化過程如下:起始時每個節點發送一個包含節點自身位置、能量水平和工作周期的HELLO包。為了避免沖突，該消息延遲一個隨機的瞬間發送。借助收到的HELLO包，每個元素構建其鄰居表。初始化階段完成后，每個節點創建了包含鄰居地理信息的路由表。后續過程中，每個節點可以周期地評估節點剩余能量和當前工作周期，將相關信息存儲于下一個HELLO包中，然后周期性地廣播。以此方式，網絡中的每個節點獲知其鄰居的位置、能量水平和當前的工作周期。

3.2 路由轉發

系統中的每個元素都是位置感知的，因而可以采用全局的地理坐標來指導包的轉發。由于MS的隨機移動性，基于ZigBee標準的傳感器網絡流量查詢應用所面臨的一個挑戰是VS和SN均不能以高效的方式獲知MS的實時位置。為了預測MS的實時位置，需要在數據包的傳播過程中引入一個時間戳Ti。為了保持收集到的傳感信息時效性，假定系統所允許的最大延遲時間為Tdeadline。如果在該時間范圍內無響應信息返回，則認為該查詢失敗。

通常，一個查詢消息被注入網絡到從網絡中返回查詢結果需要經歷如下過程:

(1)查詢消息通過多跳方式被傳輸到對目標區域負責的VS，假定為VSi。

(2)VSi發起到目標區域的查詢，目標SN感測、收集并匯聚數據。

(3)響應數據準備完畢后，響應消息通過多跳方式回送給VSi。

(4)VSi基于移動性信息計算MS可能就近處于的 VS，記為 VSj。

(5)依據不同的情況，響應數據通過多跳模式被發送到VSj，進而轉發給請求用戶。

圖4給出了網絡初始化和路由轉發策略的工作流程。以下將路由過程分為查詢傳播和響應傳播兩個部分，分別詳細解釋。

3.2.1 查詢傳播

信息查詢過程描述如下:當一個MS想要獲取特定區域的流量信息，首先在T0時刻生成QUERY消息，該消息包含興趣數據類型、目標區域地理坐標、查詢請求時間戳等信息。然后，查詢消息被傳遞到通信范圍內最近的VS，記為VS0。接下來，查詢消息需要在VS層和SN層兩個層面上進行傳播。在VS層上，查詢消息通過多跳方式被轉發到相應的副匯點VSi。假定VSi在T1時刻收到該消息。在SN層上，查詢消息被VSi通過廣播方式傳播到最接近目標區域中心的SN。

圖4 信息查詢請求與響應返回工作流程

如前所述，在異構的系統設計中VS相比普通傳感節點具有更強的存儲、計算和通信能力。每當信息傳遞到VS時，出于快速查詢響應考慮，VS將對收到的信息緩存一個合適的時間。當查詢消息轉發給相應的VS(如VSi)，則VSi將檢查其上是否存儲了具有設定時效范圍內的所需信息，該信息是因其他用戶剛請求過或需要傳輸到全局范圍內的系統而被保存在該VS上的。如果VS具有該信息，則經過計算后回送給目標VS(VSj);否則，VSi將發起到SN的新查詢。

3.2.2 響應傳播

SN節點信息獲取過程如下:如果請求的信息在VS上沒有存儲或已經過期，則深入到SN的查詢過程開始啟動。查詢消息發送給目標SN后，最接近目標區域中心的傳感器節點選舉自身為簇首，并負責收集傳感區域內的請求數據。當簇首匯聚完興趣數據，數據包開始通過多跳方式按照地理或能量感知的路由策略向VS傳播。

當響應信息包被路由到VSi，將按照最短路由策略再由VSj傳遞給MS。由于MS的隨機移動性，MS的實時位置難以被精確地確定。以下提出一種依據MS移動性信息計算其近似位置的方法。定義消息傳播延遲為從用戶發出查詢開始到收到響應包的時間段，記消息傳播的總延遲為Tdelay。初始VS(VS0)在T0時刻接收來自用戶的QUERY消息。假定來自于SN的響應消息在T1時間后到達VSi，在T2時間后到達目標VS，則有

此時，MS相對初始位置行進的距離為

其中V是MS的平均速度，MS按照一個約束的隨機路點移動模型(Random Waypoint Mobility Model)［11］進行移動，最大速度和最小速度分別為Vmax和Vmin。從而可以依據行進距離ΔS計算出當前MS所在位置。由于MS的隨機移動性，根據上述預測方法得到的目標VS，可能出現如下3種可能性:

(1)MS在預定時間到達目標VS，接收響應包。

(2)MS尚未到達目標VS，則等待一個合理的時間。

(3)MS已經通過目標VS，則在通過VS時予以通知，并記錄其移動性信息(速度，時間和方向等)，VS使用收到的移動性信息重新計算下一步的目標VS。

4 系統仿真

以下利用一個開源的仿真工具OMNeT++對系統進行仿真實驗。根據ZigBee通信技術特征并參考相關文獻［5］，結合本文考慮的應用場景，將節點部署方法與通信距離相關參數設定如下。假定傳感器節點SN如圖1所示部署。相鄰節點之間的距離為25 m。等距離間隔的VS部署于道路兩側，VS之間的距離為100 m。MS和SN的通信距離為25 m，VS的通信距離為250 m。一個MS隨機選擇起始位置并沿著道路行進。移動節點隨機選取起始位置和方向，隨機選擇網絡中的目標區域并發送數據查詢包。詳細參數設定如表1所示。

表1 仿真實驗主要參數設定

試驗中將本協議與文獻［5］中的方法以及普遍使用的洪泛(Flooding)方法得出的性能進行對比。文獻［5］中通過預測MS的位置來達到加快信息傳播的目的，消息的傳播方向指向當前MS的實時位置。網絡規模和MS移動速度條件下的延遲效果如圖5、圖6所示。

圖5 網絡規模N與延遲T的關系(V=10 m/s)

圖5給出了不同方法的包傳播延遲與網絡規模N之間的關系。從圖中可以看出3種策略中消息傳播延遲都隨著網絡規模N增加。相對另外兩種協議，本文協議具有更短的延遲，且延遲隨著網絡規模增大的速度更為平緩，呈現了良好的擴展性。主要原因在于協議充分利用節點的異構性，特別利用VS節點較強的通信和計算能力，SN首先將數據傳輸到VSi中，然后利用VSi計算目標VS并確定路由，最終轉發給目標用戶。

圖6 傳播延遲與MS移動速度的關系(N=400)

圖6給出了3種協議在不同的MS移動速度下的平均查詢延遲，從圖中可以觀察到，3種協議在低速的情況下均獲取更佳的性能。相對洪泛方法，其他兩種協議因為采用了MS預測機制大大降低了延遲，且在低速情況下計算目標VS位置的誤差更小。文獻［5］中的方法隨著MS移動速度的增加，延遲上升較快，而本文所提方法明顯更優是因為利用了分層的體系結構和引入了數據緩存機制。

5 結論

當前各類車輛的快速增長使得現存的交通管理系統不能滿足實際需要，智能化交通應用的需求不斷增加。隨著無線傳感器網絡的出現，智能交通系統的發展進入了一個新時期。本文給出了一個基于ZigBee標準WSN的道路流量監測應用解決方案。仿真結果驗證了本方案在延遲和路由方面存在較好性能。下一步將進一步優化系統性能，并在實際應用環境中測試和驗證其有效性。

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