面向交通信息采集的基于RFID的無線傳感器網絡的研究

耿 浩，雷 斌

（蘭州交通大學 機電技術研究所，蘭州 730070）

面向交通信息采集的基于RFID的無線傳感器網絡的研究

耿 浩，雷 斌

（蘭州交通大學 機電技術研究所，蘭州 730070）

為了克服目前交通信息采集中傳統的采集方法容易受到惡劣環境影響、安裝維修不便、信息量處理大等問題，本文運用RFID技術和無線傳感器網絡分別作為交通數據的采集前端和傳輸方式，設計一種基于射頻技術（RFID）的無線傳感器網絡節點，對比兩種不同的動態車速測量算法。通過實驗數據檢驗了該系統的合理性，能夠準確的獲取車輛速度、車流量和車道占有率等信息。

無線傳感器網絡；RFID；節點；算法

0 引言

伴隨我國經濟的快速發展，汽車保有量的增長，城市交通環境越發惡劣，交通擁堵已成為制約經濟發展、影響公眾正常生活的一個亟需解決的問題，RFID（Radio Frequency Identification）技術在交通物流中取得了一定的成功，標簽和閱讀器天線通過無線射頻方式進行非接觸數據傳遞，對目標識別并獲取相關數據［1］，針對交通車輛的信息采集，射頻識別技術和傳統的交通信息采集技術（環形線圈檢測、紅外線檢測、視頻圖像等）相比具有一定的優勢，主要表現在：在各種惡劣環境下，依舊能夠有效的完成信息采集任務；能夠獲取持續不斷的數據信息，計算簡單，無需繁瑣復雜的設計，有些交通信息可以直接檢測出來［2］，無線傳感器網絡（WSN）在信息采集和傳輸領域作為一項革命性的技術被廣泛應用于各種行業，網絡中傳感器節點之間通過無線通信方式，自組織形成一個多跳的傳感器網絡，感知和采集各種環境信息，通過節點間形成的網絡將采集到的數據傳輸到控制中心，無線傳感器網絡良好的可擴展性，能夠在不斷變化采集范圍的交通信息采集領域中得到應用，兩種技術相互融合，形成新的信息采集、傳輸網絡，能夠幫助完善現有的交通信息采集系統，特別是在系統維護和惡劣環境中信息的采集。

1 基于射頻識別的無線傳感器網絡

新構建的網絡是在無線傳感器的基礎上進行改進，將RFID閱讀器集成在無線傳感器網絡節點上，使RFID閱讀器采集到的信息通過傳感器網絡傳輸到上一節點，基于射頻識別的傳感器網絡結構圖如圖1所示。

圖1 基于RFID的網絡結構圖

其中：C：匯聚節點（網關節點）

R：路由節點

P：普通節點

T：標簽

基于射頻識別的無線傳感器網絡主要由P：普通傳感器節點、R：路由節點、C：匯聚節點（也稱網關節點）、T：標簽和控制節點組成，該系統中普通節點是集成了RFID閱讀器的特殊節點，其主要有兩個任務，第一是對標簽信息的讀取，另外一個是完成節點之間的自組網功能，集成的網絡系統采用的是星形拓撲結構，一個普通節點既作為采集節點也作為路由節點，匯聚節點和所有普通節點共同組建成一個微網，普通節點將采集到的信息打包，經附近的路由節點（普通節點擔任）傳輸至匯聚節點，匯聚節點又稱網關節點，是無線傳感器網絡接入其它網絡（企業網、Internet等）的一個接口，它將節點傳輸來的數據送到控制節點——既終端數據庫，然后經過處理后的數據會轉發至各個交通部門，同時，管理者的指令也是通過匯聚節點去控制普通節點，令其完成控制者要求的一系列采集動作。

2 基于RFID的傳感器網絡節點設計

2.1 MICA2平臺簡介

MICA2平臺是一種可擴展連接的智能傳感器板，用于協調節點其它部件的工作，由美國伯克利大學開發，包括一個主控制器，一個射頻收發器和一個射頻天線，此平臺是特別為嵌入式傳感器網絡設計的，具有低功耗、體積小等特點［3］，MICA2平臺上的Atmega128L主控制器包含128K字節的片上FLASH，4K字節的EEPROM，4K字節的SRAM，可編程串口，SPI接口，時鐘頻率是7.37MHz，同時，該控制器采用AA電池供電，支持低功耗休眠模式。

2.2 節點硬件組成

基于RFID的傳感器網絡的傳感器節點（Sensor Node，SN）是在MICA2平臺上開發應用的，節點與開發平臺之間的接口關系如圖2所示。

圖2 節點硬件結構圖

傳感器節點由RFID閱讀器模塊、RFID天線、主控制器、射頻收發器、射頻天線、電源模塊等組成，其工作流程如下：當目標物體攜帶者標簽進入閱讀器的讀取范圍內，標簽發射的電磁信號被閱讀器收到，兩者建立互聯，此時，標簽驅動自己天線向閱讀器回復信息，閱讀器讀取信息后，通過RS-232接口傳送至主控制器進行處理，再通過SPI接口傳送到射頻收發器，最后由射頻收發器傳送至其它節點，節點通過自組網，以多跳形式傳送至上層網絡。

開發平臺上主控制器對節點每個部件的工作進行協調管理，同時必須根據一定的協議棧對主控制器進行編程，使其可以對射頻收發器要發送和接收的數據進行處理，然后主控制器還要控制閱讀器的工作模式，當節點不工作的時候將使系統其它組件進入休眠模式以降低能耗，射頻收發器工作在一定的頻率段，用來在各個節點間進行數據的傳送。

本文針對復雜的交通環境，必須考慮標簽的工作頻率、供電方式、可識別距離、標簽外形等參數，經過詳細對比，我們選用CSR-6930閱讀器，其工作在915MHz高頻段，能夠對識別區域內的多標簽進行快速識別，抗干擾能力強并具有自動調頻功能，適用于中遠距離（有效識別距離大于20米），其雙通道天線設計可以滿足道路信息檢測需要，該閱讀器可通過標準接口RS-232和PC或者嵌入式開發平臺連接，實現數據的雙向傳輸。

3 測量算法的對比

RFID用于測量車輛行駛速度的算法，標簽和閱讀器之間的距離不同，對應的場強值R也不相同，因此，假設閱讀器節點安裝的垂直高度為H，閱讀器的采樣周期是T，即每隔T時刻閱讀器采集一次；系統的數據采樣周期是t，由于RF場強覆蓋范圍有限，可以假設車輛都是平行于車道運動，運動示意圖如圖3所示。

圖3 車輛進入RF場示意圖

3.1 傳統算法

設在某個采樣周期內ti有m輛車經過RF場，第j輛車被閱讀器掃描到的次數為被掃描的時刻是tjk根據文獻［胡方來］提到的閱讀器收到的場強R和距離的經驗關系式：

由式（1）可計算出場強值對應的距離Rk（k=1，2，3，…，Nj），由此便可得車輛在相鄰掃描時刻內的速度計算式為：

根據數學知識可知第j輛車經過RF場時的車速vj和第i個周期內的平均車速的計算式為：

3.2 多普勒頻偏估計算法

設在某個采樣周期內ti有m輛車經過RF場，第j輛車被閱讀器掃描到的次數為被掃描的時刻是此時標簽與閱讀器節點的水平距離為其與射頻天線和水平面形成的夾角為根據幾何關系我們可得：

根據接收信號相對于發射信號的多普勒頻偏關系fd，等到：

本文根據RFID系統的特點，給出采用Burg算法［7］估計多普勒頻移fd，所以聯立式（1）、（5）和（6）可得車輛行駛的速度ν。

而車流量Qi和車道占有率Ci的計算式為：

以上兩種方法我們都可以求出某個檢測周期監測點車流量、平均速度和時間占有率，根據這些數據，通過相應的算法可以對交通狀況進行分析、判斷。

4 系統測試實驗

實驗在蘭州市某十字交叉路口進行，系統節點布設模型如圖4所示，測量經過每個監測點的車輛行駛速度車流量Qi和車道占有率Cj和車輛的交通違規行為。

圖4 實驗節點布設圖

實線框表示測量車輛信息的節點，其分別位于兩個路口的上游（即來車方向）和下游，安裝于距離停車線50米的位置，虛線框表示測量車輛交通違規行為的節點，安裝于每條停車線附近，根據現有闖紅燈定義規則：紅燈亮觸發闖紅燈節點閱讀器工作，此時，如果有車輛經過一個闖紅燈節點，并且該車輛被下一路段的闖紅燈節點采集到則判定該車輛違規，我們以車輛的三種狀態進行系統可靠性研究，首先車輛在紅燈亮起后停在停車線內側；再一個車輛在紅燈亮起后停在停車線外側但沒有穿過路口；第三是車輛在紅燈亮起后越過了停車線并穿過路口行駛在下一個路段，實驗結果如表1所示。

表1 車輛交通違規行為檢測

貼有RFID標簽的車輛，以不確定的運行狀態經過每一個閱讀器節點，記錄下車輛的行駛速度，通過計算等到車輛經過檢測點的平均速度，實驗進行兩次，實驗數據（數據取整）如表2、表3所示。

表2 傳統算法車速監測實驗數據

表3 多普勒頻偏估計算法車速監測實驗數據

實驗中，我們對一輛貼有標簽的車輛進行檢測，車輛經過闖紅燈檢測節點時車輛的行為如表1所示，車輛經過車輛速度監測點時的信息如表2、表3所示，通過實驗數據分析表明，多普勒頻偏估計算法比傳統算法在RFID系統中有更高的測量精度。

5 結語

本文對兩大熱門技術RFID技術與無線傳感器網絡技術進行研究，并將這兩種技術相融合，對融合了RFID閱讀器的節點進行深入的分析，對比了兩種不同的動態測量算法在RFID系統中的應用，結果表明多普勒頻偏估計算法能更好的適用于該系統，由于交通數據關系到駕駛者的違規行為，因此對采集到的數據做進一步處理以保證測量結果的準確可靠是交通采集系統需要進一步研究的重點。

［1］ 胡方來.基于RFID的智能交通信息感知系統的研究及實現［D］.楊州：揚州大學，2013.

［2］ 趙泰洋，郭成安，金明錄.一種基于RFID原理的交通信息獲取系統與車輛定位方法［J］.電子與信息學報，2010（11）：2612-2617.

［3］ 張剛建，鄒傳云，段宏.基于RFID的無線傳感器網絡節點的設計［J］.通信技術，2010（10）：73-74，77.

［4］ 錢志鴻，王義君.面向物聯網的無線傳感器網絡綜述［J］.電子與信息學報，2013（1）：215-227.

［5］ 段國文.基于RFID的無線傳感器網絡節能MAC技術研究［D］.武漢：華中科技大學，2007.

［6］ 馬祖長，孫怡寧，梅濤.無線傳感器網絡綜述［J］.通信學報，2004（4）：114-124.

［7］ 于潔瀟，劉開華，史偉光.基于RFID的高速公路車輛測速及定位方法［J］.計算機工程，2010（24）：1-3.

［8］ 沈波，張世永，鐘亦平.無線傳感器網絡分簇路由協議［J］.軟件學報，2006（7）：1588-1600.

責任編輯：吳旭云

Study on Traffic Inform ation Collection-oriented W ireless Sensor NetWork Based on RFID

GENG Hao，LEIBin
（Institute of Electromechanical Technology，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China）

Currently，in order to overcome the Problems that the traditional collectionmethod is easy to be to imPacted by adverse environment，installation andmaintenance is inconvenientand the amountof information Processing is large in traffic information collection，this PaPer，resPectively taking RFID technology and wireless sensor network as the front end and transmission way of traffic data collection，designs a RFID-based wireless sensor network node，to comPare the two kinds of dynamic sPeedmeasurementalgorithms.The rationality of the system is tested by the exPerimental data，which can obtain accurate information about the vehicle sPeed，vehicle flow，roadway occuPancy rate and so on.

wireless sensor network；RFID；node；algorithm

TP75

A

1009-3907（2015）06-0036-05

2015-04-13

甘肅省自然科學基金（1310RJZA056）；蘭州交通大學青年基金（2013016）

耿浩（1989-），男，陜西渭南人，研究生，主要從事智能交通路徑誘導方面的研究；雷斌（1978-），男，甘肅會寧人，副教授，主要從事物流信息化、物流系統規劃設計方面的研究。