基于无线传感器在智能交通系统中的应用 .doc

毕 业 设 计 专 业： 电 气 自 动 化 班级学号： 学生姓名： 杨 旭 恒 指导教师： 高 立 兵 讲师 二一四年 三 月 甘肃有色冶金职业技术学院毕业设计 基于无线传感器在智能交通系统中的应用 Based on the wireless sensor in the application of intelligent transportation system 专业班级：电气自动化1101班学生姓名：杨旭恒指导教师：高立兵 讲师系 别：机电工程系 2014 年 3 月 摘 要 智能交通系统将信息技术、电子控制技术及网络技术等高新技术综合应用于运输管理体系。 ZigBee作为一种新兴的无线传感器网络，具有功耗低、成本低等特点。介绍了在小区域智能交通模拟平 台上使用无线传感器网络的实例，建立了信息发布订阅和信号控制系统。重点介绍了系统的节点硬件、ZigBee协议的数据传输以及两个子系统的软件设计针对目前中国的交叉路口多，车流量大，交通混乱的现象研究一种控制交通信号灯的基于无线传感器的智能交通系统。 本文主要介绍了利用HMC1021Z巨磁阻传感器以及LPC2138微处理器、射频模块组成的无线传感网络在智能交通中的应用，本文的研究内容如下： 首先查阅了国内外文献了解课题研究背景、磁阻传感器的工作原理以及铁磁物质对周围磁场产生影响的原理，并了解相关微处理器的结构及功能。对整个系统的方案进行设计，通过进一步学习完善已有的设计方案。将设计方案转化为电路图，画出电路版图，投片，完成硬件平台的搭建。进行软件的编程，及硬件的调试。将软件和硬件结合到一起，进行模拟路况实验。本课题参照国内外智能交通系统的设计以及磁阻传感器研究成果，设计了利用巨磁阻传感器及射频模块，微处理器构成的基于无线传感网络的智能交通系统，在设计过程中得到的主要成果如下： 1、 利用HMC1021Z巨磁阻传感器，传感器电路中使用滤波电路使输出信号更加稳定，该电路中还使用运算放大器，可使芯片的输出电压信号放大以便在有铁磁物体经过传感器附近时输出供处理器使用的高电平信号，实际测得巨磁阻传感器可正常运行，并可较为精确的计算通过交通信号灯的车流量大小。 2、 收发单元利用射频模块，将处理器处理后的信息传送到交通信号灯控制中心，以便在不同车流量情况下更好的控制交通信号灯。经试验测量后，射频模块工作状况良好，可精确传送经处理器处理过的信息。 3、 通过使用LPC2138微处理器，控制巨磁阻传感器的数据采集和射频模块的数据收发。它的最小封装和最低功耗，增加了系统的稳定性和可行性。在每个无线节点中，巨磁阻传感器收集经过该节点的车流量信息，将其信号放大并经A/D 转换器传输至LPC2138，经处理后将信息通过射频模块传输至主控节点。经实验验证，使用该芯片可以精确的完成以上功能，验证了理论分析设计设计的正确性。 4、 该系统实现了集数据采集、处理，以及由交通信号灯显示控制结果等基本的功能于一体的传感器智能化设计，经过试验证明该系统具有可行性与稳定性。 5、 提出了将所设计的传感器应用于智能交通系统中的方案。 关键词：无线传感器网络；智能交通系统；ZigBe；网络模型；路由技术 Abstract Intelligent transportation system will be information technology, electronic control technology and network technology and other high and new technology comprehensive application in the transportation management system. ZigBee as a new wireless sensor network (WSN), with low power consumption, low cost, etc. Introduces the intelligent transportation simulation flat in a small area Platform using an instance of the wireless sensor network (WSN), established the information publish/subscribe and signal control system. Mainly introduced hardware, ZigBee protocol of nodes in the system of data transmission and the software design of two sub-systems according to the present China's intersection, traffic, traffic chaos phenomenon research a kind of control traffic lights intelligent transportation system based on wireless sensor. This article mainly introduced the use of HMC1021Z giant magnetoresistance sensor and microprocessor LPC2138, rf modules of the application of wireless sensor network in intelligent transportation, this paper research content is as follows: First consult literature at home and abroad to understand the topic research background, the working principle of magnetic resistance sensor and the principle of ferromagnetic material influence on the surrounding magnetic field, and to understand the structure and function of the microprocessor. The design scheme of the whole system, and through further study and improve the existing design. Draw the circuit diagram, design scheme can be converted to map, cast slice, complete the construction of the hardware platform. For software programming, and hardware debugging. The software and hardware together, simulated road experiment. This topic by reference to the design of the intelligent transportation system both at home and abroad and the magnetic resistance sensor research, design and the use of giant magnetoresistance sensor radio frequency module, a microprocessor based on wireless sensor network is composed of intelligent transportation system, in the design process of the main results were as follows: 1. Using HMC1021Z giant magnetic resistance sensor, the sensor circuit is used in filtering circuit make the output signal is more stable, the circuit is also used in the operational amplifier, can make the output voltage signal amplification of chip in order to have a ferromagnetic objects pass near the sensor output for the processor using high level signal, the actual measured giant magnetoresistance sensor can run normally, and can be more accurate calculate the size of traffic through the traffic lights. 2. The transceiver unit using radio frequency module, after processing the information sent to the traffic light control center, under different traffic conditions in order to better control the traffic lights. After test measurements, rf modules work in good condition, can accurately convey information treated by the processor. 3. Through the use of micro processor LPC2138, control of the giant magnetoresistance sensor data acquisition and rf module to send and receive data. Its smallest encapsulation and lowest power consumption, increase the stability and feasibility of the system. In each of the wireless nodes, giant magnetoresistance sensor after the node of traffic information collection, the signal amplification and A/D converter to the LPC2138, the processed to transmit information through radio frequency module to the master node. Verified by the experiment, the use of the chip can be accurate to complete the above function, theoretical analysis is verified the correctness of the design. 4. The system has realized the collection of data acquisition, processing, and by the basic function such as traffic lights display control results in the integration of intelligent sensor design, after tests showed that the system has the feasibility and stability. 5. Put forward the design scheme of sensor applied in intelligent transportation system. Key words: wireless sensor network (WSN); Intelligent transportation system; ZigBe; The network model; Routing technology 目 录 1 引言 . 1 2 正文 . 3 2.1 无线传感器网络关键技术与要求 . 3 2.2 无线传感器的优点 . 4 2.3 课题研究主要内容 . 4 2.4 无线传感网促进智能交通的发展 . 7 2.5 城市轨道交通应用需求分析 . 7 2.6 车辆运行状态监测 . 9 2.7 车道空间占用率与拥堵期望值 . 10 2.8 ITS 的无线传感器 . 10 2.8.1 用于 ITS 的无线传感器网络构建 . 10 2.8.2 采用无线传感器网络进行交通信息采集 . 11 2.8.3 无线传感器网络在 ITS 中的应用 . 12 2.9 网络节点 . 12 2.9.1 网络节点软件功能设计 . 12 2.9.2 网络节点硬件功能设计 . 13 2.9.3 基于 Atmel 的 AT86RF230 射频芯片和 AVR 单片机设计方案 . 14 2.9.4 基于 TI 的 CC2420 芯片和 ARM 单片机设计方案 . 14 2.9.5 节点设计其他考虑 . 15 2.10 交通信息采集传感器网络 . 16 2.10.1 传感器网络数据融合 . 17 2.10.2 传感器网络拥塞控制 . 18 3 结论 . 20 4 发展前景与拓展 . 24 1、 发展前景 . 24 2、 可拓展性 . 25 5 致谢 . 27 6 参考文献 . 27 1 引言 随着微电子机械系统(MEMS)、计算机、通信、自动控制和人工智能等学科的发展，产生了一种新的网络技术一一无线传感器网络。无线传感器网络作为新兴的测控网络技术，是能够自主实现数据的采集、融合和传输等应用的智能网络应用系统。无线传感器网络使逻辑上的信息世界与真实的物理世界紧密结合，从而真正实现“无处不在”的计算模式，最终将成为人类生产和生活不可分割的一部分 随着经济的快速发展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交错，快捷方便的交通在人们生活中占有及其重要的位置，而交通安全问题则是重中之重。据世界卫生组织统计，全世界每年死于道路交通事故的人数约有120 万，另有数100 万人受伤。中国拥有全世界1. 9 %的汽车，引发的交通事故占了全球的15 % ，已经成为交通事故最多发的国家。2000 年后全国每年的交通事故死亡人数约在10 万人，受伤人数约50万，其中60 %以上是行人、乘客和骑自行车者。中国每年由于汽车安全方面所受到的损失约为5180 亿(人民币)，死亡率为9 人/ 万·车，因此，有效地解决交通安全问题成为摆在人们面前一个棘手的问题。 在中国，城市的道路纵横交错，形成很多交叉口，相交道路的各种车辆和行人都要在交叉口处汇集通过。而目前的交通情况是人车混行现象严重，非机动车的数量较大，路口混乱。由于车辆和过街行人之间、车辆和车辆之间、特别是非机动车和机动车之间的干扰，不仅会阻滞交通，而且还容易发生交通事故。根据调查数据统计，我国发生在交叉口的交通事故约占道路交通事故的1/ 3，在所有交通事故类型中居首位，对交叉口交通安全影响最大的是冲突点问题，其在很大程度上是由于信号灯配时不合理(如黄灯时间太短,驾驶员来不及反应)，以及驾驶员不遵循交通信号灯，抢绿灯末或红灯头所引发交通流运行的不够稳定。 随着我国经济的快速发展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的基础上，这种控制弊端也越来越多的体现出来，造成了十字交叉路口的交通拥堵和秩序混乱，严重的影响了人们的出行。智能交通中的信号灯控制显示出了越来越多的重要性。国外已经率先开展了智能交通方面的研究。在我国交通阻塞已经成为阻碍国民经济发展的瓶颈，在美国等发达国家也是如此，许多国家都致力于智能交通系统(ITS)的研究和开发，以期从根本上解决这个问题，当前的交通传感系统是由录像、声纳、雷达等电子设备组成，需要稳定的电源供应，对这些设备本身及配套电源网络需要大量的投资，虽然传统的交通传感系统也能提供精确的、实时的交通信息，但我们介绍的公路交通无线传感器非常小，造价极低(约合30美元)，这些传感器使用电磁感应技术测量车速，它们也能检测冰雪扬尘等路况信息，每一个区域内的传感器发送数据到300m以外的接收器中，通过这个接收器的信息中转到处理站中。每个感应器节点消耗非常小的能量，只配备一小块内嵌式锂电池可使节点使用1O年以上。与传统的感应系统相比，无线传感器形成的网络更具商业价值。 无线传感器网络技术作为一种新兴技术，在国内城市轨道交通领域中的应用研究是一个极佳的结合点，富有创新意义且具有极其广阔的应用前景。与传统的总线技术传感器网络的应用不同，智能化水平很高的无线传感器网络的应用使节点的使用和布置范围更加灵活，而且无线技术较之于传统的现场总线技术可以大大降低成本，应用在城市轨道交通这样的领域具有不可替代的优势。 美国VII系统(vehicle infrastructure integration)，利用车辆与车辆、车辆与路边装置的信息交流实现某些功能，从而提高交通的安全和效率。其功能主要有提供天气信息、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前发展的重点主要集中在2个应用上: 以车辆为基础; 以路边装置为基础。欧洲主要是CVIS 系统(cooperative vehicle infrastructure system)。它有60 多个合作者，由布鲁塞尔的ERTICO 组织统筹，从2006 年2 月开始到2010年6月，工作期为4年。其目标是开发出集硬件和软件于一体的综合交流平台，这个平台能运用到车辆和路边装置提高交通管理效率，其中车辆不仅仅局限于私人小汽车，还包括公共交通和商业运输。日本主要的系统是UTMS 21 ( universal traffic management system for the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为基础的综合系统概念,由NPA (National Police Agency) 等5个相关部门和机构共同开发的，是继20 世纪90 年代初UTMS 系统以来的第2代交通管理系统，DSSS 是UTMS21中保障安全的核心项目，用于提高车辆与过街行人的安全。因此，从国外的交通控制的发展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络系统，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源，减轻驾驶疲劳等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。 2 正文 2.1 无线传感器网络关键技术与要求 无线传感器网络(WSN)目前的主要关键技术包括下述l0项。 （1)安全问题：密钥管理；身份认证；攻防技术。 （2)定位技术：GPS定位；集中定位方式；分布定位方式。 （3)拓补结构：基于簇的网；网状网；链状网。 （4)数据融合：根据融合前后数据信息量有无改变可分为无损融合，有损融合；根据融合级别可分为像素级融合，特征级融合，决策级融合；根据网络拓补结构可分为简单树型网内融合，簇型网内融合，族一树型网内融合。 （5)MAC(媒体挤入控制)层协议：目标是创建网 （6)路由算法：有Flooding算法；SPIN算法；SAR算法；定向扩散算法等。 （7)自组织：层次结构方式管理，对等管理方案。 （8)能源感知计算：目的是最大化系统生命期。 （9)操作系统：满足WSN特殊需要，高效地利用有限硬件资源服务应用软件。 （10)跨层设计：层间信息交换满足全局性需要，通过全局性优化提高网络性能。 在上述关键技术基础上，针对WSN的具体应用与实施的经济效益性，提出下述两方面要求： 1)技术要求服务种类(地理区域的组织，时间的规划，高性能的人机服务界面)，服务质量(以任务的关键性为中心)，容错特性，生命周期(帕拉脱最优)，可扩展性，可编程(节点支持程序的直接写入)，可维护性(外部维护)，拓扑结构的完整性(拓扑网络实时重连，几何结构盲区的消除)等。 2)机制要求多跳无线通信机制，能量有效机制，自组织、自设置机制(节点可定位、自组织，参数自调节)，网内合作和处理机制，数据为中心(数据库)，本地化(集群或者分层处理)，均衡机制等。 2.2 无线传感器的优点 无线传感器网络(Wireless Sensor Networks,WSN)是一种融合无线通讯技术、微电子传感器、嵌入式系统的新技术，可以为智能交通系统的信息采集和传输提供一种有效手段，用来监测路口各个方向上的车流量、车速等信息。在无线传感器网络结构中，安装道路两旁的传感器节点组成一个自组织的多跳Mesh网，每个节点都采集交通信息，最终的数据将被汇聚到网关节点上。网关节点利用3G 网络将所采集到的数据发送到控制中心。与上述传统装置相比，无线传感器网络用于构建交通信息系统具有以下优点： (1) 其无线自组、泛在协同的特点使系统布设和维护十分方便，便于提高交通信息采集系统的可扩展性； (2) 用户可以与传感器网络进行信息交互，可以进行数据查询、空中编程、节点健康监测等，极大地方便用户的使用，减少维护成本； (3) 规模的分布式监测和协同计算技术在能力上优于传统的单点或局部监测技术。 无线传感器网络具备优良特性，可以为智能交通系统的信息采集提供一种有效手段，作为现有技术的补充，无线传感器网络部署和维护方便，特别适合于部署在有线传输不能覆盖的路段。 2.3 课题研究主要内容 智能交通系统(Intelligent Transportation System ，简称 ITS) 是利用尖端的电子信息技术，形成行人、公路和车辆三位一体的新公路交通系统的总称。我国现有的交通控制系统，相对于国外的发展具有较大的差距，这种落后的控制方式已经无法满足当前的交通运输的压力。目前，我国的智能交通系统对车辆的检测大多采用环形线圈探测器、微波探测器、超声波和视频探测器等。从性价比角度考虑，环形线圈探测器其技术成熟，检测精度高，可全天候的工作，但是安装时候需要切割地面，影响路面的寿命，目前主要应用在停车场内。超声波和微波容易受到天气和障碍物的影响，造成误检。视频探测是目前应用较多的检测方式，适用于城市交叉路口的交通控制，但易受恶劣气候的影响，夜间要求有路灯照明。上述的交通控制系统普遍价格比较昂贵，需要有线的方式进行检测，只能够提供单一的十字路口的交通控制。虽然汽车由于型号不同而具有不同的结构，但各类汽车中均含有大量的铁磁物质，尤其是汽车底盘均用铁磁材料制造而成。汽车在行驶过程中会对周围的地磁场产生影响，有些汽车甚至可以影响到十几米以外的地球磁场。将磁敏传感器置于道路两侧或路基之下的适当位置处便可感应到地磁场的变化，通过磁敏器件的输出信号可以判断出车辆通过的情况，从而实现对车流量进行监测。因此本系统根据上述系统的弊端，提出了一种新的控制方式，采用无线传感器网络结合巨磁阻传感器来完成交通的智能控制，相临十字交叉路口处的无线传感器汇聚节点之间能够进行通信，提供了相对较多的数据冗余信息。无线传感器网络作为新兴的测控网络技术 ,是能够自主实现数据的采集、融合和传输等应用的智能网络应用系统。无线传感器网络使逻辑上的信息世界与真实的物理世界紧密结合,从而真正实现“无处不在 ”的计算模式，而且该系统具有体积小、成本低、便于安装的优点，能够全天候的工作，便于在交通部门进行推广和普及。 本系统选用灵敏度较高的巨磁阻传感器来完成对行驶车辆的检测。系统的频率选择在2.4Ghz工作频段，该频段相对于433Mhz、868Mhz、915Mhz具有较宽的工作频带和较快的信号传输速率。整套系统支持ZigBee协议，具有数据较验和冲突检测的功能。该系统主要由无线传感器节点和无线传感器汇聚节点组成。无线传感器节点是整套系统的基本组成部分，节点是整个系统的基本组成单元，节点电路的基本组成框图如图所示： 微处理器模块收发芯片射频天线A/D转换模块系统供电和电源管理模块调试与测试接口巨磁阻传感器巨磁阻传感器扩展接口 图1 无线传感器节点的基本组成框图 整个系统由微处理器、传感器单元、收发单元及供电单元组成。微处理器使用 LPC2138，它是基于一个支持实时仿真和嵌入式跟踪的 32/16 位 ARM7TDMI-S CPU的微控制器，并内嵌32/64/128/256/512kB的高速Flash存储器。128位宽度的存储器接口和独特的加速结构使32位代码能够在最大时钟速率下运行，对代码规模有严格控制的应用它具有高性能和低功耗的特性，指令集和相关的译码机制比复杂指令集计算机要简单的多。传感器为磁阻传感器，由两个相距5-10 cm 的磁阻传感器，当有车辆通过时，传感器周围的地磁场发生变化，变化的磁场信号经过信号放大后经过A/D转换器后送入微处理器，处理器便立即启用定时器记录下车辆通过的时刻，然后开始采集后端传感器的输出信号，当检测到车辆后计时器停止计时。重新开始车辆的计数工作，检测下一辆车，系统采用两个传感器能够判断车辆行驶的方向。检测后的信息经处理后发送至收发单元，收发单元将检信号发送给无线传感器汇聚节点。整套系统的设计原理框图如图所示： 图2 无线传感器网络智能交通控制原理框图 安装在道路边的无线传感器节点实时的检测检测车道上行经的车辆，并能够由远离信号灯的无线传感器节点实时的检测停留在车道上的排对车辆长度，传感器节点将监测到的信息实时的发送给无线传感器汇聚节点。汇聚节点根据道路两边布置的传感器发送来的信息。以路面的实际车辆长度为输入量，输出量为实际控制延长的绿灯时间，最终实现平面交叉口信号灯的控制。收发单元则使用射频模块，在电子学理论中，电流流过导体，导体周围会形成磁场；交变电流通过导体，导体周围会形成交变的电磁场，称为电磁波。在电磁波频率低于 100khz 时，电磁波会被地表吸收，不能形成有效的传输，但电磁波频率高于 100khz 时，电磁波可以在空气中传播。射频则指具有远距离传输能力的高频电磁波，射频模块则是基于射频技术的可进行远距离传输的硬件设备。 2.4 无线传感网促进智能交通的发展 智能交通系统(ITS)应用在城市交通中主要体现在微观的交通信息采集、交通控制和诱导等方面，通过提高对交通信息的有效使用和管理来提高交通系统的效率，主要是由信息采集输入、策略控制、输出执行、各子系统间数据传输与通信等子系统组成。信息采集子系统通过传感器采集车辆和路面信息，策略控制子系统根据设定的目标(如通行量最大、或平均候车时间最短等)运用计算方法(例如模糊控制、遗传算法等)计算出最佳方案，并输出控制信号给执行子系统(一般是交通信号控制器)，以引导和控制车辆的通行，达到预设的目标。 无线传感器网络是一种融合短程无线通讯技术、微电子传感器、嵌入式系统的新技术，逐渐被用于智能交通系统等需要数据采集与检测的相关领域。基于IEEE 802.15.4规范的ZigBee技术，具备以下良好特性： （1） 功耗低，2节普通5号电池可支持一个节点工作624个月； （2） 组网能力强，网络最多可达个节点，并支持树状、星状、网状等多种组网方式； （3） 传输距离远，两节点室外传输距离可达几百米，在增加发射功率后可达几千米； （4） 可靠性高，具备多级安全模式； （5） 成本低，开放的简化ZigBee协议栈，工作在2.4GHz免执照的ISM频段。 无线传感器网络具备优良特性，可以为智能交通系统的信息采集提供一种有效手段，可以监测路口各个方向上的车辆，根据监测结果，改进简化、改进信号控制算法，提高交通效率。无线传感器网络可以应用于执行子系统中的控制子系统和引导子系统等方面。例如可以应用该技术改进信号控制器，实现智能公交系统的公交优先功能。 2.5 城市轨道交通应用需求分析 轨道交通的运输生产、组织是一个高可靠性的复杂系统，同时也是一个规模庞大、专业分工很细的系统，需要各个方面协调一致工作。其中，监控系统是整个系统安全与高效运行的“视听中心”。整个系统运行状态及各个运行环节的第一手资料的获取就依靠监控系统。但是，各个专业系统有自己的管理和技术体系，有各自的目标和发展规划。同时，针对每套系统都有相对应的监管系统。这样的系统，在一定程度上可以发挥专业分工的好处，在管理中也起到了很大的作用。但从整体来看，各个监管系统之间的相互联系比较松散，横向协调不畅，造成各个专业系统在监管上不能与整个城市轨道交通的建设、管理、运营总体目标相一致。尤其是随着各个专业系统的建设发展，各自需求的传感监控设备日益增多，造成了大量通信带宽和能量的浪费。为了更好地对各专业系统进行监管，有效地发挥城市轨道交通的总体运输能力，取得更好的经济和社会效益，需要将各专业监管系统组成一个相互联系