基于某无线传感器在智能交通系统中地应用

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1、word 毕业设计专业： 电 气 自 动 化 班级学号： 201103010108 学生某某： 杨 旭 恒 指导教师： 高 立 兵 讲师 二一四年三月某某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班学生某某：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、电子控制技术与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

2、兴的无线传感器网络，具有功耗低、本钱低等特点。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协议的数据传输以与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巨磁阻传感器以与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与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与功能。对整个系

3、统的方案进展设计，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。进展软件的编程，与硬件的调试。将软件和硬件结合到一起，进展模拟路况实验。本课题参照国内外智能交通系统的设计以与磁阻传感器研究成果，设计了利用巨磁阻传感器与射频模块，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，并可较为准

4、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，可准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，使用该芯片可以准确的完成以上功能，验证了理论分析设计设计的正确性。 4、

5、 该系统实现了集数据采集、处理，以与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 35 / 44AbstractIntelligent transportation system will be information technology, electronic control technology and network technology and other high and new technology

6、 prehensive 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), establ

7、ished 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 Chinas intersection, traffic, traffic chaos phenomenon research a kind of con

8、trol 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 co

9、ntent 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 t

10、he 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, plete the construction of the hardware platform. For software programming, and hardware debugging. The sof

11、tware 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 ba

12、sed on wireless sensor network is posed 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

13、 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 calcul

14、ate 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 w

15、ork 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 t

16、he 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 no

17、de. Verified by the experiment, the use of the chip can be accurate to plete 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

18、 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;

19、 The network model; Routing technology 目 录 1 引言 . 12 正文 . 32.1 无线传感器网络关键技术与要求 . 32.2 无线传感器的优点 . 42.3 课题研究主要内容 . 42.4 无线传感网促进智能交通的开展 . 72.5 城市轨道交通应用需求分析 . 72.6 车辆运行状态监测 . 92.7 车道空间占用率与拥堵期望值 . 102.8 ITS 的无线传感器 . 102.8.1 用于 ITS 的无线传感器网络构建 . 102.8.2 采用无线传感器网络进展交通信息采集 . 112.8.3 无线传感器网络在 ITS 中的应用 . 122.9

20、网络节点 . 122.9.1 网络节点软件功能设计 . 122.9.2 网络节点硬件功能设计 . 132.9.3 基于 Atmel 的 AT86RF230 射频芯片和 AVR 单片机设计方案 . 142.9.4 基于 TI 的 CC2420 芯片和 ARM 单片机设计方案 . 142.9.5 节点设计其他考虑 . 152.10 交通信息采集传感器网络 . 162.10.1 传感器网络数据融合 . 172.10.2 传感器网络拥塞控制 . 183 结论 . 204 开展前景与拓展 . 241、 开展前景 . 242、 可拓展性 . 255 致谢 . 276 参考文献 . 271 引言 随着微电子

21、机械系统(MEMS)、计算机、通信、自动控制和人工智能等学科的开展，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严密结合，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局部 随着经济的快速开展，生活方式变得更加快捷，城市的道路也逐渐变得纵横交织，快捷方便的交通在人们生活中占有与其重要的位置，而交通安全问题如此是重中之重。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

22、. 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，城市的道路纵横交织，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聚集通过。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

23、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,驾驶员来不与反响)，以与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开展，私家车也越来越多，交通控制还是延续原有的定时控制，在车辆增加的根底上，这种控制弊端也越来越多的表现出来，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

24、塞已经成为阻碍国民经济开展的瓶颈，在美国等兴旺国家也是如此，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，需要稳定的电源供给，对这些设备本身与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准确的、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

25、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X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本钱，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

26、、路面状况、交叉口防碰撞、电子收费等。目前开展的重点主要集中在2个应用上: 以车辆为根底; 以路边装置为根底。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 f

27、or the 21st century , UTMS 21)。是以ITS 为根底的综合系统概念,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开展趋势可以看出，现代的交通控制向着智能化的方向开展，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

28、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

29、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。 在上述关键技术根底上，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

30、)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，最终的数据将被会聚到网关节点上。网关节点利用3G 网络将所采集到

31、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展信息交互，可以进展数据查询、空中编程、节点健康监测等，极大地方便用户的使用，减少维护本钱； (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(Int

32、elligent 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，相对于国外的开展具有较大的差距，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

33、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拟昂贵，需要有线的方式进展检测，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展监测。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

34、临十字交叉路口处的无线传感器会聚节点之间能够进展通信，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严密结合,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、本钱低、便于安装的优点，能够全天候的工作，便于在交通部门进展推广和普与。 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

35、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会聚节点组成。无线传感器节点是整套系统的根本组成局部，节点是整个系统的根本组成单元，节点电路的根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 无线传感器节点的根本组成框图 整个系统由微处理器、传感器单元、收发单元与供电单元组成。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

36、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会聚节点。整套系统

37、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会聚节点。会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。收发单元如此使用射频模块，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

38、传输，但电磁波频率高于 100khz 时，电磁波可以在空气中传播。射频如此指具有远距离传输能力的高频电磁波，射频模块如此是基于射频技术的可进展远距离传输的硬件设备。2.4 无线传感网促进智能交通的开展智能交通系统(ITS)应用在城市交通中主要表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)计算出最优方案，并输出控

39、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X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） 本钱低，开放的简化ZigBee协议栈，工

40、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，改良简化、改良信号控制算法，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良信号控制器，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。整个系统运行状态与各个运行环节的第一手资料的获取就依靠监控系统。

41、但是，各个专业系统有自己的管理和技术体系，有各自的目标和开展规划。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拟松散，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开展，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展监管，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、资源共享、统一协调的整体，也就是通过WSN

42、技术建立城市轨道自组织网络监测和控制系统。自组织网络技术突破了原来传统的集中式、分布式的cs(客户月艮务器)结构，建立了全新的系统模式。在这一系统中，所有的单元(子系统)都是独立平等的，它们之间不存在任何隶属关系。各个单元都能独立完成各自的任务而不受其他单元的干预，同时各个单元之间也能协调工作来实现整个系统的运行。这就是自律分散系统的两大特性：自律可控性和自律可协调性。实现这一系统模型的关键概念是数据域和广播的通信方式。系统中的每个单元都主动地向数据域广播其内部处理信息，同时根据各自的需求从数据域中接收信息。各个子系统都只同数据域打交道，它们相互之间没有直接的耦合关系。这就较好地保证了在线扩展

43、、在线维护与容错。轨道交通监控系统的体系结构设计与开发，是用先进的计算机网络技术将相关监控子系统互联后建立综合监控系统；由各子系统获取各类事故和灾害监测的原始信息，并经初步分析，或直接将安全信息传送至相关安全监测指挥调度中心。管理部门根据故障或是灾害的性质和级别，对运行中的列车采取措施，或采取特殊行车组织方法。紧急情况发生时，安全保障信息系统为综合维修和救援部门提供相关信息，使其尽快排除故障。目前城市轨道交通系统各专业均有自成体系的监控系统，根据其功能可简单分为：FAS(防灾报警系统)、TSIS(行车安全监测系统)、SCADA(监控和数据采集系统)、BAS(环境监测系统)。它们分布在城市轨道交

44、通沿线、车站和调车场等地方，利用各类通信网络，将有关信息送至控制中心。WSN在轨道交通中的具体应用前景和需求 2.6 车辆运行状态监测要保证列车安全、快速、高效地运行，必须有一个完整、相对独立的诊断系统。列车故障诊断系统是城市轨道交通行车安全保障体系的重要组成局部，可提高列车运营安全性与车辆利用率，还可优化运行管理。我国的列车故障诊断技术仍处于探索研究阶段。在SS4B、SS8型电力机车上我国自主开发了具有监测、记录和显示功能的故障诊断系统，但还是一种以继电保护为根底的故障诊断系统，而且没有把诊断对象看成一个有机的整体，也未能有效地考虑多故障同时发生和各种故障之问可能存在的相互联系与影响。目前正

45、在探索数据融合技术在列车故障诊断系统中的应用，使各独立的故障形成一个整体，以提高整个系统的容错性、鲁棒性、可靠性。TSIS是ATC(列车自动控制系统)的主要组成局部。TSIS主要包括列车识别与跟踪、列车轨道态监测系统、轨旁信号设备监测系统、列车防护系统和列车设备安全监测系统。各个系统功能如下。 1)列车车次号自动识别与自动追踪：根据当日列车计划运行时刻表确定的列车车次号，车地信号交流后系统完成列车自动识别。根据列车在线运行的位置、进路状态等信息实现全线列车的自动追踪运行，列车车次号显示与列车进人、驶出管辖区的车次号自动移位。 2)列车运行轨道状态监测系统：根据传感器和监控设备监测轨道上是否有阻

46、碍列车正常运行的隐患，包括轨道上是否有异物、道岔是否到位，以与根据电流和电压判断轨道电路是否正常。 3)轨旁信号设备监测系统：轨旁设备包括信号灯、为ATC服务的地面设备(包括应答器、轨问电缆和道岔设备的交流电机)等。轨旁设备是实现自动驾驶的根本保障，因此必须保证其完整性。监测系统对管辖区内的各种信号设备的工作状态进展监视和监测。信号设备一旦检测到故障信息，立即传送至控制中心，并在相关调度员工作站或维修工作站上给出报警与故障源提示，并对故障发生的地点、时问、内容进展记录。行车调度员应确认故障状态、故障恢复情况与时问。 4)列车防护系统：主要是为工作人员提供列车靠近时告警信息。当在线路上进展施工或

47、维修时，需设置安全防护带。列车接近安全防护带时，报警装置将发出锋利的报警声音，同时向列车控制中心传递信息，告知前方有工作人员，防止出现运行事故。 2.7 车道空间占用率与拥堵期望值设城市共有n条车道，双向车道独立对待，多车道换算成单车道，车道与交叉道El按安置传感器网络会聚节点将检测到驶入和驶出每一车道的车辆的车长、数量和速度等信号，无线接入互联网，传送到交通控制中心，通过模式识别和计数，算出每条车道上实时的车辆数，通过调用路网数据库信息，算出每个路段的空间占用率SOC(space occupan，cy) ，比拟SOC的拥堵参数，通过信息发布，发出路段拥堵信息，供出行者参考此外，根据实时的SO

48、C参数，给出各个路段的车速参数，当接到需要推荐最优行车线路的请求时，计算离目的地最近的3条参考路线的行车时间，供需求者参考具体计算模型如下，设：d (i=1，2，n)为城市第i条车道的长度；bi()(i：l，2， )为在t时刻城市第i条车道上的实时的车辆数； (r=1，2，b (t)为车道i上每一车辆的车长；At为采样时间；p ( )为在时间 内驶入车道i上的车辆数；L ( =1，2，P (f) 为驶入车道i各车的长度；q (f)为在时间内驶出车道i上的车辆数；L (k=1，2， ，q ( )为驶出车道i各车的长度，那么在t时刻第i条车道上的空间占用率是： bi(t)SOC(t)= d (1)

49、在t+f时刻第i条车道上的空间占用率是：6 (I) p(at) (t)SOC (f+f)=(厶，+ 一 )d (2)这样，在t+At时刻在道路i 上的拥堵期望值是：hi(t) pi(t) (t) bi(Orh(f+ )=( + 一 )L (3) 根据车道的SOC值，通过信息发布，让出行者了解路网的通行状况，避开高SOC的路段；结合31节中的车辆跟随逻辑模型，依据SOC计算有关路段的平均车速；根据相邻两次采样的SOC，计算SOC的变化率，作为期望估计(结合数据挖掘技术等智能算法，做必要的期望值优化估计)，估计车辆从当前位置到达目的地的最短3 条路径所需要的时间，供司机作选择路径参考，引导车辆朝最

50、优路径行驶，以与实现交通智能控制的目的等 2.8 ITS 的无线传感器2.8.1 用于 ITS 的无线传感器网络构建如图1所示，在无线传感器网络结构中，安装道路两旁的会聚节点组成一个自组织的多跳网状Mesh根底网络构架，交通信息采集专用的传感器终端节点与每个临近的会聚节点组成星型网络进展通讯，最终的数据将被会聚到网关节点上。网关节点可以作为一个模块安装在交叉路口的交通信号控制器内，通过信号控制器的专有网络，将所采集到的数据发送到交管中心作进一步处理。 在无线传感器网络部署中，会聚节点可以安装在路边立柱、横杠等交通设施上，网关节点可以集成再交叉路口的交通信号控制器内，专用传感器终端节点可以填埋在

51、路面下或者安装在路边，道路上的运动车辆也可以安装传感器节点动态参加传感器网络。 图3 用于智能交通信息采集的无线传感器网络结构 2.8.2 采用无线传感器网络进展交通信息采集在交通信息采集中，终端节点可采用非接触式地磁传感器来定时收集和感知区域内车辆的速度、车距等信息。当车辆进入传感器的监控X围后，终端节点通过磁力传感器来采集车辆的行驶速度等重要信息，并将信息传送给下一个定时醒来的节点。当下一个节点感应到该车辆时，结合车辆在两个传感器节点间的行驶时间估计，就可估算出车辆的平均速度。多个终端节点将各自采集并初步处理后的信息通过会聚节点会聚到网关节点，进展数据融合，获得道路车流量与车辆行使速度等信

52、息，从而为路口交通信号控制提供准确的输入信息。通过给终端节点安装温湿度、光照度、气体检测等多种传感器，还可以进展路面状况、能见度、车辆尾气污染等检测。 图4 用于交通信息采集的无线传感器网络部署 2.8.3 无线传感器网络在 ITS 中的应用实现智能公交系统中的公交优先功能需要对现有交通信号控制器进展改造。通过添加传感器等辅助设备，交通信号控制器可以估算出公交车辆到达交叉路口的时间(旅行时间)，计算出公交车辆在路口是否需要给予优先(可选择乘客数量作为优先权重)，然后选择适宜的优先控制策略，通过调整绿信比来优先放行公交车辆。交通信号控制器的改造包括： （1） 车载无线通讯终端节点； （2） 交叉

53、路口交通信号控制器上集成无线网关； （3） 用于公交车辆定位的终端节点； （4） 通过构建基于ZigBee的无线传感器网络可以实现上述功能。 当要临近路口时，车载ZigBee无线终端节点进展公交车辆信息广播，路边部署的无线传感器网络获取信息后，公交车辆定位的终端节点对其跟踪获取信息并会聚到无线传感器网络网关节点上，通过内部连接最后信息传送给交通信号控制器，进展相应的优先处理。 2.9 网络节点2.9.1 网络节点软件功能设计 在ITS无线传感器网络的设计中，网络节点按照功能不同，需要分别进展设计。终端节点、会聚节点和网关节点的软件功能如图3所示。终端节点安装不同的传感器用于运动车辆信息采集和道

54、路信息获取等。其功能实现可按照精简功能设备(RFD，Reduced Function Device)标准来实现。终端节点与会聚节点按照星型网络组网，在固定时间点由睡眠状态醒来与会聚节点主动通讯。信息路由如此交给父(会聚)节点与网络中具有路由功能的协调器和路由器完成，降低了节点功耗和软件实现复杂度。会聚节点是终端节点软件功能上的扩展，实现了扩展网络与路由消息的功能，允许更多重点节点接入网络。可按照全功能设备(FFD，Full Function Device)标准进展设计。 图5 无线传感器网络节点软件功能 网关节点是网络中所需要的协调器，负责启动网络、配置网络成员地址、维护网络、维护节点的绑定关

55、系表等，还负责将所采集的数据初步处理并交付交通信号控制器传输到上一级信息中心，需要较多存储空间、计算与通讯能力。 2.9.2 网络节点硬件功能设计现有较多的无线传感网解决方案，包括各芯片产商推出的单片机外接射频芯片和集成射频、微处理器的单芯片等。在节点设计中较常采用的ZigBee射频芯片有Atmel的AT86RF230、TI的CC2420、Freescale的MC1319x和MC1320x、Microchip的MRF24J40等。此外，芯片产商推出了单芯片解决方案，如TI CC2430 延用了CC2420 芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee 射频前端、内存和微控制器；Freescale

56、的MC1321x/MC1322x和Jennic的JN5121/JN513x单芯片解决方案等。 2.9.3 基于 Atmel 的 AT86RF230 射频芯片和 AVR 单片机设计方案典型的终端节点和会聚节点设计如图4所示，采用Atmel的8位RISC结构低功耗ATMegal1281V MCU作为系统控制核心。采用512 KB 的AT45DB041D作为外部程序存储器。射频模块使用Atmel的支持ZigBee协议的AT86RF230，RF功率达到3dBm，室外传输距离可达300米以上节点的扩展接口可连接模拟输入、数字I/O、I2C、SPI和UART接口，这些扩展接口使其易于与传感器与其它外设连接

57、，例如外接光度、温温度、气压、声、地磁和加速度等传感器。 、图6 传感器节点设计 2.9.4 基于 TI 的 CC2420 芯片和 ARM 单片机设计方案在设计无线传感器网络网关时，需要较强的数据处理能力，用以实现复杂路由协议以与信息处理等。如图7所示Crossbow的imote2节点采用了Marvell PXA271 高性能、低功耗处理器。该处理器使用动态电压调节技术，频率X围13MHz416MHz，可工作于低电压(0.85V)低频率(13MHz)模式，具备了优良的动态电源管理技术。此外，该处理器封装内集成三个芯片256KB SRAM，32MB FLASH 以与32MB SDRAM，减小了体积。通过提供多种I/O，能够灵活的支持不同种类的传感器。该处理器还支持一个MMX协处理器，提高多媒体处理能力，可以用于无线多媒体传感器网络中的语音和图像处理。Imote2使用TI的CC2420 ZigBee射频芯片，支持2.4GHz 、16通道25