基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的交通信息采集系統(tǒng)研究

摘要：實(shí)現(xiàn)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的交通信息采集系統(tǒng)，采用磁阻傳感器，通過測量地磁的變化來檢測車輛信息，用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)不需要大規(guī)模挖開路面鋪設(shè)車輛檢測器，具有安裝簡易，維修方便等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)采用B／S結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了交通信息的管理，用戶可以在遠(yuǎn)程終端利用瀏覽器在線監(jiān)測，實(shí)時(shí)分析交通信息數(shù)據(jù)，并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和維護(hù)。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；交通信息；數(shù)據(jù)管理；B／S結(jié)構(gòu)

0 引言
    城市交通問題是世界各國的普遍性問題，智能交通系統(tǒng)(Intelligenee Transportation System)是解決日益嚴(yán)重的城市交通問題的有效途徑。交通信息采集系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，是發(fā)展智能交通系統(tǒng)的基礎(chǔ)和交通管理智能化的前提。
    目前常見的交通信息采集方式有感應(yīng)線圈、紅外、視頻等。其中感應(yīng)線圈是侵入式檢測(Intrusive Detection)，需要大面積的鑿開路面安裝，影響公路的使用壽命，而且在維修和更改應(yīng)用的時(shí)候需要再次挖開路面，對(duì)路面的破壞很大。而紅外、視頻等屬于非侵入式檢測(Non-intrusive Detection)，安裝不用挖開地面，但是仍需鋪設(shè)大量線路，而且檢測結(jié)果受大風(fēng)、雨雪等天氣影響非常大。采用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network，WSN)進(jìn)行交通信息的采集，可以減少線路的鋪設(shè)，對(duì)路面的破壞非常小，并且測量結(jié)果基本不會(huì)受天氣影響，極大地方便了安裝和維修工作。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
    基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的交通信息采集系統(tǒng)主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)、通信控制服務(wù)端、用戶端三部分組成，如圖1所示。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)采集路面的交通信息，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到通信控制服務(wù)端；通信控制服務(wù)端、用戶端采用B／s模式。這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了asp．net在Web應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程用戶使用瀏覽器在線監(jiān)測、分析和處理傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的功能，有效組織和管理傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測區(qū)域采集的信息，對(duì)用戶的設(shè)置和查詢進(jìn)行響應(yīng)。

1．1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用TI公司的CC2520芯片實(shí)現(xiàn)，CC2520是一款2．4 GHz免授權(quán)ISM頻帶專用的第2代ZigBee／IEEE 802．15．4無線射頻收發(fā)器，有著高穩(wěn)定性和低工作電壓等出色特性。傳感器網(wǎng)絡(luò)采用不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以樹形(Cluster-Tree)組網(wǎng)方式組成，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括匯聚節(jié)點(diǎn)、路由器和采集節(jié)點(diǎn)，采集節(jié)點(diǎn)采集交通信息數(shù)據(jù)，直接發(fā)送或者經(jīng)由路由器發(fā)送到匯聚節(jié)點(diǎn)上。

    采集節(jié)點(diǎn)通過對(duì)地磁的測量來檢測交通信息。地磁場數(shù)值較小，約0．5×10T，可以認(rèn)為地球磁場強(qiáng)度在一定的區(qū)域內(nèi)(大約幾千米)是恒定的。當(dāng)有磁性的物體通過時(shí)，會(huì)引起物體周圍磁場強(qiáng)度的變化，汽車可看作多個(gè)雙極性磁鐵組成的模型，引起地球磁場的擾動(dòng)。汽車對(duì)地磁的干擾如圖3所示。

    因此，可以利用地磁傳感器來檢測車輛通過時(shí)的磁場變化從而獲得交通流的信息。本文選用了Honeywell公司的磁阻傳感器HMC1052，該傳感器是基于磁阻效應(yīng)(Magnetoresistance Effects)原理的，磁阻效應(yīng)是指某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象。即當(dāng)外部磁場發(fā)生變化時(shí)，傳感器內(nèi)部的電阻也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化，將磁場強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓輸出，利用該效應(yīng)，HMC1052可以測量地磁及汽車通過時(shí)對(duì)地磁的擾動(dòng)。
    采集節(jié)點(diǎn)安裝于需要測量的路段，負(fù)責(zé)采集路面的交通信息，并將數(shù)據(jù)直接或者通過路由器發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。
    路由節(jié)點(diǎn)安裝在盡量靠近在采集節(jié)點(diǎn)的路旁，用于轉(zhuǎn)發(fā)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn)，可以根據(jù)傳輸距離的要求，采用多跳路由。同時(shí)也增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。
    匯聚節(jié)點(diǎn)也安裝在路旁，它負(fù)責(zé)無線網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和建立，同時(shí)還建立網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)中的綁定等，并接收采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。匯聚節(jié)點(diǎn)還有一個(gè)以太網(wǎng)接口，將接收到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送到通信控制服務(wù)端。
1．2 通信控制服務(wù)端
    系統(tǒng)將無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的管理和用戶的使用分離開來，通信控制服務(wù)端主要負(fù)責(zé)交通流量數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算以及存儲(chǔ)等數(shù)據(jù)管理工作。通信控制服務(wù)端通過以太網(wǎng)接口從匯聚節(jié)點(diǎn)收集數(shù)據(jù)。接收到的交通信息數(shù)據(jù)中每一幀數(shù)據(jù)均包含包頭、ID號(hào)、采集數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位以及包尾。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。

    通信控制服務(wù)端首先將這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、重新封裝后存入數(shù)據(jù)庫。通過對(duì)這些信息的抽象，形成了數(shù)據(jù)庫的整體邏輯結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫實(shí)體關(guān)系圖(E-R圖)如圖4所示，根據(jù)實(shí)體關(guān)系圖，轉(zhuǎn)換成SQL Server 2005中的關(guān)系模式(數(shù)據(jù)表)如表2～表4所示。

    采用的是SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，它采用圖形化用戶界面，數(shù)據(jù)庫管理直觀，對(duì)Web技術(shù)支持，很容易地將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)發(fā)布到Web頁面上，非常適用于B／S體系結(jié)構(gòu)。通過ADO．NET(ActiveX Data Object)訪問數(shù)據(jù)庫來實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫的存儲(chǔ)、查詢和刪除等操作。ADO．N ET是在．NET編程環(huán)境中優(yōu)先使用的數(shù)據(jù)訪問接口。它提供了平臺(tái)互用性和可伸縮的數(shù)據(jù)訪問，使用幾個(gè)對(duì)象就可以方便地訪問數(shù)據(jù)庫，例如SqlConnection對(duì)象管理與數(shù)據(jù)源的連接。SqlCommand對(duì)象與數(shù)據(jù)源交流并發(fā)送命令。使用SqlDataReader可以進(jìn)行快速“向前”讀取數(shù)據(jù)，使用DataSet或者SqlDataAdapter實(shí)現(xiàn)進(jìn)行寫入和讀取數(shù)據(jù)源。
1．3 用戶端設(shè)計(jì)
    用戶端通過瀏覽器給用戶提供一個(gè)可視化的界面與數(shù)據(jù)庫交互，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)查詢、圖形化顯示以及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況，運(yùn)行于用戶端瀏覽器的Web頁面是基于．net框架開發(fā)的，開發(fā)環(huán)境是Visual Studio 2005，結(jié)合了asp．net在Web應(yīng)用上的優(yōu)勢(shì)，利用多線程和模塊化思想，完成整個(gè)界面的設(shè)計(jì)，用戶只需關(guān)心自己所需要的數(shù)據(jù)，而無需關(guān)心傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程終端瀏覽器在線監(jiān)測、分析和處理傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的功能。主要功能模塊包括實(shí)時(shí)交通參數(shù)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)回放統(tǒng)計(jì)、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)用戶管理、報(bào)警通知等消息處理。用戶端的功能模塊如圖5所示。

    網(wǎng)絡(luò)用戶管理模塊  對(duì)不同等級(jí)的用戶分配不同的權(quán)限，普通用戶不具備傳感器網(wǎng)絡(luò)管理、用戶管理權(quán)限，可以查詢查看數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。而管理員用戶可以進(jìn)行新增用戶、刪除用戶、授予權(quán)限、允許用戶更改密碼等操作。
    實(shí)時(shí)交通流量監(jiān)控模塊  接收數(shù)據(jù)庫發(fā)送來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，以實(shí)時(shí)曲線圖的方式繪制出來，方便用戶直觀地觀察到每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)的信息，從而掌握監(jiān)控區(qū)域交通流量的情況。
   歷史數(shù)據(jù)回放統(tǒng)計(jì)模塊  歷史數(shù)據(jù)模塊允許用戶選擇歷史時(shí)間范圍，查詢各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)。還可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，統(tǒng)計(jì)路口的日、周交通流量等。
    傳感器網(wǎng)絡(luò)管理模塊  允許用戶對(duì)設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重命名、新增、刪除操作，實(shí)時(shí)顯示網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，同時(shí)可以顯示節(jié)點(diǎn)的路由狀態(tài)和鏈路信息，掌握網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的整體狀態(tài)。該模塊還提供了對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的配置和管理，通過對(duì)這些節(jié)點(diǎn)的管理，用戶可以及時(shí)了解節(jié)點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的分布情況。
    報(bào)警通知等消息處理模塊  當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常，例如節(jié)點(diǎn)損壞，沒電等情況時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一些提示、報(bào)警等消息。系統(tǒng)需要對(duì)這些消息進(jìn)行管理，一方面將這些消息存儲(chǔ)到日志中，供用戶日后查詢時(shí)使用，另一方面要將這些消息及時(shí)地通知給用戶，以便用戶采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。
    用戶端界面如圖6所示。

2 結(jié)語
    本文實(shí)現(xiàn)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的交通信息采集系統(tǒng)。采用磁阻感器HMC1052檢測車輛信息，無線網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，安裝和維修方便。數(shù)據(jù)管理采用B／S模式，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)、升級(jí)。使得傳感器網(wǎng)絡(luò)易于管理和布置，提高了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)和維護(hù)的效率。利用多線程和模塊化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的收集處理，提高了數(shù)據(jù)的安全性、可靠性和一致性。通過長時(shí)間實(shí)驗(yàn)證明所實(shí)現(xiàn)的信息采集系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。