(推荐,免费下载)基于无线传感器网络的智能交通系统的设计

基于无线传感器网络的智能交通系统的设计 王东哲 李杨 马月超 柳泓阳

航天学院

刘晓为 博士生导师

一、课题研究目的

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。

二、课题背景 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。 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: ①以车辆为基础; ②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。

三、课题研究主要内容 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。 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１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１

巨磁阻传感器２

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２所示：

交通信号灯无线传感器节点

无线传感器汇聚节点北方向南方向西方向东方向

交通信号灯控制

以无线、GSM或者有线

智能交通

指挥中心

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。

四、结论（成果介绍） 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。 目前，在理论设计中所使用的传感器已经能够达到所需的灵敏度与检测距离的要求，并且可以稳定的工作。并具有数据采集、处理、显示等基本功能。但由于巨磁阻传感器灵敏度较高，为了使其能够在更加复杂的环境下稳定工作，进一步扩大传感器的应用范围，还需要对传感器的结构及电路进行改进以改善检测距离和稳定性等性能。并且可以进行进一步的智能化设计，提供更加方便的智能化系统，使交通状况变得越来越好。在拥有上述功能后，便可以将此种传感器应用于更加广泛的领域。 基于无线传感器的智能交通系统很好的利用了存在于机动车本身的一种磁效应,利用无线传感网络使交叉路口处的红绿灯控制得到有效地改善，属于智能交通系统的一个典型应用子系统。该系统可有效地解决交叉路口车辆行驶情况混乱的问题,在很大程度上避免了一些交通事故的发生。很好地保证了道路的车流量问题，使路面上的车流均匀分布，缓解了车辆行驶高峰期时的堵车状况，使人们的出行更加畅通无阻。 （一） 硬件部分 1、 电路版图 ① 主控模块（如图3） 主控模块电路板是由实验室之前的相关LPC2138处理器的主控模块经修改而成，在师兄的指导下完成了该板的投板、芯片焊接、烧录主程序、调试等工作。在这之前我小组全体成员皆完全未有任何非实验性自制电子产品的经验。该板分为电源、主控芯片（LPC2138）、复位芯片组、射频模块、LED灯阵列、液晶屏、蜂鸣器等模块。能有效的完成作为智能交通系统主控模块的通信和信息处理功能。