梁 偉，陳燕飛，李 娜

（常熟理工學(xué)院計(jì)算機(jī)科學(xué)與工程學(xué)院 常熟215500）

1 引言

隨著我國(guó)城市汽車保有量的不斷攀升，城市交通問題日益突出。例如城市“停車難、亂停車”現(xiàn)象非常普遍，既影響城市功能的發(fā)揮，也給居民汽車消費(fèi)造成障礙。而目前我國(guó)大型停車場(chǎng)仍不具備智能車位管理系統(tǒng)。對(duì)于用戶而言，置身于大型停車場(chǎng)中，快速到達(dá)有效停車位仍相對(duì)困難，這樣便造成停車場(chǎng)整體運(yùn)行效率低，甚至?xí)驗(yàn)橥＼嚥环奖阍斐晒芾砘靵y。因此，本文提出了停車場(chǎng)車位自動(dòng)化檢測(cè)的研究方案。該研究方案將運(yùn)用到無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)中，并利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)日益成熟的技術(shù)解決停車場(chǎng)自動(dòng)化管理的難題。利用該方案能及時(shí)統(tǒng)計(jì)空閑車位，分配用戶指定車位，加快用戶的泊車速度，提高停車場(chǎng)的運(yùn)行效率，并節(jié)約成本。

近年來，車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)獲得了研究界極大的研究興趣。2010年，加拿大Ottawa大學(xué)PARADISE研究實(shí)驗(yàn)室在車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)定位服務(wù)發(fā)現(xiàn)協(xié)議和輔助定位的網(wǎng)關(guān)廣播發(fā)現(xiàn)協(xié)議中獲得了多項(xiàng)研究成果；2011年，美國(guó)加州大學(xué)在車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)信息傳播合作的主動(dòng)安全控制應(yīng)用方面，也同樣進(jìn)行了相關(guān)的研究。國(guó)內(nèi)方面，如上海交通大學(xué)在車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)及新一代智能交通信息服務(wù)的研究中也頗有成果。

2 停車場(chǎng)傳感器網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)總體概述

大量的傳感器節(jié)點(diǎn)被隨機(jī)散布在目標(biāo)監(jiān)測(cè)區(qū)域；對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)拓?fù)湟?guī)劃；在數(shù)據(jù)收集過程中，需要每個(gè)傳感器采集到的有效數(shù)據(jù)及時(shí)、準(zhǔn)確地傳回節(jié)點(diǎn)和基站；傳感器節(jié)點(diǎn)采集大量的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行壓縮處理。系統(tǒng)提供了停車場(chǎng)中總車位占用數(shù)以及更為具體的區(qū)域信息。在每個(gè)入口、出口和區(qū)域過渡處安放了傳感器。入口和出口處的傳感器，以無線方式將入口和出口的車輛數(shù)據(jù)傳輸?shù)匠隹趰復(fù)さ闹行幕?，監(jiān)測(cè)區(qū)域過渡點(diǎn)的傳感器檢測(cè)車流和方向，并確定車輛是否在區(qū)域間移動(dòng)。傳感器將數(shù)據(jù)發(fā)送到中心基站，基站將對(duì)所有的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，實(shí)時(shí)提供停車場(chǎng)總共可用的停車位數(shù)量和每個(gè)區(qū)域的停車位數(shù)量。車位檢測(cè)系統(tǒng)由4部分構(gòu)成：

·安裝在停車場(chǎng)車位上的車位檢測(cè)器和安裝于天花板的路由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的自組織無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；

·由無線射頻模塊和監(jiān)控機(jī)組成的停車場(chǎng)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器；

·由PC機(jī)組成的停車場(chǎng)管理終端，用于管理停車場(chǎng)的車位使用情況和監(jiān)控設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)；

·安裝在停車場(chǎng)天花板下的LED顯示屏，用于顯示停車場(chǎng)剩余車位的顯示情況，數(shù)據(jù)傳輸采用主動(dòng)方式，傳感網(wǎng)采集車位占用與否，數(shù)據(jù)無線發(fā)送給停車場(chǎng)網(wǎng)關(guān)服務(wù)器。

其中，車位檢測(cè)器由微處理器、無線通信模塊、電源模塊、傳感器模塊構(gòu)成。微處理器定時(shí)查詢傳感器模塊狀態(tài)。電源模塊負(fù)責(zé)提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓給微處理器，在適當(dāng)?shù)臅r(shí)候關(guān)閉一些模塊，使整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)入低功耗狀態(tài)。

處理器模塊：采用低功耗單片機(jī)，因?yàn)椴捎秒姵毓╇?，要求系統(tǒng)的平均電流要低，才能延長(zhǎng)產(chǎn)品的使用壽命。

無線通信模塊：射頻芯片是標(biāo)準(zhǔn)的低成本、低功耗、單片、高集成度的解決方案，工作在免費(fèi)頻帶上，主要特點(diǎn)為具有接擴(kuò)頻序列基帶調(diào)制解調(diào)和有效數(shù)據(jù)傳輸速率；適合簡(jiǎn)化功能裝置和全功能裝置操作；電池電量可監(jiān)控，適合各種惡劣的環(huán)境。

電源模塊：實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)的微型化，電池每月自放電率小于10%，在以網(wǎng)絡(luò)形式工作狀態(tài)下通過合理的配置節(jié)點(diǎn)發(fā)射極的接收、發(fā)射以及待機(jī)狀態(tài)，可有效地延長(zhǎng)節(jié)點(diǎn)的運(yùn)用壽命。針對(duì)節(jié)點(diǎn)供電單元不便于更換的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，新的能源處理要領(lǐng)研究及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的低功耗設(shè)計(jì)也是當(dāng)前值得關(guān)注的課題。

傳感器模塊：射頻芯片能對(duì)光、麥克風(fēng)、震動(dòng)做出傳感，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)采集部分可以根據(jù)不同的應(yīng)用采用不同的傳感器，比如溫度、濕度、光、壓力、煙霧等。

3 通信與時(shí)間復(fù)雜度

車位檢測(cè)的網(wǎng)關(guān)協(xié)議基本上分為3類：

·主動(dòng)方式，網(wǎng)關(guān)在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)中廣播自己；

·被動(dòng)方式，請(qǐng)求車輛遍布于整個(gè)網(wǎng)絡(luò)廣播區(qū)域；

·混合方式，網(wǎng)關(guān)以固定的周期廣播自己，請(qǐng)求車輛在廣播區(qū)域內(nèi)發(fā)送它們的請(qǐng)求消息。

主動(dòng)方式具有很好的連通性，但是如果在網(wǎng)關(guān)數(shù)目很多的情況下，成本也會(huì)相應(yīng)提高。被動(dòng)方式對(duì)于小型的網(wǎng)絡(luò)成本比較低，但可拓展性很差?；旌戏绞较鄬?duì)于主動(dòng)和被動(dòng)方式有效得多，然而最重要的是怎樣確定廣播區(qū)域的半徑。在本文中，筆者提出了一種新的混合自適應(yīng)性的輔助定位網(wǎng)關(guān)廣播和發(fā)現(xiàn)協(xié)議。這種機(jī)制不僅是混合式的，而且也是自適應(yīng)性的，因?yàn)樗梢愿鶕?jù)變化的網(wǎng)關(guān)客戶端數(shù)量和已經(jīng)存在的網(wǎng)關(guān)數(shù)量來確定網(wǎng)關(guān)廣播區(qū)域半徑，以網(wǎng)關(guān)的分布方式和動(dòng)態(tài)方式確定主動(dòng)的廣播區(qū)域。筆者對(duì)主動(dòng)和被動(dòng)網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行比較，避開了混合協(xié)議的缺陷，并且調(diào)整了網(wǎng)關(guān)廣播的半徑。

3.1 主動(dòng)廣播區(qū)域

首先考慮網(wǎng)關(guān)G想發(fā)送廣播消息給它的源車輛。網(wǎng)關(guān)G為網(wǎng)關(guān)廣播確定了一個(gè)主動(dòng)的廣播區(qū)域，當(dāng)一輛車V在主動(dòng)廣播區(qū)域中接收到了一個(gè)網(wǎng)關(guān)廣播消息時(shí)，為了確認(rèn)網(wǎng)關(guān)廣播消息已經(jīng)到達(dá)了源車輛，主動(dòng)廣播區(qū)域應(yīng)該具有一個(gè)和其他區(qū)域一樣的預(yù)期區(qū)域。為了保證V和G屬于同一個(gè)主動(dòng)廣播區(qū)域，其他區(qū)域可以被添加進(jìn)去(如圖1所示)。這種算法提出了一個(gè)錐形的主動(dòng)廣播區(qū)域。如果考慮到預(yù)期區(qū)域是一個(gè)以(t1-t0)×v為半徑的圓，那么提出的錐形的主動(dòng)廣播區(qū)域是能夠獲得的最小的區(qū)域。

然而，錐形的主動(dòng)廣播區(qū)域不是最佳的主動(dòng)廣播區(qū)域。如果所有從G到V的路徑存在錐形的主動(dòng)廣播區(qū)域外的車輛，就不能夠保證在錐形的主動(dòng)廣播區(qū)域中找到一條V和G的路徑。因此，需要對(duì)廣播區(qū)域拓展，可以采用一個(gè)矩形的主動(dòng)廣播區(qū)域(如圖2所示)或者一個(gè)半圓形的主動(dòng)廣播區(qū)域(如圖3所示)。如果請(qǐng)求車輛的搜索區(qū)域里存在網(wǎng)關(guān)，那么利用定位輔助廣播和發(fā)現(xiàn)協(xié)議可以在有限的時(shí)間內(nèi)找到請(qǐng)求車輛所請(qǐng)求的網(wǎng)關(guān)；如果一個(gè)請(qǐng)求車輛的周圍有很多的網(wǎng)關(guān)，那么在一個(gè)有限的時(shí)間內(nèi)請(qǐng)求者會(huì)收到所有網(wǎng)關(guān)的回復(fù)。

3.2 通信與時(shí)間復(fù)雜度的計(jì)算

在這一部分中，先確定主動(dòng)廣播區(qū)域，再計(jì)算通信和時(shí)間復(fù)雜度。

（1）計(jì)算錐形的主動(dòng)廣播區(qū)域面積

H0(x0,y0)是車輛V在t0時(shí)刻以速度v行駛的位置，G(xg,yg)是網(wǎng)關(guān)G的固定位置，t1是下一周期廣播的起始時(shí)間。

圖1顯示了錐形的主動(dòng)廣播區(qū)域Rt△ADG的近似面積。如果確定了A、G和D的坐標(biāo)，就可以確定△AGD的面積。G的固定坐標(biāo)是xg和yg，A(xa,ya)和B(xb,yb)取決于A的預(yù)期區(qū)域。用以H0為圓心、以最大距離為半徑的圓表示V的預(yù)期區(qū)域，這樣就可以被車輛V在t1時(shí)刻以速度v穿過。因此，圓C可以用C(H0，(t1-t0))來表示。D在x軸上的投影可以確定D的橫坐標(biāo)為xd=x0+(t1-t0)×v，D在y軸上投影顯示了yd和yg是相等的。所以D的坐標(biāo)是(x0+(t1-t0)×v,yg)。A在x軸上投影顯示了xa和xd是相等的。因此,xa=x0+(t1-t0)×v。A的縱坐標(biāo)需要更多的計(jì)算。實(shí)際上，從圖1注意到y(tǒng)a=y0(t1-t0)×v+d?？梢允褂萌呛瘮?shù)計(jì)算出d的距離。在此之前，△BCG和△AEB是相似的。實(shí)際上，△BCG和△AEB分別是直角三角形。此外，∠GAD和∠BAE是相等的。因此，由于△AGD和△ABE相似，所以它們至少有兩個(gè)角相等，所以，第三個(gè)角∠AGD和∠ABE也是相等的。另外，由于△BCG和△ADG有一個(gè)角相等并且是直角三角形，所以它們也是相似的。因此，可以得出△BGC和△ABE也是相似的。

現(xiàn)在應(yīng)用直角三角形的三角函數(shù)：

最后，已知了△ADG所有頂點(diǎn)的坐標(biāo)，可以很容易地知道△ADG的面積：

所以，錐形主動(dòng)廣播區(qū)域的面積為：

（2）計(jì)算矩形的主動(dòng)廣播區(qū)域的面積

H0(x0,y0)是車輛V在t0時(shí)刻以速度v行駛的位置，G(xg,yg)是網(wǎng)關(guān)G的固定位置，t1是下一周期廣播的起始時(shí)間。

圖2中顯示了矩形的主動(dòng)廣播區(qū)域的矩形ABGD的面積。如果確定了A、B、G和D的坐標(biāo)，就可以確定矩形ABGD的面積。G(xg,yg)的坐標(biāo)是固定的。A(xa,ya)、B(xb,yb)和D(xd,yd)的坐標(biāo)取決于車輛V的預(yù)期區(qū)域。用以H0為圓心、以最大距離為半徑的圓表示V的預(yù)期區(qū)域，這樣就可以被車輛V在時(shí)刻t1以速度v穿過。因此，圓C可以用C(H0，(t1-t0)×v)來表示。A、B和D在x軸和y軸上的投影可分別確定A、B和D的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，分別為：A(x0+(t1-t0)×v,yg)、B(x0+(t1-t0)×v,y0+(t1-t0)×v)、D(xg,y0+(t1-t0)×v)。

在確定了矩形ABGD所有點(diǎn)的坐標(biāo)后，可以簡(jiǎn)單地確定ABGD的面積：

所以，矩形主動(dòng)廣播區(qū)域的面積為：

（3）計(jì)算半圓的主動(dòng)廣播區(qū)域的面積

H0(x0,y0)是車輛V在t0時(shí)刻以速度v行駛的位置，G(xg,yg)是網(wǎng)關(guān)G的固定位置，t1是下一周期廣播的起始時(shí)間。

圖3顯示了半圓的主動(dòng)廣播區(qū)域的面積是以G(xg,yg)為圓心、半徑為R=GP的半圓。如果確定了G和P的坐標(biāo)，就可以確定半圓SC的面積。G(xg,yg)的坐標(biāo)是固定的。P(xp,yp)的坐標(biāo)取決于車輛V的預(yù)期區(qū)域。如前文所述，用以H0為圓心、以最大距離為半徑的圓表示V的預(yù)期區(qū)域，這樣就可以被車輛V在t1時(shí)刻以速度v穿過。因此，圓C表示為C(H0，(t1-t0)×v)。P在x軸和y軸上的投影可確定P的橫坐標(biāo)和縱坐標(biāo)，為P(x0+(t1-t0)×v,yg)。

現(xiàn)在，可以簡(jiǎn)單地確定半圓SC的面積：

所以半圓形主動(dòng)廣播區(qū)域的面積為：

（4）計(jì)算網(wǎng)關(guān)廣播消息的數(shù)量

G(xg,yg)是網(wǎng)關(guān)G的坐標(biāo)。H0(x0,y0)是車輛V在t0時(shí)刻以速度v行駛的位置，t1是下一周期廣播的起始時(shí)間，ρ是車載網(wǎng)絡(luò)的密度，nd是網(wǎng)關(guān)廣播的頻率。

在該網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)協(xié)議中，網(wǎng)關(guān)廣播消息的數(shù)量主要取決于主動(dòng)廣播區(qū)域。主動(dòng)廣播區(qū)域是可變的，它主要取決于車輛的預(yù)期區(qū)域和通過網(wǎng)關(guān)的請(qǐng)求區(qū)域。錐形的主動(dòng)廣播區(qū)域相對(duì)于矩形和半圓形的主動(dòng)廣播區(qū)域有更多的局限性。在另一方面，半圓的主動(dòng)廣播區(qū)域比錐形和矩形的主動(dòng)廣播區(qū)域面積要大。假設(shè)密度為ρ，在已知主動(dòng)廣播區(qū)域的密度后就可以確定主動(dòng)廣播區(qū)域中車輛的數(shù)量。

S1、S2、S3的計(jì)算分別得出了錐形、矩形和半圓形的主動(dòng)廣播區(qū)域的面積。在計(jì)算了主動(dòng)廣播區(qū)域的面積后，假設(shè)密度為ρ，就可以簡(jiǎn)單地確定主動(dòng)廣播區(qū)域中車輛的數(shù)量N：

為了避免消息的冗余，網(wǎng)關(guān)廣播消息的傳播在主動(dòng)廣播區(qū)域中是受控制的。因此，每一輛在主動(dòng)廣播區(qū)域中的車輛只轉(zhuǎn)發(fā)第一次收到的廣播消息，已經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)過的廣播消息會(huì)被忽略。由此，在主動(dòng)廣播區(qū)域中的同一個(gè)消息只會(huì)被傳播一次。所以：

其中，Na為廣播消息的數(shù)量。

由于網(wǎng)關(guān)是定期傳播廣播消息的，把時(shí)間等分成每一小段△t，并且假設(shè)在考察的時(shí)間段內(nèi)廣播的數(shù)量為n，因此可以得到在一個(gè)周期內(nèi)廣播的數(shù)量np：

因此，在最壞的情況下，網(wǎng)關(guān)廣播消息的數(shù)量取決于主動(dòng)廣播區(qū)域和廣播的頻率。相應(yīng)的等式為：

其中，n1、n2、n3分別為錐形、矩形和半圓形主動(dòng)廣播區(qū)域的廣播消息。

（5）計(jì)算請(qǐng)求消息的數(shù)量

V的坐標(biāo)為(xv,yv)，網(wǎng)關(guān)G的坐標(biāo)為(xg,yg)，車載網(wǎng)絡(luò)的密度為ρ。

圖4說明了一個(gè)服務(wù)請(qǐng)求者車輛的請(qǐng)求區(qū)域在主動(dòng)區(qū)域之外的情況。在最壞的情況下，如果一輛車輛不在網(wǎng)關(guān)的主動(dòng)廣播區(qū)域中，想要找到一個(gè)網(wǎng)關(guān)，那么其請(qǐng)求消息將會(huì)一直被傳播下去，直到有一個(gè)屬于主動(dòng)廣播區(qū)域的網(wǎng)關(guān)接收到。假設(shè)消息的傳播和車輛行駛的方向一致，則可以確定請(qǐng)求消息所在的區(qū)域。在本文的協(xié)議中，為了避免傳播冗余的消息，請(qǐng)求消息的傳播是受控的。也就是說，同一個(gè)消息只被車輛轉(zhuǎn)發(fā)一次。所以，在請(qǐng)求消息傳播的區(qū)域中，請(qǐng)求消息的數(shù)量和車輛的數(shù)量是相同的。

設(shè)車輛V的請(qǐng)求消息的數(shù)量為nq，則：

（6）計(jì)算回復(fù)消息的數(shù)量

在最壞的情況下，主動(dòng)廣播區(qū)域中的所有車輛排在一條線上，那么回復(fù)消息將會(huì)被主動(dòng)廣播區(qū)域中的所有車輛轉(zhuǎn)發(fā)。

在這種情況下，一個(gè)網(wǎng)關(guān)的回復(fù)消息的數(shù)量為：

其中，S是相應(yīng)的主動(dòng)廣播區(qū)域的面積，ρ是車載網(wǎng)絡(luò)的密度。

結(jié)論1消息的復(fù)雜度是由網(wǎng)關(guān)的數(shù)量和請(qǐng)求車輛的數(shù)量決定的。網(wǎng)關(guān)的主動(dòng)廣播區(qū)域面積不是固定的，而是動(dòng)態(tài)和自適應(yīng)變化的。消息的復(fù)雜度取決于請(qǐng)求車輛的位置和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，所有消息的復(fù)雜度是在考察的時(shí)間段內(nèi)每一輛請(qǐng)求車輛的廣播消息的數(shù)量、請(qǐng)求消息的數(shù)量和相應(yīng)的回復(fù)消息的數(shù)量的總和。

被交換的消息的總數(shù)為：

結(jié)論2時(shí)間的復(fù)雜度是在考察的時(shí)間段內(nèi)服務(wù)請(qǐng)求車輛收到第一個(gè)服務(wù)回復(fù)的平均時(shí)間。ns是請(qǐng)求車輛發(fā)起網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)的數(shù)目。在最壞的情況下，網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求車輛發(fā)出的網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求消息會(huì)一直被傳播，直到找到一個(gè)網(wǎng)關(guān)接收。然后網(wǎng)關(guān)必須生成一個(gè)回復(fù)消息并且回復(fù)給請(qǐng)求者車輛。因此，假設(shè)請(qǐng)求者發(fā)給網(wǎng)關(guān)的請(qǐng)求消息的數(shù)量為nq，網(wǎng)關(guān)回復(fù)給請(qǐng)求者的消息的數(shù)量nr，λt是消息在車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳播所需的時(shí)間。因此請(qǐng)求車輛收到它的第一個(gè)回復(fù)消息的時(shí)間為：

因此，一個(gè)網(wǎng)關(guān)請(qǐng)求車輛收到第一個(gè)網(wǎng)關(guān)回復(fù)的平均時(shí)間為：

4 結(jié)束語

本文討論了車載網(wǎng)絡(luò)輔助定位在車位檢測(cè)技術(shù)中的理論研究，并給出了停車場(chǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的總體設(shè)計(jì)方案。在本文中，提出了一種新的混合自適應(yīng)性的輔助定位網(wǎng)關(guān)廣播和發(fā)現(xiàn)協(xié)議。這種機(jī)制不僅是混合式的，而且也是自適應(yīng)性的，因?yàn)樗梢愿鶕?jù)變化的網(wǎng)關(guān)客戶端數(shù)量和已經(jīng)存在的網(wǎng)關(guān)數(shù)量確定網(wǎng)關(guān)廣播區(qū)域半徑。以網(wǎng)關(guān)的分布方式和動(dòng)態(tài)方式確定主動(dòng)的廣播區(qū)域。對(duì)主動(dòng)和被動(dòng)網(wǎng)關(guān)發(fā)現(xiàn)進(jìn)行比較，避開了混合協(xié)議的缺陷，并且調(diào)整了網(wǎng)關(guān)廣播的半徑。詳細(xì)地給出了計(jì)算車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)廣播協(xié)議的消息交換的復(fù)雜度和消息傳輸總時(shí)間復(fù)雜度的公式。該設(shè)計(jì)方案在提高整個(gè)控制系統(tǒng)效率方面具有重要的作用，在未來的工作中，需要對(duì)該設(shè)計(jì)方案的性能進(jìn)行評(píng)估，并且和已經(jīng)存在的用于大型停車場(chǎng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比較，并將該方案運(yùn)用于不同的設(shè)計(jì)模型中。

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