【摘 要】針對(duì)目前中國(guó)大部分公路交通信號(hào)控制、交通環(huán)境信息采集均采用有線電纜實(shí)現(xiàn)，以及現(xiàn)有的蜂窩式組織網(wǎng)絡(luò)的缺陷，闡述了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通實(shí)時(shí)信號(hào)傳輸方面應(yīng)用的基本原理。并且提出了相應(yīng)的無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，以便為進(jìn)一步研究并拓展無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的應(yīng)用提供參考。

【關(guān)鍵詞】無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)；ZigBee；智能交通；節(jié)點(diǎn)；設(shè)計(jì)方案

一、引言

智能交通系統(tǒng)是近些年在傳統(tǒng)交通體系基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新型交通系統(tǒng)。它融合了信息、通信、控制和計(jì)算機(jī)技術(shù)，將現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)應(yīng)用到了交通領(lǐng)域。

智能交通按信息的走向可以理解為上行和下行兩個(gè)方面，上行是交通信息的采集和傳輸，下行時(shí)交通控制和誘導(dǎo)等。在現(xiàn)有的交通設(shè)施中加入無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，將能夠從根本上緩解困擾現(xiàn)代交通的安全、通暢、節(jié)能和環(huán)保等問(wèn)題，同時(shí)還可以提高交通工作效率。

無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)可以為智能交通系統(tǒng)的信息采集和傳輸提供一種有效手段，以用來(lái)監(jiān)測(cè)路面與路口各個(gè)方向上的車流量、車速等信息。采集輸入、策略控制、輸出執(zhí)行、各子系統(tǒng)間的數(shù)據(jù)傳輸與通信等子系統(tǒng)組成。信息采集子系統(tǒng)主要通過(guò)傳感器來(lái)采集車輛和路面信息，然后由策略控制子系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定的目標(biāo)，并運(yùn)用計(jì)算方法計(jì)算出最佳方案，同時(shí)輸出控制信號(hào)給執(zhí)行子系統(tǒng)，以引導(dǎo)和控制車輛的通行，從而達(dá)到預(yù)設(shè)的目標(biāo)。

二、國(guó)內(nèi)外的智能交通無(wú)線傳輸研究狀況

美國(guó)的馬薩諸塞大學(xué)建立的 UMass DieselNet 智能公交系統(tǒng)主要包括公交車節(jié)點(diǎn)以及安裝在路邊的 Throwboxes，可用于提高網(wǎng)絡(luò)的連通性。美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的 ATMIS項(xiàng)目，哈佛大學(xué)的 CitySense 項(xiàng)目都開展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在道路交通監(jiān)測(cè)方面的研究。瑞典有一段公路，利用太陽(yáng)能供電傳感器，可以對(duì)行駛車輛做出路面結(jié)冰、事故擁堵和其他危險(xiǎn)情況的預(yù)警。

國(guó)內(nèi)對(duì)車輛傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究也在積極開展。武漢理工大學(xué)開展了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在火車車廂環(huán)境中的測(cè)控應(yīng)用，對(duì)車廂內(nèi)的空氣質(zhì)量、安全隱患等進(jìn)行全程檢測(cè)。中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化所開展了基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的高速公路交通監(jiān)控系統(tǒng)研究，并利用此項(xiàng)技術(shù)來(lái)彌補(bǔ)傳統(tǒng)設(shè)備能見度低、路面結(jié)冰時(shí)無(wú)法對(duì)高速路段進(jìn)行有效監(jiān)控等，從而提出了新的圖像監(jiān)視系統(tǒng)；此外，對(duì)一些天氣突變性強(qiáng)的地區(qū)，該技術(shù)也能極大地降低汽車追尾等交通事故的發(fā)生。

目前國(guó)內(nèi)智能交通的應(yīng)用并未得到廣泛的實(shí)施，大部分項(xiàng)目還處在實(shí)驗(yàn)室階段。只在幾所大城市有智能交通的試點(diǎn)，并且大多數(shù)的信號(hào)傳輸都僅限于電纜傳輸，少有的無(wú)線傳輸解決方案都是使用公共移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，并無(wú)交通系統(tǒng)專有的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，所以國(guó)內(nèi)智能交通的參與熱情仍需加強(qiáng)。本文的系統(tǒng)設(shè)計(jì)的闡述也正是為國(guó)內(nèi)智能交通的研究提供一個(gè)可行的方案。

三、 系統(tǒng)體系架構(gòu)

本文主要針對(duì)公路交通的應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行系統(tǒng)無(wú)線傳輸方案闡述。方案總圖如圖1所示。（1）為交通信息采集端，（2）是交通信息無(wú)線傳輸通道，（3）是公共移動(dòng)通信的基站。本文不對(duì)信息采集方式進(jìn)行討論，只對(duì)（2）、（3）部分進(jìn)行研究。

本系統(tǒng)設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)一種交通系統(tǒng)內(nèi)的專用無(wú)線通信系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有無(wú)線傳感網(wǎng)的特點(diǎn)，即傳感網(wǎng)規(guī)模大、密度高，傳感器節(jié)點(diǎn)的能量、計(jì)算能力和存儲(chǔ)能力有限，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)多變，具有自組能力，網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)管理和高度協(xié)作性，傳感器節(jié)點(diǎn)具有數(shù)據(jù)融合能力。為節(jié)省建設(shè)基站成本，在專用無(wú)線組網(wǎng)系統(tǒng)數(shù)據(jù)匯總后，方案利用現(xiàn)有的公共移動(dòng)通信信道將交通信息發(fā)送到云端的服務(wù)器組中，方便交通信息中心對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)并且面向交通路口進(jìn)行針對(duì)性的控制。另外交通信息中心亦可對(duì)將部分權(quán)限下方給普通用戶，呈現(xiàn)數(shù)據(jù)流向的多樣性，方便產(chǎn)生具有不同針對(duì)性的業(yè)務(wù)。

四、 方案詳細(xì)分析

（一） 傳輸網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浞桨阜治?/p>

無(wú)線傳感網(wǎng)支持星形網(wǎng)、集群樹狀網(wǎng)和網(wǎng)狀網(wǎng) 3 種組網(wǎng)形態(tài)。無(wú)線傳感器網(wǎng)是由許多小的并且資源很有限的傳感節(jié)點(diǎn)和少量具備正常計(jì)算能力和充足能量的匯聚節(jié)點(diǎn)構(gòu)成，傳感節(jié)點(diǎn)分布在不同的交通路口，用來(lái)測(cè)量交通路況信息，節(jié)點(diǎn)測(cè)得的信息通過(guò)多跳的方式傳送到匯聚節(jié)點(diǎn)，可以在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行分布式處理， 也可以通過(guò)匯聚節(jié)點(diǎn)接入 Internet 或衛(wèi)星通信網(wǎng)傳遞給任務(wù)管理節(jié)點(diǎn)。

從網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上來(lái)看，應(yīng)用于智能交通系統(tǒng)中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)可采用分層分布式網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖2所示。該結(jié)構(gòu)包括無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)層和區(qū)域管理層，其中網(wǎng)絡(luò)層中的節(jié)點(diǎn)主要完成交通信息數(shù)據(jù)的采集、處理，并將數(shù)據(jù)信息傳送給對(duì)應(yīng)的管理節(jié)點(diǎn)，同時(shí)完成從管理節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的任務(wù)。區(qū)域管理層中的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)匯聚下層傳感器的數(shù)據(jù)信息，接受并傳送用戶控制命令和其他信息，向用戶終端轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)信息和反饋處理結(jié)果，交互不同區(qū)域交通信息數(shù)據(jù)信息，進(jìn)行協(xié)同處理。

（二） 無(wú)線傳感網(wǎng)頻段選擇

無(wú)線電頻段作為國(guó)家資源，由國(guó)家無(wú)線管理機(jī)構(gòu)統(tǒng)一管理，使用無(wú)線電資源的單位和個(gè)人必須依法申請(qǐng)并繳納頻率占用費(fèi)。付費(fèi)頻段可以保證不受干擾，但是成本較高，而且從智能交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)目前的應(yīng)用來(lái)看，也是沒有必要的，因此可以使用ISM頻段，該頻段的發(fā)射功率較低，干擾程度較小，可以完全勝任智能交通系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)男枨蟆Ｔ贗SM 中，470-510MHz 是國(guó)家規(guī)定的儀表類專用頻段，相對(duì)干擾較少，2.4G 頻段有 Wifi、藍(lán)牙等干擾，在居民小區(qū)尤其不適用，且城市內(nèi)樓宇密集，無(wú)線覆蓋區(qū)遮擋較為嚴(yán)重，而 470-510MHz 的繞射穿透力要好于2.4GHz頻段。另外，433.05-434.79MHz 為民用通用頻段，無(wú)線發(fā)射功率上限為10dbm，主要用于無(wú)線數(shù)傳電臺(tái)，無(wú)線對(duì)講機(jī)等設(shè)備，470-510MHz 無(wú)線發(fā)射功率上限為50mw（18dbm），遠(yuǎn)大于433.05-434.79MHz，可以覆蓋更大的區(qū)域。因此，可以選擇470-510MHz 作為智能交通系統(tǒng)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的使用頻段。

（三） 無(wú)線傳感網(wǎng)協(xié)議的選擇

IEEE80211514滿足國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)組織（ISO）開放系統(tǒng)互連（OSI）參考模式，定義了單一的MAC層和多樣的物理層。ZigBee聯(lián)盟制定了MAC層以上協(xié)議，其協(xié)議套件由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層和物理層組成。ZigBee完整、充分地利用了IEEE80211514定義的功能強(qiáng)大的物理特性的優(yōu)點(diǎn)，增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)和應(yīng)用軟件，80211514工作組主要負(fù)責(zé)制定物理層（PHY）和媒體訪問(wèn)控制（MAC）層標(biāo)準(zhǔn)，而ZigBee負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層的開發(fā)。ZigBee具有低功耗、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、可靠、安全的優(yōu)點(diǎn)。采取碰撞避免策略，同時(shí)為需要固定帶寬的通信業(yè)務(wù)預(yù)留了專用時(shí)隙，避開了發(fā)送數(shù)據(jù)的競(jìng)爭(zhēng)和沖突?；谘h(huán)冗余校驗(yàn)（CRC）的數(shù)據(jù)包完整性檢查功能，支持鑒權(quán)和認(rèn)證，采用AES-128的加密算法，各個(gè)應(yīng)用可以靈活確定其安全屬性。ZigBee協(xié)議的強(qiáng)大功能很適用于智能交通的網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行使用，但是由于距離的限制，不能將其工作在2.4G的頻段上，可以遵照3.2的頻段選擇。在不同的頻段協(xié)議的適用范圍收到了限制，故可以在現(xiàn)有的頻段上參照Z(yǔ)igBee協(xié)議架構(gòu)優(yōu)點(diǎn)在新的頻段上進(jìn)行專有協(xié)議的制定。

（四） 數(shù)據(jù)匯總傳輸方式方案選擇

由于無(wú)線傳感網(wǎng)傳輸?shù)木嚯x限制，如果要滿足遠(yuǎn)距離傳輸必須建立新的中繼進(jìn)行距離的延長(zhǎng)，無(wú)論從建設(shè)成本還是從工作效率上不適合依舊通過(guò)無(wú)線傳感網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)椒?wù)器中。對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的無(wú)線傳輸方式可以將數(shù)據(jù)通過(guò)公共移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)絀nternet服務(wù)器中，方式可以選擇目前國(guó)內(nèi)較為成熟的3G信道進(jìn)行接入，國(guó)內(nèi)有TD-SCDMA、WCDMA、CDMA2000可供選擇。

五、 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)分析現(xiàn)有智能交通系統(tǒng)的研究狀況，提出了針對(duì)交通實(shí)時(shí)信號(hào)無(wú)線傳輸網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)架構(gòu)的解決方案，并且通過(guò)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹⒕W(wǎng)絡(luò)頻段、網(wǎng)絡(luò)協(xié)議的選擇以及數(shù)據(jù)匯總的方式進(jìn)行了詳細(xì)的闡述，旨在通過(guò)本文智能交通的研究以及將來(lái)的擴(kuò)展提供參考。

參考文獻(xiàn)：

[1]李碩，李文鋒，陳維克.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用研究 [J].機(jī)械與電子，2010（4） ：14-16.

[2]趙麗霞，紀(jì)松波.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)在智能交通中的應(yīng)用[A].物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2012（3）：25-27.

[3]高毓峰，宗容，余江，羅健.基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能電網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu) [A].信息通信， 2013（8），3-5.