耿 浩，雷 斌

（蘭州交通大學(xué) 機電技術(shù)研究所，蘭州 730070）

面向交通信息采集的基于RFID的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究

耿 浩，雷 斌

（蘭州交通大學(xué) 機電技術(shù)研究所，蘭州 730070）

為了克服目前交通信息采集中傳統(tǒng)的采集方法容易受到惡劣環(huán)境影響、安裝維修不便、信息量處理大等問題，本文運用RFID技術(shù)和無線傳感器網(wǎng)絡(luò)分別作為交通數(shù)據(jù)的采集前端和傳輸方式，設(shè)計一種基于射頻技術(shù)（RFID）的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，對比兩種不同的動態(tài)車速測量算法。通過實驗數(shù)據(jù)檢驗了該系統(tǒng)的合理性，能夠準(zhǔn)確的獲取車輛速度、車流量和車道占有率等信息。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；RFID；節(jié)點；算法

0 引言

伴隨我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，汽車保有量的增長，城市交通環(huán)境越發(fā)惡劣，交通擁堵已成為制約經(jīng)濟發(fā)展、影響公眾正常生活的一個亟需解決的問題，RFID（Radio Frequency Identification）技術(shù)在交通物流中取得了一定的成功，標(biāo)簽和閱讀器天線通過無線射頻方式進(jìn)行非接觸數(shù)據(jù)傳遞，對目標(biāo)識別并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)［1］，針對交通車輛的信息采集，射頻識別技術(shù)和傳統(tǒng)的交通信息采集技術(shù)（環(huán)形線圈檢測、紅外線檢測、視頻圖像等）相比具有一定的優(yōu)勢，主要表現(xiàn)在：在各種惡劣環(huán)境下，依舊能夠有效的完成信息采集任務(wù)；能夠獲取持續(xù)不斷的數(shù)據(jù)信息，計算簡單，無需繁瑣復(fù)雜的設(shè)計，有些交通信息可以直接檢測出來［2］，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（WSN）在信息采集和傳輸領(lǐng)域作為一項革命性的技術(shù)被廣泛應(yīng)用于各種行業(yè)，網(wǎng)絡(luò)中傳感器節(jié)點之間通過無線通信方式，自組織形成一個多跳的傳感器網(wǎng)絡(luò)，感知和采集各種環(huán)境信息，通過節(jié)點間形成的網(wǎng)絡(luò)將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)娇刂浦行?，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)良好的可擴展性，能夠在不斷變化采集范圍的交通信息采集領(lǐng)域中得到應(yīng)用，兩種技術(shù)相互融合，形成新的信息采集、傳輸網(wǎng)絡(luò)，能夠幫助完善現(xiàn)有的交通信息采集系統(tǒng)，特別是在系統(tǒng)維護(hù)和惡劣環(huán)境中信息的采集。

1 基于射頻識別的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

新構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)是在無線傳感器的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)，將RFID閱讀器集成在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點上，使RFID閱讀器采集到的信息通過傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)缴弦还?jié)點，基于射頻識別的傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 基于RFID的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖

其中：C：匯聚節(jié)點（網(wǎng)關(guān)節(jié)點）

R：路由節(jié)點

P：普通節(jié)點

T：標(biāo)簽

基于射頻識別的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)主要由P：普通傳感器節(jié)點、R：路由節(jié)點、C：匯聚節(jié)點（也稱網(wǎng)關(guān)節(jié)點）、T：標(biāo)簽和控制節(jié)點組成，該系統(tǒng)中普通節(jié)點是集成了RFID閱讀器的特殊節(jié)點，其主要有兩個任務(wù)，第一是對標(biāo)簽信息的讀取，另外一個是完成節(jié)點之間的自組網(wǎng)功能，集成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)采用的是星形拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，一個普通節(jié)點既作為采集節(jié)點也作為路由節(jié)點，匯聚節(jié)點和所有普通節(jié)點共同組建成一個微網(wǎng)，普通節(jié)點將采集到的信息打包，經(jīng)附近的路由節(jié)點（普通節(jié)點擔(dān)任）傳輸至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點又稱網(wǎng)關(guān)節(jié)點，是無線傳感器網(wǎng)絡(luò)接入其它網(wǎng)絡(luò)（企業(yè)網(wǎng)、Internet等）的一個接口，它將節(jié)點傳輸來的數(shù)據(jù)送到控制節(jié)點——既終端數(shù)據(jù)庫，然后經(jīng)過處理后的數(shù)據(jù)會轉(zhuǎn)發(fā)至各個交通部門，同時，管理者的指令也是通過匯聚節(jié)點去控制普通節(jié)點，令其完成控制者要求的一系列采集動作。

2 基于RFID的傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

2.1 MICA2平臺簡介

MICA2平臺是一種可擴展連接的智能傳感器板，用于協(xié)調(diào)節(jié)點其它部件的工作，由美國伯克利大學(xué)開發(fā)，包括一個主控制器，一個射頻收發(fā)器和一個射頻天線，此平臺是特別為嵌入式傳感器網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的，具有低功耗、體積小等特點［3］，MICA2平臺上的Atmega128L主控制器包含128K字節(jié)的片上FLASH，4K字節(jié)的EEPROM，4K字節(jié)的SRAM，可編程串口，SPI接口，時鐘頻率是7.37MHz，同時，該控制器采用AA電池供電，支持低功耗休眠模式。

2.2 節(jié)點硬件組成

基于RFID的傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點（Sensor Node，SN）是在MICA2平臺上開發(fā)應(yīng)用的，節(jié)點與開發(fā)平臺之間的接口關(guān)系如圖2所示。

圖2 節(jié)點硬件結(jié)構(gòu)圖

傳感器節(jié)點由RFID閱讀器模塊、RFID天線、主控制器、射頻收發(fā)器、射頻天線、電源模塊等組成，其工作流程如下：當(dāng)目標(biāo)物體攜帶者標(biāo)簽進(jìn)入閱讀器的讀取范圍內(nèi)，標(biāo)簽發(fā)射的電磁信號被閱讀器收到，兩者建立互聯(lián)，此時，標(biāo)簽驅(qū)動自己天線向閱讀器回復(fù)信息，閱讀器讀取信息后，通過RS-232接口傳送至主控制器進(jìn)行處理，再通過SPI接口傳送到射頻收發(fā)器，最后由射頻收發(fā)器傳送至其它節(jié)點，節(jié)點通過自組網(wǎng)，以多跳形式傳送至上層網(wǎng)絡(luò)。

開發(fā)平臺上主控制器對節(jié)點每個部件的工作進(jìn)行協(xié)調(diào)管理，同時必須根據(jù)一定的協(xié)議棧對主控制器進(jìn)行編程，使其可以對射頻收發(fā)器要發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，然后主控制器還要控制閱讀器的工作模式，當(dāng)節(jié)點不工作的時候?qū)⑹瓜到y(tǒng)其它組件進(jìn)入休眠模式以降低能耗，射頻收發(fā)器工作在一定的頻率段，用來在各個節(jié)點間進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳送。

本文針對復(fù)雜的交通環(huán)境，必須考慮標(biāo)簽的工作頻率、供電方式、可識別距離、標(biāo)簽外形等參數(shù)，經(jīng)過詳細(xì)對比，我們選用CSR-6930閱讀器，其工作在915MHz高頻段，能夠?qū)ψR別區(qū)域內(nèi)的多標(biāo)簽進(jìn)行快速識別，抗干擾能力強并具有自動調(diào)頻功能，適用于中遠(yuǎn)距離（有效識別距離大于20米），其雙通道天線設(shè)計可以滿足道路信息檢測需要，該閱讀器可通過標(biāo)準(zhǔn)接口RS-232和PC或者嵌入式開發(fā)平臺連接，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向傳輸。

3 測量算法的對比

RFID用于測量車輛行駛速度的算法，標(biāo)簽和閱讀器之間的距離不同，對應(yīng)的場強值R也不相同，因此，假設(shè)閱讀器節(jié)點安裝的垂直高度為H，閱讀器的采樣周期是T，即每隔T時刻閱讀器采集一次；系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采樣周期是t，由于RF場強覆蓋范圍有限，可以假設(shè)車輛都是平行于車道運動，運動示意圖如圖3所示。

圖3 車輛進(jìn)入RF場示意圖

3.1 傳統(tǒng)算法

設(shè)在某個采樣周期內(nèi)ti有m輛車經(jīng)過RF場，第j輛車被閱讀器掃描到的次數(shù)為被掃描的時刻是tjk根據(jù)文獻(xiàn)［胡方來］提到的閱讀器收到的場強R和距離的經(jīng)驗關(guān)系式：

由式（1）可計算出場強值對應(yīng)的距離Rk（k=1，2，3，…，Nj），由此便可得車輛在相鄰掃描時刻內(nèi)的速度計算式為：

根據(jù)數(shù)學(xué)知識可知第j輛車經(jīng)過RF場時的車速vj和第i個周期內(nèi)的平均車速的計算式為：

3.2 多普勒頻偏估計算法

設(shè)在某個采樣周期內(nèi)ti有m輛車經(jīng)過RF場，第j輛車被閱讀器掃描到的次數(shù)為被掃描的時刻是此時標(biāo)簽與閱讀器節(jié)點的水平距離為其與射頻天線和水平面形成的夾角為根據(jù)幾何關(guān)系我們可得：

根據(jù)接收信號相對于發(fā)射信號的多普勒頻偏關(guān)系fd，等到：

本文根據(jù)RFID系統(tǒng)的特點，給出采用Burg算法［7］估計多普勒頻移fd，所以聯(lián)立式（1）、（5）和（6）可得車輛行駛的速度ν。

而車流量Qi和車道占有率Ci的計算式為：

以上兩種方法我們都可以求出某個檢測周期監(jiān)測點車流量、平均速度和時間占有率，根據(jù)這些數(shù)據(jù)，通過相應(yīng)的算法可以對交通狀況進(jìn)行分析、判斷。

4 系統(tǒng)測試實驗

實驗在蘭州市某十字交叉路口進(jìn)行，系統(tǒng)節(jié)點布設(shè)模型如圖4所示，測量經(jīng)過每個監(jiān)測點的車輛行駛速度車流量Qi和車道占有率Cj和車輛的交通違規(guī)行為。

圖4 實驗節(jié)點布設(shè)圖

實線框表示測量車輛信息的節(jié)點，其分別位于兩個路口的上游（即來車方向）和下游，安裝于距離停車線50米的位置，虛線框表示測量車輛交通違規(guī)行為的節(jié)點，安裝于每條停車線附近，根據(jù)現(xiàn)有闖紅燈定義規(guī)則：紅燈亮觸發(fā)闖紅燈節(jié)點閱讀器工作，此時，如果有車輛經(jīng)過一個闖紅燈節(jié)點，并且該車輛被下一路段的闖紅燈節(jié)點采集到則判定該車輛違規(guī)，我們以車輛的三種狀態(tài)進(jìn)行系統(tǒng)可靠性研究，首先車輛在紅燈亮起后停在停車線內(nèi)側(cè)；再一個車輛在紅燈亮起后停在停車線外側(cè)但沒有穿過路口；第三是車輛在紅燈亮起后越過了停車線并穿過路口行駛在下一個路段，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 車輛交通違規(guī)行為檢測

貼有RFID標(biāo)簽的車輛，以不確定的運行狀態(tài)經(jīng)過每一個閱讀器節(jié)點，記錄下車輛的行駛速度，通過計算等到車輛經(jīng)過檢測點的平均速度，實驗進(jìn)行兩次，實驗數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)取整）如表2、表3所示。

表2 傳統(tǒng)算法車速監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)

表3 多普勒頻偏估計算法車速監(jiān)測實驗數(shù)據(jù)

實驗中，我們對一輛貼有標(biāo)簽的車輛進(jìn)行檢測，車輛經(jīng)過闖紅燈檢測節(jié)點時車輛的行為如表1所示，車輛經(jīng)過車輛速度監(jiān)測點時的信息如表2、表3所示，通過實驗數(shù)據(jù)分析表明，多普勒頻偏估計算法比傳統(tǒng)算法在RFID系統(tǒng)中有更高的測量精度。

5 結(jié)語

本文對兩大熱門技術(shù)RFID技術(shù)與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)進(jìn)行研究，并將這兩種技術(shù)相融合，對融合了RFID閱讀器的節(jié)點進(jìn)行深入的分析，對比了兩種不同的動態(tài)測量算法在RFID系統(tǒng)中的應(yīng)用，結(jié)果表明多普勒頻偏估計算法能更好的適用于該系統(tǒng)，由于交通數(shù)據(jù)關(guān)系到駕駛者的違規(guī)行為，因此對采集到的數(shù)據(jù)做進(jìn)一步處理以保證測量結(jié)果的準(zhǔn)確可靠是交通采集系統(tǒng)需要進(jìn)一步研究的重點。

［1］ 胡方來.基于RFID的智能交通信息感知系統(tǒng)的研究及實現(xiàn)［D］.楊州：揚州大學(xué)，2013.

［2］ 趙泰洋，郭成安，金明錄.一種基于RFID原理的交通信息獲取系統(tǒng)與車輛定位方法［J］.電子與信息學(xué)報，2010（11）：2612-2617.

［3］ 張剛建，鄒傳云，段宏.基于RFID的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的設(shè)計［J］.通信技術(shù)，2010（10）：73-74，77.

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［7］ 于潔瀟，劉開華，史偉光.基于RFID的高速公路車輛測速及定位方法［J］.計算機工程，2010（24）：1-3.

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責(zé)任編輯：吳旭云

Study on Traffic Inform ation Collection-oriented W ireless Sensor NetWork Based on RFID

GENG Hao，LEIBin
（Institute of Electromechanical Technology，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China）

Currently，in order to overcome the Problems that the traditional collectionmethod is easy to be to imPacted by adverse environment，installation andmaintenance is inconvenientand the amountof information Processing is large in traffic information collection，this PaPer，resPectively taking RFID technology and wireless sensor network as the front end and transmission way of traffic data collection，designs a RFID-based wireless sensor network node，to comPare the two kinds of dynamic sPeedmeasurementalgorithms.The rationality of the system is tested by the exPerimental data，which can obtain accurate information about the vehicle sPeed，vehicle flow，roadway occuPancy rate and so on.

wireless sensor network；RFID；node；algorithm

TP75

A

1009-3907（2015）06-0036-05

2015-04-13

甘肅省自然科學(xué)基金（1310RJZA056）；蘭州交通大學(xué)青年基金（2013016）

耿浩（1989-），男，陜西渭南人，研究生，主要從事智能交通路徑誘導(dǎo)方面的研究；雷斌（1978-），男，甘肅會寧人，副教授，主要從事物流信息化、物流系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計方面的研究。