高銳鋒

【摘 要】提出一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的道路狀況監(jiān)測和交通事故防范系統(tǒng)。該系統(tǒng)由前端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)以及后端管理軟件組成，不僅對交通安全影響較大的氣象信息進(jìn)行采集，同時(shí)獲取道路狀況圖像信息。氣象監(jiān)測站與圖像監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相連，實(shí)現(xiàn)氣象信息與視頻圖像信息融合。前端節(jié)點(diǎn)監(jiān)測的數(shù)據(jù)通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸至管理中心服務(wù)器，當(dāng)發(fā)生異常時(shí)實(shí)現(xiàn)前端報(bào)警，管理中心人員將同時(shí)收到氣象信息與路況圖像信息，為交通管理部門進(jìn)行道路狀況監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)道路交通事故防范提供有效的依據(jù)，具有很好的應(yīng)用前景與推廣價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；交通事故防范；3G

【Abstract】This paper proposed a road conditions monitoring and traffic accident prevention system based on wireless sensor network. The system consists of traffic information monitoring nodes and management software. The monitoring nodes acquire not only the weather， which have greater impacts on traffic safety， but also the image information of the road conditions. Weather stations and the image monitoring nodes are connected through the wireless sensor network. All the monitoring data is transmitted over the 3G network to a central management server.

When an exception occurs， the center manager will receive weather information and road image information together. The system will provide an effective basis for the traffic management department to achieve prevention of road traffic accidents and it has good prospects and promotion of value.

【Key words】Wireless sensor network； Traffic accident prevention； 3G

0 引言

天氣氣候的變化，特別是惡劣天氣，嚴(yán)重影響交通安全，是造成交通事故的重要原因之一。因此道路氣象監(jiān)測是道路安全科學(xué)運(yùn)營，實(shí)現(xiàn)智能交通管理的一個(gè)重要依據(jù)。在惡劣氣象條件下，交通事故的發(fā)生率明顯偏高。同時(shí)由車輛的違規(guī)行駛與地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生都會(huì)對交通安全造成影響[1]。如能對路況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，并對事故隱患及時(shí)作出判斷與處理，便可有效提高交通安全。

目前，國內(nèi)已有不少省市對高速公路沿線的交通氣象信息進(jìn)行監(jiān)測，同時(shí)也架設(shè)有監(jiān)控視頻。但其視頻監(jiān)控主要用于電子警察，對超速違法車輛進(jìn)行抓拍，其數(shù)據(jù)采用光纖進(jìn)行傳輸，屬于固定點(diǎn)鋪設(shè)，在山區(qū)或普通道路應(yīng)用成本高，難以推廣[2]。同時(shí)，氣象監(jiān)測站與視頻監(jiān)控節(jié)點(diǎn)之間相互獨(dú)立，而實(shí)際道路安全監(jiān)控中需要兩者有機(jī)結(jié)合，當(dāng)出現(xiàn)氣象異常如道路結(jié)冰或能見度低時(shí)，管理中心需要實(shí)時(shí)的圖像視頻信息來直觀了解現(xiàn)場情況，當(dāng)視頻監(jiān)控出現(xiàn)告警信息如車輛違規(guī)停車，滾石占道等情況時(shí)，又需要了解現(xiàn)場的氣象信息，為及時(shí)準(zhǔn)確制定交通管理方案提供依據(jù)。因此，構(gòu)建一種能夠在前端有機(jī)融合氣象與視頻監(jiān)控的道路安全系統(tǒng)具十分必要。

針對上述問題，本設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一種無線傳感網(wǎng)技術(shù)（Wireless Sensor Network， WSN）[3]與3G技術(shù)結(jié)合的道路狀況與交通事故防范系統(tǒng)，該系統(tǒng)同時(shí)獲取對交通安全影響較大的氣象信息以及道路狀況圖像信息，氣象監(jiān)測站與圖像監(jiān)控節(jié)點(diǎn)通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相連，具有手動(dòng)獲取、定時(shí)獲取以及異常事件上報(bào)等功能。該系統(tǒng)監(jiān)測點(diǎn)設(shè)置靈活、組網(wǎng)便捷、無人值守，融合圖像與路況氣象的交通事故防范、報(bào)警及信息發(fā)布技術(shù)，對道路（特別是邊遠(yuǎn)地區(qū)，高速公路以外的公路）監(jiān)測點(diǎn)的路況、天氣等信息進(jìn)行分析和判斷，發(fā)出交通誘導(dǎo)信息包括向駕乘人員以及公眾發(fā)布預(yù)警信息，預(yù)防交通事故發(fā)生、優(yōu)化交通運(yùn)行狀況和提高交通運(yùn)輸效益。

1 系統(tǒng)方案

系統(tǒng)由道路現(xiàn)場的信息監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與交通管理中心組成，如圖1所示。信息監(jiān)測節(jié)點(diǎn)包括氣象信息監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與圖像信息監(jiān)測節(jié)點(diǎn)，氣象監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要監(jiān)測對交通安全影響較大的氣象信息如能見度、路面狀況等；圖像監(jiān)測節(jié)點(diǎn)主要監(jiān)測道路狀況，如道路堵塞、山體滑坡、橋梁坍塌等。氣象信息與圖像信息通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相互交互，實(shí)現(xiàn)前端異常信息的同步與共享，并傳入?yún)R聚節(jié)點(diǎn)，匯聚節(jié)點(diǎn)再通過3G路由將監(jiān)測數(shù)據(jù)傳輸至交通管理中心服務(wù)器，通過建立VPN的方式，各信息監(jiān)測節(jié)點(diǎn)與交通管理中心形成一個(gè)大的局域網(wǎng)，方便管理中心對各監(jiān)測節(jié)點(diǎn)的統(tǒng)一管理。

2 硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分主要分為前端監(jiān)測節(jié)點(diǎn)硬件以及管理中心服務(wù)器。限于篇幅，本文僅介紹前端監(jiān)測站點(diǎn)硬件。前端監(jiān)測站點(diǎn)硬件主要由氣象數(shù)據(jù)采集模塊以及無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)組成。

2.1 氣象數(shù)據(jù)采集模塊硬件設(shè)計(jì)

氣象監(jiān)測站點(diǎn)負(fù)責(zé)對交通氣象數(shù)據(jù)的采集、處理、判斷和傳輸，其硬件由傳感器、信息處理模塊、通信模塊以及電源模塊組成，如圖2所示。在圖2中，傳感器感知各類氣象信息，并通過信號(hào)調(diào)理電路處理后輸出至信息處理模塊。信息處理模塊對氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、判決、存儲(chǔ)并通過通信模塊發(fā)送至交通管理中心服務(wù)器。氣象監(jiān)測站點(diǎn)采用太陽能電池與蓄電池混合供電方式，為各個(gè)模塊以及傳感器提供電源。

2.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)硬件設(shè)計(jì)

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)機(jī)包含射頻芯片和微處理器兩部分。微處理器負(fù)責(zé)配置驅(qū)動(dòng)射頻芯片，實(shí)現(xiàn)與射頻芯片間的數(shù)據(jù)傳輸。微處理不僅要完成數(shù)據(jù)的傳輸功能，還需完成整個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組織路由，實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)之間數(shù)據(jù)的即時(shí)、可靠通信。系統(tǒng)選用低功耗處理器LPC2134作為驅(qū)動(dòng)射頻芯片的微處理器。LPC2134是由PHILIPS公司生產(chǎn)的高性能低功耗ARM處理器，具有16K字節(jié)的SRAM，工作電壓為3.0V～3.6V，處理能力強(qiáng)，十分適用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[4]。同時(shí)選用低功耗且發(fā)射功率可編程的芯片ADF7020-1作為射頻芯片。適用于135MHz～650 MHz和80MHz～6325 MHz兩個(gè)頻段，其最大通信距離達(dá)到1公里以上。LPC2134與ADF7020-1之間可直接通過GPIO接口進(jìn)行通信，其接口連接圖如圖3所示。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 控制中心軟件設(shè)計(jì)

后端控制中心需具有主要功能有：信息分類、信息存儲(chǔ)、信息查看、信息預(yù)覽以及發(fā)送預(yù)警信息?？刂浦行挠山尤敕?wù)器、管理服務(wù)器、報(bào)警服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫、流媒體服務(wù)器以及存儲(chǔ)服務(wù)器組成。

前端傳回的所有信息首先通過接入服務(wù)器，接入服務(wù)器根據(jù)配置的IP端口號(hào)以及包頭信息的不同將各類信息分類，例如：將視頻流傳送至流媒體服務(wù)器；將錄像、圖片傳送至存儲(chǔ)服務(wù)器；將天氣等數(shù)據(jù)信息存入數(shù)據(jù)庫；將控制信息傳送至管理服務(wù)器。管理人員可以通過登錄管理服務(wù)器對設(shè)備參數(shù)進(jìn)行修改，對監(jiān)控用戶進(jìn)行管理，對當(dāng)前的監(jiān)控信息進(jìn)行查看，對報(bào)警信息進(jìn)行人工確認(rèn)以及發(fā)送。具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

3.2 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的自組網(wǎng)路由設(shè)計(jì)

系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用自組織路由協(xié)議。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)機(jī)上電后，自組織形成一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)確定自己的父子節(jié)點(diǎn)。當(dāng)其中一個(gè)節(jié)點(diǎn)失效時(shí)，其子節(jié)點(diǎn)會(huì)自動(dòng)重新廣播組網(wǎng)包，與其他節(jié)點(diǎn)建立連接。路由協(xié)議主要可分為上行路由與下行路由兩部分。

3.2.1 上行路由設(shè)計(jì)

上行路由是指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)傳感器節(jié)點(diǎn)向匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的路由，其建立的基本思想基于最小跳數(shù)路由原則，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部所有節(jié)點(diǎn)上電后均試圖建立自己的上行路由。數(shù)據(jù)傳輸過程中采用握手方式，每一級的傳輸必須獲得確認(rèn)信息才算傳輸成功。具體流程如圖5所示。圖中URA為上行路由申請包，URAR為URA的回復(fù)包。

3.2.2 下行路由設(shè)計(jì)

下行路由是指無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)匯聚節(jié)點(diǎn)向其他節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)所經(jīng)歷的路由。為緩解下行路由的壓力，傳感器節(jié)點(diǎn)通過上行路由上傳數(shù)據(jù)時(shí)，自身攜帶路由表。當(dāng)匯聚節(jié)點(diǎn)接收到傳感器節(jié)點(diǎn)的上傳數(shù)據(jù)，更新下行路由表。匯聚節(jié)點(diǎn)發(fā)送下行數(shù)據(jù)時(shí)，首先檢查是否有到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的下行路由，若存在，直接沿著內(nèi)部存儲(chǔ)的下行路由傳輸數(shù)據(jù)。若不存在，則廣播下行路由請求，建立到目標(biāo)節(jié)點(diǎn)的下行路由。路由建立流程如圖6所示。圖中DRA為下行路由申請包，DRAR為下行路由申請的回復(fù)包。

4 結(jié)束

本系統(tǒng)道路安全進(jìn)行全方位的監(jiān)控與事故防范，采集視頻圖像信息與氣象信息進(jìn)行融合，分析判斷，智能預(yù)警。監(jiān)測點(diǎn)通過無線傳感器網(wǎng)相連，通過3G網(wǎng)絡(luò)與控制中心連接。因此監(jiān)測點(diǎn)可以在具有3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地區(qū)任意移動(dòng)，機(jī)動(dòng)性強(qiáng)，布設(shè)靈活。對于管理中心人員而言，當(dāng)發(fā)生異常氣象條件時(shí)，可以同時(shí)收到氣象信息和視頻信息，為其準(zhǔn)確判斷氣象異常，及時(shí)采取措施提供了有效的依據(jù)，具有很好的社會(huì)價(jià)值。

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[責(zé)任編輯：楊玉潔]