袁佳瑩，石娟，陳剛

（1.西安工業(yè)大學 北方信息工程學院，陜西 西安　710200；2.西安交通大學 陜西 西安 710049；3.中船重工第705研究所 陜西 西安　710075）

基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路況信息傳輸系統(tǒng)設(shè)計

袁佳瑩1，石娟2，陳剛3

（1.西安工業(yè)大學 北方信息工程學院，陜西 西安710200；2.西安交通大學 陜西 西安 710049；3.中船重工第705研究所 陜西 西安710075）

本文基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)研究并實現(xiàn)了一個路況信息傳輸系統(tǒng)。通過在車輛上安置傳感器節(jié)點，并在某固定點安置Sink節(jié)點 （數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點），路況信息被移動傳感器節(jié)點采集處理后利用本文提出的路由算法多跳傳送至Sink節(jié)點。本文設(shè)計并實現(xiàn)了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架、應(yīng)用層協(xié)議、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議；在通信協(xié)議棧的基礎(chǔ)上完成了應(yīng)用程序的開發(fā)和測試平臺的搭建。實際應(yīng)用表明：基于WSN構(gòu)建路況信息傳輸系統(tǒng)是可行且有效的。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)；路況信息；智能交通；路由協(xié)議

隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，機動車保有量屢創(chuàng)新高。伴隨而來的交通擁擠、道路阻塞和頻繁發(fā)生的交通事故對生產(chǎn)和生活產(chǎn)生直接的影響，人們對交通信息化的要求逐步提高。交通信息系統(tǒng)就是要收集交通相關(guān)的信息，對其進行分析并提供給交通參與者，為其出行提供及時有效的幫助。

傳感器在交通信息系統(tǒng)中發(fā)揮著舉足輕重的作用?，F(xiàn)有的交通信息系統(tǒng)通過在關(guān)鍵路段或路口安置雷達測速系統(tǒng)、攝像頭等器件進行信息采集，然后通過公網(wǎng)的電話、短信或?qū)＞W(wǎng)的無線電臺對路況信息進行傳輸、發(fā)布。傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高、功能不通用，且需要架設(shè)專網(wǎng)或利用電話、短信進行信息傳輸，而且傳統(tǒng)交通信息系統(tǒng)的總體可靠性高度依賴于每一個傳感器，導致該系統(tǒng)穩(wěn)定性差、處理能力低下，不能滿足實際應(yīng)用的需要。

相對于傳統(tǒng)傳感器，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由成千上萬個具有感知環(huán)境、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)通信等功能的傳感器節(jié)點所組成的自組織網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點具有體積小、功耗低、成本低、相互協(xié)作的特點，它們能夠通過自組織的方式構(gòu)成網(wǎng)絡(luò)，經(jīng)過多跳將信息傳輸至數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點，最后通過互聯(lián)網(wǎng)或衛(wèi)星到達管理節(jié)點［1-4］。文中基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對路況信息傳輸演示系統(tǒng)進行了設(shè)計與實現(xiàn)，相對于傳統(tǒng)的固定式組網(wǎng)，具有很大的優(yōu)越性。

1　系統(tǒng)總體設(shè)計

路況信息傳輸系統(tǒng)由一個大功率的Sink節(jié)點及多條路段上的車載移動節(jié)點組成，其中Sink節(jié)點負責全網(wǎng)的時間同步和基本路況信息的收集與廣播。每個路況信息收集周期包括上行階段、下行階段、對齊時段。在上行階段，路況信息由Sensor節(jié)點進行收集、融合、上傳；在下行階段，路況信息由Sink向全網(wǎng)發(fā)布；對齊時段用于保證全網(wǎng)的Sensor節(jié)點在beacon（用于同步全網(wǎng)時間的幀）到來時均處于等待beacon的狀態(tài)。當一個路況信息收集周期結(jié)束時，Sink通過廣播beacon發(fā)起下一個收集周期。

根據(jù)本文中設(shè)計的路由機制，基本路況信息通過該路況信息傳輸系統(tǒng)中的其他車載節(jié)點多跳轉(zhuǎn)發(fā)，最終到達Sink節(jié)點。Sink節(jié)點對基本路況信息進行時效性甄別和處理。當該信息收集周期的下行階段到來時，Sink節(jié)點向全網(wǎng)發(fā)布處理后的基本路況信息，車載移動節(jié)點接收后將其以圖形的方式顯示于PDA上供駕駛員擇路。

2　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

該系統(tǒng)由兩類節(jié)點組成：Sink節(jié)點和Sensor節(jié)點。Sink節(jié)點位置固定，由持續(xù)電源供電、功率不受限，可以將數(shù)據(jù)直接廣播至各節(jié)點。其覆蓋范圍為300～500 m，負責全網(wǎng)的時間同步和基本路況信息的收集、甄別與廣播。Sensor節(jié)點具有一定的速度，位置在動態(tài)的改變，由電池為其供電，發(fā)射功率較小，其覆蓋范圍為70-80m，負責原始路況信息的收集、融合和傳輸，兩個互相在對方無線覆蓋內(nèi)的Sensor節(jié)點可以互相通信。由于Sensor節(jié)點的功率有限，故Sink節(jié)點只能接受附近節(jié)點廣播的信息。

從上述系統(tǒng)工作過程可以看到，分層的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)僅存在于基本路況信息的產(chǎn)生階段，抽象出的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。將全網(wǎng)的路段劃分至不同的層內(nèi)，這樣當Sink節(jié)點索要第n層的路況時，第n層內(nèi)的路段上的節(jié)點會通過本文中所規(guī)定的機制產(chǎn)生基本路況信息幀。然而，其他層內(nèi)的路段均處于等待“轉(zhuǎn)發(fā)”該基本路況信息幀的狀態(tài)，而不會“產(chǎn)生”基本路況信幀?？梢韵胂笕绻贿M行分層的話，在每個收集周期里，所有路段均產(chǎn)生基本路況信息幀，這樣一來很容易產(chǎn)生擁塞現(xiàn)象，從而嚴重危及到網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。相比可知，分層有利于網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性的提升。值得注意的是，在基本路況信息的轉(zhuǎn)發(fā)及發(fā)布過程中，“層”的概念淡化了，整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是扁平化的，即除了Sink節(jié)點外，網(wǎng)絡(luò)中的Sensor節(jié)點是平等的，若節(jié)點接收到基本路況信息幀，會根據(jù)路由機制決定其是否應(yīng)該轉(zhuǎn)發(fā)。這樣，網(wǎng)絡(luò)中大量Sensor節(jié)點的存在便以冗余保證了該傳輸網(wǎng)絡(luò)的高容錯性和可靠性。

圖1　路況信息傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

3　無線通信協(xié)議

IEEE802.15.4標準針對低速無線個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)而制定，只定義了物理層和MAC層，物理層由射頻收發(fā)器和底層控制模塊構(gòu)成，MAC層為高層訪問物理層提供點到點通信的服務(wù)接口。MAC層以上并不在IEEE802.15.4標準的定義范圍之內(nèi)［1］。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)與應(yīng)用密切相關(guān)，面對不同的應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)無法給出一個普適的從物理層至應(yīng)用層的通信協(xié)議體系。

3.1應(yīng)用層通信協(xié)議

應(yīng)用層處于協(xié)議棧的最高層，在該路況信息傳輸系統(tǒng)中，Sink節(jié)點周期的向全網(wǎng)廣播beacon幀以取得全網(wǎng)節(jié)點時間上的同步，beacon幀設(shè)定了每個周期所包含的上下行時段的長短。在上行時段，首先由特定路段關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)的節(jié)點通過廣播推舉幀競爭選取簇頭，接著簇頭節(jié)點保存來自關(guān)鍵區(qū)域內(nèi)其他Sensor節(jié)點的原始速度信息幀，并進行數(shù)據(jù)融合產(chǎn)生基本路況信息幀，然后廣播之。最終該基本路況信息幀通過其他節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)到達Sink節(jié)點，Sink節(jié)點對基本路況信息幀進行時效性判斷和處理，產(chǎn)生路況信息廣播幀。當下行時段來臨時，Sink節(jié)點向全網(wǎng)發(fā)布路況信息廣播幀。車載移動節(jié)點接收后將其以地圖的方式顯示于PDA上用于駕駛員擇路?？梢钥吹剑撀窙r信息網(wǎng)中信息的處理共有五個步驟：收集、融合、上傳、發(fā)布，導航。在應(yīng)用層共涉及到五種幀類型：beacon幀、推舉幀、原始速度信息幀、基本路況信息幀、路況信息廣播幀。

在該路況信息傳輸系統(tǒng)中，Sink的應(yīng)用層實現(xiàn)了全網(wǎng)同步、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)劃分、上下行時段劃分。Sensor的應(yīng)用層實現(xiàn)了路段識別、簇頭選舉、原始數(shù)據(jù)融合等功能。

3.2網(wǎng)絡(luò)層通信協(xié)議

物理層和數(shù)據(jù)鏈路層都是解決互相在對方無線覆蓋范圍的兩個節(jié)點之間的通信問題，而網(wǎng)絡(luò)層的主要功能是解決不相鄰的節(jié)點之間的通信。網(wǎng)絡(luò)層的主要功能有：路由、幀的發(fā)送、接收和拒絕。路由協(xié)議作為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的核心技術(shù)之一，其性能和整個網(wǎng)絡(luò)的性能密切相關(guān)。傳統(tǒng)的定向擴散（DD）類路由算法［5］往往要求在進行數(shù)據(jù)傳輸之前建立各節(jié)點到數(shù)據(jù)匯聚節(jié)點的“梯度”信息，而此梯度信息的建立往往需要大量的節(jié)點間的信息交換。這意味著需要隨時更新梯度信息也即頻繁進行大量信息交換，這必然會導致網(wǎng)絡(luò)效率的降低?？紤]到傳感器節(jié)點所配備的GPS裝置可以實時容易地獲取車輛的地理位置信息和速度信息，本文擬利用節(jié)點的地理位置信息和速度信息作為“梯度”信息指引信息的傳輸。

如圖2所示，中心打點的節(jié)點代表信源節(jié)點，以該信源節(jié)點為圓心、R為半徑的圓域內(nèi)所有節(jié)點也即圖中的黑色節(jié)點代表信源節(jié)點指定的鄰居節(jié)點。白色節(jié)點代表覆蓋范圍以外的節(jié)點。信源節(jié)點廣播數(shù)據(jù)包后，周圍節(jié)點若收到該數(shù)據(jù)包則根據(jù)自己的位置、速度信息以及上一跳節(jié)點的位置做出以下判斷：

1）如果自己處于上一跳節(jié)點的轉(zhuǎn)發(fā)半徑R之內(nèi)，則轉(zhuǎn)向2），否則放棄。

2）以數(shù)據(jù)包中的路段ID和序號為索引，查找“已發(fā)送數(shù)據(jù)包記錄”，如果從未轉(zhuǎn)發(fā)過該數(shù)據(jù)包則轉(zhuǎn)向3），否則放棄。

3）如果該數(shù)據(jù)包的TTL（Time To Live）＜MAX_TTL，則轉(zhuǎn)向4），否則放棄。

4）如果該鄰居節(jié)點比上一跳節(jié)點距離Sink節(jié)點更近，則轉(zhuǎn)發(fā)，否則轉(zhuǎn)向5）。

5）利用θ判斷自己是否朝向Sink節(jié)點運動。如果是，則轉(zhuǎn)發(fā)。判斷方法如下：以圖2為例，由于網(wǎng)絡(luò)中所有節(jié)點都知道Sink節(jié)點的位置，且借助GPS可實時獲知自己的方位從而得到矢量CD以及速度V。節(jié)點C利用公式（1）可計算出θ，易知當θ＜π/2時，節(jié)點朝向Sink節(jié)點移動；θ＞π/2時，節(jié)點向遠離Sink節(jié)點的方向移動。

6）如果以上兩條均不滿足，以概率1/2TTL轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2　路由示意圖

可以看到，文中所提出的路由協(xié)議屬于基于地理位置信息的路由協(xié)議，一方面令距離Sink節(jié)點近的節(jié)點進行轉(zhuǎn)發(fā)，這可以有效減少泛洪（Flooding）帶來的數(shù)據(jù)無效傳輸；另一方面令遠離Sink節(jié)點行駛的車輛也以一定概率轉(zhuǎn)發(fā)，這便充分利用了車輛移動的隨機性從而獲得了多條路徑同時傳輸?shù)男Ч?。其次，轉(zhuǎn)發(fā)半徑的設(shè)置與路段有關(guān)，主干道上節(jié)點密集可以減小轉(zhuǎn)發(fā)半徑，非主干道上節(jié)點稀疏則可增大轉(zhuǎn)發(fā)半徑，這樣通過改變轉(zhuǎn)發(fā)半徑來控制轉(zhuǎn)發(fā)節(jié)點的范圍，在保證數(shù)據(jù)傳輸可靠性的前提下做到了降低網(wǎng)內(nèi)數(shù)據(jù)量和增大數(shù)據(jù)傳輸魯棒性的折衷。最后，去除重復(fù)包及TTL（time to live）的判斷有效避免了節(jié)點重復(fù)轉(zhuǎn)發(fā)無用包，節(jié)省了系統(tǒng)的頻譜帶寬及節(jié)點的能耗。

4　系統(tǒng)硬件設(shè)計

車載移動傳感器節(jié)點和Sink節(jié)點在硬件結(jié)構(gòu)上是相同的，如圖3所示，主要包括GPS接收器、無線通信模塊、PDA顯示模塊、處理器以及電源模塊。

圖3　節(jié)點（Sink、Sensor）的硬件結(jié)構(gòu)框圖

處理板為整個節(jié)點的核心，板上主要器件包括微處理器（ATmega 128L［6］）、射頻收發(fā)模塊（TSZ-005）、GPS模塊（GR-326）、電源芯片（MAX721）。當完成程序的調(diào)試后，處理板可以脫離接口板，利用自身攜帶電源單獨工作。

5　系統(tǒng)軟件設(shè)計

Sensor、Sink節(jié)點整體軟件結(jié)構(gòu)如圖4所示。節(jié)點軟件采用模塊化設(shè)計，包括MAC層協(xié)議棧模塊、網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議棧模塊、應(yīng)用層模塊和底層操作系統(tǒng)內(nèi)核。MAC層協(xié)議棧模塊實現(xiàn)了系統(tǒng)MAC層協(xié)議，主要有MAC層服務(wù)數(shù)據(jù)單元（MSDU）的點對點收發(fā)、信道接入控制、沖突避免等功能。網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議棧模塊實現(xiàn)了系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)層協(xié)議，主要功能有網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)單元（NSDU）在網(wǎng)絡(luò)層對等實體間收發(fā)、拓撲發(fā)現(xiàn)功能。應(yīng)用層模塊實現(xiàn)了系統(tǒng)通信協(xié)議棧的最高層，直接面向用戶。通過使用其它模塊提供的服務(wù)，Sink的應(yīng)用層實現(xiàn)了全網(wǎng)同步、數(shù)據(jù)甄別與融合、人機交互等功能，Sensor的應(yīng)用層實現(xiàn)了簇頭選舉、數(shù)據(jù)甄別與融合、人機交互等功能。最底層的操作系統(tǒng)模塊，對上述3個模塊進行進程調(diào)度，提供模塊之間的通信機制，另外實現(xiàn)了對節(jié)點硬件的驅(qū)動。

6　實驗應(yīng)用

圖4　節(jié)點軟件結(jié)構(gòu)

實驗中建立一個擁有14個Sensor節(jié)點、1個小功率Sink、1個大功率Sink節(jié)點的路況信息傳輸系統(tǒng)。系統(tǒng)的上行時段長度為900 ms，下行時段長度為100 ms，對齊時間長度為50 ms，所以該網(wǎng)絡(luò)的基本路況信息收集周期為900 ms+ 100 ms+50 ms=1.05 s。beacon幀中包含了這3個時段的持續(xù)時間。IEEE802.15.4標準中規(guī)定了WSN可工作于16個頻道：2.405 GHz，2.410 GHz，…，2.480 GHz，頻道帶寬為5 MHz。該路況信息傳輸系統(tǒng)工作于18號頻道，也即2.44 GHz。大功率Sink節(jié)點的發(fā)射功率為20 dBm。網(wǎng)絡(luò)中小功率Sink節(jié)點和其余14個Sensor節(jié)點的無線通信模塊均采用CC2420芯片，發(fā)射功率為-5～-7dBm，經(jīng)測試其覆蓋范圍為70～80 m。

經(jīng)測試，Sensor節(jié)點接收beacon的情況良好，也即全網(wǎng)可很好的進行時間同步?；韭窙r信息幀的上傳成功率為85％左右。在樓頂陽臺上測試該路況信息傳輸系統(tǒng)時，網(wǎng)內(nèi)所有節(jié)點均放置于陽臺上，且沒有房屋、樹木等遮擋物，無線傳播信道情況良好，故上傳的成功率達到了94％。對大功率Sink節(jié)點附近的Sensor節(jié)點所收到beacon幀的接收信號強度（RSSI）進行提取，多次求平均后RSSI在-25 dbm左右。與此相比，當把14個Sensor節(jié)點放置于樓下不同路段時，對樓下某一Sensor節(jié)點所收到beacon幀的接收信號強度（RSSI）進行提取，多次求平均后RSSI在-60 dbm左右，這是由于房屋樹木較多故反射、散射、衍射等現(xiàn)象嚴重，直達徑多數(shù)情況下是不存在的，所以造成有時候節(jié)點所廣播的基本路況信息幀不能成功到達小功率Sink節(jié)點，從而對基本路況信息幀的上傳成功率有所影響。

7　結(jié)　論

文中研究并實現(xiàn)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的路況信息傳輸系統(tǒng)，通過對平臺進行實地測試，取得了很好的效果。因為本文的方法具有分布式的特點，全局性能不會受單個節(jié)點故障的影響，并且傳感器節(jié)點成本低、功耗小、易于大規(guī)模生產(chǎn)，降低了部署成本和難度。下一步將針對如何擴大該路況信息傳輸系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍進行研究。

［1］孫利民，李建中，陳渝，等.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)［M］.北京：清華大學出版社，2005.

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［6］陳冬云，杜敬倉，任柯燕，等.Atmega128單片機原理與開發(fā)指導［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2006.

Design of a traffic information transmission system based on wireless sensor network

YUAN Jia-ying1，SHI Juan2，CHEN Gang3
（1.Xi'An Technological University North Institute of Information Engineering，Xi'an 710200，China；2.Xi'An Jiaotong University，Xi'an 710049，China；3.The 705th Research Institute，China Shipbuilding Industry Corporation，Xi'an 710075，China）

In this paper，a traffic information transmission system based on Wireless Sensor Network（WSN）is researched and implemented.By placing Sensor nodes in vehicles and a sink node somewhere in the city，a vehicle Wireless Sensor Network is established.Traffic informatioin is gathered and processed by Sensors，then forwarded by other Sensors in WSN according to the routing protocol proposed in this thesis and finally arrived at the sink node.The authors design and implement the applicatioin protocol，routing protocol abd application.The protocol stack are accomplished cooperatively.Finally，a demonstration system is establised cooperatively.The experiment results show that the idea of building traffic information transmission system based on WSN is practical and effective.

wireless sensor network；road condition；intelligent transportation system；routing protocol

TN99

A

1674－6236（2016）16-0101-04

2015-10-28稿件編號：201510211

袁佳瑩（1984—），女，山西運城人，碩士，工程師。研究方向：通信系統(tǒng)與通信網(wǎng)絡(luò)、信號與信息處理。