劉宗明

（廣西警察學(xué)院，廣西 南寧）

智能交通管理系統(tǒng)需要借助于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)讓道路傳感器、車載設(shè)備與系統(tǒng)服務(wù)器之間建立起連接，以便于實現(xiàn)信息交互和指令傳達(dá)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由內(nèi)網(wǎng)與外網(wǎng)兩部分組成，內(nèi)網(wǎng)主要用于匯聚節(jié)點、傳感器節(jié)點之間的信息傳遞。由于傳感器節(jié)點數(shù)量較多，為提高數(shù)據(jù)采集、傳輸、轉(zhuǎn)發(fā)的效率，需要引入低功耗、低成本、高速率的ZigBee 技術(shù)。本研究設(shè)計的智能交通管理系統(tǒng)，除了應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)提高內(nèi)部通信性能外，還采用了定位算法獲取車輛位置信息，從而實現(xiàn)了車輛的靈活調(diào)度、自動收費等功能。

1 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能交通管理系統(tǒng)設(shè)計

1.1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)計

ZigBee 網(wǎng)絡(luò)可以連接智能交通管理系統(tǒng)中的匯聚節(jié)點、路由節(jié)點和車載終端，是該系統(tǒng)的主要通信方式。從結(jié)構(gòu)組成上來看,ZigBee 網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的硬件節(jié)點有2 種類型，一種是負(fù)責(zé)收集車輛信息的車載設(shè)備，可以將車輛ID 信息、車輛位置信息等發(fā)送至協(xié)調(diào)器節(jié)點；另一種是負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)的路側(cè)設(shè)備，具體又分為路由設(shè)備、匯聚設(shè)備。前者的功能是轉(zhuǎn)發(fā)ZigBee 網(wǎng)路中的原始數(shù)據(jù)（RSSI），后者負(fù)責(zé)匯總ZigBee 終端節(jié)點發(fā)送的所有數(shù)據(jù)。這里以路側(cè)匯聚節(jié)點為例，其結(jié)構(gòu)組成見圖1。

結(jié)合圖1 可知，路側(cè)匯聚設(shè)備的核心裝置為ZigBee 協(xié)調(diào)器、核心處理單元（RAM）。ZigBee 協(xié)調(diào)器可以與ZigBee 網(wǎng)絡(luò)完成數(shù)據(jù)交換，UART/USB 模塊具有定位功能，保證了路側(cè)匯聚節(jié)點能夠?qū)崟r監(jiān)控車輛的位置信息。本研究在設(shè)計核心處理單元時，選用了基于ARM9 處理器的Hi3511 作為核心處理單元，具有集成度高、編程靈活、支持多種主流通信協(xié)議等特點。另外，為防止路側(cè)匯聚設(shè)備因為斷電或故障而出現(xiàn)撥號失敗的情況，本研究還設(shè)計了2 個監(jiān)控腳本：一個是監(jiān)測5G 撥號服務(wù)進(jìn)程的watch_pppd，另一個是監(jiān)測主控程序運行情況的watch_main。當(dāng)出現(xiàn)程序異常退出后，立即啟用一個新的進(jìn)程保證了智能交通管理系統(tǒng)的穩(wěn)定運行[1]。

圖1 路側(cè)ZigBee 匯聚設(shè)備設(shè)計框圖

1.2 市政系統(tǒng)設(shè)計

智能交通管理系統(tǒng)的市政子系統(tǒng)由2 部分組成，其一是安裝在市政車輛上的車載終端，其二是安裝在擁堵收費（如停車場出口）處的匯聚節(jié)點。當(dāng)市政車輛駛?cè)胧召M區(qū)域后，車載終端將OBU 信息發(fā)送至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點根據(jù)接收到的OBU 信息計算應(yīng)收費用，并在收費出口的LED 屏上顯示?；赪SN 模型的市政交通收費流程見圖2。

圖2 市政交通系統(tǒng)WSN 模型

為進(jìn)一步提高收費處的通行效率、減少等待時間，本研究在設(shè)計智慧交通管理系統(tǒng)的市政子系統(tǒng)時，還加入了刷卡扣費功能。車載節(jié)點接收到智能交通管理系統(tǒng)發(fā)送的扣費指令后，車載節(jié)點中的刷卡模塊首先判定是否有卡片插入：如果未識別卡片，則給出提示“請插入卡片”；如果識別到卡片，則讀取卡片磁條，獲得卡片信息。取得消費電子密鑰卡（RSAM）的密鑰后，根據(jù)扣費指令完成扣費。在LED 屏上顯示扣費成功，同時智能交通管理系統(tǒng)發(fā)送抬桿指令，抬起升降桿，車輛駛離。由于市政子系統(tǒng)的刷卡扣費模塊涉及到資金往來，為切實保障用戶信息隱私和資產(chǎn)安全，在設(shè)計該系統(tǒng)時必須遵循《OBU-RSU 通信協(xié)議》和《OBU- 服務(wù)器通信協(xié)議》，切實保障信息傳輸安全[2]。

1.3 公交系統(tǒng)設(shè)計

智能交通管理系統(tǒng)的公交子系統(tǒng)設(shè)計如下：公交車的車載節(jié)點包括了RS232 總線通信模塊、CAN 總線模塊、485 總線模塊。其中，RS232 總線通信模塊分別連接了車載DVR 設(shè)備和車載調(diào)度終端。RS232 總線通信模塊分別收集DVR 信息與調(diào)度信息后，將信息匯總后經(jīng)過ZigBee 無線通信模塊，傳輸?shù)街悄芙煌ü芾硐到y(tǒng)。CAN 總線模塊可以讀取車輛的相關(guān)數(shù)據(jù)，如實時車速、剩余油量等；485 總線模塊用于讀取外設(shè)信息。車載節(jié)點與路由節(jié)點、匯聚節(jié)點之間通過ZigBee 無線網(wǎng)絡(luò)依次連接，最終將車載節(jié)點的所有信息傳輸至后臺服務(wù)器。服務(wù)器解析信息后得到公交車車速、位置等實時參數(shù)。

為了進(jìn)一步提高公交車的定位精度，在站臺上布置路由節(jié)點與匯聚節(jié)點，這樣就能利用車載節(jié)點上傳的RSSI 信息完成對公交車的位置計算，進(jìn)而發(fā)揮公交站的輔助定位功能。輔助定位功能的實現(xiàn)流程見圖3。

當(dāng)公交車到達(dá)站臺時，車載終端接入無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，并上傳OBU 信息，此時匯聚節(jié)點接收信息，將公交車的位置信息標(biāo)記為進(jìn)站，智能交通管理系統(tǒng)更新后臺信息。公交車進(jìn)站?？亢?，車載終端會收集站臺附近多個路由的RSSI 信息，并將其封裝成RSSI 信息幀，以特定的時間間隔發(fā)送給匯聚節(jié)點[3]。匯聚節(jié)點將接收到的RSSI 信息幀傳送至智能交通管理系統(tǒng)，經(jīng)過計算機(jī)解析后對比各個路由的ID 和相應(yīng)的RSSI值，即可判斷出公交車當(dāng)前?？吭谀膫€站臺，從而獲取公交車的實時位置。

1.4 出租系統(tǒng)設(shè)計

出租子系統(tǒng)是智慧交通管理系統(tǒng)的關(guān)鍵組成之一，鑒于出租車沒有固定的行駛路線和停靠位置，經(jīng)常會存在某個區(qū)域內(nèi)出租車數(shù)量變化明顯的情況，本研究使用了一種基于ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和5G 網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的物聯(lián)網(wǎng)出租系統(tǒng)。本研究設(shè)計的出租系統(tǒng)功能如下：（1） 出租車進(jìn)、出站管理。根據(jù)車輛進(jìn)出信息，動態(tài)更新停車場內(nèi)停車位的數(shù)量信息。既可以計算出停車場內(nèi)已停放出租車的數(shù)量，同時還能判斷停車位的空閑情況，由此決定是否允許場外出租車進(jìn)入停車場；（2） 獲取出租車的位置，并利用大數(shù)據(jù)技術(shù)對一定范圍內(nèi)的出租車分布情況進(jìn)行匯總，從而得到該區(qū)域內(nèi)車輛分布圖。同時預(yù)測該區(qū)域內(nèi)流動人員數(shù)量，如果人員數(shù)量與出租車數(shù)量不協(xié)調(diào)，則按照就近原則從相鄰區(qū)域調(diào)配出租車，以保證供需平衡；（3） 稽查非法出租車，利用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)內(nèi)車載節(jié)點與匯聚節(jié)點之間可以進(jìn)行雙端通信的特點，在巡邏車輛上安裝車載節(jié)點，并與無線傳感器網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍內(nèi)的其他出租車建立通信。對于覆蓋范圍內(nèi)的合法出租車（安裝匯聚節(jié)點），巡邏車輛可以與之建立正常通信；反之，如果在覆蓋范圍內(nèi)巡邏車輛與出租車無法建立正常通信，則該出租車為非法車輛，從而實現(xiàn)稽查功能[4]。

1.5 客運系統(tǒng)設(shè)計

智能交通管理系統(tǒng)的客運子系統(tǒng)由3 部分組成，分別是車載終端、路側(cè)路由設(shè)備、路側(cè)匯聚設(shè)備?？瓦\子系統(tǒng)的功能是對停車場內(nèi)的車輛進(jìn)行定位，并將車輛的位置信息傳遞給交通管理系統(tǒng)?？瓦\子系統(tǒng)的設(shè)計流程如下：當(dāng)車輛到達(dá)客運場站的入口位置后，車載節(jié)點與匯聚節(jié)點基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)建立通信；匯聚節(jié)點將車輛信息（如車牌號）發(fā)送到智能交通管理系統(tǒng)的后臺。系統(tǒng)讀取車輛身份信息后，判斷客運場站內(nèi)是否有空閑的停車位。如果站內(nèi)無空閑車位，則通過車站入口的LED 屏提醒駕駛?cè)藛T；如果站內(nèi)有空閑車位，則允許該車輛進(jìn)入，并發(fā)送指令抬起入口欄桿。車輛進(jìn)站后，匯聚節(jié)點發(fā)送車輛進(jìn)站信息給智能交通管理系統(tǒng)，并引導(dǎo)該車輛到指定位置停車。車輛駛?cè)胪＼噮^(qū)域后，車載節(jié)點發(fā)送RSSI 信息至匯聚節(jié)點，匯聚節(jié)點根據(jù)接收的RSSI 信息使用定位算法確定車輛位置。當(dāng)車輛駛離客運場站后，匯聚節(jié)點將車輛離站的信息上傳到系統(tǒng)，系統(tǒng)后臺刷新信息。

2 基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能交通管理系統(tǒng)功能實現(xiàn)

2.1 通信功能測試

通信質(zhì)量是決定智能交通管理系統(tǒng)應(yīng)用效果的關(guān)鍵因素。本次通信功能測試選擇在一處空曠無遮擋、車流量較少的公路進(jìn)行，測試設(shè)備包括車載終端、匯聚設(shè)備2 種。其中，車載終端設(shè)備固定在汽車的中控臺上，匯聚設(shè)備固定在公路一側(cè)的電線桿上。天線選擇直徑為110 mm 的棒狀ZigBee 天線,有功放的情況下發(fā)射功率為-3 dBm[5]。測試內(nèi)容包括兩方面：其一是路側(cè)匯聚設(shè)備在未加功放的情況下，車載終端設(shè)備安裝不同類型天線時的有效通信距離；其二是路側(cè)匯聚設(shè)備加功放時，車載終端設(shè)備安裝不同類型天線時的有效通信距離，測試結(jié)果見表1。

表1 車載終端設(shè)備天線通信距離對比

根據(jù)表1 測試數(shù)據(jù)可知，路側(cè)匯聚設(shè)備有功放的情況下，使用相同類型的天線，車載終端設(shè)備與路側(cè)匯聚設(shè)備之間的有效通信距離最大。以50 mm 棒狀天線為例，在有功放的情況下，有效通信距離為170 m，而無功放時有效通信距離僅為20 m；另外，在功放條件相同的情況下，110 mm 棒狀ZigBee 天線的有效通信距離要明顯大于其他3 種類型的棒狀天線。

2.2 定位原始信息RSSI 采集和上傳功能

測試流程為：由車載終端設(shè)備向路側(cè)路由設(shè)備發(fā)起RSSI 請求；正常接收該請求后，車載終端設(shè)備將收集到的所有RSSI 信息進(jìn)行匯總，以數(shù)據(jù)包的形式按照設(shè)定好的通信頻率將其發(fā)送至路側(cè)路由設(shè)備，并將接收到的RSSI 匯總消息保存在后臺服務(wù)器的專門文件夾中。后臺服務(wù)器接收實時RSSI 匯總消息見圖4。

圖4 實時上傳的RSSI 匯總信息

2.3 客運場站定位測試

本研究設(shè)計的智能交通管理系統(tǒng)，可利用ZigBee定位算法達(dá)到客運場站定位的目的。在某客運站測試智能交通管理系統(tǒng)的車輛定位功能：安裝了OBU 設(shè)備的1#車輛停泊的位置為108，系統(tǒng)顯示定位結(jié)果為108；轉(zhuǎn)載了OBU 設(shè)備的2#車輛停播的位置為105，系統(tǒng)顯示定位結(jié)果為105。在上午9:30～10:00，共有127 輛客車進(jìn)入發(fā)班位，系統(tǒng)顯示定位結(jié)果為127。測試結(jié)果表明智能交通管理系統(tǒng)的客運場站定位功能可靠。

3 結(jié)論

在智慧交通成熟發(fā)展背景下，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)因其具有節(jié)點布置簡單、信息實時傳遞、抗干擾能力強(qiáng)等特點，在智慧交通領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本研究基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和ZigBee 協(xié)議設(shè)計了智能交通管理系統(tǒng)，具有提升道路通行效率、優(yōu)化交通調(diào)度管理等功能。從系統(tǒng)的運行測試情況來看，智能交通管理系統(tǒng)采用110 mm 的棒狀ZigBee 天線，最大通信距離可以達(dá)到260 m；在有效通信距離內(nèi)，可以實現(xiàn)OBU信息、車牌號信息的實時采集、同步上傳，為智能交通管理系統(tǒng)開展數(shù)據(jù)分析提供了必要支持。