基于无线传感网络的道路交通监测系统的研究.docx

随着人类生活水平的提高，越来越多的人将汽车作为代步工具。随之而来的交通拥堵、混乱、事故也频繁发生。但是通过研究发现，这些不利的情况可以避免。因为在某时间某一道路段的车辆经常出现“扎堆”情况，所以希望有一种智能交通监控系统，能够及时的将城市各个道路段的状况进行随时监控，将每个路段的状况信息进行及时的收集，并进行分析，再及时将结果汇报给正在相应道路上行驶的车辆和司机，使之及时做出正确的判断，确定自己车辆的行驶路线。本文正是在以上的应用背景下，设计了一种道路交通状况实时监控系统。该系统利用无线传感器网络的技术平台，实现了以下功能：每个传感器单节点对道路状况和车辆相关数据采集；各个节点间的数据融合与优化；数据上传至后台监控电脑；后台数据优化处理和结果图形化显示。本文主要讨论了无线传感器网络中各个节点的硬件设计及其底层驱动编写，传感器硬件主要在磁阻传感芯片HMC1021基础上,利用汽车对地球磁场的扰动对输出电压的改变来检测汽车的行驶情况；考虑了节点体系中各个节点间的“相互协作”关系；在此系统平台上，本文也提出了道路安全状况检测问题及其方法，在节点上再次接入温湿度传感器，通过节点的温湿度来简单的判断路面的结冰情况和抗滑能力。可以看出，这种交通监控实时系统为道路交通资源的合理配置提供了数据源，对有限的道路资源优化使用，对减少道路拥堵和相关交通事故等状况，还是对节省车辆行驶时间和保证司机和乘客人身和财产安全方面有很大的使用价值。关键词M智能交通无线传感器网络道路交通监测系统HMC1021AbstractAstheimprovementofhuman,slivingstandards,moreandmorepeopleusecaraspersonaltransports.Subsequently,trafficcongestion,chaosandaccidentsoccurfrequently.Butitisfoundthattheseunfavorableconditionscanbeavoided.Atatimeofaroadsection,vehiclesappear"cluster"usually.Soakindofreal-timemonitoringsystemishoped,whichcanmonitorthestatusofeachroadsectionofthecitytimelyandmakerightjudgments,andthensendtheresultstodriversofvehiclesontheroadintimefortheirjudgmentsanddeterminingvehiclesroutes.Thispaperisintheapplicationbackgroundabove,akindofreal-timemonitoringsystemforroadandtrafficconditionsisdesigned.Basedonwirelesssensornetworks,thissystemincludesfollowingseveralfunctions:monitoringroadconditionsandcollectingdataofvehiclespassingbetweeneachsensornode;dataoptimizationfusion;uploadingdatatocontrolinstruments;dataoptimumprocessandresultsdisplaygraphicallyatbackstage.Theschemesofhardwaredesignandthedriverprogramofeachnodeismainlydiscussedinthispaper.AMRsensorismainlyinchipHMC1021basis,usingthechangingofmagneticfieldoftheearthshockedbycarscauseoutputvoltagechanges,consideringthe"mutualcooperation"relationshipbetweeneachnode.Inthissystemplatform,atemperatureandhumiditysensorisaccessed.Bythistemperatureandhumiditysensor,theicyconditionsandanti-slidingabilityofroadcouldbejudgedsimple.Itcanbeseenthatthistrafficmonitoringreal-timesystemprovidesdatasourcesforreasonableallocationofroadtrafficresources,ensurefinitetrafficresourcesoptimizationusage,eitherinreducingroadcongestionandrelatedtrafficaccidentsetc,orinsavingtimeandguaranteedrivers,andpassengers,propertyandsafety.Keywords:IntelligentTransportationWirelessSensorNetwork(WSN)RoadandTrafficMonitoringSystemHMC1021摘要Abstract1绪论1.1 无线传感器网络简介(1)1.2 无线传感器网络的发展与现状(4)1.3 研究的目的及意义(5)2道路交通监测系统的结构2.1 白勺不口5目匕.(8)2.2 系统的能耗分析与管理(16)2.3 系统的网络协议(18)2.4 本章小结(20)3节点的硬件与软件设计3.1 电磁传感器的电路设"VI-.(21)3.2 路结状况的木1贝(30)3.3 节点的驱动程序设计(31)3.4 本章小结(39)4数据算法和显示软件的设计1系统的时钟I口J步机制(0)4.2 数据帧结构和算法设计(42)4.3 控制和显示软件的设计(46)4.4 本章小结(47)5实验结果研究5.1 数据的测量(49)5.2 1JTfcy(53)6总结6.1 课题工作总结(57)6.2 系统功能的扩展与展望(58)致谢(61)一专(62)1绪论随着经济的发展，汽车的普及给人们生活带来便利的同时，又造成了各种各样的交通问题。如何合理优化的利用有限的交通资源，保证汽车的安全行驶等问题，必将成为改善人们的城市生活的重要研究对象。信息化技术的发展让人们能够对道路车辆等问题进行量化处理，在交通资源的合理利用方面有了长足的进步，如：交通红绿灯,电子眼，交通路口安置摄像头等措施。但是直到近年来，智能交通的话题才被广泛提出，且美国、日本、加拿大、英国、法国等国都投入了较大的人力和物力对其进行研究。然而由于前期各种技术(计算机技术，集成电子技术，信息计算技术，材料加工技术等)的限制，导致这些技术的研究到商业应用效果并不是十分令人满意。而无线传感器网络的应运而生，恰好解决了这一窘境。无线传感器网络作为一种新型技术，克服了传统传感器的探测范围的限制和其他无线技术的高成本和小范围的缺点，在与智能交通的应用上相结合而具有极佳的效果，它不仅仅在技术前沿具有创新意义而且更有极广的应用前景和使用价值。所以，在对智能交通监测系统研究的同时，对无线传感器网络技术的了解十分必要。1.1 无线传感器网络简介无线传感器网络(WireIeSSSenSOrnetWork,WSN)是由大量的、低成本的、微型传感器节点组成的网络。其中各节点以无线的方式进行通信，以多跳传输的方式自组成网络，最后部署在目标区域内达到监测的目的。换言之，无线传感器网络中的每个传感器节点既单方面的负责传感器的数据采集等功能，又能在整个网络中兼职路由传输的功能，且每个节点间能够以无线通信的方式相互“交流”和控制。可以看出，WSN作为一种新型技术，广泛的综合了传感器技术、嵌入式技术、计算机技术及无线通信技术、网络等技术，并能够通过各类集成化的微型传感器节点来协作实时监测、感知和采集各种环境中监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过自组织无线通信网络将所感知的信息传送到用户终端，从而真正实现对外界物理环境大范围测量和控制的目的。正是由于无线传感器网络的以上优点，在智能交通系统领域中，大量的传感器可以用来探测交通工具的动向以及分析复杂的交通环境，同时由于无线传感器网络在军事上和商业上广范围的应用，如：目标追踪、基础设施检测、住宅监控和战场监测等，近年来受到越来越多的研究者关注研究。图1-1无线传感器网络整体基木结构为了实现对大范围区域实现远程控制的目的，需要同时外加网路控制设备终端，如图1-1所示。网络中的每个传感器节点是一个小型的嵌入式系统，它们既可以分别进行接收、处理和发送环境信息，又可以作为路由器对每个节点的数据进行互相传送。这些传感器节点中有一部分节点实现的功能比较特殊，它们负责网络中信息的收集，与网关或服务器之间进行直接信息传输，一般称它们为汇聚节点（或称为Sink节点）。汇聚节点收集网络中很多节点的信息与网关之间进行直接信息交流，所以一般汇聚节点的通信和存储能力比一般节点强大网。传感器节点作为一种嵌入式系统，包含硬件和软件两部分，其中硬件部分（即节点物理层结构）主要包含：传感模块、信息处理模块、通信模块和电源模块四大部分,如下图12所示。其中传感模块主要负责对环境信息（包括磁场、温度、湿度和应力等）的读取，用户可以根据需要，选择不同的传感器；信息处理模块负责对传感器检测的信息进行处理和存储等，它主要包含微控制器（MCU）、A/D转换器和存储器；通信模块此处主要指无线收发模块，微控制器处理后的数据经过通信模块发送到下一个节点，而上一节点发送来的数据也可以通过无线收发器接收后再传到微控制器；电源部分主要满足各部分电路的能量需求，由于传感器节点一般被置于室外或一些恶劣的环境中，电源并不一定能够持续性供电，而往往电源供电时间直接决定了节点的使用寿命，所以选择好电池和降低节点功耗是延长节点寿命的关键问题。传感器节点的软件部分有操作系统和其他应用软件。其中，操作系统是基本软件环境，是许许多多的无线传感器网络应用软件开发的基础。无线传感器网络的操作系统它必须满足无线实时传输要求，无需复杂的多媒体、应用服务，也不需要直接的用户系统对话界面，所以其跟传统意义上的操作系统不同。但是为了便于对硬件多样性开发，它定义了模块化的操作方式，允许应用程序对系统资源的重用久迄今为止，很多国内外的专家对无线传感器网络的操作系统展开了不同方向上的研究，因此多种比较成熟的操作系统诞生了。其中，加州大学伯克利分校开发的TinyoS目前最为流行