智能交通系统中的无线传感器网络技术

智能交通系统中的无线传感器网络技术崔逊学(陆军军官学院)2012年7月目录一、无线传感器网络的发展现状二、传感器网络在智能交通系统中的应用三、机动车辆的磁传感器探测与组网技术一、无线传感器网络的发展现状现代信息技术的三大基础是传感器技术、通信技术和计算机技术，它们分别完成信息的采集、传输和处理，构成信息系统的“感官”、“神经”和“大脑”，这三大技术的结合极大地促进了信息化的进程。无线传感器网络技术正是这种结合的典型体现。传感器网络是大量的静止或移动的传感器，以自组织和多跳的方式构成的无线网络，其目的是协作地感知、采集、处理和传输网络覆盖地理区域内感知对象的监测信息，并报告给用户。传感器网络的定义无线传感器网络硬件平台示例=传感器板：•气体传感器•温度传感器•湿度传感器Mote：•微处理器•RF传输和接受设备•电池和太阳能供电传感器节点基站网关：•把接收数据传输给其它媒介如：手机、Internet、卫星等无线传感器网络包括两部分：数据捕获网和数据分配网•传感器接近感知对象•传感器仅产生数据流•传感器无计算能力•传感器间无通信能力SensorsObject信号分析经典的感知方法有线/无线连接现代感知方法SensingAreaObjectUser端SinkInternet或通信卫星SensornetworkUser端现代微型传感器感知能力＋计算能力＋通信能力体积小能耗小由六部分组成嵌入式软件系统电源模块传感模块传感器数模转换计算模块通信模块存贮模块军事应用:作战环境侦查与监控军事侦查、情报获取战场监测与指挥传感器网络的应用民事应用:环境监测交通管理灾难预防(如森林火灾监测)危险区域监测有灭绝危险或珍贵动物的跟踪监护民用和工程基础设施的安全性监测等等，等等传感器网络是扩大人类感知能力的一场革命传感器网络可以为增加“耳、鼻、眼、舌”等感知能力大地监测环境监测污染源监测高尔夫球场船只机械的预测与维护海洋监测中国电力高压传输线应用监测大跨据输电线路节点固定在高压输电线上基站位于高压输电塔所有无线设备不受恶劣天气影响实时监控电线的应力、温度和震动电池电量维持节点连续工作一年以上二、无线传感器网络在智能交通系统的应用遍布于公路两侧的传感器网络监测节点，可以对车辆状况进行监测，例如监测汽车的速度、车流量等参数，并把结果实时返回给交通指挥中心等部门，便于对交通违法行为和交通环境进行管理与控制。1、对车辆和交通状况的监测安装在电线杆上的传感器探测出汽车的行驶速度和身份等信息，通过其它节点的路由，采用多跳自组网将数据传输到网关节点，再通过以太网等形式将数据传输到交管部门。安装在道路附近的传感器节点探测出当前路面的交通状况，及时将车流量、平均车速等信息发送到相关部门，从而可以发布车辆行驶状况的通告，便于其它车辆避开拥塞路段，可以节省人工监测的成本。利用传感器网络的无线传输和实时监测特性，可以将路灯、信号灯等其它交通标志组成一个网络，对交通情况进行监控。2、对路灯、信号灯等交通标志的监控安装在路灯上的传感器感知光线强弱的变化，根据光强度控制路灯的开和关，可以有效避免路灯在天色昏暗的时候不亮、或者在清晨阳光充足时不熄的现象。同时，传感器网络还将路灯状况反馈给监管人员，便于对故障路灯进行及时修理。安装在十字路口的传感器网络，可以探测路口车流量和正在等候的车辆长度，实时反馈给交通信号灯。通过特定的算法计算出红绿灯的时间长度，能有效减少车辆等候的时间。同时，传感器还可以监测事故和违规事件，提高公路交通安全指数。利用安装在道路两侧的无线传感器网络系统，可以实时监测路面状况、积水和公路的噪音、粉尘、气体等参数，达到保护道路、环境和行人健康的目的。3、对交通环境的监测安装在道路两侧的传感器节点可以监测道路破损、路面不平等情况，在暴雨时监测路面的积水情况，实时发送数据给相关部门，便于对道路检修、发布道路积水警报和排除险情。传感器节点还可以监测公路附近的环境状况，例如噪音、粉尘和有毒气体浓度等参数，实现数据的可靠发送和对道路情况的监测。4、对公共场所的客流量监测在地铁、车站、机场、码头等公共场所安装的传感器网络，可以监测旅客流量。同时，具备诸如红外测温等功能的传感器能对疾病发现与预防起到作用，保证公共场所的安全。5、对交通枢纽的反恐监控通过特殊的传感器来探测环境参数，当发生火灾等事故或者有人释放有毒气体时，传感器产生报警，并将数据实时发送到控制室，以便于及时疏散人员。6、在高速公路系统中的应用传感器网络与RFID相结合，可用于高速公路收费系统，进行车辆靠近报警与识别，并把数据实时地反馈给收费系统。尤其是无线传感器网络的长传输距离，突破了RFID技术的局限，真正实现不停车收费等自动功能。可以监测高速公路的路面状况，便于及时对公路维护。另外，安装在道路两侧的传感器节点可监测车速，纠正违章行为。7、在智能停车场系统中的应用传感器网络部署在停车场，可以节省人工，实现停车场的智能化管理。(1)传感器可以感知是否有车辆停入相应车位，并把数据通过网络反馈给中央系统，自动统计整个停车场的空闲车位的数量、位置。(2)分布于停车场内的无线传输节点引导车辆进入空闲车位，并随时显示附近的车辆运行情况，避免刮蹭事故的发生。(3)与RFID技术结合，感知车辆在停车场内的停留情况和时间，出口处设收费点，实现不停车收费。智能停车场的三个应用功能：三、机动车辆的磁传感器探测与组网技术探测发现机动车辆技术车辆测速技术车辆分类识别技术多跳自组网无线通信技术机动车辆的跟踪定位技术车辆间通信技术技术内容（一）探测发现机动车辆技术AMR传感器是一种测量地球磁场的微型传感器，带宽范围为1-5MHz，响应速度极快，最低可以保证行驶速度400km/h的车辆、在每0.1mm的行程上采样一次，可以满足公路上机动车辆探测的应用。车辆对地磁场的扰动测试车辆产生磁场变化的试验设置最简单的运动车辆产生单轴磁信号仿真和实际测试产生的车辆扰动磁场（二）车辆测速技术车辆测速需要两个探测传感节点的协同合作，通过测速算法提取车辆经过每个节点的脉冲峰值，并记录时间，再用两个节点之间的距离除以两个峰值之间的时差，就可以得出所经过机动车辆的速度。网络节点的功能单元构成车辆运行方向探测的示例目标测速算法的实现原理（三）车辆分类识别技术利用磁阻效应研制成的AMR磁阻传感器，能同时检测出微小的地球磁场变化。根据不同车辆运动对地磁的不同影响，可以识别出车辆的类型。分类识别的思路如下:不同车型的车辆经过磁阻传感器时，对地球磁场的扰动不同。磁阻传感器可以把对地磁的扰动情况数字化后传给计算机。计算机将车辆通过地磁传感器时，探测得到的输出信号存入数据库作为识别样本，利用模式识别匹配算法识别出车辆类型。铁质物体对均匀磁场的扰动示例铁质物体＋均匀的磁场＝磁场扰动一组目标信号与标准样本的比较示例010203040-0.020.000.020.040.060.080.100.120.140.16磁场扰动的电路放大信号电压(mV)采样时间轻型特种车辆战斗车辆轮式运载运输车辆待识别目标（四）多跳组网无线通信技术网络可以采用层次结构路由，多跳传输的可靠性依据于数据采集量的大小，一般网络数据可靠传输的多跳次数可以在3跳、4跳以上。（五）车辆跟踪定位技术根据车辆跟踪定位算法，通过多个节点间的通信协作，利用传感器节点提供的是否发现车辆的0/1信息，确定传感器节点发现车辆的先后次序，进而将车辆的可能位置缩小为由多个传感器探测边界围成的重叠探测区域的某段边界，并在该边界上确定车辆的位置。当机动车辆出现在三度覆盖的网络中，网络监控中心就能够确定和计算出车辆的坐标位置，并能图形显示车辆的运动路线和轨迹。质心法实现目标跟踪的示例S1S6S4S7S5S3S2565'4'432'21'1被跟踪目标（六）车辆间通信技术车载移动节点安装在车辆上，与车辆的电子系统融为一体，双方共享数据和相互控制。车载移动节点通过车辆电子系统获取车速、剩余油量和驾驶员状态等参数。主要作用：(1)将获取的车辆信息和电子牌照发送给固定节点（路边、停车场）。(2)接收固定节点发送的地理位置信息和前方路况、气象和交通法规信息。道路与车辆交互式一体化管理系统不停车自动收取过路费不停车自动收取过桥费自动收取停车费用的方案图Q&A