无线传感网在公路车辆测速上应用分析

南京交通职业技术学院1无线传感网在公路车辆测速上应用分析【摘要】本文讨论了基于无线传感网技术在公路车辆测速上的应用情况。首先介绍了无线传感网的基本结构、关键技术以及无线传感器测速原理；其次，重点探讨了无线传感网测速系统结构、无线传感器的基本结构、网络簇结构、拓扑结构和融入互联网的网关的接入方式；然后，针对这项新的测速技术，详细分析了传感器温度漂移这一弊端带来的影响及相应解决方法，从实际出发，讨论了测速误差的来源和改进建议；最后，从经济和智能交通角度等几方面，简单分析了这项新技术在应用中的优势。【关键词】无线传感网；测速系统；温度漂移；ApplicationOfWirelessSensorNetworkInHighwayVehicleSpeed【Abstract】Thispaperdiscussesthespecificapplicationofthewirelesssensornetworktechnologyinhighwayvehiclebasedon.Firstintroducesthebasicstructure,thewirelesssensornetworktechnologyandwirelesssensormeasuringprinciple;secondly,focusingonthewirelesssensornetworksystemstructure,thebasicstructureofwirelesssensornetwork,topology,routingprotocolandintotheInternetaccess;then,accordingtothisnewtechnology,adetailedanalysisoftheinfluenceoftemperaturedriftofthisdefectandthecorrespondingsolutions,fromapracticalpointofview,discussesthesourcesofmeasurementerrorandsuggestionsforimprovement;finally,fromtheaspectsofeconomyandintelligenttrafficpointofview,asimpleanalysisofthisnewtechnologyintheapplicationoftheadvantages.【Keywords】wirelesssensornetwork；velocitymeasurementsystem；temperaturedrift;南京交通职业技术学院2目录前言....................................................31.无线传感器网络概述.....................................41.1网络概念..........................................41.2关键技术..........................................41.3测速原理..........................................52.无线传感器网络汽车测速系统结构.........................72.1系统原理..........................................72.2无线传感器........................................82.3簇节构............................................92.4拓扑结构.........................................102.5网关.............................................113.无线传感网在公路车辆测速上存在问题分析与解决方法......123.1温度漂移弊端与解决方法...........................123.2单节点测速结果误差与解决方法.....................144.无线传感器网络在公路车辆测速上优势分析................15结束语..................................................16参考文献................................................16致谢..................................................17南京交通职业技术学院3前言无线传感器网络是近几年热门话题（WirelessSensorNetworks）是新一代的传感器网络，同时也是一个跨多门学科的新技术，由具有感知功能、计算功能和通信功能的大量微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳的自配置的网络系统，是为了相互合作感知、采集和处理网络所在地理范围内的一些信息，并且通过网络传输，传送给相应的目标中心。同时，无线传感器网络是物联网的重要组成部分。现代的交通控制向着智能化的方向发展，大多采用计算机技术、自动化控制技术和无线传感器网络技术，使车辆行驶和道路导航实现智能化，从而缓解道路交通拥堵，减少交通事故，改善道路交通环境，节约交通能源等功能，最终实现安全、舒适、快速、经济的交通环境。目前与国外相比，国内在系统硬件设计方面，并不落后发达国家。但是国内智能交通系统的技术先进性和创新性还有待提高，特别是在信息的采集、应用以及系统软件方面和国外还有很大的差距。而且智能交通系统在中国的发展还处在初级水准，未来还有众多领域有待开发，市场前景广阔，高速增长的态势在较长一段时间内持续爆发。我们是交通类院校，各类专业紧密围绕交通主题开设，毕业论文将专业与交通结合，不仅是对所学专业知识的综合考验，更是交通精神和使命的体现。同时，个人希望通过这篇论文进一步巩固和学习无线传感器网络的相关知识。南京交通职业技术学院41.无线传感器网络概述1.1网络概念随着嵌入式计算、微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystems,MEMS）、无线通信等高科技技术的不断进步和日益成熟，低成本、低功耗、多功能的微型传感器得到了快速发展，其在微小的体积内能够集成传感器、嵌入式微处理器和无线收发器等器件，具备数据处理和无线通信的能力。无线传感器网络由大量传感器组成，与互联网等网络不同，无线传感器网络的存在是为了完成一定的任务。这些节点被密集部署在某个指定的地理区域内，通过无线通信和自组织方式形成多跳的无线网络，用来感知、采集、和处理所监测的区域内各种环境数据或目标信息，并将所采集感知的数据传送给监控中心或终端用户，协作的完成指定的任务。通过采用不同种类的传感器，无线传感器网络可以测量速度、温度、亮度、噪声、压力湿度、等各种不同的物理信息。如图1-1所示监测区域传感器节点图1-1无线传感网网络结构1.2关键技术1）微机电系统技术微机电系统技术是制造低成本、低功耗、微型传感器节点的关键技术。在制造微米级机械加工技术基础上，通过采用高度集成工序，制造出各种机电零部件和复杂的微机电系统。微型机械加工技术有很多种类，如平面加工、批量加工、表面加工等，他们采用不同的加工工序。2）无线通信技术无线通信技术是保证无线传感器正常运作的关键技术。目前，无线传感器网络使用的国际通信协议标准主要有IEEE802.15.4和Zigbee两种，已得到业界汇聚节点卫星互联网、移动通信网管理节点南京交通职业技术学院5普遍认可。这两个标准规定了协议的不同子层：IEEE802.15.4定义了物理层和媒体访问控制（MAC）层规范，Zigbee则定义了网络层和应用层规范。3）硬件与软件平台无线传感器网络的发展很大程度上依赖于是否能开发和研制出适用于传感器网络的低功耗、低成本的硬件和软件平台。微机电系统技术，可以大大减少和降低传感器的价格和体积。一方面，在系统软件的设计中采用能量感知技术，也能够大大提高节点的能量效率。传感器节点的系统软件主要包括网络协议、应用协议和操作系统。另一方面，能量感知技术和低功率电路与系统设计技术在硬件设计中采用可以降低节点的功耗。1.3测速原理1）高速公路上单节点车速检测单节点的车速估计，最大的优越性是对道路车流量的检测，是一个估计值，与实际值有一定的差距，但是足以满足当前监控中心和自驾车用户的需求，尤其是要外出的驾车人想知道每条道路是否堵车等信息。这样跟据需要我们只是对每个特定的道路进行车流量速度的检测，不需要知道某个特定的车辆速度，车速计算一般就是一段路程除以一定的时间。如图2-2所示L+2r2r2rL图1-2单节点传感器示意图预先设定通过节点的车辆长度L，实际检测的长度是车辆的长度加上检测直径2r，如图2-4所示。然后利用检测到的车辆到达节点的时刻t1和离开节点的时间t2得到时间T=t2-t1,式（1-1）估计出车辆的速度v。已知L——车辆长度；r——检测区半径；T——车辆经过时间；南京交通职业技术学院6TrLv2(1-1)估计的车辆与真实的车辆有一定误差，因此，节点对数据在网关处要被处理，每辆车经过节点都会有一个速度值，通过无线网络传输到网关。由式（2-2)可以看出，在网关节点上需要对大量速度值进行处理，设定了一个车数量的最大值m，得到他们的算术平均值，这个平均值作为这条道路的车流量估计速度V。mVVmi1（1-2）式中m——车流的车辆数量v——第一个车辆经过节点检测的速度；i——道路车流量估计的速度。2）双节点车速检测高速公路的发展是城市交通发展的一个重要体现，然而，高速公路事故频繁发生，而发生交通意外往往是车速过快导致。双节点车速检测是对具体某个车辆的检测，一般用于超速检测，提高检测的精确度显得至关重要。因此，及时提醒驾驶员控制车速十分必要。检测车速的原理是：当有车辆经过时，前后两个传感器节点不同时间检测到车辆的波形，后一个时间减去前一个时间，并且两传感器节点之间距离已知。因此，根据路程和时间的关系，可以计算出车辆经过两个节点的平均速度。如图2-4是高速公路测速系统示意图。图中检测器节点S1和S2被布设在行车道上，这段路之间距离为L。检测器节点S1和S2输出的检测信号波形是基本相同的，所以S1与S2检测信号中判别跳变点之间的时间差即TS1节点S2节点车辆前进方向图1-3双节点传感器放置示意图南京交通职业技术学院7∆Lt1t2车辆行驶方向图1-4双节点测速系统示意图车辆检测所得到的单个轴的信号如图2-5所示，车车辆在此路段的行车速度v计算式如下：2121tLtLV（1-3）式中∆L——两个传感器节点间的实际测量的距离；t1——两个传感器节点检测到车辆进入的时间差；t2——两个传感器节点检测到车辆离开的时间差；V——两个传感器节点检测到车辆速度。两个节点的灵敏度和检测范围也是不可能完全相同的，这就会导致，即使是同一辆车经过相同的两个节点S1和S2也会产生不一样的结果，因此，车辆实际速度与测出速度之间就会有误差。提高精确度显的至关重要了，让两个节点的时间同步消除其中的时钟的时间差，这样在很大程度上可以提高检测的精度，但是会增加节点的功耗，尤其是发送数据的功耗会增加，缩短了节点的使用期限。既要提高检测结果的精确度，如果没有精确度，测速结果的意义便失去了很多，同时，又要考虑功耗，功耗太大，影响网络生存时间，因此，在功耗与精确度之间找到最佳平衡位置，让系统发挥最佳状态。2.无线传感器网络汽车测速系统结构2.1系统原理南京交通职业技术学院8图2-1无线传感器网络测速系统图大量的传感器按照道路行驶方向铺撒在道路上，间距为3到5米，在车道路中间直径5mm、高度15mm的圆柱形洞内，从监测区一直覆盖到最近的监控指挥中心。首先，当公路上车辆进入网络监控区域时，