（机械电子工程专业论文）基于zigbee技术的车辆交通信息采集系统研究.pdf

硕士论文 基于z i g b 技术的车辆交通信 摘要 车辆交通信息采集是智能交通系统的一个重要环节。通过对车辆信息的采集和分析 获取准确的交通参数，为交通状况监控和交通诱导管理等提供可靠的数据支持，提高现 有基础设施的利用率。为了克服常用车辆信息检测系统不易安装、维修不便、受环境因 素影响较大等缺点，本文应用z i g b e e 技术研究设计了一种无线车辆交通信息采集系统。 本文详细分析研究了z i g b e e 技术，通过对z i g b e e 组网研究，剖析了网络的组建、 设备加入网络和设备退出网络的流程，研究了网络路由算法，并以z i g b e e 协议为基础， 结合系统硬件资源，设计实现了满足系统要求的采集网络。 本文以t i 公司的c c 2 4 3 0 为系统核心，利用磁阻传感器和地震动传感器为感知元件 设计了系统硬件资源。主要进行了中心节点模块、子节点连接模块、地震动信号探测模 块、磁信号探测模块和节点供电模块的设计，完成了相应电路模块实物的制作，并应用 它们完成了系统硬件设计。实验表明，各模块性能可满足系统要求。 通过分析磁扰动信号的特性，提出了基于平均磁场扰动强度的车型识别算法；分析 了基于波形变化的行驶方向判断方法；研究了基于单节点和双节点的车速估计方法；结 合采集的地震动信号，提出了一种以磁信号为主、地震动信号为辅的是否有车辆经过的 判别算法；给出了上位机软件的设计方法，并初步实现了检测结果查询的可视化。实验 室和道路现场实验表明，该系统具有一定的有效性和可靠性。 关键词：智能交通，z i g b e e ，电路设计，车辆信息识别 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t v e h i c u l a rt r a 伍ci n f o r m a t i o nc o l l e c t i o ni sa ni m p o r t a n tp a r to ft h e i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s o m e a c c u r a t et r a f f i c p a r a m e t e r s c a nb eo b t a i n e dt h r o u g ht h e c o l l e c t i o na n da n a l y s i so fv e h i c l ei n f o r m a t i o n i tp r o v i d e sr e l i a b l ed a t af o rt r a f 矗cm a n a g e m e n t , t r a f f i cs u r v e i l l a n c ea n dt r a f f i cg u i d a n c e ，a n dg r e a t l ye n h a n c e st h eu t i l i z a t i o no fe x i s t i n g i n f r a s t r u c t u r e t h ed i s a d v a n t a g e so fe x i s t i n gd e t e c t i o nm e t h o d sa n dt o o l sh a v el e dt ot h e s e a r c hf o rt h en e wd e t e c t o rw i t l lt h ea b i l i t yo ff l e x i b i l i t y , e a s yo fi n s t a l l a t i o n , r e m o t e m a i n t e n a n c e ，p r e c i s i o na n dl o wc o s t f o rt h er e a s o n ，i nt h i st h e s i s aw i r e l e s sv e h i c l e i n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ns y s t e mh a v eb e e nd e s i g n e d ，w h i c hi sb a s e do nz i g b e et e c h n o l o g y z i g b e et e c h n o l o g yh a sb e e na n a l y z e dd e e p l yi nt h et h e s i s ，e s p e c i a l l yf o c u s i n go nt h e b u i l d i n go fz i g b e en e t w o r k s ，s u c ha st h em e t h o df o rf o r m i n ga n dm a i n t a i n i n gt h en e t w o r k s ， t h ep r o c e s so fa d d i n gt ot h en e t w o r ka n dl e a v i n gt h en e t w o r k t h en e t w o r kr o u t i n ga l g o r i t h m i sa l s os t u d i e d b a s e do nz i g b e ep r o t o c o la n dc o m b i n e dw i t hh a r d w a r er e s o u r c e s ，a s m a l l s c a l es t a rn e t w o r kh a v e b e e nd e s i g n e da n da c c o m p l i s h e df o rt h es y s t e m i nt h et h e s i s ，c c 2 4 3 0i st h ec o r co ft h ep a r to fc o n t r o l ；m a g n e t o r e s i s t i v es e n s o r sa n d s e i s m i cs e n s o r sa r es e n s i n ge l e m e n t so fd e t e c t i o n u s i n gt h o s ec o m p o n e n t sd e s i g n st h e s y s t e mh a r d w a r er e s o u r c e s t h ec e n t r a ln o d em o d u l e ，t h ec h i l dn o d e sc o n n e c t e dm o d u l e s ，t h e s e i s m i cs i g n a ld e t e c t i o nm o d u l e ，t h em a g n e t i cs i g n a ld e t e c t i o nm o d u l ea n dt h en o d ep o w e r s u p p l ym o d u l ea r ed e s i g n e d t h e nu s i n gt h ea b o v er e s o u r c e s a c h i e v e st h es y s t e mh a r d w a r e t h r o u g ha n a l y z i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fm a g n e t i cp e r t u r b a t i o ns i g n a l ，t h et h e s i sh a s p r o p o s e da a u t o m o t i v et y p er e c o g n i t i o na l g o r i t h mb a s e do nt h ea v e r a g em a g n e t i cd i s t u r b a n c e ， a n dh a sr e s e a r c h e daw a v e - b a s e dm e t h o dt oj u d g et h ed i r e c t i o no ft r a v e l ；s p e e de s t i m a t i o n m e t h o db a s e do nt h es i n g l en o d ea n dd u a ln o d e sh a sb e e ns t u d i e d ；c o m b i n a t i o no fs e i s m i c s i g n a l ，t h et h e s i sh a sp r o p o s e daa l g o r i t h mm a i n l yd e p e n d so nm a g n e t i ch e l p i n g 谢t l lg r o u n d m o t i o ns i g n a l st od e t e r m i n ew h e t h e rv e h i c l e sp a s s i n gb y t h e ni tg i v e sp cs o f t w a r ed e s i g n m e t h o d s ，a n da c h i e v e si n i t i a l l yt h et e s tr e s u l t sv i s u a l i z a t i o n l a b o r a t o r ya n df i e l de x p e r i m e n t s s h o wt h a t ，t h es y s t e mh a sac e r t a i nv a l i d i t ya n dr e l i a b i l i t y k e yw o r d s ：i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o n , z i g b e e ，c i r c u i td e s i g n , v e h i c l e i n f o r m a t i o n i d e n t i f i c a t i o n 硕士论文 基于z i g b 技术的车辆交通信息采集系统研究 1 绪论 1 1 研究背景 随着社会经济的快速发展，人民生活水平的不断提高，交通需求日益增加，车辆数 目与日俱增，使用越来越频繁，从而引发的城市交通拥堵、交通环境恶化、交通事故以 及能源短缺等问题已经成为世界各国所面临的共同问题。这些问题传统的解决办法就是 修建、扩建道路，然而，随着城市化的推进，城市入口增加，城市修建道路的空间越来 越少。尽管政府还是加大了道路等基础设施的建设，但是，交通运输能力无法满足经济 发展及人民需求的状况依然将长期存在。交通数据显示，目前我国城市机动车辆的数目 每年以超过1 5 的速度飞速增长，仅北京每天就增加2 0 0 0 辆左右，而城市道路每年的 增长速度仅为3 0 左右【l j 。这样，靠传统的方法来解决城市交通难题就变得十分困难。 在这样的背景下，上世纪8 0 年代末9 0 年代初，智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，i t s ) 的概念被提出来，之后不久，许多国家相继宣布了各自的 发展战略，他们希望通过i t s 的发展来带动本国基于车辆、传感器、电子、通信、计算 机和网络等高新技术的经济大发展。专家预测，应用i t s 后，交通运输效率将得到有效 地提高，交通拥堵将降低2 0 ，车祸将降低5 0 8 0 ，延误损失将减少1 0 2 5 ，油 耗将减少3 0 ，车辆尾气排放也将随之大大减少【2 1 。 i t s 期望建立一种实时的、高效的、精准的、全方位的、大范围的交通运输管理系 统，是一种将先进的电子技术、传感器技术、信息技术和系统工程技术等综合应用的智 能系统，能使现有交通设施的潜力充分发挥，从而有效地缓解交通拥堵，在保障交通安 全的情况下极大提高运输效率。 现在我国交通运输能力还落后于美、日、欧等发达国家，为了使交通、出行者和环 境更加协调和谐，并充分发挥现有交通设施的作用，就急切地需要发展完善i t s ，这一 内容已在国家中长期发展规划中得到体现。 利用i t s 将车辆、道路、使用者之间联系起来，形成一个实时高效的综合运输系统。 其中的联系为新兴的物联网注入新的内容，将促进物联网的发展，已公开的物联网应用 实例中已涉及到智能交通领域【3 4 5 l 。 物联网还是一个很新的概念，目前没有统一的定义。有关文献提出，物联网就是把 感应器嵌入或装备到电网、铁路、桥梁、隧道、公路、建筑、供水系统、大坝、油气管 道等各种物体中，然后将它们与现有的互联网整合起来，实现人类社会与物理系统的整 合，实现人与物、物与物之间的自由交谢6 1 。在2 0 0 9 年8 月到1 2 月的短短4 个月时间 中，“物联网”被温家宝总理多次提到，加之美国总统奥巴马上任伊始也谈到了它，从而 1 绪论 硕士论文 使得这一概念得到国内外广泛的关注，并掀起了一股新的研究热潮。 我国i t s 有一个目标，就是将目前各自独立存在的车辆、道路、环境、信息等融合， 然后研究将各种交通运输手段融合，从而构建一个快速、实时、安全、便捷、舒适、节 能、智能化的交通运输体系，随着科技的进步，我国的i t s 将迎来新时代1 7 1 。这一目标 与物联网的建设应用有很大的关系，因此可以将i t s 的部分内容视为物联网的实际应用。 按照网络内数据的流向及处理方式可以将物联网分为三个层次：一为传感网络层， 即为实现对物或环境状态的感知、识别所使用的r f i d 、二维码和传感器等感知部件： 二为传输网络层，即为实现数据的传输和计算，所使用的广电网、通信网、现有的互联 网或者下代互联网( i p v 6 ) ；三为应用网络层，即输入输出控制终端，包括电脑、手 机、p d a 等终端 s l 。课题研究利用z i g b e e 技术、磁探测技术和地震动检测技术进行车 辆信息的采集，应属于物联网的第一个层次。而交通信息采集是i t s 的关键子系统之一， 是i t s 发展的基础，是交通管理智能化的前提。其中，通过采集的数据得到的车辆检测 和识别分类信息是i t s 服务领域的应用基础。这类技术在发达国家应用比较广泛，而在 我国的开发和应用还不成熟。 物联网方兴未艾，科研工作者都积极希望能够为它的发展做出贡献，希望通过各种 方法将世间万物都融入到网络中去，道路也不例外，必将成为研究的对象，这一点在对 物联网的上述定义中就可以看出，那么可以预计i t s 将会向着物联网方向发展。作为物 联网标准的制订国之一的中国，更应该加紧研究，在实际的应用方面先占领一块高地。 本文研究的课题就是在这种背景下提出的，期望在车辆信息采集和信息识别分析这一日 益发展的领域内迎头赶上发达国家，结合具体的国情，发展具有自主知识产权的智能交 通系统并将其纳入物联网中。 1 2 智能交通系统常用车辆检测技术 车辆检测技术是i t s 研究的一个关键技术，车辆检测效果的好坏直接关系到i t s 的 成败。车辆检测技术就是通过现代传感器等技术智能地获取道路上的车辆信息，从而进 行车辆检测、车流量统计、车速测量和车辆类型估计等，以期优化交通诱导。传感器采 集的信息是实现i t s 的数据来源和重要依据。 现有的车辆检测系统中，用传感器进行车辆通过的检测；信号处理电路对传感器信 号进行调理；应用计算机的相关硬件和软件将调理得到电信号转换为待进一步研究的交 通流参数，如车速、行驶方向、车辆分类、占道率、车距和车辆重量等。系统中数据处 理设备可以是传感器的一部分，也可以是传感器外部的接收设备，它与传感可以通过有 线或无线的方式连接。常用的车辆检测技术方法1 9 1 0 1 如表1 2 中所示，各检测技术中常 使用的传感器如图1 2 所示。 2 硕士论文基于z i g b e e 技术的车辆交通信息采集系统研究 表1 2 常用的车辆检测技术 常用技术技术特点及说明 环形线圈车辆检测 磁敏车辆检测 数字微波车辆检测 视频车辆检测 红外车辆检测 声音车辆检测 利用电磁感应原理进行车辆检测。使用的传感器是一个其中通 有一定工作电流的被掩埋在路面之下的环形线圈，该线圈的规格一 般为2 m 1 5 m 。因为车辆多由铁磁性物质构成，所以车辆从环形线 圈上方通过或停在环形线圈上时，环形线圈回路的电感量将发生变 化。检测器就利用变化，从而检测、判断车辆的通过或存在情况。 通常有两种方式检测电感量变化：l 、利用由环形线圈回路构 成的耦合电路对线圈电感的振荡频率进行检测；2 、利用相位锁存 器和相位比较器，进行相位变化检测。 应用铁磁性物质对周围地磁场的扰动作用进行检测。磁敏传感 器对于磁场的变化比较敏感，当感受到周围磁场发生变化就可以判 断车辆通过或存在，应用合适的算法分析磁场扰动信息还可以用来 计算车速、车流量和车型识别等。 使用的传感器有两部分组成，一部分是安装在道路旁立柱上或 门架上的发射天线，其负责向检测区域发射微波；另一部分则是发 射接收机，负责接收返回的微波。 当有车辆经过检测区域时，发射出的波束碰撞车身，会以不同 的频率返回天线。一旦发射接收天线检测到频率的变化，就判定有 车辆经过和存在。利用该技术能够实现车流量监测和车速的求取。 它是计算机图形识别技术和图像处理技术的综合应用。道路车 辆实时图像通过一台或多台安装在道路上方的数字摄像机摄取，之 后通过专用网络将图像传输到交通信息处理中心。图像在那里被处 理和分析，最终得到车流量、道路占有率和车速等信息。 其原理与激光车辆检测原理十分相似，主要是通过检测红外光 线是否被阻隔来进行车辆信息的判断。通过检测信息除了可以计算 车流量、车速，还可以进行车型分类等。 分析不同车辆的声学特征，在道路上利用传感器检测车辆行 驶时的声音特性，建立车辆声学特征数据库，利用特定车辆的声 学特征识别该车辆，可以较准确的实现车型判断。 3 l 绪论 硕士论文 邑喵 ( 2 ) 北京中交兴路檄拔传感嚣 ( 3 ，红外视频( 4 b a n n e r 超声渡( 5 ) h o n e r w e l l 车辆捡测传感器车辆检测传感器磁阻传憋器 图1 2 常用车辆检测传感器 1 3 国内外研究现状与发展趋势 早在上世纪3 0 年代，美国的福特汽车公司和通用汽车公司，就倡导和推广过“现 代化公路网 的构想【1 1 】。到6 0 年代末，出现的计算机交通控制技术算是i t s 的雏形， 但是当时的重要性并不明显，并未引起大家广泛的关注。从8 0 年代开始，特别是最近 一些年，i t s 以惊人的速度迅猛发展，世乔上许多发达国家也争先恐后进行研究开发， 出现了激烈竞争的局面，使得i t s 成为了继军事、航空航天领域之后，高新技术应该最 为集中地领域，并形成了以欧洲、日本和美国为代表的三大研究中心。 欧洲从1 9 8 6 年就开始了名为e u r e k a 的联合研究计划，其中包括许多具体的项目， 如完善道路设施并提高服务水平的“d r i v e 计划 、建立全欧洲“交通服务数据通信网 以及“欧洲最高效、最安全交通计划( p r o m e h e u s ) ”等l l 引。 日本也是从上世纪8 0 年代后期开始了包括“先进的动态交通信息系统 、“超智能 汽车系统 以及“路车通信系统 等主要项目的研列1 3 j 。当时先进的动态交通信息系统 以电话线路作为通信媒体，用户通过车载导航装置、家庭及办公计算机按照需要接收多 媒体的文字信息和地图信息。 美国的起步相对而言比较晚，但是美国对它更加重视，投资也很大手笔，在短短的 数年里就得到了迅猛的发展，开发范围也是扩展到了整个系统，甚至包括铁路和公路混 合运输。美国也进行了一系列的试验，其中包括交通诱导，交通信息系统和车辆电子牌 照等，取得一定的成果，这样美国交通部在1 9 9 4 年底将原来的“智能车辆一公路系统 ( i v h s ) 更名为“智能交通系统( i t s ) 。其代表性的系统有：a d v a n c e 、f a s t t r a c 和t r a v t e k 等。a d v a n c e 通过电波双向通信，直接将车载导航装置与交通管制中心 向连接。车载导航装置包括，触摸屏，导航计算机和显示器。用户只需输入目的地名， 系统便可以利用最新的交通信息计算最佳行车路线，再通过声音合成及显示器符号指示 的形式引导用户行驶。f a s t t r a c 是由先进交通信息系统( a t i s ) 和先进交通管理系 统( a t m s ) 综合应用而形成的i t s 项目，它计划根据测量车辆的等候时间等使交通信 4 硕士论文 基于z i # e e 技术的车辆交通信息采集系统研究 号控制实现最佳化。t r a v t e k 的目的是实时路线引导和建立实用的服务信息系统。它 由交通管制中心、信息服务中心以及装有导航设备的车辆构成。该项目在奥兰多地区的 试验应用取得了良好的效果。 面对交通需求的日益增加，供需矛盾的日益突出，对环境影响的日益严重，社会和 个人正经受着前所未有的精神折磨和经济损失。据统计，美国主要城市每年因为交通堵 塞造成的经济损失就到4 2 0 亿美元。对于发达国家，基础建设已经十分完善，不能再单 靠铺路修桥来解决问题了，因而，采用高科技就成了必然的选择。 i t s 的竞争说到底就是经济竞争，美国运输部在国会的报告中预测，在今后十多年 里，美国在i t s 开发上的投资将超过2 0 0 0 亿美元，这无疑是对美国工商界的极大刺激。 我国的i t s 也起步于上世纪8 0 年代，从那时起，国内开始重视运用高科技发展交 通的重要性，一些高校和交通研究机构开始城市交通诱导系统技术的研究尝试【l4 ，1 5 】。当 时主要借鉴了英美澳等国的先进控制系统的理论和思想，如t r a n s y t 、s c o o t 、s c a t s 等，并在北京、上海和南京等城市进行了试验。这些经验，为我们现在根据国情来发展 自己的i t s 奠定了基础。i t s 的研究需要现代电子技术、信息技术、通信技术和系统工 程技术，对于科技进步和社会发展必将有强大的推动作用。作为其中的分支，交通信息 的采集分析是全系统发挥作用的重要保证，对其进行研究的必要性显而易见。 i t s 将人、车辆和道路结合到一起，中间是通过传感器和现代网络技术来实现的。 这个网络可以视为“物联网”的一部分，即将传感器装备和嵌入到公路中，首先构成一 条道路的无线传感网，再通过与上层网络的接入让道路随时“报告 自己的情况，包括 路况、车速、车流量和占道等情况，然后通过物联网终端( 电脑，手机等) 利用一定的 程序，实现人与道路的实时沟通，从而指导出行者出行。指导的质量如何，最基本的就 取决于交通信息采集的真实性和可靠性。 由于需要将大量的传感器分布在道路中间或两旁，传感器信号的传输途径就成为了 一个需要考虑的问题。虽然使用有线的方式能满足信号的传输，但是它将耗费大量的导 线，并且大量破坏道路表面，如此不但会使系统成本加大，而且会使得安装变得十分复 杂。然而幸运的是，现代无线通信技术有了长足的发展，完全可以使用无线网络方式来 代替有线连接的方式。 目前，在城市交通控制系统中，主要采用的无线传输方式有g s m 短消息、数传电 台、g p r s 、c d m a l x 等。 g s m 短消息虽然能实现信息主动上报，但它按条收费，运行费用较高，而当短消息 中心服务器繁忙时，将出现严重的延时现象。 数传电台虽然每年收取频点费，但是平时无需额外费用，花费就相对较少；然而它 受地形、气候的影响较大，造成系统的可靠性和实时性较差，且不能主动上报信息。 g p r s ( 通用分组无线服务技术) ，是在g s m 系统上发展起来的一种无线数据传输 5 l 绪论 硕士论文 业务，它可以向移动用户提供高速无线i p 和无线x 2 5 服务。理论上g p r s 可提供高达 1 7 1 2 k b p s 的传输速率，而实际应用带宽约3 0 7 0 k b p s 。在信道上它还可以提供t c p i p 连接，用于m t e m e t 连接、数据传输等应用。 c d m a l x 作为3 g 标准之一，是一种新型的移动数据通信业务。它采用了快速前向 功控、反向相干解调、t u r b o 编码、发送分集等新技术，使得其容量比i s - 9 5 提高很多。 对普通话音业务而言，在相同条件下，其容量大致为i s 9 5 系统的两倍。c d m a l x 网络 既可以作为话音业务承载平台，又可以作为无线妣m e t 接入分组数据承载平台。这样， 它就既可以为用户提供传统的话音业务，又可以为用户提供端对端分组传输模式的数据 业务。 g p r s 、c d m a l x 永远在线，并且按流量计费，从而为用户提供了一种低成本、高 效率的无线数据业务。它特别适用于频繁的、点多分散、中小流量的数据传输和间断性 的、突发性的数据传输，大量数据传输中偶尔也应用。g p r s 、c d m a l x 目前应用较广， 可以取代传统的有线m o d e m 、x 2 5 、数传电台和短信等通信方式。 但g p r s 、c d m a l x 移动网络，是一个大范围( 全国) 的大网络，设计的目的主要 是用于语音通信，因此将它们应用于数据通信时，就难免存在一些不足，例如，它们的 基站结构复杂、价格昂贵、维护工作量大等。g p r s 、c d m a l x 网络属于移动网络运营 商，用户需要长期支付网络使用费，而且终端的价格也很高，这些都制约了其在无线数 据传输中的应用。 相对而言，新兴的z i g b e e 技术，具有低功耗、快响应、低价格、高可靠、组网方 便、频段免费等特点，为解决现实问题提供了一个可行的方法【1 6 】，课题期望应用z i g b e e 技术，利用磁阻传感器和地震动传感器，设计一种无线车辆交通信息采集系统，以实现 交通信息的采集，为课题后续信息处理和接入物联网做好前期准备。 总而言之，智能交通系统的关键技术环节之一是能够准确地获取交通参数，包括交 通流量、车型、车速、车道占有率等【1 7 】，大量的文献表明无线传感器网络( w i r e l e s ss e n s o r n e t w o r k ，w s n ) 在智能交通方面有潜在的广泛应用前景【1 5 , 1 2 。 1 4 本文的研究目标与内容 对智能交通系统的研究具有重要的理论意义和现实价值，车辆交通信息采集是该系 统的一个重要组成部分，是该系统的研究基础和关键技术所在。本文的研究目标就是根 据i t s 对车辆交通信息采集的需要，研究和设计一种基于z i g b e e 技术的无线车辆交通 信息采集系统，以实现车型识别、车辆行驶方向判断和车速估计等功能。该无线车辆交 通信息采集系统与传统的车辆信息采集系统相比，应具有更高的检测精度，更低廉价格， 更便于安装维护。本文先分析研究无线传感器网络和z i g b e e 技术，探讨其在i t s 方面 6 硕士论文 基于z i g , b e e 技术的车辆交通信息采集系统研究 应用的可行性，分析磁阻传感器和地震动传感器的检测原理，在上述基础上提出系统硬 件设计方案。之后，结合系统硬件资源进行z i g b e e 网络组网设计和磁场扰动信号、地 震动信号的采集。通过对信号数据的分析，提出基于平均磁场扰动强度的车辆识别算法， 设计以磁传感器信号为主、地震动信号为辅的车辆检测识别算法等，并初步实现结果的 可视化，为课题后续数据处理和车辆信息挖掘打下基础。 本文具体工作分为四部分，第一部分，是理论知识准备，相关资料查阅，了解国内 外在该领域的研究现状和发展趋势，为系统设计和功能实现提供理论依据和方向指导。 第二部分，是系统关键技术和总体设计分析，探讨方案的可行性和具体实现方法。第三 部分，是系统硬件设计及软件开发，进行实验室和外场实验采集，并对信号数据进行运 算处理，为课题深入开展做准备。第四部分，分析系统特性，总结全文，针对不足之处 提出改进意见。本文共分为六章，下面是各章节内容简介： 第一章，绪论，介绍本文的研究背景和几种常有的车辆检测技术，分析国内外在该 领域的研究现状和发展趋势，阐述本课题的研究目的和本文主要工作，并叙述文章的结 构框架。 第二章，无线传感器网络设计，通过介绍无线传感器网络及其协议，引出本文研究 的理论基础z i g b e e 技术，之后，仔细分析研究z i g b e e 协议栈，重点阐述其网络组 建流程、设备加入网络和退出网络的流程，以及网络基本路由算法。 第三章，系统总体设计，介绍和分析地震动传感器和磁阻传感器的检测原理，提出 系统总体设计方案。 第四章，系统硬件设计与实现，针对提出的系统设计方案，选择所需元器件，设计 硬件电路，详细阐述各模块的设计过程，完成系统所需硬件的设计制作和性能调试实验。 第五章，系统软件设计与实现，设计子节点控制程序、中心节点控制程序以及采集 网络实现，分析实验数据，提出上位机程序设计方法，初步实现检测结果可视化。 第六章，总结和展望，对本文工作进行总结，提出改进意见，并对今后的工作做出 展望。 7 2 基于z i g a e e 的无线传感器网络 硕士论文 2 基于z i g b e e 的无线传感器网络 无线传感器网络( w i r e l e s s s e n s o r n e t w o r k s ，w s n ) ，是一个面向任务的多跳自组织 的网络，它由大量部署在被监控范围内的廉价传感器节点构成，这些节点通过无线通信 方式形成网络，w s n 的目的，是协作地感知、采集、处理网络监控范围内的被感知对 象信息，并发送给监控者f 2 0 1 。w s n 是一个涉及多学科交叉的研究领域，综合了传感器 技术、嵌入式技术、现代网络技术、无线通信技术和分布式信息处理技术等，具有低成 本、微型化、自组织性和灵活性等特点。自2 0 世纪9 0 年代以来，随着各项技术的发展， w s n 得到了军事界、学术界和工业界的广泛关注，其在国防安全、国家建设、环境监 控、医疗卫生、工业生产和交通管理等领域的应用被寄予厚望，被认为具有广阔的前景。 本文基于z i g b e e 技术组建无线传感器网络，用于车辆交通信息采集，目标是为智能交 通建设提供可靠的数据来源，为物联网i t s 应用传感网络层提供技术支持。 2 1 无线传感器网络概述 无线传感器网络的研究始于上世纪9 0 年的美国军方，当初的重点是传感器节点技 术，在各节点之间进行点对点通信。在2 0 0 1 年6 月，美国国防预先研究计划局召开了 第一届网络嵌入式系统技术会议，从而拉开了w s n 研究的序幕。当时的研究目的，是 希望将其应用于国土安全、反恐战争和战场信息采集等方面。随着研究的发展，该领域 的研究能够将地球变得数字化，通过安装在各个地方的无线传感器节点，人们可以感知 地球的每一个角落。基于对应用前景的憧憬，国内外广泛开展了对w s n 的研究。 在国外，1 9 9 5 年美国交通部提出“国家智能交通系统项目规划”，计划在2 0 2 5 年前， 将先进的传感器技术、信息技术、通信技术、计算机处理技术等应用于地面交通控制， 建立一个全方位、大范围，并且高效、实时、准确的交通运输管理系统。2 0 0 2 年1 0 月， 美国i n t e l 发布了“基于微型传感器网络的新型计算机发展规划 。2 0 0 3 年，在预测未来 发展的报告中，美国商业周刊和m i t 技术评论( t e c h n o l o g yr e v i e w ) 分别将w s n 列为2 1 世纪最有影响的2 1 项技术之一和改变世界的1 0 大科技之一。2 0 0 4 年3 月，i n t e l 演示了基于无线传感器网络的家庭护理系统，通过传感器远程监控老人或需要帮助的患 者，一旦他们身体机能出现异常，网络将自动通知监护人和医院，从而实现高效监护。 2 0 0 9 年i b m 提出“智慧地球 的概念，它在一定程度上来自于w s n 的技术支持。其 他国家，如日本、澳大利亚、英国、巴西等国也对w s n 表现出极大的兴趣，并开展了 大量研究工作1 2 。 相比而言，在国内，关于w s n 的研究起步较晚，相对滞后。但是，目前已经引起 了重视，2 0 0 5 年国家发改委将传感器网络( i p v 6 、无线传感器网络节点等) 和家庭网络 8 硕士论文 基于z i g b e e 技术的车辆交通信息采集系统研究 ( 面向数字家庭的网络处理器芯片、家庭网关等) 列为了支持的重点。2 0 0 6 年初发布的 国家中长期科学与技术发展规划纲要中确定三个信息技术发展前沿方向，包含了直 接与w s n 相关的智能感知技术和自组织网络技术。2 0 0 7 年“无线传感器网络关键技术 攻关及其在道路交通中的应用示范研究 项目的验收，表明我国在w s n 研究方面取得 了突破性进展。2 0 0 9 年，针对美国的“智慧地球 ，温总理提出发展自己的“感知中国。 目前中国的w s n 相关研究正在如火如荼地展开。 无线传感器网络，是一种全新的信息获取平台。它能够实时监控、采集网络覆盖范 围内的被检测信息，通过信息处理，可以实现指定范围内复杂的目标检测和跟踪。如果 说改变人与人之间沟通方式的i n t e m e t 构建了逻辑上的信息世界，那么改变人类与自然 界、物与物交互方式的w s n 将会使逻辑上的信息世界与客观的物理世界融合在一起。 通过w s n 感知客观世界，将极大地提升人类认知世界的能力和扩展现有网络的功能。 w s n 以数据为中心，更加重视能源的高效性，这与传统数据网络重点保证提供高 效宽带利用和高品质服务质量有很大不同，使得对w s n 的设计和实现提出了新的挑战。 简洁、易实现、高效的无线通信协议是实现w s n 性能的关键。目前基于各种无线 通信协议规范的近距离无线通信技术种类较多，使用较广泛的包括d e c t 、h o m e r f 、 g p s 、i r d a 、n f c 、r f i d 、u w b 、w i f i 、w i m e d i a 、z i g b e e 、蓝牙、无线1 3 9 4 和专用 无线系统等t 2 2 。如表2 1 所示，为几种常用短距离无线通信技术性能比较，可见它们各 有特色和应用领域。本文所设计的系统应属于工业控制领域，该领域通常对数据通信的 实时性、同步性和可靠性以及对网络控制的可扩展性和经济性等方面有特定的要求团】。 相对而言，z i g b e e 技术作为一种近距离、低功耗、低数据速率、低成本、低复杂度的双 向无线通信技术，具有良好的鲁棒性和容错性，并能有效节约网络能量，符合工业控制 领域w s n 的应用要求1 2 4 。 表2 1 几种常用短距离无线通信技术性能比较表 9 2 基于z i g s e e 的无线传感器网络硕士论文 表2 1 ( 续) 几种常用短距离无线通信技术性能比较表 2 2i e e e 8 0 2 1 5 4 标准和z i g b e e 协议规范 本文所设计的车辆交通信息采集系统基于z i g b e e 技术，在进行网络节点和网络组 网设计之前，必须深入了解i e e e 8 0 2 1 5 4 标准与z i g b e e 协议规范。本节将对它们进行 介绍，为系统网络的组建铺路。 2 2 1i e e e 8 0 2 1 5 4 标准概述 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准是低速无线个域网( w h l e s sp e r s o n a l a r e a n e t w o r k ，w p a n ) 进 行短距离无线通信的i e e e 标准。 2 0 0 0 年1 2 月，i e e e 成立8 0 2 1 5 4 工作组，致力于制定一种廉价的、供固定、移动 或便携式设备使用的无线连接技术，并于2 0 0 3 年通过了第一个8 0 2 1 5 4 标准。随着w s n 技术的发展，该标准也得到了迅速的发展。 该标准规定了网络中设备之间的无线通信协议和接口，采用载波监听多点接入冲突 避免( c s 燃a ) 的方式控制媒体接入或访问。其应用系统采用基于竞争的接入方式， 而网络协调器可以通过超帧机构为需要发送即时信息的设备提供时隙，这就使得网络可 以通过协调器接入到其他高性能的网络中。该协议应用系统主要特点1 2 5 l 如表2 2 1 所示。 i e e e s 0 2 1 5 4 标准主要描述和定义了物理层( p h y ) 和媒体接入层( m a c ) 的标准， 其物理层是实现无线传感器网络的通信架构的基础，m a c 层用来处理所有对物理层的 访问，并负责完成信标的同步、支持网络关联和去关联、提供实体间的可靠连接和执行 信道接入的c s m c a 机制等任务。 1 0 硕士论文 基于z i g b e e 技术的车辆交通信息采集系统研究 表2 2 1i e e e 8 0 2 1 5 4 应用系统主要特点 2 2 2z i g b e e 协议规范概述 2 0 0 1 年8 月，z i g b e e 联盟成立，致力于研究以z i g b e e 命名的下一代无线通信协议， 并于2 0 0 4 年1 2 月发布了第一个正式标准。z i g b e e 技术标准的物理层和媒体接入控制层 采用了i e e e s 0 2 1 5 4 标准，并对它们进行了完善和扩展。z i g b e e 的网络层、应用层以 及高级应用规范由z i g b e e 联盟制定。z i g b e e 技术优势【2 6 l 见表2 2 2 1 。 表2 2 2 iz i g b e e 技术优势 技术优势详细描述 z i g b e e 数据传输速率较低、所需存储空间较小、协议相对简单 成本低 且免费等都大大减低了其使用成本 功耗低 网络容量大 网络可靠性高 网络数据安全 网络拓扑 能力强 z i g b e e 工作周期较短，信息收发功耗也较低，在低功耗待机模 式下，2 节普通的5 号电池可以使用6 个月到2 年的时间，这个时间 的长短最终取决于不同的网络应用 理论上一个z i g b e e 网络最多能够容纳6 5 5 3 6 个设备。 z i g b e e 采用了c s m a c a 碰撞避免机制，可以避免数据发送时的 竞争与冲突。 z i g b e e 采用目前最好的文本加密算法之一的a e s - 1 2 8 算法，提 供数据完整性检测和鉴别功能。 z i g b e e 支持星状、树状以及网状网络拓扑，能够较简单地覆盖 广大的监视区。 2 基于z i g b e e 的无线传感器网络 硕士论文 表2 2 2 1 ( 续) z i g , b e e 技术优势 技术优势详细描述 z i g b e e 网络节点能感知其他节点状态，并确定连接关系，从而 网络自组织 自动构成网络化结构。当网络中出现增加减少一个节点、节点发生 能力强 故障、节点位置变化等情况时，z i g b e e 网络能够自动对网络拓扑结 构进行调整完成自我修复，从而保证系统的正常工作。 z i g b e e 协议通过相互协调的接力方式将数据以无线电波的形式从一个传感器传到 另一个传感器，这些传感器只需要很少的能量就可以实现较高的通信效率。根据 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准，z i g b e e 采用三个工作频段来运行，即8 6 8 m h z 频段、9 1 5 m h z 频段 和2 4 g h z 频段。这些频段具有不同的信道数目，频段之间相距较大。其中8 6 8 m h z 为 欧洲的i s m 频段包含1 个速率为2 0 k b p s 的信道，9 1 5 m h z 为美国的i s m 频段包含l o 个速率为4 0 k b p s 的信道，2 4 g h z 为全球统一的i s m 频段包含1 6 个速率为2 5 0 k b p s 信 道。z i g b e e 无线信道组成如表2 2 2 2 所示。 表2 2 2 2z i g b e e 无线信道组成 2 2 3z i g b e e 协议栈结构和原理 z i g b e e 协议栈体系结构由多个子层构成，如图2 2 3 1 所示。结构中，层与层的连 接通过一组特定的服务完成，该组服务包括一个数据实体以及一个管理实体，前者用以 提供数据传输服务，后者用以提供其他所有服务。服务实体上层的服务接口由服务接入 点( s a p ) 提供，各个s a p 都能提供一系列的服务指令来完成相应功能。 应用层斤亍规 z i g b 8 事。日 k 应用层架构 网络艘全层 厄口b 邕联且 m a c 层 麟1 2 m 4 ，r s 6 r 9 1 5 m h zp h y 层 2 4 g p h y 层 图2 2 3 1z i g , b e e 整体结构模型 z i g b e e 结构底层采用i e e e 8 0 2 1 5 4 标准定义物理层和媒体介入控制层，z i g b e e 联 盟依据它们定义网络层和应用层接口规范。其中p h y 、m a c 和网络层属于协议层，p h y 和m a c 与系统底层硬件有关，而网络层及以上层次不受硬件影响。用户可以在这些规 范的基础上开发应用程序，当需要移植应用程序时，只需要修改硬件相关各层，z i g b e e 1 2 硕士论文基于z i g a e e 技术的车辆交通信息采集系统研究 结构各层功能说明如表2 2 3 1 所示。 表2 2 3 iz i g , b e e 结构各层功能 结构层次主要功能 物理层( p h y ) 媒体接入控制层 ( m a c ) 网络层( n w k ) 应用层( a p l