（机械电子工程专业论文）面向公路交通的无线传感器网络节能关键技术研究.pdf

武汉理工大学博士学位论文 摘要 近年来，随着道路交通的飞速发展，交通问题逐渐增加，引起全社会广泛 的关注和重视。构建车、路、人三者结合的智能公路是实现智能交通的重要组 成部分，但传统的技术和设备在运用中普遍存在不足。由于无线传感器网络 ( w s n ) 具有覆盖范围广、安装维护方便、采集数据丰富、分布式协同感知等优点， 近年来有关w s n 在智能交通中的应用研究已成为一大热点，目前已演化为物联 网、车联网的研究热潮。瑞典吕勒奥理工大学在智能公路( i r o a d ) 项目中提出“智 能路标系统”。该系统基于w s n 技术，以m u l l e 平台为硬件基础，t i n y o s 平 台为软件基础，在欧洲e 4 公路上实现了智能路标( 节点) 的信息采集。实验结果 表明节点能够有效的监测到行驶的车辆，但能耗是阻碍其应用的一个关键技术 问题。本论文以通过节能技术最大限度地延长系统工作时间为研究目的，针对 应用中的节能需求在能耗管理、节能策略、控制算法和测量工具等方面展开系 统深入的研究。主要内容和创新点有： 1 研究节点的能耗分布，建立动态能耗管理。研究节点节能的一个关键前 提就是掌握能耗的分布。本文基于能耗测量装置对节点的三个主要组成部分的 工作能耗进行监测，并根据结果绘制对比图。已有的研究文献认为能耗主要集 中在通信部分，本文的实验证明感知和处理部分的能耗也不可忽视。基于节点 的能耗分布，在t i n y o s 软件平台上建立起传感器、处理器和收发器三者综合考 虑的资源映射与调度模型，实现动态能耗管理，减少了元器件空闲时的能量浪 费。 2 研究节点的节能策略，建立动态节能策略框架。依据本文提出的能耗分 布模型，结合智能路标对车辆检测的研究，本文提出了一种动态节能策略，由 信号处理、低功耗侦听和传感器激活率三部分组成。在m i c a z 平台上对节能策略 做出了验证，通过提高工作效率减少了能量消耗。最后，给出了描述节点动态 能耗的公式以及实验验证。 3 能耗一致性控制理论和方法。w s n 根据实际环境协同地完成监测任务。 通过协作不仅可以提高结果的准确性，还可以从整体上减缓能量的消耗。本文 基于代数图论描述了节点之间的信息交互关系，建立了交互图和交互矩阵。提 出了通过共享能耗信息，由一致性算法控制节点之间的协作，使各个节点达到 武汉理工大学博士学位论文 能耗均衡的算法。仿真结果表明该算法可以使剩余能量在系统运行过程中趋于 一致，从而从整体上达到节能的效果，延长系统工作时间。 4 实时能耗监测。通过研究国内外对w s n 能耗的分析，发现当前对能耗的 研究手段存在不足的现状。本文提出了建立可在实际环境对w s n 工作的实时能 耗进行监测的平台。开发出移动便携的能耗测量装置，具有体积小，高精度， 对节点正常工作无影响的特点，可在实际环境中监测到节点的实时能耗。 关键词：无线传感器网络；智能公路；节能；能耗一致性；实时能耗监测 武汉理工大学博士学位论文 a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r s ，t r a f f i c p r o b l e m sa t t r a c tc o n c e r na n da t t e n t i o no ft h ew h o l e s o c i e t yw i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fr o a dt r a f f i c i n t e l l i g e n tr o a d , c o m b i n e dw i t ht h e v e h i c l e s ，r o a d ，a n dd r i v e r s ，i sa l li m p o r t a n tp a r to fi n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s ) h o w e v e r , t h et r a d i t i o n a lt e c h n o l o g i e sa n de q u i p m e n ts t i l lh a v ed e f i c i e n c i e si n c o l n m o nu s e s i n c ew i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ( w s n ) h a st h ef e a t u r e so fw i d e c o v e r a g e , c o n v e n i e n ti n s t a l l a t i o na n dm a i n t e n a n c e ，c o l l e c t i n gd a t a , d i s t r i b u t e d c o l l a b o r a t i o n ，e t c ，t h o s ew s na p p l i c a t i o n si ni t sb e c o m eah o tt o p i ci nr e c e n ty e a r s t o d a y , i ti se v o l v i n gi n t ot h e ”i n t e m e to ft h i n g s ”，a n dt h e ”c a ro fn e t w o r k i n g ” l u l e hu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g ya ts w e d e np r o p o s e d ”i n t e l l i g e n tr o a dm a r ks y s m n - ( i r m s ) i nt h e i ri n t e l l i g e n tr o a d ( i r o a d ) p r o j e c t i r m sb a s e so nw s n t e c h n o l o g i e s ， w h i c hm a k e su s eo fm u l l ea sh a r d w a r ep l a t f o r m ，a n dw i n y o sa ss o f t w a r ep l a t f o r m t r a f f i ci n f o r m a t i o na c q u i s i t i o ni sr e a l i z e db yi r m so nt h er o a do fe u r o p e a ne 4 h i g h t w a y t h ee x p e r i m e n tr e s u l t sr e v e a lt h a ti n t e l l i g e n tr o a dm a r ki se f f e c t i v et o m o n i t o rv e h i c l e s h o w e v e r , e n e r g yc o n s u m p t i o ni sa k e yt e c h n i c a li s s u et h a th i n d e r s t h ea p p l i c a t i o n i nt h i st h e s i s ，o u rr e s e a r c hp u r p o s ei st om a x i m i z et h es y s t e ml i f e t i m e w i t he n e r g yc o n s e r v a t i o nt e c h n o l o g i e s w ef o c u s0 np o w e rm a n a g e m e n t , e n e r g y c o n s e r v a t i o ns t r a t e g y , c o n t r o la l g o r i t h m s ，a n dm e a s u r e m e n td e v i c e m a i nc o n t e n ta n d i n n o v a t i o n sa r ea sf o l l o w s ： 1 r e s e a r c ho ne n e r g yd i s t r i b u t i o na n dd y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n t e n e r g y d i s t r i b u t i o nr e s e a r c hi sak e yp r e m i s eo f c o n t r o l l i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n t h i st h e s i s u t i l i z e st h e e n e r g yc o n s u m p t i o nm e a s u r e m e n td e v i c et om o n i t o rt h ee n e r g y c o n s u m p t i o no ft h r e em a i nc o m p o n e n t si nan o d e ，a n dd r a w st h ec o m p a r i s o nc h a r t b a s e do nt h er e s u l t s m o s to fl i t e r a t u r e s m a i n l yc o n c e n t r a t e o nt h e e n e r g y c o n s u m p t i o no fc o m m u n i c a t i o n h o w e v e r , o u re x p e r i m e n tr e s u l tr e v e a l st h a tt h e e n e r g yc o n s u m p t i o no fs e n s o r sa n dm i c r o c o n t r o l l e rc a l ln o tb ei g n o r e d f r o mt h e s e n s o r s ， m i c r o - c o n t r o l l e ra n dt r a n s c e i v e r ,w et a k ei n t oa c c o u n tt h e i r e n e r g y c o n s u m p t i o na n db u i l dr c s o t l r c em a p p i n ga n ds c h e d u l i n gm o d e li nt i n y o s t h i s m o d e lr e a l i z e sad y n a m i cp o w e rm a n a g e m e n ta n dc a nr e d u c et h ew a s t eo fe n e r g y i i i 武汉理工大学博士学位论文 w h e na n yc o m p o n e n tl sl d l e 2 r e s e a r c ho ne n e r g yc o n s e r v a t i o ns t r a t e g ya n dd y n a m i ce n e r g yc o n s e r v a t i o n s t r a t e g yf r a m e w o r k b a s e do nt h ep r o p o s e de n e r g yc o n s u m p t i o nd i s t r i b u t i o nm o d e l a n dv e h i c l ed e t e c t i o no nt h er o a d ，w ep r e s e n tad y n a m i ce n e r g yc o n s e r v a t i o ns t r a t e g y c o m b i n e dw i t l ls i g n a lp r o c e s s i n g ，l o wp o w e r l i s t e n i n ga n ds e n s o ra c t i v a t i o nr a t e t h e d y n a m i ce n e r g yc o n s e r v a t i o ns t r a t e g y , w h i c hc a ni m p r o v ee n e r g ye f f i c i e n c ya n d r e d u c ee n e r g yc o n s u m p t i o n ，i sd e m o n s t r a t e do nt h em i c a zp l a t f o r m f i n a l l y , a f o r m u l ai sp r e s e n t e dt od e s c r i b et h ed y n a m i c c n r g yc o n s u m p t i o no fan o d e 3 t h ee n e r g yc o n s u m p t i o nc o n s e n s u sc o n t r o lt h e o r ya n dm e t h o d so fm u l t i n o d e c o l l a b o r a t i o n s e n s o rn o d e sa r ec o l l a b o r a t i v et of i n i s ht a s k s c o l l a b o r a t i o nn o to n l y i m p r o v e st h ea c c u r a c y ，b u ta l s or e d u c e so v e r a l le n e r g yc o n s u m p t i o n a l g e b r a i cg r a p h t h e o r yi su s e dt od e s c r i b et h ei n f o r m a t i o ni n t e r a c t i v er e l a t i o n s h i pa m o n gn o d e s f r o m t h ei n f o r m a t i o ni n t e r a c t i v eg r a p h y ，w ee s t a b l i s hi n f o r m a t i o ni n t e r a c t i v e m a pa n d i n f o r m a t i o ni n t e r a c t i v em a t r i x t h r o u g hs h a r i n ge n e r g yc o n s u m p t i o n i n f o r m a t i o n ，t h e e n e r g yc o n s u m p t i o nc o n s e n s u sa l g o r i t h mi sp r o p o s e dt oc o n t r o lt h ec o l l a b o r a t i o no f n o d e ss ot h a tc o l l a b o r a t i v en o d e sc a nk e e pe n e r g yc o n s u m p t i o nb a l a n c e s i m u l a t i o n r e s u l t sr e v e a lt h a tt h ea l g o r i t h mi se f f e c t i v ea n de n e r g yc o n s e r v a t i o na n dt h i sw o r k c a ne x t e n dt h el i f e t i m eo fs y s t e m 4 r e a l - t i m ee n e r g y c o n s u m p t i o nm o n i t o r i n g w s ne n e r g y c o n s u m p t i o n a n a l y s i sh a ss t i l l as h o r t a g et h r o u g hi n v e s t i g a t i o nt h a tc u r r e n tr e s e a r c h m a i n l y d e p e n d so ns i m u l a t i o n w ep r o p o s et oe s t a b l i s hw s nr e a l - t i m ee n e r g yc o n s u m p t i o n m o n i t o r i n gp l a t f o r mi na c t u a le n v i r o n m e n t s m a r t ，p r e c i s e ，a n dm o b i l ed e v i c e sa r e d e v e l o p e dt om o n i t o rn o d ee n e r g yc o n s u m p t i o n , w h i c hw i l ln o ta f f e c tn o d e s - n o r m a l w o r k i n g t h ec h a r a c t e r i s t i e so ft h i sd e v i c em a k ei ts u i t a b l ef o rt h er e a le n v i r o n m e n t k e yw o r d s ：w i r e l e s ss e n s o rn e t w o r k s ；i n t e l l i g e n tr o a d ；e n e r g yc o n s e r v a t i o n ； e n e r g yc o n s u m p t i o nc o n s e n s u s ；r e a l - t i m ee n e r g yc o n s u m p t i o nm o n i t o r i n g i v 武汉理工大学博士学位论文 1 1 研究背景及意义 第1 章绪论 道路交通事故成为我们社会人口非自然死亡的主要原因之一。这些意外在 4 5 岁以下年龄组里超过了心脏疾病或癌症的死亡人数。每年交通事故的造成的 损失估计超过1 6 0 0 亿欧元u j 。截至2 0 0 8 年底，全国公路总里程达1 9 9 5 万公里 ( 不含村道) ，高速公路达6 0 3 万公里。据中国交通部资源节约型环境友好型 公路水路交通发展政策，到2 0 2 0 年，中国公路网总里程将达到3 0 0 万公里， 其中高速公路总里程将达到1 0 万公里左右。近年来，随着经济的高速增长和汽 车保有量的激增，交通拥挤、交通事故频发等造成了越来越巨大的时间浪费、 财产损失和环境污染，交通问题已成为包括我国在内的世界各国政府必须面对 的重要难题。为了追求安全、舒适和畅通的交通环境，研究者们致力于通过最 先进的信息通信技术，将人、道路和车辆融为一体，从而达到提高交通系统的 运行效率、可靠性和安全性的目的。 有研究者提出应用无线传感器网络构建网络化的智能公路系统来解决交通 问剐引。无线传感器网络是随着无线通信和嵌入式计算技术、传感器技术、微 机电技术的发展而发展起来的一种新兴的信息获取技术，是继互联网之后的又 一信息技术浪潮，具有广阔的应用前景和科研价值。无线传感技术可以为交通 导航和信息发布系统提供详细的信息、方便快捷的传输信道及智能化的信息融 合处理。国内外都有将其应用在智能交通系统领域的研究【3 】。 据中国公路网报道【4 j ，欧洲e 4 公路处于瑞典北部城市p i t e 和吕勒奥之 间的路段目前成为瑞典最智能的一段公路。此段公路上安装了智能传感器，可 以对行驶车辆做出路面结冰、事故拥堵和其他危险情况的预警。吕勒奥理工大 学的研究人员将开发的智能传感器使用沥青作胶合剂嵌入在铺成的路面。该装 置利用太阳能电池工作，每个装置包括l e d 灯、处理器、储存器、传感器和无 线收发器。该装置的显示灯可变换颜色，提前几百米就可对结冰路面和危险情 况作出警示。瑞典公路局负责人表示，瑞典北部的这段e 4 公路极不平坦，常有 冰雪凝结，如该智能装置能够胜任，那安装在其他条件的公路都没有问题。 该项目命名为i r o a d ( i n t e l l i g e n tr o a d ) ，即智能公路的意思。采用无线传感 武汉理工大学博士学位论文 器网络技术构建智能路标系统，用于监测公路表面的环境和交通。项目希望设 计便于布置、方便维护的智能路标。由于智能路标采用电池供电，所带的能量 有限，存在工作时间短的问题，而实际应用都要求数月乃至数年持续地工作。 因此，迫切期望通过研究节能突破能耗的限制，延长无线传感器网络在公路交 通应用中的持续工作时间。 从目前研究文献来看，无线传感器网络还存在系统整体能量利用效率不高、 能量消耗过快等技术瓶颈，提供服务的能力与应用需求之间还存在较大差距。 因此节能研究仍然是无线传感器网络的一个十分重要的课题，具有重要的理论 和现实意义。研究节能的意义可以从如下几个方面进行阐述： ( 1 ) 节约成本。传感器网络大规模布置的特点，使得对能源可替换性受到 非常大的限制，节点在生存期结束后重新更换电池会带来很大的工作量，同时 也大大的增加了成本，不具有可操作性。 ( 2 ) 环境保护。传感器网络中有大量的节点，每个节点更换一次电池，会 产生相应的环保问题。在环境保护越来越受到重视的现代，大量替换下来的旧 电池需要回收处理。 ( 3 ) 提供更好的服务。即使单个节点只节约了一小点的能量，整个网络中 所有节点累加起来，节约的能量是非常可观的。即使在不远的将来可以采用太 阳能、压瓷供电等技术提供能量获取功能，节能技术所带来的低功耗可以将多 余的能量存储起来，从而可以开发更加复杂的应用。如多媒体信息传输、使用 更加安全的加密算法、提高网络的可靠性与改善用户友好界面等，这些复杂应 用将激发传感器网络更大的应用价值。 1 2 论文的研究内容 本文的研究得到了i r o a d 项目的支持，并参加了该项目2 0 0 9 年9 月在瑞典 首都斯德哥尔摩召开的第1 6 届世界智能交通年会上的演示【5 1 。本论文作者参与 了该项目智能路标的开发过程，在对交通信息采集进行深入分析和研究的基础 上，以智能路标组成的无线传感器网络系统的节能问题为研究核心，重点研究 该问题的理论和方法，并在此基础上进行了一定的实践，提出一些新的方法和 技术。希望通过减少能量浪费、提高能量使用效率和协同工作达到节能的效果， 从而延长系统生存时间。本课题重点对下列问题进行研究和探讨： 1 ) 减少节点能量浪费 2 武汉理工大学博士学位论文 在没有对元器件进行能耗管理之前，节点普遍存在能量浪费的情况，如： 传感器在没有感知任务时仍然使能，处理器在没有处理任务时仍不休眠，收发 器在没有数据收发时也不休眠。针对节点的能耗管理问题，首先需要研究节点 的能耗分布，清楚主要元器件的耗能指标以及工作规律，以理论分析结合实验 的方法对节点的能耗进行建模；其次，要研究将能耗分析的结果纳入到软件系 统的能耗管理框架中，建立能耗管理子系统。本文先是考察m i c a z 平台的能耗 分布，然后对t i n y o s 系统的资源管理和休眠调度机制进行深入的探讨和分析， 研究建立基于能耗状态的管理方式和调度机制。 2 ) 提高能量使用效率 节能策略可以提高能量的使用效率，是节点实现节能的有效方法。节能策 略可以表述为：给定一个任务，节点如何能以合适的能量消耗为代价完成该任 务。本文在能耗分布模型和t i n y o s 动态能耗管理的基础上，分析了节点的节 能策略。通过构建传感器、处理器和收发器的节能策略，提出一种综合调度的 方法，即信号处理、低功耗侦听和传感器激活率。根据车辆检测的需求，分析 并考察信号处理的性能和效果，包括节点的探测成功率、精度、延迟时间、内 存占用量、能量消耗、和执行时间等性能。在此基础上，利用三者融合的方法 提出一种动态节能策略，并结合能耗监测实例对所提节能策略做出验证。 3 ) 能耗均衡控制 无线传感器网络具有分布式、自组织和自适应等特性，注重整体协同工作 的效果，因此在节能方面存在着一个显著的问题：单个节点的最节能并不意味 着整体的能耗最优，需要一个单体节能与系统节能的平衡。这就需要对网络中 的多个节点的能耗均衡性进行控制，可以通过为参与协同的每个节点分配合适 的任务负载，从而在整体上表现为剩余能量趋于一致。本文在协作控制方法的 基础上利用一致性理论分析多节点的能耗均衡控制问题。通过代数图论构建节 点之间的拓扑关系图，研究利用控制论建立能耗一致性模型，提出能耗一致性 控制算法。考虑存在和不存在通信延时，以及节点实际工作对控制模型的影响， 利用工具仿真算法的控制效果。 4 ) 实时能耗监测 当前对无线传感器网络能耗的分析主要靠仿真，不足以反应实际的能耗情 况。节点的实时能耗需要有专门的工具来进行测量。本文根据节点体积小，数 量多的特点，提出无线传感器网络在环境实时能耗监测平台。该平台由一种移 3 武汉理工大学博士学位论文 动便携的能耗测量装置组成，该装置要求对节点正常工作无影响、体积小、低 成本、高精度，并且能够随节点布置在工作环境中进行测量。在此开发装置的 基础上，对论文中提出理论和方法进行实验验证。 无线传感器网络是一个正在发展中的技术，国内外的研究成果不断出现。 目前，还没有固定的应用模式。本论文在已有智能路标开发的基础上，跟踪相 关国内外对无线传感器网络节能关键技术的研究进展，积极探索创新的研究思 路和方法，从单体和整体的角度对节能问题进行了深入的研究和探讨。 1 3 研究的技术路线 理埝研究 蜜涯研究 二玉口 厂磊磊 图 至至口 广一= 丽薅虿 图 图1 - 1 主要研究路线 图1 1 列出了本论文主要的研究技术路线。以节能问题为研究核心，主要 通过理论和实验的方法对无线传感器网络中基础的节能问题进行建模、分析、 控制和测试研究。研究涉及到动态能耗管理、信号处理、动态节能策略、能耗 控制和能耗监测等内容及其相关领域。在理论上，使用了图论和控制论对能耗 进行建模和分析。建立节点的能耗分布模型，掌握节点的能耗分布；建立节点 4 武汉理工大学博士学位论文 的能耗管理模型，对节点进行休眠调度，以减少不必要的能量浪费；建立公路 栅栏覆盖模型，为通信和协同工作奠定基础。在算法方面，动态能耗调度算法， 为实现动态能耗管理；信号处理算法，可以使节点快速高效的处理采集到的传 感器信号，提高了处理效率，节约了处理器的能耗；一致性算法，为多节点的 能耗均衡控制提供了指导。在实践上，主要基于三种平台，软件上是t i n y o s ， 硬件上则包括m i c a z 平台和m u l l e 平台。t i n y o s 是运行于硬件平台上的嵌入式 系统。实验场景主要是在欧洲e 4 公路上的车辆检测实验和节点的能耗监测。总 结理论和实验两条路线的研究成果，本文主要在动态能耗管理、动态节能策略、 能耗一致性控制算法和实时能耗监测平台取得了成果和创新。 1 4 论文的结构安排 本论文分为七章j 其中： 第一章：叙述了本论文的选题背景和研究意义，介绍了论文中基本的概念、 特点、应用与研究现状，并对本论文的主要研究内容和论文组织结构进行了说 明。 第二章：国内外研究现状综述。从智能交通系统的研究领域分类出发，介 绍了国内外公路交通监测系统，分析它们的优缺点。介绍了国内外无线传感器 网络用于公路交通的研究，并详细描述了适用于公路监测的无线传感器网络智 能路标研发。介绍能路标在欧洲e 4 高速公路上的实验，总结了其中的关键问题， 提炼出能耗问题，并以此作为本论文的研究重点。 第三章：智能路标的能耗管理。对传感器节点各个部分的能耗状态进行了 归纳总结，建立能耗状态分布图。从处理器、收发器、和传感器三个主要耗能 模块出发，建立了节点的能耗管理调度模型。充分利用节点上操作系统的资源， 对节点进行动态能耗管理。 第四章：智能路标的节能策略。在资源受限条件下，节点需要从信号处理， 低功耗侦听，以及传感器的激活率三个方面提供能量使用效率。本章建立了三 者结合的动态节能策略，给出了节点的动态能耗计算公式，并以能耗实验验证 节能策略的有效性。 第五章：能耗一致性算法研究。利用代数图论和控制论等理论来建模，分 析多节点的能耗均衡问题，即能耗一致性问题。提出相应的能耗一致性控制算 法，并通过仿真实验来验证算法的有效性。 5 武汉理工大学博士学位论文 第六章：实时能耗监测平台及实验分析。提出一种实时能耗监测平台，该 平台可以同时监测多个节点实际的能耗情况。平台由一种移动便携的能耗数据 采集装置组成，给出了该装置的软硬件描述和实验说明。 第七章：对全文的工作做出了总结，并对未来的工作进行了展望。 6 武汉理工大学博士学位论文 第2 章国内外研究综述 2 1 面向公路交通的w s n 2 1 1 研究概述 随着人口的增长和经济的发展，车辆增多，道路也越修越多。同时，交通 事故增多、交通拥挤加剧、交通环境恶化。交通系统变成一个复杂的综合性系 统，单独从道路或车辆的角度来考虑，都将很难解决交通问题。在这种背景下， 把车辆和道路综合起来系统地解决交通问题的智能交通系统应运而生。智能交 通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 采用计算机技术、信息技术、通信 技术和控制技术等手段对传统的交通运输系统进行改造，从而达到提高交通系 统的运行效率、可靠性和安全性的目的。 近年来，智能交通技术在很多国家得到了长足的发展和广泛的应用，但是 大多存在着数据采集模式单一、传感器数量少、难以准确和全面获取道路现场 信息、以及由于缺乏相关设施从而难以在市郊得到应用等问题。i t s 的真正前 景是在未来实现对交通工具的智能化控制。也就是说，当数字信号的采集和整 合成熟到一定程度，通过信息技术和控制技术实现信息资源在交通参与者、车 载装置和交通基础设施之间的合理分配和共享，供车辆和道路设施的智能协同 和配合，从而大大提高道路交通的安全性和效率，最终实现汽车的无人驾驶【6 ，7 】。 无线传感器网络是一种新兴的信息获取和处理技术，每个网络节点集能量 供给、数据采集、数据处理、无线通信四个功能为一体，具有易于布置、自组 织、分布性等优势，可以广泛应用于军事、工业、农业、宇宙、环境科学、医 疗卫生和家居等诸多领域。美国商业周刊和m i t 技术评论在预测未来的技术发 展报告中，分别将无线传感器网络列为2 1 世纪最有影响的2 l 项技术和改变世 界的十大技术之一【8 】。近年来，人们研究把无线传感器网络技术应用于智能交 通系统，以期给智能交通的发展带来新的突破【7 】。特别是近期提出的车联网技 术与系统，将智能交通的发展推向了新的阶段。 7 武汉理工大学博士学位论文 2 1 2 国内外研究现状 自动公路系统( a u t o m a t e dh i g h w a ys y s t e m ，a h s ) 是二十世纪九十年代初美 国在面上运输联运方式效率法案( i n t e r m o d a ls u r f a c et r a n s p o r t a t i o ne f f i c i e n c y a c t ，i s t e a ) 中审定的长期研究项目。属于智能交通系统0 t s ) 计划的一个组成 那分。a h s 是指在公路车道和车辆上配备由传感器、计算机和通信等特别装置 的交通系统【9 】。a h s 利用车辆控制技术、计算机技术和信息技术将车辆和公路 结台起来，解决当今和未来的交通问题【l o 】。 该项目最初在车道的沥青路面每间隔1 2 公里埋下特制的磁铁块，沿线布 置有感应器，它们与a h s 车辆上装的传感器、导航系统和计算机系统之间进行 信息交换。这种方式它以原理简单、精度高而得到了广泛的应用，但在布设和维 护时都会破坏路面，影响正常行驶。近年来已经发展出的实用技术有微波雷达、 激光雷达、摄象机等，但是存在设备体积大、耗电、价格昂贵、和安装维护不 易等问题。图2 1 的照片显示了巴西巴西利亚联邦区( b r a s i l i a ，d f ) 公路上的自 动车速测量装置。图2 2 的塞车照片由美国m i t 大学j o s e p hs u s s m a n 教授提供， 照片中路边的电子公告牌作为一种智能化的路标可以显示前方的交通状况和提 示。美国博伊西市( b o i s ec i t y ) 将视频监测系统与g o o s e 地图结合，利用g o o g l e 地图的编程接口设计了一个可以在线观察各个路口交通状况的网页服务【l l 】，如 图2 3 和图2 4 所示。如图2 5 中，驾驶者可以通过车载设备进行定位和导航。 黧 。_ 一一- _ 瓣- 甾”。戮獬瓣缫缀黼戮缵： o 一 一一一一一11_一 缓 颦攀臻罐鬻一 蒸 手瑷甏擎 氢 够：| i 算， 。铺。 z 麓；囊i l 熊彰t ；囊 r 黔 一尊锄i i ：。“，z ，。4 ， 鳖 滋遗震鬻燃 阴_ i 缫瞩瑟鬈缀攀 团l 镶荔繁缝糍麓蘩糍戳缀缓獭籀螭瓣l g 翳 图2 - 1 巴西巴西利亚联邦区( b r a s i l i a , d f ) 自动车速测量装置 武汉理工大学博士学位论文 图2 - 2 电子显示牌( 照片由j o s e p hs u s s m a n 教授提供) 图2 3 博伊西市交通视频监测系统地图 图2 4 博伊西市交通视频监测系统视频 9 武汉理工大学博士学位论文 罐黪獬鹕黪 蠡 图2 5 驾驶者通过车载电子设备获得交通信息 近些年来，传感器技术得到了飞速的发展，从原先的单一的敏感元件发展 到混合集成传感器、智能传感器、无线传感器网络等，真正朝着无所不在的信 息获取技术方向迈进。虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方 面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积 越来越小，已经有一些无线传感器网络开始投入使用，例如监测桥梁、高架桥、 高速公路等道路环境，搜集温度、湿度、震动幅度、车辆通行状况、桥墩被侵 蚀程度等，为减少事故所造成生命财产的损失提供了新的途径【5 , 1 2 - 1 5 。 美国麻省理工学院( m a s s a c h u s e t t si n s t i t u t eo f t e c h n o l o g y , m i t ) 媒体实验室、 英国伦敦大学b e r b e c k 学院、比利时布鲁塞尔自由大学的c o m o 实验室、都 在政府或民间的基金支持下开展w s n 的专项研究。麻省理工学院的k n a i a n 在 他的硕士论文中描述了用于公路交通检测的无线传感器节点【1 6 1 。文献【1 7 】介绍 了美国加州大学伯克利分校研发的基于无线传感器网络的交通节点( t r a f f i cd o o 。 这种交通节点置于路面，将交通信息和环境信息通过多跳路由传递到网关设备 上。中国科学院计算技术研究所在文献 1 5 中介绍了使用无线传感器网络监测 交通车辆信息的思想，并设计实现了面向交通信息采集的无线传感器网络节点， 提出了相关的交通信息采集专用算法。文献【1 8 研究利用无线传感器网络采集 的交通信息疏导交通的方法。因此，交通信息采集与处理技术无论对道路的规 划、路网建设、交通管理，还是对未来智能交通系统功能的实现都非常重要。 面向公路交通的w s n 主要研究涵盖了感知，处理，和传输。按照应用模式来 分可分为交互式和监测式。文献【1 9 】介绍了使用无线传感器设备与驾驶员进行 交互，以提前通知驾驶员前面的交通危险，驾驶员的车辆上需要安装设备，以 便与路面布置的w s n 进行信息交互。文献 5 】则使用w s n 监测路面的车辆和环 l o 武汉理工大学博士学位论文 境，驾驶员不需要车载设备，w s n 只进行交通信息采集，而在夜晚传感器节点 可以发出光亮来通知驾驶员交通情况。 2 1 3 典型成果及应用 应用无线传感器网络来构建智能路标近年来受到国内外的关注【2 ，2 0 ，2 。研究 者提出用许多小型轻便的、可丢弃的、相对廉价的传感器节点来组成监测网络 以覆盖被监测区域。美国加州大学伯克利分校研发的基于无线传感器网络的交 通节点( t r a f f i cd o t ) ，如图2 - 6 所示。交通节点置于路面，将交通信息和环境信息 通过多跳路由传递到网关设备上。 图2 - 6 交通节点( t r a f f i cd o t ) 如图2 7 所示为英国r e f l e c t o 公司生产的太阳能路标，国内称为太阳能突起 路标【2 2 刀】，如图2 8 所示。目前使用场合：夜间光线不足的路面段，可以用于 导引和预警；十字路口处( 减速提示) ；急转弯道路；多雾地带( 海边、机场道 路) ；高速公路及无路灯道路；高架及隧道入口与出口处引导线位置；车辆分流 处( 三角地横线周边) ；铁路匝道口；收费站车道线上；事故多发地段；需要增 添公路夜景之地段路面等。这种装置采用太阳能可充电电池，主要以闪烁的发 光形式报警，有黄、红、蓝、绿、白等多种发光颜色。 美国加州大学伯克利分校研发的这种“t r a f f i cd o t ”交通节点采用了传感器 设备无线网络化的概念，但是没有太阳能电池无法获取能量，在实际应用方面 还有所欠缺。太阳能路标则只能作为单个设备使用，设备之间没有网络化的通 讯，虽然具有太阳能电池，但是可持续工作时间太短，从公开的数据看一般不 超过1 5 天，需要铺设电源线或者经常充电，维护成本比较高。 武汉理工大学博士学位论文 图2 7 太阳能路标 酮 尹l 誊 圆 图2 - 8 国内市场上的太阳能突起路标( 俗称“道钉”) 2 2 研究平台 2 2 1t i l w o s 无线传感器网络规模越来越大，传感器的数量和类型也越来越多，其独特 的运行模式对需要一个操作系统，可以管理硬件和对数据进行预处理，放弃无 用信息、传送有用信息，使节点具有一定的自主性和一定的智能。相对于各种 各样的小型嵌入式操作系统，一个专门针对无线传感器网络的操作系统t i n y o s 被提出。t i n y o s 由开源社区维护，在国际上有着广泛的影响力【2 4 】。t i n y o s 对 底层设备提供了有用的软件硬件抽象，精心设计和严格的测试大大简化了应用 程序和系统的开发工作。它采用了基于组件的架构，便于进行快速的创新和开 发。同时它最大限度地减少了代码尺寸，这一点尤其适合内存受到严重限制的 无线传感器网络【2 5 1 。 武汉理工大学博士学位论文 随着无线传感器网络的发展，t i n y o s 逐渐为人所知，并且影响不断扩大。 m u l l e 系列( 一种无线传感器网络硬件平台) 的研究开发，为智能公路节点的研究 奠定了硬件基础。目前，t i n y o s 已经被移植n tm u l l e 平台上，并且成为t i n y o s 开源核心平台之一【2 6 】。 2 2 2m i c a z 到目前为止，已经有许多针对传感器网络设计的硬件平台被提出，例如 m i c a 2 ，e c o w i z a r d ，m i c a z 、i r i sm o t e 、t i n y n o d e ，b t n o d er e v 3 ，e m b e r ，e y e s l f x ， m u l l e 2 6 圆1 等。在众多无线传感器网络平台中，m i c a z 在国内外使用广泛，具有 很高的知名度并且作为许多文献的实验平台。图2 - 9 所示的是m i c a z 节点的图 片，主要包括处理器和收发器以及相关部分电路。本论文的实验中就采用了 m i c a z 平台与m u l l e 平台。 图2 - 9m i c a z 节点 m t s 3 1 0 c a 是m i c a z 节点配套的传感器板，集成了麦克风、扬声器、加速 度传感器、磁传感、温度传感器和光敏传感器，如图2 1 0 所示。 图2 1 0m t s 3 1 0 c a 武汉理工大学博士学位论文 2 2 3m u l l e 节点硬件设计的主要挑战来自于低功耗和微型化的要求，通常我们在设计 时希望将微小的硬件嵌入生活当中，并且能够在使用电池的情况下正常工作足 够长的时间。为了达到此目的，在设计当中大量采用小型、低功耗芯片。由瑞 典吕勒奥理工大学e i s l a b 实验室开发的m u u e 平台不仅具有以上设计中提到的 优点，同时还集成有丰富的资源。如图2 1 1 所示的是m u l l ev 5 2 版本的节点， 其特点通过与其它平台的对比在表2 1 中描述。 m u l l ev 5 2 主要是基于i e e e 8 0 2 1 5 4 标准的无线网络。它定义了以下良好 特性：功耗低，休眠状态消耗的电流低至4 微安；自组网，最多可用1 6 个信道 跳频通信，并支持树状、星状、网状等多种组网方式；传输距离远，室外传输 距离可达几百米，在增加发射功率后可达几千米；可靠性高，具备多级安全模 式：成本低，工作在免执照的i s m 频段。 表2 1m u l l e 与m i c a z 的比较 m i c a zm u l l ev 5 2 体积( m m ) 5 8 3 2 72 6 2 4 6 处理器