基于无线传感器网络的交通信息采集系统研究

0 引言
    城市交通问题是世界各国的普遍性问题，智能交通系统(Intelligenee Transportation System)是解决日益严重的城市交通问题的有效途径。交通信息采集系统是智能交通系统的关键子系统，是发展智能交通系统的基础和交通管理智能化的前提。
    目前常见的交通信息采集方式有感应线圈、红外、视频等。其中感应线圈是侵入式检测(Intrusive Detection)，需要大面积的凿开路面安装，影响公路的使用寿命，而且在维修和更改应用的时候需要再次挖开路面，对路面的破坏很大。而红外、视频等属于非侵入式检测(Non-intrusive Detection)，安装不用挖开地面，但是仍需铺设大量线路，而且检测结果受大风、雨雪等天气影响非常大。采用无线传感器网络(Wireless Sensor Network，WSN)进行交通信息的采集，可以减少线路的铺设，对路面的破坏非常小，并且测量结果基本不会受天气影响，极大地方便了安装和维修工作。

1 系统设计
    基于无线传感器网络的交通信息采集系统主要由传感器网络、通信控制服务端、用户端三部分组成，如图1所示。无线传感器网络负责采集路面的交通信息，将数据通过以太网传送到通信控制服务端；通信控制服务端、用户端采用B／s模式。这种结构结合了asp．net在Web应用上的优势，能够实现远程用户使用浏览器在线监测、分析和处理传感器节点数据的功能，有效组织和管理传感器网络监测区域采集的信息，对用户的设置和查询进行响应。

1．1 无线传感器网络结构
    系统中的无线传感器网络采用TI公司的CC2520芯片实现，CC2520是一款2．4 GHz免授权ISM频带专用的第2代ZigBee／IEEE 802．15．4无线射频收发器，有着高稳定性和低工作电压等出色特性。传感器网络采用不同的网络节点以树形(Cluster-Tree)组网方式组成，网络拓扑结构如图2所示。网络节点包括汇聚节点、路由器和采集节点，采集节点采集交通信息数据，直接发送或者经由路由器发送到汇聚节点上。

采集节点通过对地磁的测量来检测交通信息。地磁场数值较小，约0．5×10T，可以认为地球磁场强度在一定的区域内(大约几千米)是恒定的。当有磁性的物体通过时，会引起物体周围磁场强度的变化，汽车可看作多个双极性磁铁组成的模型，引起地球磁场的扰动。汽车对地磁的干扰如图3所示。

    因此，可以利用地磁传感器来检测车辆通过时的磁场变化从而获得交通流的信息。本文选用了Honeywell公司的磁阻传感器HMC1052，该传感器是基于磁阻效应(Magnetoresistance Effects)原理的，磁阻效应是指某些金属或半导体的电阻值随外加磁场变化而变化的现象。即当外部磁场发生变化时，传感器内部的电阻也会相应的发生变化，将磁场强度转化为电压输出，利用该效应，HMC1052可以测量地磁及汽车通过时对地磁的扰动。
    采集节点安装于需要测量的路段，负责采集路面的交通信息，并将数据直接或者通过路由器发送给汇聚节点。
    路由节点安装在尽量靠近在采集节点的路旁，用于转发采集节点的数据到汇聚节点，可以根据传输距离的要求，采用多跳路由。同时也增强了网络的健壮性。
    汇聚节点也安装在路旁，它负责无线网络的启动和建立，同时还建立网络安全机制、网络中的绑定等，并接收采集节点和路由节点的数据。汇聚节点还有一个以太网接口，将接收到的数据通过以太网发送到通信控制服务端。
1．2 通信控制服务端
    系统将无线传感器网络中数据的管理和用户的使用分离开来，通信控制服务端主要负责交通流量数据的分析、计算以及存储等数据管理工作。通信控制服务端通过以太网接口从汇聚节点收集数据。接收到的交通信息数据中每一帧数据均包含包头、ID号、采集数据、校验位以及包尾。数据结构如表1所示。

    通信控制服务端首先将这些原始数据进行解析、重新封装后存入数据库。通过对这些信息的抽象，形成了数据库的整体逻辑结构，数据库实体关系图(E-R图)如图4所示，根据实体关系图，转换成SQL Server 2005中的关系模式(数据表)如表2～表4所示。

    采用的是SQL Server 2005数据库，它采用图形化用户界面，数据库管理直观，对Web技术支持，很容易地将数据库中的数据发布到Web页面上，非常适用于B／S体系结构。通过ADO．NET(ActiveX Data Object)访问数据库来实现用户对数据库的存储、查询和删除等操作。ADO．N ET是在．NET编程环境中优先使用的数据访问接口。它提供了平台互用性和可伸缩的数据访问，使用几个对象就可以方便地访问数据库，例如SqlConnection对象管理与数据源的连接。SqlCommand对象与数据源交流并发送命令。使用SqlDataReader可以进行快速“向前”读取数据，使用DataSet或者SqlDataAdapter实现进行写入和读取数据源。

1．3 用户端设计
    用户端通过浏览器给用户提供一个可视化的界面与数据库交互，负责数据查询、图形化显示以及监控网络的运行情况，运行于用户端浏览器的Web页面是基于．net框架开发的，开发环境是Visual Studio 2005，结合了asp．net在Web应用上的优势，利用多线程和模块化思想，完成整个界面的设计，用户只需关心自己所需要的数据，而无需关心传感器网络的具体实现细节。从而实现了远程终端浏览器在线监测、分析和处理传感器节点数据的功能。主要功能模块包括实时交通参数监控、历史数据回放统计、传感器网络管理、网络用户管理、报警通知等消息处理。用户端的功能模块如图5所示。

    网络用户管理模块  对不同等级的用户分配不同的权限，普通用户不具备传感器网络管理、用户管理权限，可以查询查看数据库中的数据。而管理员用户可以进行新增用户、删除用户、授予权限、允许用户更改密码等操作。
    实时交通流量监控模块  接收数据库发送来的现场数据，以实时曲线图的方式绘制出来，方便用户直观地观察到每个采集节点的信息，从而掌握监控区域交通流量的情况。
   历史数据回放统计模块  历史数据模块允许用户选择历史时间范围，查询各个采集节点上传的数据。还可以对历史数据进行分析，统计路口的日、周交通流量等。
    传感器网络管理模块  允许用户对设备节点进行重命名、新增、删除操作，实时显示网络中的拓扑结构，同时可以显示节点的路由状态和链路信息，掌握网络运行的整体状态。该模块还提供了对无线传感器网络节点的配置和管理，通过对这些节点的管理，用户可以及时了解节点监控区域内的分布情况。
    报警通知等消息处理模块  当传感器网络出现异常，例如节点损坏，没电等情况时将会产生一些提示、报警等消息。系统需要对这些消息进行管理，一方面将这些消息存储到日志中，供用户日后查询时使用，另一方面要将这些消息及时地通知给用户，以便用户采取相应的措施进行处理。
    用户端界面如图6所示。

2 结语
    本文实现了一种基于无线传感器网络的交通信息采集系统。采用磁阻感器HMC1052检测车辆信息，无线网络传输数据，安装和维修方便。数据管理采用B／S模式，实现远程监控和维护、升级。使得传感器网络易于管理和布置，提高了无线传感器网络开发和维护的效率。利用多线程和模块化技术实现了数据的收集处理，提高了数据的安全性、可靠性和一致性。通过长时间实验证明所实现的信息采集系统运行稳定可靠，实现了设计目标。