無線傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在交通方面的應(yīng)用綜述(共4頁)

1、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在交通領(lǐng)域的應(yīng)用摘 要: 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)是當(dāng)今國內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)，其在軍事和民用領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用。本文通過對(duì)相關(guān)的技術(shù)的資料進(jìn)行查閱，基于無線傳感網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對(duì)其主要的體系結(jié)構(gòu)、協(xié)議等方面進(jìn)行相關(guān)的介紹。并對(duì)其在交通領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行探討。關(guān)鍵詞: 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，體系結(jié)構(gòu)，協(xié)議，交通1. 引言無線傳感器網(wǎng)絡(luò)就是由部署在監(jiān)測(cè)區(qū)域內(nèi)大量的廉價(jià)微型傳感器節(jié)點(diǎn)組成，通過無線通信方式形成的一個(gè)多跳。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是當(dāng)今國內(nèi)外研究的一大熱點(diǎn)，很多大學(xué)和研究所都開展了相關(guān)的研究.它在軍事和民用領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用前景。在軍事領(lǐng)域，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，隱蔽地分布在戰(zhàn)場上的傳感器

2、可將獲取的信息傳輸給指揮部;在民用領(lǐng)域，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)可在環(huán)境監(jiān)側(cè)、醫(yī)療保健、空間探索、災(zāi)害預(yù)測(cè)和其他商業(yè)用途上得到廣泛應(yīng)用。2. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和組織無線傳感器的成網(wǎng)技術(shù)有多種形態(tài)和方式無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的集中式結(jié)構(gòu)類似于移動(dòng)通信的蜂窩結(jié)構(gòu)，集中管理；無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的分布式結(jié)構(gòu)，類似于ad hoc網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，可自組織網(wǎng)絡(luò)接人連接，分布管理;無線傳感器網(wǎng)狀式結(jié)構(gòu)，類似Mesh網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，網(wǎng)狀分布連接和管理。通過對(duì)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)相關(guān)的資料查閱，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)有如下幾個(gè)特點(diǎn):u 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)由于其使用環(huán)境的特性，不允許頻繁地補(bǔ)充能量，需要節(jié)點(diǎn)具有低能耗的特點(diǎn)u 網(wǎng) 絡(luò) 規(guī)模

3、更為龐大，節(jié)點(diǎn)數(shù)目更多，因此還要求傳感器節(jié)點(diǎn)必須具有成本低，體積小，功耗低，工作時(shí)間長等特點(diǎn) u 節(jié)點(diǎn)密集分布在目標(biāo)區(qū)域u 自組織網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)和展開無須依賴于任何預(yù)設(shè)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)施，節(jié)點(diǎn)通過分層協(xié)議和分布式算法協(xié)調(diào)各自的行為節(jié)點(diǎn)開機(jī)后即可快速、自動(dòng)地組成一個(gè)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)u 網(wǎng) 絡(luò)節(jié)點(diǎn)易失效，因此要求節(jié)點(diǎn)可以動(dòng)態(tài)地適應(yīng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)的變化u 節(jié)點(diǎn)布置完畢后，除少數(shù)節(jié)點(diǎn)需移動(dòng)以外，大部分節(jié)點(diǎn)都是靜止的3. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的體系結(jié)構(gòu)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型的體系結(jié)構(gòu)如下圖1所示。節(jié)點(diǎn)具有傳感、信號(hào)處理和無線通信的功能.它們既是信息包的發(fā)起者，也是其轉(zhuǎn)發(fā)者。通過網(wǎng)絡(luò)自組織和多跳路由，將數(shù)據(jù)向網(wǎng)關(guān)發(fā)送。網(wǎng)關(guān)可使用

4、多種方式與外部網(wǎng)絡(luò)通信，如Internet、衛(wèi)星或移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)等，大規(guī)模應(yīng)用可能使用多個(gè)網(wǎng)關(guān)。圖1 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)典型的體系結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)由于受到體積、價(jià)格和電源供給等因素的限制，通信距離較短，只能與白己通信范圍內(nèi)的鄰居交換數(shù)據(jù)。要訪問通信范圍以外的節(jié)點(diǎn)，必須使用多跳路由.為了保證網(wǎng)絡(luò)內(nèi)大多數(shù)節(jié)點(diǎn)都可與網(wǎng)關(guān)建立無線鏈路，節(jié)點(diǎn)的分布要相當(dāng)密集。在不同的應(yīng)用中r傳感器節(jié)點(diǎn)的設(shè)計(jì)也各不相同，但其基本結(jié)構(gòu)是一樣的。信號(hào)調(diào)理電路A/D轉(zhuǎn)換器射頻模塊 微處理器電池及電源管理電路存儲(chǔ)器傳感器節(jié)點(diǎn)的典型硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要包括電池及電源管理電路、傳感器、信號(hào)調(diào)理電路、A/D轉(zhuǎn)換器件、存儲(chǔ)器、微處理器和射頻模塊等

5、。節(jié)點(diǎn)采用電池供電，一旦電能耗盡，節(jié)點(diǎn)就失去了工作能力。為了最大限度地節(jié)約電能，在硬件設(shè)計(jì)方而，要盡量采用低功耗器件，在沒有通信任務(wù)時(shí)，切斷射頻部分電源;在軟件設(shè)計(jì)方面，各層通信協(xié)議都應(yīng)該以節(jié)能為中心，必要時(shí)可以犧牲其他一些網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)，以獲得更高的電源效率。圖2 節(jié)點(diǎn)的典型硬件結(jié)構(gòu)4. 網(wǎng) 絡(luò) 通 信 協(xié) 議 研 究下表所列為無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議棧，各層提供的主要功能如下：表一 無限傳感器網(wǎng)絡(luò)協(xié)議表u 物理層提供了兩種服務(wù):物理數(shù)據(jù)服務(wù)和為物理層管理實(shí)體(P I-ME)提供物理管理服務(wù)的接口。本層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的調(diào)制、發(fā)送與接 收、頻率選擇、載波頻率生成、信號(hào)檢測(cè)和數(shù)據(jù)加密數(shù)據(jù)鏈路層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)成幀、

6、幀檢測(cè)、差錯(cuò)控制以及無線信道的使用控制。u 網(wǎng)絡(luò)層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)融合、分組路由、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)、擁塞控制。u 傳輸層負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)流的傳輸，是保證通信服務(wù)質(zhì)量的重要部分u 應(yīng)用層基于監(jiān)測(cè)任務(wù)，在其上開發(fā)和使用不同的應(yīng)用層軟件u 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用支撐服務(wù)包括時(shí)間同步和節(jié)點(diǎn)定位等。協(xié)議方面，目前的研究主要是圍繞MAC子層、網(wǎng)絡(luò)層路由和拓?fù)淇刂扑惴ㄕ归_的，這里就不對(duì)其進(jìn)行更深層次的介紹。5. 無線傳感網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用途徑雖然無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的大規(guī)模商業(yè)應(yīng)用，由于技術(shù)等方面的制約還有待時(shí)日，但是最近幾年，隨著計(jì)算成本的下降以及微處理器體積越來越小，已經(jīng)為數(shù)不少的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)開始投入使用。目前無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用主要集中在

7、以下領(lǐng)域：1環(huán)境的監(jiān)測(cè)和保護(hù) 2醫(yī)療護(hù)理 3軍事領(lǐng)域 4其他用途 6. 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在交通方面的應(yīng)用當(dāng)今交通領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)是智能交通方向。智能交通：智能交通是一個(gè)基于現(xiàn)代電子信息技術(shù)面向交通運(yùn)輸?shù)姆?wù)系統(tǒng)。它的突出特點(diǎn)是以信息的收集、處理、發(fā)布、交換、分析、利用為主線，為交通參與者提供多樣性的服務(wù)。智能交通系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分就是傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。傳感器就像是人的各種感覺器官，通過傳感器可以采集到我們所以需要的信息，在通過構(gòu)建成的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)把信息傳遞到數(shù)據(jù)中心進(jìn)行相應(yīng)的處理后在對(duì)受控對(duì)象進(jìn)行發(fā)送相應(yīng)的命令。智能交通系統(tǒng)的組成：交通信息采集系統(tǒng)、信息處理分析系統(tǒng)、信息發(fā)布系統(tǒng)。而其中的交通

8、那個(gè)信息采集系統(tǒng)的主要部分就是由傳感器網(wǎng)絡(luò)組成的。l 傳感器在鐵路中的應(yīng)用1 列車測(cè)速列車的測(cè)速主要由輪軸脈沖轉(zhuǎn)速傳感器、慣性加速度傳感器。2. 列車定位在列車運(yùn)行過程中。能否準(zhǔn)確及時(shí)地獲得列車位置信息是列車安全有效運(yùn)行的保障。主要有相對(duì)傳感器、地面?zhèn)鞲衅鳌⒔^對(duì)傳感器。相對(duì)傳感器是根據(jù)預(yù)先確定的或先前測(cè)量的距離、位置等信息所安裝的一種設(shè)備。該方式目前由輪軸傳感器實(shí)現(xiàn)。其工作原理：將傳感器輸出頻率與輪軸轉(zhuǎn)速成正比的脈沖信號(hào)，通過對(duì)頻率進(jìn)行一系列換算先得出速度，再由速度對(duì)時(shí)間進(jìn)行積分得到距離。相對(duì)傳感器在工作時(shí)必須首先確定其相對(duì)于大地的絕對(duì)位置和取向。為此，在地面適當(dāng)位置必須加裝地面?zhèn)鞲衅?。俗稱信

9、標(biāo)。當(dāng)機(jī)車通過時(shí)，車上感應(yīng)器接收到地面?zhèn)鞲衅魈峁┑慕^對(duì)位置信息，使列車對(duì)距離信息進(jìn)行更新，得到新的初始位置，從而克服了相對(duì)傳感器的誤差缺陷。由于相對(duì)傳感器工作的局限性，絕對(duì)傳感器成為未來高速鐵路運(yùn)行中列車定位的主流技術(shù)。絕對(duì)傳感器可直接提供絕對(duì)位置和取向信息，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)列車的測(cè)距定位。絕對(duì)傳感器的實(shí)現(xiàn)未來可以靠GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)，GPS技術(shù)的發(fā)展成熟，可以對(duì)更為高速的移動(dòng)物體進(jìn)行更為精確定位，而其中便是可以通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來把各種傳感器信息傳遞來進(jìn)行整合后，再把整合好的的主要信息發(fā)送給處理中心。 3. 列車的監(jiān)控 列車在路線上運(yùn)行的過程中，需要實(shí)時(shí)的對(duì)列車進(jìn)行監(jiān)控，隨時(shí)掌握列車的運(yùn)行狀態(tài)。通過列車

10、上的相關(guān)傳感器和列車運(yùn)行路線的傳感器可以實(shí)現(xiàn)對(duì)列車在運(yùn)行過程中實(shí)時(shí)監(jiān)控，隨時(shí)掌握列車運(yùn)行的狀態(tài)。列車上的傳感器可以對(duì)列車?yán)锏母鞣N信息數(shù)據(jù)采集，包括車速、機(jī)器的運(yùn)行狀態(tài)、車內(nèi)的情況等信息，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)來傳遞，在中央處理器內(nèi)完成傳感器信息的整合，然后再傳遞到調(diào)度監(jiān)控中心；列車運(yùn)行路線上的傳感器也組成一個(gè)傳感器網(wǎng)絡(luò)，把路線上的環(huán)境、設(shè)備狀態(tài)等相關(guān)信息通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳遞整合后也傳遞到調(diào)度監(jiān)控中心，再有調(diào)度監(jiān)控中心進(jìn)行相應(yīng)的處理，進(jìn)行正確的調(diào)度管理，以確保列車的正常運(yùn)行。l 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在城市道路交通中的應(yīng)用隨著人們生活水平的日益提高，城市道路上出現(xiàn)了越來越多的車輛，因而給城市道路交通帶來更

11、大的壓力，更容易發(fā)生道路交通堵塞、交通擁擠或是交通事故。而一旦出現(xiàn)交通問題，就需要交通部門的調(diào)度監(jiān)控中心及時(shí)采取行動(dòng)，解決問題，否則很容易造成交通系統(tǒng)的癱瘓，影響人們生活出行。所以，如何能及時(shí)的獲取到城市道路上的狀況信息，及早規(guī)劃處合理的解決方案是十分重要的。獲取的城市道路的狀況信息便是城市道路交通的信息采集環(huán)節(jié)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在城市道路交通中的應(yīng)用主要用于在城市道路交通信息的采集方面。城市道路交通信息主要有：城市道路的車輛流量、城市道路的路況信息、道路上的交通設(shè)施狀況信息、需監(jiān)控的特殊車輛信息、以及當(dāng)前城市道路的環(huán)境天氣信息等。城市道路的車流量可以通過許多的方法得到。例如檢測(cè)道路地面的壓力傳

12、感器可以把當(dāng)前的地面的受力信息檢測(cè)處理，再推算出道路中的車流量，或是通過圖像信息的采集，通過圖像處理分析得到道路中的車流量的信息等。城市道路的路況信息可以通過視頻監(jiān)控實(shí)現(xiàn)，交通那個(gè)設(shè)施的狀況可以由設(shè)施的監(jiān)控模塊來監(jiān)控，一旦出現(xiàn)問題便可通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)把信息傳遞到監(jiān)控中心。特殊車輛的信息需要結(jié)合裝在車上的傳感器來實(shí)現(xiàn)獲取車輛的行駛情況。而城市道路環(huán)境天氣信息可以通過氣象局方面?zhèn)鬟f相關(guān)的信息，同時(shí)也可通過路上的傳感器對(duì)道路上的空氣濕度以及路面的濕滑程度等信息進(jìn)行采集得到相應(yīng)的信息等。通過分布在城市道路上的不同的傳感器，以及車輛上的傳感器，各個(gè)不同的傳感器之間再由無線傳輸方式連接形成無線傳感器網(wǎng)絡(luò)

13、，把采集到的信息現(xiàn)在中間件上進(jìn)行處理整合，之后再將整合后的信息通過某種通信方式，如GPRS網(wǎng)絡(luò)等，傳送到數(shù)據(jù)中心，再到交通調(diào)度監(jiān)控中心進(jìn)行分析，然后做出適合的調(diào)度控制命令，解決城市道路交通上出現(xiàn)的問題。車流量路況信息設(shè)施狀態(tài)監(jiān)控車輛信息道路環(huán)境無線傳感器網(wǎng)絡(luò)處理中間件模塊數(shù)據(jù)處理中心交通調(diào)度監(jiān)控中心決策人員無線傳感器網(wǎng)絡(luò)城市道路交通中的信息流程采集框圖l 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在車輛上的應(yīng)用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在交通車輛上的應(yīng)用也是車輛的很重要的組成部分，是實(shí)現(xiàn)車輛智能化控制的重要基礎(chǔ)。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)在汽車上的應(yīng)用主要是汽車的自動(dòng)控制和行駛導(dǎo)航兩部分。Ø 自動(dòng)控制自動(dòng)控制方面，需要通過采集相應(yīng)的汽

14、車行駛的狀況以及行駛的外界環(huán)境等多種因素，綜合的來規(guī)劃汽車的自動(dòng)控制問題。在汽車上裝有各種傳感器，例如車速傳感器、制動(dòng)設(shè)備狀況監(jiān)控、車內(nèi)環(huán)境相關(guān)的傳感器、車外環(huán)境相關(guān)的傳感器、行駛?cè)藛T的狀態(tài)傳感器等等。同時(shí)還得結(jié)合當(dāng)前交通道路的狀況。主要采集的是當(dāng)前車輛行駛的狀態(tài)，可以通過車速、車內(nèi)的行駛?cè)藛T的狀態(tài)、車內(nèi)的環(huán)境狀態(tài)、以及車內(nèi)制動(dòng)等系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)等等信息的采集。另一采集方面是車輛外部環(huán)境的信息，主要有外部臨近的行駛車輛的相關(guān)描述信息，以及當(dāng)前的天氣環(huán)境信息等。多個(gè)傳感器通過無線的方式傳送信息，組成一個(gè)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。采集到的信息傳送到一個(gè)傳感器信息處理的中間件模塊對(duì)信息進(jìn)行初步的處理整合，然后才

15、傳給中央控制系統(tǒng)，做出相應(yīng)合理的調(diào)整控制。Ø 車輛行駛導(dǎo)航車輛行駛的導(dǎo)航主要是通過GPS定位技術(shù)為基礎(chǔ)，再結(jié)合車輛的相應(yīng)的傳感器實(shí)現(xiàn)的。車輛行駛導(dǎo)航主要有車載導(dǎo)航系統(tǒng)。車載導(dǎo)航系統(tǒng)，主要由GPS導(dǎo)航、自律導(dǎo)航、微處理器、車速傳感器、陀螺傳感器、CD-ROM驅(qū)動(dòng)器、LCD顯示器組成。車載導(dǎo)航系統(tǒng)車載導(dǎo)航系統(tǒng)不僅僅可以實(shí)現(xiàn)車輛導(dǎo)航，還有許多的功能?？梢詫?shí)現(xiàn)的功能：提供出行路線的規(guī)劃和導(dǎo)航、轉(zhuǎn)向語音提示功能，提供話務(wù)指揮、 車輛定位 、車輛測(cè)速、顯示當(dāng)前航跡、緊急情況下進(jìn)行呼叫援救。汽車GPS導(dǎo)航系統(tǒng)由兩部分組成：一部分由安裝在汽車上的GPS接收機(jī)和顯示設(shè)備組成；另一部分由計(jì)算機(jī)控制中心組

16、成，兩部分通過定位衛(wèi)星進(jìn)行聯(lián)系。計(jì)算機(jī)控制中心是由機(jī)動(dòng)車管理部門授權(quán)和組建的，它負(fù)責(zé)隨時(shí)觀察轄區(qū)內(nèi)指定監(jiān)控的汽車的動(dòng)態(tài)和交通情況，因此整個(gè)汽車導(dǎo)航系統(tǒng)起碼有兩大功能：一個(gè)是汽車蹤跡監(jiān)控功能，只要將已編碼的GPS接收裝置安裝在汽車上，該汽車無論行駛到任何地方都可以通過計(jì)算機(jī)控制中心的電子地圖指示出它的所在方位；另一個(gè)是駕駛指南功能，車主可以將各個(gè)地區(qū)的交通線路電子圖存儲(chǔ)在軟盤上，只要在車上接收裝置中插入軟盤，顯示屏上就會(huì)立即顯示出該車所在地區(qū)的位置及目前的交通狀態(tài)，既可輸入要去的目的地，預(yù)先編制出最佳行駛路線，又可接受計(jì)算機(jī)控制中心的指令，選擇汽車行駛的路線和方向。車載導(dǎo)航系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖為提高汽車導(dǎo)

17、航定位的精度，通常采用差分GPS技術(shù)。當(dāng)汽車行駛到地下隧道、高層樓群、高速公路等遮掩物而捕捉不到GPS衛(wèi)星信號(hào)時(shí)，系統(tǒng)可自動(dòng)導(dǎo)入自律導(dǎo)航系統(tǒng)，此時(shí)由車速傳感器檢測(cè)出汽車的行進(jìn)速度，通過微處理單元的數(shù)據(jù)處理，從速度和時(shí)間中直接算出前進(jìn)的距離，陀螺傳感器直接檢測(cè)出前進(jìn)的方向，陀螺儀還能自動(dòng)存儲(chǔ)各種數(shù)據(jù)，即使在更換輪胎暫時(shí)停車時(shí)，系統(tǒng)也可以重新設(shè)定。 由GPS衛(wèi)星導(dǎo)航和自律導(dǎo)航所測(cè)到的汽車位置坐標(biāo)、前進(jìn)的方向都與實(shí)際行駛的路線軌跡存在一定誤差，為修正這兩者間的誤差，使之與地圖上的路線統(tǒng)一，需采用地圖匹配技術(shù)，加一個(gè)地圖匹配電路，對(duì)汽車行駛的路線與電子地圖上道路的誤差進(jìn)行實(shí)時(shí)相關(guān)匹配，并做自動(dòng)修正，此時(shí)，地圖匹配電路通過微處理單元的整理程序進(jìn)行快速處理，得到汽車在電子地圖上的正確位置，以指示出正確行駛路線。CD-ROM用于存儲(chǔ)道路數(shù)據(jù)等信息，LCD顯示器用于顯示導(dǎo)航的相關(guān)信息。 7. 總結(jié)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)被認(rèn)為是21世紀(jì)的最重要的技術(shù)之一，它對(duì)人們未來生活的影響將會(huì)是非常巨大的。因此，我們有足夠的理由相信它對(duì)于交通領(lǐng)域