摘要：實現(xiàn)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的交通信息采集系統(tǒng)，采用磁阻傳感器，通過測量地磁的變化來檢測車輛信息，用無線傳感器網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)不需要大規(guī)模挖開路面鋪設車輛檢測器，具有安裝簡易，維修方便等優(yōu)點。同時采用B／S結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了交通信息的管理，用戶可以在遠程終端利用瀏覽器在線監(jiān)測，實時分析交通信息數(shù)據(jù)，并進行網(wǎng)絡監(jiān)控和維護。
關(guān)鍵詞：無線傳感器網(wǎng)絡；交通信息；數(shù)據(jù)管理；B／S結(jié)構(gòu)
0 引言
城市交通問題是世界各國的普遍性問題，智能交通系統(tǒng)(Intelligenee Transportation System)是解決日益嚴重的城市交通問題的有效途徑。交通信息采集系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)的關(guān)鍵子系統(tǒng)，是發(fā)展智能交通系統(tǒng)的基礎和交通管理智能化的前提。
目前常見的交通信息采集方式有感應線圈、紅外、視頻等。其中感應線圈是侵入式檢測(Intrusive Detection)，需要大面積的鑿開路面安裝，影響公路的使用壽命，而且在維修和更改應用的時候需要再次挖開路面，對路面的破壞很大。而紅外、視頻等屬于非侵入式檢測(Non-intrusive Detection)，安裝不用挖開地面，但是仍需鋪設大量線路，而且檢測結(jié)果受大風、雨雪等天氣影響非常大。采用無線傳感器網(wǎng)絡(Wireless Sensor Network，WSN)進行交通信息的采集，可以減少線路的鋪設，對路面的破壞非常小，并且測量結(jié)果基本不會受天氣影響，極大地方便了安裝和維修工作。
1 系統(tǒng)設計
基于無線傳感器網(wǎng)絡的交通信息采集系統(tǒng)主要由傳感器網(wǎng)絡、通信控制服務端、用戶端三部分組成，如圖1所示。無線傳感器網(wǎng)絡負責采集路面的交通信息，將數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)傳送到通信控制服務端；通信控制服務端、用戶端采用B／s模式。這種結(jié)構(gòu)結(jié)合了asp．net在Web應用上的優(yōu)勢，能夠?qū)崿F(xiàn)遠程用戶使用瀏覽器在線監(jiān)測、分析和處理傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的功能，有效組織和管理傳感器網(wǎng)絡監(jiān)測區(qū)域采集的信息，對用戶的設置和查詢進行響應。
1．1 無線傳感器網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)中的無線傳感器網(wǎng)絡采用TI公司的CC2520芯片實現(xiàn)，CC2520是一款2．4 GHz免授權(quán)ISM頻帶專用的第2代ZigBee／IEEE 802．15．4無線射頻收發(fā)器，有著高穩(wěn)定性和低工作電壓等出色特性。傳感器網(wǎng)絡采用不同的網(wǎng)絡節(jié)點以樹形(Cluster-Tree)組網(wǎng)方式組成，網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)如圖2所示。網(wǎng)絡節(jié)點包括匯聚節(jié)點、路由器和采集節(jié)點，采集節(jié)點采集交通信息數(shù)據(jù)，直接發(fā)送或者經(jīng)由路由器發(fā)送到匯聚節(jié)點上。
采集節(jié)點通過對地磁的測量來檢測交通信息。地磁場數(shù)值較小，約0．5×10T，可以認為地球磁場強度在一定的區(qū)域內(nèi)(大約幾千米)是恒定的。當有磁性的物體通過時，會引起物體周圍磁場強度的變化，汽車可看作多個雙極性磁鐵組成的模型，引起地球磁場的擾動。汽車對地磁的干擾如圖3所示。
因此，可以利用地磁傳感器來檢測車輛通過時的磁場變化從而獲得交通流的信息。本文選用了Honeywell公司的磁阻傳感器HMC1052，該傳感器是基于磁阻效應(Magnetoresistance Effects)原理的，磁阻效應是指某些金屬或半導體的電阻值隨外加磁場變化而變化的現(xiàn)象。即當外部磁場發(fā)生變化時，傳感器內(nèi)部的電阻也會相應的發(fā)生變化，將磁場強度轉(zhuǎn)化為電壓輸出，利用該效應，HMC1052可以測量地磁及汽車通過時對地磁的擾動。
采集節(jié)點安裝于需要測量的路段，負責采集路面的交通信息，并將數(shù)據(jù)直接或者通過路由器發(fā)送給匯聚節(jié)點。
路由節(jié)點安裝在盡量靠近在采集節(jié)點的路旁，用于轉(zhuǎn)發(fā)采集節(jié)點的數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點，可以根據(jù)傳輸距離的要求，采用多跳路由。同時也增強了網(wǎng)絡的健壯性。
匯聚節(jié)點也安裝在路旁，它負責無線網(wǎng)絡的啟動和建立，同時還建立網(wǎng)絡安全機制、網(wǎng)絡中的綁定等，并接收采集節(jié)點和路由節(jié)點的數(shù)據(jù)。匯聚節(jié)點還有一個以太網(wǎng)接口，將接收到的數(shù)據(jù)通過以太網(wǎng)發(fā)送到通信控制服務端。
1．2 通信控制服務端
系統(tǒng)將無線傳感器網(wǎng)絡中數(shù)據(jù)的管理和用戶的使用分離開來，通信控制服務端主要負責交通流量數(shù)據(jù)的分析、計算以及存儲等數(shù)據(jù)管理工作。通信控制服務端通過以太網(wǎng)接口從匯聚節(jié)點收集數(shù)據(jù)。接收到的交通信息數(shù)據(jù)中每一幀數(shù)據(jù)均包含包頭、ID號、采集數(shù)據(jù)、校驗位以及包尾。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。
通信控制服務端首先將這些原始數(shù)據(jù)進行解析、重新封裝后存入數(shù)據(jù)庫。通過對這些信息的抽象，形成了數(shù)據(jù)庫的整體邏輯結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)庫實體關(guān)系圖(E-R圖)如圖4所示，根據(jù)實體關(guān)系圖，轉(zhuǎn)換成SQL Server 2005中的關(guān)系模式(數(shù)據(jù)表)如表2～表4所示。
采用的是SQL Server 2005數(shù)據(jù)庫，它采用圖形化用戶界面，數(shù)據(jù)庫管理直觀，對Web技術(shù)支持，很容易地將數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)發(fā)布到Web頁面上，非常適用于B／S體系結(jié)構(gòu)。通過ADO．NET(ActiveX Data Object)訪問數(shù)據(jù)庫來實現(xiàn)用戶對數(shù)據(jù)庫的存儲、查詢和刪除等操作。ADO．N ET是在．NET編程環(huán)境中優(yōu)先使用的數(shù)據(jù)訪問接口。它提供了平臺互用性和可伸縮的數(shù)據(jù)訪問，使用幾個對象就可以方便地訪問數(shù)據(jù)庫，例如SqlConnection對象管理與數(shù)據(jù)源的連接。SqlCommand對象與數(shù)據(jù)源交流并發(fā)送命令。使用SqlDataReader可以進行快速“向前”讀取數(shù)據(jù)，使用DataSet或者SqlDataAdapter實現(xiàn)進行寫入和讀取數(shù)據(jù)源。
1．3 用戶端設計
用戶端通過瀏覽器給用戶提供一個可視化的界面與數(shù)據(jù)庫交互，負責數(shù)據(jù)查詢、圖形化顯示以及監(jiān)控網(wǎng)絡的運行情況，運行于用戶端瀏覽器的Web頁面是基于．net框架開發(fā)的，開發(fā)環(huán)境是Visual Studio 2005，結(jié)合了asp．net在Web應用上的優(yōu)勢，利用多線程和模塊化思想，完成整個界面的設計，用戶只需關(guān)心自己所需要的數(shù)據(jù)，而無需關(guān)心傳感器網(wǎng)絡的具體實現(xiàn)細節(jié)。從而實現(xiàn)了遠程終端瀏覽器在線監(jiān)測、分析和處理傳感器節(jié)點數(shù)據(jù)的功能。主要功能模塊包括實時交通參數(shù)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)回放統(tǒng)計、傳感器網(wǎng)絡管理、網(wǎng)絡用戶管理、報警通知等消息處理。用戶端的功能模塊如圖5所示。
網(wǎng)絡用戶管理模塊 對不同等級的用戶分配不同的權(quán)限，普通用戶不具備傳感器網(wǎng)絡管理、用戶管理權(quán)限，可以查詢查看數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)。而管理員用戶可以進行新增用戶、刪除用戶、授予權(quán)限、允許用戶更改密碼等操作。
實時交通流量監(jiān)控模塊 接收數(shù)據(jù)庫發(fā)送來的現(xiàn)場數(shù)據(jù)，以實時曲線圖的方式繪制出來，方便用戶直觀地觀察到每個采集節(jié)點的信息，從而掌握監(jiān)控區(qū)域交通流量的情況。
歷史數(shù)據(jù)回放統(tǒng)計模塊 歷史數(shù)據(jù)模塊允許用戶選擇歷史時間范圍，查詢各個采集節(jié)點上傳的數(shù)據(jù)。還可以對歷史數(shù)據(jù)進行分析，統(tǒng)計路口的日、周交通流量等。
傳感器網(wǎng)絡管理模塊 允許用戶對設備節(jié)點進行重命名、新增、刪除操作，實時顯示網(wǎng)絡中的拓撲結(jié)構(gòu)，同時可以顯示節(jié)點的路由狀態(tài)和鏈路信息，掌握網(wǎng)絡運行的整體狀態(tài)。該模塊還提供了對無線傳感器網(wǎng)絡節(jié)點的配置和管理，通過對這些節(jié)點的管理，用戶可以及時了解節(jié)點監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的分布情況。
報警通知等消息處理模塊 當傳感器網(wǎng)絡出現(xiàn)異常，例如節(jié)點損壞，沒電等情況時將會產(chǎn)生一些提示、報警等消息。系統(tǒng)需要對這些消息進行管理，一方面將這些消息存儲到日志中，供用戶日后查詢時使用，另一方面要將這些消息及時地通知給用戶，以便用戶采取相應的措施進行處理。
用戶端界面如圖6所示。
2 結(jié)語
本文實現(xiàn)了一種基于無線傳感器網(wǎng)絡的交通信息采集系統(tǒng)。采用磁阻感器HMC1052檢測車輛信息，無線網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，安裝和維修方便。數(shù)據(jù)管理采用B／S模式，實現(xiàn)遠程監(jiān)控和維護、升級。使得傳感器網(wǎng)絡易于管理和布置，提高了無線傳感器網(wǎng)絡開發(fā)和維護的效率。利用多線程和模塊化技術(shù)實現(xiàn)了數(shù)據(jù)的收集處理，提高了數(shù)據(jù)的安全性、可靠性和一致性。通過長時間實驗證明所實現(xiàn)的信息采集系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，實現(xiàn)了設計目標。