无线传感器网络及其应用

摘要

随着社会的不断发展，传感器技术作为获取信息最重要也是最基础的技术得到极大的发展，其应用领域也越来越广。本文介绍了无线传感器网络的基本结构和特征、关键技术及发展现状和发展趋势，并针对无线传感器网络在城市交通管理方面的应用设计了智能公交系统(Intelligent Transportation System,简称ITS)，包括ITS的无线传感器网络构建、网络节点软件功能设计、网络节点硬件功能设计等。

关键词 无线传感器网络；智能交通系统；交通信息采集；智能公交系统

Abstract

With the continuous development of society, the sensor technology as the most important information is the most basic technology gets great development, its application field, also more and more widely. This paper introduces the basic wireless sensor network structure and characteristics, the key technology and development status and development trend, and in the light of wireless sensor network in city traffic management applications of Intelligent design Intelligent Transportation System bus System (ITS), abbreviation, including ITS wireless sensor network construction, network node software function design, network node functional hardware design, etc.

Keywords：wireless sensor network, Intelligent transportation system, Traffic information collection, Intelligent transport system

第一章绪论

1.1无线传感器网络的发展历程

随着社会的不断发展，各类科学技术也在飞速进步并且深刻地影响着我们的生活环境，很大程度上改善了我们的生活质量。尤其是信息技术的发展，使得人类置身于信息时代，信息技术在我们生活中变得越来越普遍，也越来越重要。

在众多信息技术中，传感器技术作为获取信息最重要也是最基础的技术得到极大的发展，其应用领域也越来越广。它作为基础科学出现在物联网、智慧地球等新兴概念中，在后者的研究、发展过程中发挥着举足轻重的作用。随着现代传感器技术的发展，人们的信息获取技术已经从过去的单一化渐渐向集成化、微型化和网络化方向发展，这些变化推动了无线传感器网络（Wireless Sencor Networks，WSN）的发展。

无线传感器网络是在空间上相互离散的众多传感器互相协作组成的传感器网络系统，使得分布于不同场所的数量庞大的传感器之间实现更加有效、可靠的通信。无线传感器网络的发展将帮助物联网等前沿科学实现社会生产活动中信息感知能力、信息互通性和智能决策能力的全面提升，进而增强系统性能。

传感器网络经历了一个长期的发展过程。在20世纪70年代，出现了利用点对点传输技术以及专门的连接传感控制器将传统传感器连接起来，从而构成传感器的雏形，这就是第一代传感器网络。随着科学技术的不断发展和进步，传感器网络也具有了获取多种信息信号的综合处理能力，采用串、并接口（如 RS-232、RS-485）与传感控制器相连，构成具有信息综合和处理能力的传感器网络，这是第二代传感器网络。第三代传感器网络出现在20世纪90年代后期和21世纪初，用能够智能获取多种信息信号的传感器，采用现场总线连接传感控制器，构成局域网，成为智能化传感器网络。传感器网络就是目前的研究热点----无线传感器网络，该网络采用大量具有多功能多信号获取能力的传感器，特别重要的变化是传感器之间的采用无线技术进行连接，从而形成无线传感器网络，这是传感器网络本身发展的一个飞跃。这将使技术进一步发展，应用范围得到极大的扩展。传感器网络的发展历程如图1所示。

图1 传感器网络的发展历程

无线传感器网络的研究起始于20世纪90年代末期。自1999年把中间技术引入无线传感器网络中之后，就有很多研究机构开始从不同的侧面进行研究。而大多数针对无线传感器网络的特性而开展的中间件的开发工作都集中在延长网络的生命期和如何使用网络的有限资源方面。美国的加州大学伯克利分校、康内尔大学等学校开始了传感器网络的基础理论和关键技术的研究。由于无线传感器网络的巨大应用价值，它已引起世界许多国家的军事部门、工业界和学术节的极大关注。从2000年起，国际上开始出现一些有关传感器网络研究结果的报道；美国自然科学基金委员会于2003年制定了传感器网络研究计划，支持相关基础理论的研究；美国国防部和各军事部都对传感器网络给予了高度重视，把传感器网络作为一个重要研究领域，设立了一系列的军事传感器网络研究项目；美国英特尔公司、微软公司等信息业巨头也开始了传感器网络方面的研究工作；日本、德国、英国、意大利等科技发达国家也对传感器网络表现出了极大的兴趣，纷纷展开了该领域的研究工作。

在国内，一些大学和科研机构的研究人员已开始关注这一全新的网络技术，研究进展十分迅速，并取得了较为丰富的研究成果。特别是进入21世纪后，他们对无线传感器网络的核心问题提出了许多新颖的思想和解决方案。但是，从总体上说这个领域的研究尚处于一个起步的阶段，已有的研究工作正在为该领域提出越来越多需要解决的问题。尽管无线传感器网络目前仍处于初步应用阶段，但随着各个关键问题的解决以及传感器节点价格的逐步下降，未来10年内无线传感器网络将得到广泛应用。

1.2 无线传感器网络的基本结构

无线传感器网络技术综合了传感器技术、嵌入式技术、现代网络及无线通信技术、分布式信息处理技术，具有多学科高度交叉、技术高度集成的特点。传感器节点之间通过无线方式，采用自组装多跳的形式组成一个传感器网络，利用各类集成化卫星传感器实施检测、感知和采集各种环境信息或检测对象的信息。这些收集道德信息以卫星方式通过多跳路径传送大到用户终端，传输过程中会对信息进行各种处理，使其能够满足特定对象的需求，从而实现物理世界、计算世界以及人类社会三元世界的连通。

传感器网络可以用最低的成本达到最大的灵活性，可以连接任何有通信需求的终端设备，采集数据或发送指令。在实际应用过程中，可以将数百个乃至上千个传感器或执行单元设备任意抛撒在所需的场地，经过一段有限的事件，各节点之间可以按照各种协议建立起任意两点之间的信息传播路径，因此可以从其中任何一个传感器单元获取所有其他传感器单元的信息。同时，由于是无线自组织的双向通信网络，传感器网络能以最大的灵活性自动完成不规则分布的各种传感器与控制节点的组网，同时具有较强的动态调整能力，某些网络还具有一定的移动能力。

无线传感器网络由许多功能相同或不同的无线传感器节点组成。在某个应用区域分布着很多的无线传感器网络节点，各节点之间通过无线方式传输信息。每一个传感器节点包括数据采集模块（传感器、A/D转换器）、数据处理和控制模块（微处理器、存储器）、通信模块（无线收发器）和供电模块（电池、DC/AC能量转换器）等部分，节点在网络中可以充当数据采集者、数据中转站或类头结点（Cluster-head Node）角色。

1.3 无线传感器网络的关键性能指标

根据无线传感器网络的特有结构及应用的特殊需求，可以总结出无线传感器网络系统的关键性能评价指标。

1.3.1网络的工作寿命

任何一个传感器网络搭建之前首先要考虑的就是系统的工作寿命。环境数据采集和安全监测应用中的网络节点一般都布置在无人区，常常需要数月甚至几年的工作寿命，长期保持稳定的工作状态显得尤其重要。

影响网络工作寿命的首要因素是能源供给。每个网络节点必须能够管理自身的能源供给以使网络寿命最大化。节点的最小工作寿命往往会成为网络系统正常工作的重要因素，例如安全监测应用中任意一个节点的失效都可能使系统失效。在某些应用场合中，网络也可以采用外部电源供电。

多数的应用场合中大部分网络节点还是采用自身供电方式，器能源储备能够维持数年时间，或者这些网络节点能够通过附加设备从所在环境中获取能源，例如太阳能电池和压电转换装置，选择这些供电方式的前提是节点的平均功率足够低。

网络节点无线收发器的功耗是网络系统最主要的功耗，可以通过降低传输信号的功率或者降低无线收发器的工作频率来降低功耗，但不管哪种方法都会影响网络的其他方面的性能。

1.3.2网络覆盖范围

无线传感器网络的第二大性能指标是网络覆盖范围。对于一个实际网络来说，能够覆盖更大的范围通常是更有意义的事情，而且终端用户使用也会很方便。在无线传感器网络中，覆盖范围不仅仅局限于单个节点的无线通信距离，因为采用多跳通信技术可以大大扩展网络的覆盖范围，理论上可以无限地扩展网络的范围，但在实际应用中，覆盖范围越大，也就预示着信息传递所经过的节点越多，同时对于处于关键路径的节点来说，需要传输的次数也会越多，从而增加网络节点的功耗，降低网络的工作寿命。

和覆盖范围相关的是网络容纳节点的数量，即可扩张性。可扩张性是无线传感器网络的一大有点。网络用户可以先组建很小的网络，随后不断增加传感器节点以采集更多的信息。

1.3.3 网络搭建成本的难易程度

网络搭建容易是无线传感器网络的突出优点。由于无线传感器网络通常可以自组织网络，因此施工人员就无需了解其底层的通信机制，没有经过特别培训的人员也可以在其关心的区域中组建简易的无线传感器网络。理想情况下，无线传感器网络可以根据任意的节点布置方式自组织网络。但在实际的应用环境中，不同的场景和目的制约着节点的布置方式，节点不可能任意无地布置，所以在搭建网络时，无线传感器网络还应能够自我评定网络组建的性能以及指示潜在的问题，这就要求任意一个节点都可以发现与其相关的链路信息并评定其链接性能。

在无线传感器网络的整个生命周期中，系统还必须能够根据环境的变化自适应地重组网络。部分节点可能需要重新布置，或者会有外部的干扰影响部分节点的通信，这些因素的存在都要求网络能够自动地重新配置资源或者给用户提供明确的指示。

在实际组建的网络中，系统维护和确认将会消耗一部分网络资源，网络诊断和重新设置也将减少网络的工作寿命，同时还会降低网络的采样速率。

1.3.4 网络响应时间

每个网络都存在一个特定的响应时间，对于大多数的无线传感器网络的应用来说，其响应时间可能不会有非常严格的要求，但是在安全监测类系统中，网络的响应时间是主要的评定指标，即发生安全异常事件时必须即发送警报信息。尽管节点大部分时间处于低功耗状态，但是一旦发生异常事件，节点必须能尽快实时传送优先级最高的警报消息序列。

但是快速响应时间h饿网络工作寿命是相互制约的，如果每分钟开启一次无线收发器，系统的平均功耗相对较低，然而这在安全监测中将无法满足实时检测的要求。如果节点采用外部供电方式使之一直处于工作状态，可以随时侦听警报消息并发送到基站，这样就可以保证快速的响应时间，但同时也增加了网络不值的难度。

1.4 无线传感器网络的关键技术

无线传感器网络作为一个全新的研究领域，在基础理论和工程技术两个层面向科技工作者提出了大量的挑战性研究课题，下面介绍其中几个尤其关键的技术。

1.4.1 QoS保证

在无线传感器网络的研究和应用中，QoS（Quality of service,服务质量）问题最近才引起人们的关注，特别是基于无线传感器网络的图像、视频和流媒体信息的传输需求的急剧增加，各无线传感器网络的设计者带来了极大的挑战。无线传感器网络是带宽和能量受限的网络，而多媒体信息对传输延迟、网络吞吐率和带宽等都有较高的要求。对于特定的应用，为了满足用户的需求，必须提供QoS保证。

在设计无线传感器网络Qos保证机制时，不但要考虑来自用户应用的需求，还要对系统网络的特点和结构做深入的分析，在处理无线传感器网络的QoS业务时，还应该注意一下几个方面：网络带宽的、消除冗余数据传输、能量和延迟的平衡、节点缓存大小的和多业务类型的支持。

当前无线传感器网络Qos保证技术研究的目标和挑战主要体现在一下3个方面：

带宽的有效利用

能量使用的最小化

QoS的支持不仅包括QoS保证机制，而且还应当包括QoS控制。

1.4.2数据融合技术

所谓数据融合,就是对收集到的多份数据或信息进行处理，组合出更高效、更符合用户需求的数据的过程。

数据融合技术具有以下几个作用：

节省能量：在部署无线传感器网络时，为了保证整个网络的可靠性和监测信息的准确性，配置节点时考虑了一定的冗余度。

获取更准确的信息：由于受到环境变化的影响，来自传感器节点的数据存在着较高的不可靠性，通过对监测同一区域的传感器节点采集的数据进行综合，可以有效地提高获取信息的精度和可信度。

提高数据收集效率：通过进行数据融合，可以减少网络数据的传输量，从而降低传输拥塞概率，降低数据传输延迟，减少传输数据冲突碰撞现象，可在一定程度上提高网络收集数据的效率。

1.4.3网络安全机制

同其他无线网络一样，安全问题是无线传感器网络必须重点考虑的问题。由于采用的是无线传输信道，传感器网络存在窃听、恶意路由、消息篡改等问题，安全问题显得尤为重要。

无线传感器网络具有一些非常显著的特点，因此安全问题的解决方法也不尽相同，在进行无线传感器网络的安全设计时，必须考虑到如下一些问题：

（1）受制于有限的计算能力和存储空间，密钥过长、时间和空间复杂度较大的安全算法不适合无线传感器网络，而以定制的流加密和块加密的RC4/6等系列算法却比较适合。

（2）缺乏后期节点部署的预备知识，在网络部署前节点之间的连接性是未知的，因而无法使用公共密钥安全体系，这种网络要实现点对点的动态安全连接是非常困难的。

（3）对于某个实用的无线传感器网络，在制定安全机制时，必须着眼于整个网络的安全问题，而不能只局限在某一个节点、某一些节点或者点到点之间传输的安全问题

1.4.4 定位技术

目前最常用的定位技术是全球定位系统GPs（Globe Position System），但是GPS技术定位只适合于视距通信的场合，用户节点通常能耗高、体积较大且成本较高，并不适合低成本自组织无线传感器网络。

无线传感器网络由于资源和能量受限，因此对定位算法和定位技术都提出了较高的要求。其定位技术或定位算法通常需要具备一下4个重要特征。

自组织性

能量高效特性

分布式计算特性

鲁棒性

1.4.5同步管理机制

同步管理主要是指时间的同步管理。而分布式无线传感器网络应用中。每个传感器节点都有自己的本地时钟，不同节点的晶振频率存在偏差，温度和电磁波的干扰也会造成节点之间的运行时间偏差。而无线传感器网络本质上是一个分布式协同工作的网络系统，很多应用都要求网络节点之间相互协同配合，因此时间同步是同步管理机制的重要内容。

无线传感器网络事件同步机制设计的目的是为网络所有节点的本地时钟提供共同的时间戳，一般关注以下几个主要的性能参数。

能量效率

可扩展性及健壮性

精确度

有效同步范围

成本和尺寸

1.4.6 无线通信网络技术

无线传感器网络的高度自组织和多跳通信特点，使适用于无线传感器网络的专用无线通信软硬件技术，尤其是无线通信软件技术成为一个全新的研究领域。同时，由于无线通信网络的功能与性能成为决定无线传感器网络应用成败的关键，因此它也作为无线传感器网络应用研究的核心任务之一受到更多的重视与关注。

1.4.7嵌入式实时系统软件技术

硬件设计必须要满足嵌入式系统和实时系统的双重要无线传感器网络节点是一个典型的嵌入式系统。同时，由于无线通信的异步性和传感器节点本身的信息采集等功能又要求系统对各种外部事件实时反映，这就决定无线传感器网络节点同时又是一个实时系统。因此。无线传感器网络节点的软求。

1.4.8相关的硬件技术

自1971年卫星计算机问世以来，随着大规模集成电路制造技术的不断发展，微型计算机的发展出现的、了两个分支：一个是向高速度、高性能的高档方向发展，如PC、大型机就是这一发展方向的成果；另一个是向功能有限但稳定可靠且微型廉价的嵌入式方向发展，这就产生了把处理器（CPU）、随机存储器（RAM）、只读存储器（ROM）、定时器/计数器以及各种IO控制器电路等主要的计算机部件集成在同一片芯片上的完整的计算机系统。正是后者的不断发展，为无线传感器网络技术的产生和发展提供了必要的物质基础。

1.5 无线传感器网络的应用范围

最近几年，随着计算机成本的下降以及微处理器体积的减小，越来越多的无线传感器网络投入使用。目前来说，无线传感器网络的应用主要集中在环境监测、军事领域、医疗健康和交通管理等领域。

第二章无线传感器网络基础

2.1无线传感器网络体系结构

2.1.1无线传感器网络结构

无线传感器网络包括4类基本实体对象：目标、传感器节点、汇聚节点和监测区域。但对于整个系统来说，还需要定义与外部连接的网关、外部传输网络、基站、外部数据处理网络、远程任务管理单元和用户等，如图2所示。

图2 无线传感器网络的体系结构

2.1.2无线传感器网络节点结构

在传感器网络中，传感器节点是组成无线传感器网络的基本单位，是构成无线传感器网络的基础平台。它完成数据的采集和在监测区域中传输，其中的电源模块还负责节点的驱动，因此，节点技术的进步与无线传感器网络的发展有着密切的联系，直接决定了整个网络的性能。

传感器节点的基本结构如图3所示。

图3 传感器节点的结构

2.1.3无线传感器网络协议结构模型

无线传感器网络协议结构模型既参考了现有通用网络的TCP/IP和OSI模型，又包括了无线传感器网络特有的能量管理、移动性管理及任务管理3个管理层面。其整个模型主要包括物理层、数据链路层、网络层、传输层、应用层、能量管理平面、移动性管理平面及任务管理平面8个部分，如图4所示。

图4 无线传感器网络协议结构模型

2.2无线传感器网络的特征

2.2.1与现有无线网络的区别

为了更清楚地说明无线传感器网络的特点，首先简要介绍一下几种相关的无线网络。

蜂窝移动通信系统

从20世纪70年代中期开始至今，移动通信系统一共经历了三代。第一代移动通信系统（1G）是模拟通信系统，第二代移动通信系统（2G）是数字通信系统，第三代移动通信系统（3G）具有分组化、宽带化、智能化的特点，能够实现个人化的移动多媒体通信业务，最终把移动电话覆盖和基于Internet及其他多媒体应用的用户融合起来。目前，无线通信系统（4G）已经开始研究。

蜂窝通信与无线传感器网络的主要区别体现在网络拓扑结构和能源方面。从网络拓扑来看，类似于无线传感器网络中的分层网络拓扑结构，但又有区别。在能源方面，基站有无限的功率供给，而移动台由电池供电。

无线局域网

无线局域网（Wireless Local Area Networks，WLAN）始于20世纪80年代中期，它是由美国联邦通信委员会（Federal Communications Commission，FCC）为工业、科研和医学（ISM）频段的公共应用提供授权而产生的。

无线局域网与无线传感器网络的一个主要区别在于带宽和能量供应方面，WLAN的带宽远远高于WSN，而且作为固定的AP来说，其能量供应一般是持续的，移动节点的能量也可以随时补充。此外，从规模上来讲，无线局域网规模不会很大，而传感器网络可以在复杂的环境中部署成百上千乃至上万的传感器节点。

蓝牙网络

蓝牙是短距离、低成本的无线网络系统，是一种能够实现数据和语音无线传输的开放性接口系统。蓝牙网络的突出优势在于蓝牙设备耗能少、体积小、价格低，通常蓝牙的工作功率仅为2.5mW。

蓝牙网络也存在传输距离短、网络规模不大、传输速率较低的局限。因此，相比于蓝牙网络，无线传感器网络在组网规模以及组网灵活性上则具有较大的优势。

无线自组织网络

移动自组织网（Mobile AD Hoc Network，MANET）是一组带有无线收发装置的移动终端组成的一个临时性自治系统的对等网络，它通常包含成千上万个通信节点，这些节点能覆盖到几百米的范围，可完全移动。移动自组织网最初只是应用在军事上，主要是作为提高战术通信抗毁性的临时通信网络。

无线传感器网络与传统的无线网络有显著的区别，可以归结为一下两点：第一，无线自组织网、蜂窝、蓝牙等无线网络在高度移动的环境中通过优化路由和资源管理策略来最大化带宽的利用率，它们的首要设计目标是为用户提供高性能的服务质量保证。第二，无线传感器网络有着与传统网络明显不同的技术要求。前者以数据为中心，后者以传输数据为目的。

2.2.2无线传感器网络的特点

无线传感器网络是一种大规模的分布式网络，常部署于无人维护、条件恶劣的环境当中，且大多数情况下传感器节点都是一次性使用，从而决定了传感器节点是价格低廉、资源极度受限的无线通信设备

无线传感器网络的特点主要体现在以下几个方面

节点资源有限

网络节点拓扑变化频繁

寻址以数据为中心

多跳路由通信

网络的分布式特性

网络节点密度高

2.2.3无线传感器网络的性能评价指标

如何评价无线传感器网络的性能对于无线传感器网络的设计和应用都非常重要。系统性能评价指标必须结合传统网络的性能指标，同时，根据无线传感器网络的特点还要求其必须具有适合自己的性能评价指标。

通常来说，无线传感器网络性能的评价指标标准包括通信性能、能耗控制、基础功能实现、感知精度和容错性等5个方面。

第三章智 智能交通系统的应用

随着传感器技术 、半导作技术、嵌入式处理技术等的发展使无线传感器网络在环境监控、工业控制、智能城市和智能家庭等领域取得了实际可行的应用成果 。

在很多国家交通阻塞已经成为阻碍国民经济发展的瓶颈，因此必须加以解决。根据众多的经验，智能交通系统（ITS）有望从根本上解决这个问题。当前的交通传感系统虽然能提供精确地、实时的交通信息，但是由于成本太高，投资太大，显然应用范围会受到极大的局限。相对来说，采用无线传感器网络的方式则是一种非常便利而且投资非常节省的方式，用于公路交通的无线传感器非常小，造价极低。

本章介绍了无线传感器网络技术在城市公交车辆智能化管理中的典型应用 ,通过无线传感器网络技术将车载终端与调度监控中心相结合 ,能够对行驶的公交车辆进行实时监控、 交通信息传送等功能 ,有助于交通系统的智能化。

3.1无线传感网络在城市智能公交网中的应用优势

要实现城市公交的智能化,从其运行特点来说采用无线的方式构建整个监控网是最可行、 使用方便的方式。目前,有两种无线方式可以考虑,一是采用全球卫星定位系统 (GPS) ,但 GPS技术对车辆进行跟踪定位的准确度与车辆运行时所处的环境有较大关系。由于城市道路两边高楼较密集,立交桥道路交错,目标车辆易被遮挡,使得车载终端接收到的 GPS信号有效性降低。采用 GPS技术需依赖国外卫星系统的建设和使用费用较高,应用功能较单一,不适合公交系统的广泛应用;二是采用无线互联网,但采用该方式需要修建许多基站才能保障整个网络正常的运行,投入也较大。通过多方面的比较,采用无线传感器网络来构建智能公交系统网络是较经济实用的,相对于其他技术具有以下几个方面的优势

1)无线传感器结构较简单、 成本较低廉。

2)无线传感器网络采用无线电波传送方式 ,不易受环境、 时间、 天气等因素的 ,在能见度较低的条件下 ,也能正常工作。

3)无线传感器网络具有分布性、 自组织性特点 ,可实现大数量节点网络的实时、 分布式处理 ,利用这些特点来构建一个自组织、 开放的系统 ,更符合交通管理的特点。

4)通过在道路旁添加特定无线传感器节点 ,整个网络可传送除公交车辆位置信息以外的其他信息 ,扩展网络及操作较简便。

5)采用基于 IEEE 802.15.4规范的 ZigBee技术具有功耗低、 组网能力强、 传输距离远、 可靠性高等特点。

3.2无线传感器网络构建城市智能公交网系统方案设计

用于ITS的无线传感器网络构建如图5所示， 

图5 无线传感器网络构建

在无线传感器网络结构中，安装道路两旁的汇聚节点组成一个自组织的多跳网状Mesh 基础网络构架，交通信息采集专用的传感器终端节点与每个临近的汇聚节点组成星型网络进行通讯，最终的数据将被汇聚到网关节点上。网关节点可以作为一个模块安装在交叉路口的交通信号控制器内，通过信号控制器的专有网络，将所采集到的数据发送到交管中心作进一步处理。在无线传感器网络部署中，汇聚节点可以安装在路边立柱、横杠等交通设施上，网关节点可以集成再交叉路口的交通信号控制器内，专用传感器终端节点可以填埋在路面下或者安装在路边，道路上的运动车辆也可以安装传感器节点动态加入传感器网络。采用无线传感器网络进行交通信息采集在交通信息采集中， 终端节点可采用非接触式地磁传感器来定时收集和感知区域内车辆的速度、车距等信息。当车辆进入传感器的监控范围后， 终端节点通过磁力传感器来采集车辆的行驶速度等重要信息， 并将信息传送给下一个定时醒来的节点。 当下一个节点感应到该车辆时， 结合车辆在两个传感器节点间的行驶时间估计，就可估算出车辆的平均速度。 多个终端节点将各自采集并初步处理后的信息通过汇聚节点汇聚到网关节点，进行数据融合， 获得道路车流量与车辆行使速度等信息， 从而为路口交通信号控制提供精确的输入信息。 通过给终端节点安装温湿度、光照度、 气体检测等多种传感器，还可以进行路面状况、能见度、车辆尾气污染等检测。

实现智能公交系统中的公交优先功能需要对现有交通信号控制器进行改造。通过添加传感器等辅助设备，交通信号控制器可以估算出公交车辆到达交叉路口的时间(旅行时间)， 计算出公交车辆在路口是否需要给予优先(可选择乘客数量作为优先权重)，然后选择合适的优先控制策略，通过调整绿信比来优先放行公交车辆。交通信号控制器的改造包括：①车载无线通讯终端节点；②交叉路口交通信号控制器上集成无线网关；③用于公交车辆定位的终端节点；通过构建基于ZigBee的无线传感器网络可以实现上述功能。当要临近路口时，车载ZigBee无线终端节点进行公交车辆信息广播，路边部署的无线传感器网络获取信息后，公交车辆定位的终端节点对其跟踪获取信息并汇聚到无线传感器网络网关节点上，通过内部连接最后信息传送给交通信号控制器， 进行相应的优先处理。

3.3网络节点和网关节点的设计

网络节点软件功能设计

图6 终端节点、汇聚节点和网关节点的软件功能

在ITS无线传感器网络的设计中，网络节点按照功能不同，需要分别进行设计。终端节点、汇聚节点和网关节点的软件功能如图6所示。终端节点安装不同的传感器用于运动车辆信息采集和道路信息获取等。其功能实现可按照精简功能设备(RFD，Reduced Function Device)标准来实现。 终端节点与汇聚节点按照星型网络组网，在固定时间点由睡眠状态醒来与汇聚节点主动通讯。信息路由则交给父(汇聚)节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成，降低了节点功耗和软件实现复杂度。汇聚节点是终端节点软件功能上的扩展，实现了扩展网络及路由消息的功能， 允许更多重点节点接入网络。 可按照全功能设备(FFD ，Full Function Device)标准进行设计。网关节点是网络中所需要的协调器，负责启动网络、配置网络成员地址、维护网络、 维护节点的绑定关系表等， 还负责将所采集的数据初步处理并交付交通信号控制器传输到上一级信息中心，需要较多存储空间、计算及通讯能力。网络节点硬件功能设计现有较多的无线传感网解决方案，包括各芯片产商推出的单片机外接射频芯片和集成射频、微处理器的单芯片等。

在节点设计中较常采用的ZigBee 射频芯片有Atmel的AT86RF230、TI 的CC2420、Freescale 的MC1319x 和MC1320x、Microchip 的MRF24J40等。此外，芯片产商推出了单芯片解决方案，如TI CC2430 延用了CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器；Freescale的MC1321x/MC1322x 和Jennic 的JN5121/JN513x 单芯片解决方案等。

·终端节点和汇聚节点设计

基于Atmel 的AT86RF230 射频芯片和AVR 单片机设计方案典型的终端节点和汇聚节点设计如图7所示，

图 7 终端节点和汇聚节点设计

采用Atmel的8位RISC结构低功耗ATMegal1281V MCU 作为系统控制核心。采用512 KB 的AT45DB041D作为外部程序存储器。射频模块使用Atmel的支持ZigBee协议的AT86RF230，RF 功率达到3dBm，室外传输距离可达300米以上节点的扩展接口可连接模拟输入、数字I/O、I2C、SPI 和UART 接口，这些扩展接口使其易于与传感器及其它外设连接， 例如外接光度、 温温度、气压、声、地磁和加速度等传感器。

·节点设计考虑

在智能交通系统专用无线传感器网络节点设计时需要如下考虑：

点低功耗设计。终端节点都是电池(可用太阳能蓄电池)供电。

②节点成本要低廉。 在进行大规模交通信息采集等部署时，节点成本将是项目关键。

③节点的数据处理及存储能力。一些节点需要进行高速信息采集并且运行识别算法，所以需要数据处理能力。还需要考虑在有限的空间之内存储程序、 数据、 以及支持代码在线更新等功能。

④根据不同应用场合的需要， 无线传感器节点要具有不同的传感器接口， 能外接不同的传感器。 其中，能耗管理应该作为重点考虑。 特别是采用32位ARM 处理器外接射频芯片的解决方案，需要有效降低节点能耗， 需要在系统级软件上进一步改善能耗管理，例如优化TinyOS或嵌入式Linux电源管理功能。

结   语

无线传感器网络技术应用与研究得到越来越广泛的应用。本文依据无线传感器网络的特点，结合无线传感器网络在智能交通系统中的典型应用，讨论了无线传感器网络的设计等问题。随着技术发展与成熟，无线传感器网络技术可以在智能交通系统中更多关键性场合得到应用，例如电子收费、交通安全与自动驾驶、 停车管理、 交通诱导系统等，更进一步推动城市智能交通的发展。

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