基于无线传感网络的道路交通监测系统的研究.docx

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1、随着人类生活水平的提高，越来越多的人将汽车作为代步工具。随之而来的交通拥堵、混乱、事故也频繁发生。但是通过研究发现，这些不利的情况可以避免。因为在某时间某一道路段的车辆经常出现“扎堆”情况，所以希望有一种智能交通监控系统，能够及时的将城市各个道路段的状况进行随时监控，将每个路段的状况信息进行及时的收集，并进行分析，再及时将结果汇报给正在相应道路上行驶的车辆和司机，使之及时做出正确的判断，确定自己车辆的行驶路线。本文正是在以上的应用背景下，设计了一种道路交通状况实时监控系统。该系统利用无线传感器网络的技术平台，实现了以下功能：每个传感器单节点对道路状况和车辆相关数据采集；各个节点间的数据融合与优

2、化；数据上传至后台监控电脑；后台数据优化处理和结果图形化显示。本文主要讨论了无线传感器网络中各个节点的硬件设计及其底层驱动编写，传感器硬件主要在磁阻传感芯片HMC1021基础上,利用汽车对地球磁场的扰动对输出电压的改变来检测汽车的行驶情况；考虑了节点体系中各个节点间的“相互协作”关系；在此系统平台上，本文也提出了道路安全状况检测问题及其方法，在节点上再次接入温湿度传感器，通过节点的温湿度来简单的判断路面的结冰情况和抗滑能力。可以看出，这种交通监控实时系统为道路交通资源的合理配置提供了数据源，对有限的道路资源优化使用，对减少道路拥堵和相关交通事故等状况，还是对节省车辆行驶时间和保证司机和乘客人身

3、和财产安全方面有很大的使用价值。关键词M智能交通无线传感器网络道路交通监测系统HMC1021AbstractAstheimprovementofhuman,slivingstandards,moreandmorepeopleusecaraspersonaltransports.Subsequently,trafficcongestion,chaosandaccidentsoccurfrequently.Butitisfoundthattheseunfavorableconditionscanbeavoided.Atatimeofaroadsection,vehiclesappearcluste

4、rusually.Soakindofreal-timemonitoringsystemishoped,whichcanmonitorthestatusofeachroadsectionofthecitytimelyandmakerightjudgments,andthensendtheresultstodriversofvehiclesontheroadintimefortheirjudgmentsanddeterminingvehiclesroutes.Thispaperisintheapplicationbackgroundabove,akindofreal-timemonitorings

5、ystemforroadandtrafficconditionsisdesigned.Basedonwirelesssensornetworks,thissystemincludesfollowingseveralfunctions:monitoringroadconditionsandcollectingdataofvehiclespassingbetweeneachsensornode;dataoptimizationfusion;uploadingdatatocontrolinstruments;dataoptimumprocessandresultsdisplaygraphically

6、atbackstage.Theschemesofhardwaredesignandthedriverprogramofeachnodeismainlydiscussedinthispaper.AMRsensorismainlyinchipHMC1021basis,usingthechangingofmagneticfieldoftheearthshockedbycarscauseoutputvoltagechanges,consideringthemutualcooperationrelationshipbetweeneachnode.Inthissystemplatform,atempera

7、tureandhumiditysensorisaccessed.Bythistemperatureandhumiditysensor,theicyconditionsandanti-slidingabilityofroadcouldbejudgedsimple.Itcanbeseenthatthistrafficmonitoringreal-timesystemprovidesdatasourcesforreasonableallocationofroadtrafficresources,ensurefinitetrafficresourcesoptimizationusage,eitheri

8、nreducingroadcongestionandrelatedtrafficaccidentsetc,orinsavingtimeandguaranteedrivers,andpassengers,propertyandsafety.Keywords:IntelligentTransportationWirelessSensorNetwork(WSN)RoadandTrafficMonitoringSystemHMC1021摘要Abstract1绪论1.1 无线传感器网络简介(1)1.2 无线传感器网络的发展与现状(4)1.3 研究的目的及意义(5)2道路交通监测系统的结构2.1 白勺不口

9、5目匕.(8)2.2 系统的能耗分析与管理(16)2.3 系统的网络协议(18)2.4 本章小结(20)3节点的硬件与软件设计3.1 电磁传感器的电路设VI-.(21)3.2 路结状况的木1贝(30)3.3 节点的驱动程序设计(31)3.4 本章小结(39)4数据算法和显示软件的设计1系统的时钟I口J步机制(0)4.2 数据帧结构和算法设计(42)4.3 控制和显示软件的设计(46)4.4 本章小结(47)5实验结果研究5.1 数据的测量(49)5.2 1JTfcy(53)6总结6.1 课题工作总结(57)6.2 系统功能的扩展与展望(58)致谢(61)一专(62)1绪论随着经济的发展，汽车的

10、普及给人们生活带来便利的同时，又造成了各种各样的交通问题。如何合理优化的利用有限的交通资源，保证汽车的安全行驶等问题，必将成为改善人们的城市生活的重要研究对象。信息化技术的发展让人们能够对道路车辆等问题进行量化处理，在交通资源的合理利用方面有了长足的进步，如：交通红绿灯,电子眼，交通路口安置摄像头等措施。但是直到近年来，智能交通的话题才被广泛提出，且美国、日本、加拿大、英国、法国等国都投入了较大的人力和物力对其进行研究。然而由于前期各种技术(计算机技术，集成电子技术，信息计算技术，材料加工技术等)的限制，导致这些技术的研究到商业应用效果并不是十分令人满意。而无线传感器网络的应运而生，恰好解决了

11、这一窘境。无线传感器网络作为一种新型技术，克服了传统传感器的探测范围的限制和其他无线技术的高成本和小范围的缺点，在与智能交通的应用上相结合而具有极佳的效果，它不仅仅在技术前沿具有创新意义而且更有极广的应用前景和使用价值。所以，在对智能交通监测系统研究的同时，对无线传感器网络技术的了解十分必要。1.1 无线传感器网络简介无线传感器网络(WireIeSSSenSOrnetWork,WSN)是由大量的、低成本的、微型传感器节点组成的网络。其中各节点以无线的方式进行通信，以多跳传输的方式自组成网络，最后部署在目标区域内达到监测的目的。换言之，无线传感器网络中的每个传感器节点既单方面的负责传感器的数据采

12、集等功能，又能在整个网络中兼职路由传输的功能，且每个节点间能够以无线通信的方式相互“交流”和控制。可以看出，WSN作为一种新型技术，广泛的综合了传感器技术、嵌入式技术、计算机技术及无线通信技术、网络等技术，并能够通过各类集成化的微型传感器节点来协作实时监测、感知和采集各种环境中监测对象的信息，通过嵌入式系统对信息进行处理，并通过自组织无线通信网络将所感知的信息传送到用户终端，从而真正实现对外界物理环境大范围测量和控制的目的。正是由于无线传感器网络的以上优点，在智能交通系统领域中，大量的传感器可以用来探测交通工具的动向以及分析复杂的交通环境，同时由于无线传感器网络在军事上和商业上广范围的应用，如

13、：目标追踪、基础设施检测、住宅监控和战场监测等，近年来受到越来越多的研究者关注研究。图1-1无线传感器网络整体基木结构为了实现对大范围区域实现远程控制的目的，需要同时外加网路控制设备终端，如图1-1所示。网络中的每个传感器节点是一个小型的嵌入式系统，它们既可以分别进行接收、处理和发送环境信息，又可以作为路由器对每个节点的数据进行互相传送。这些传感器节点中有一部分节点实现的功能比较特殊，它们负责网络中信息的收集，与网关或服务器之间进行直接信息传输，一般称它们为汇聚节点（或称为Sink节点）。汇聚节点收集网络中很多节点的信息与网关之间进行直接信息交流，所以一般汇聚节点的通信和存储能力比一般节点强大

14、网。传感器节点作为一种嵌入式系统，包含硬件和软件两部分，其中硬件部分（即节点物理层结构）主要包含：传感模块、信息处理模块、通信模块和电源模块四大部分,如下图12所示。其中传感模块主要负责对环境信息（包括磁场、温度、湿度和应力等）的读取，用户可以根据需要，选择不同的传感器；信息处理模块负责对传感器检测的信息进行处理和存储等，它主要包含微控制器（MCU）、A/D转换器和存储器；通信模块此处主要指无线收发模块，微控制器处理后的数据经过通信模块发送到下一个节点，而上一节点发送来的数据也可以通过无线收发器接收后再传到微控制器；电源部分主要满足各部分电路的能量需求，由于传感器节点一般被置于室外或一些恶劣的

15、环境中，电源并不一定能够持续性供电，而往往电源供电时间直接决定了节点的使用寿命，所以选择好电池和降低节点功耗是延长节点寿命的关键问题。传感器节点的软件部分有操作系统和其他应用软件。其中，操作系统是基本软件环境，是许许多多的无线传感器网络应用软件开发的基础。无线传感器网络的操作系统它必须满足无线实时传输要求，无需复杂的多媒体、应用服务，也不需要直接的用户系统对话界面，所以其跟传统意义上的操作系统不同。但是为了便于对硬件多样性开发，它定义了模块化的操作方式，允许应用程序对系统资源的重用久迄今为止，很多国内外的专家对无线传感器网络的操作系统展开了不同方向上的研究，因此多种比较成熟的操作系统诞生了。其

16、中，加州大学伯克利分校开发的TinyoS目前最为流行,该系统是一种组件结构类型的系统；康奈尔大学的Magnet0S,该系统考虑到应用程序的动态性，灵活的采用了虚拟机的思想；科罗拉多大学的MANTlS0S,该系统主要对动态性的重复性编程特性进行突出；SenOS,该系统是韩国汉城国立大学研发的，主要特性是易于扩展；PEEROS,该系统是由EYES研究项目对一种实时调度算法EDF“改装”而来；SOS由加州大学洛杉矶分校研发，该系统也是主要考虑到动态性重复编程的特性；由AmbientSystems而来的AmbientRT,则着重考虑到数据的实时性调度,运行时的重配置。1.2 无线传感器网络的发展与现状

17、自20世纪90年代以来，无线网络得到了迅猛的发展。天线、射频收发器和处理器技术的进步很大程度上改善了电子电路技术与信息技术在尺寸、功耗效率等方面的束缚。这一进展同时标志着先进领域中允许小型、廉价、可靠的、拥有无线网络能力的微型传感器迅速成为现实。同时无线传感器技术和个人无线低速网络技术的进一步发展，促进了“无线传感器网络”这一综合性技术的产生与发展。据有关文献记载，早在20世纪末，第一代传感器网络就已经出现，不过当时并不完善，仅仅以点对点通信的形式将多个传感器连接起来实现远程控制，所以也可称之为传感器网络的雏形。随着社会的发展，电子、计算机、通信、网络等技术可以说是日新月异，而以这些技术为支撑

18、的传感器网络这一概念迅速走向明朗化，第二代传感器网络也应运而生阴。此时，人们已经不再只是满足点对点通信，而是提出了以传感器自组网的模式，同时还开发了传感器相关的多种网络协议以及开发系统平台。第二代传感器网络与第一代相比，其信息获取能力更广，综合数据处理能力更强，可靠性更高，应用前景更广“】。同时，传感器网络中也开始加入了现场总线技术、多功能传感器技术和无线连接技术，其智能化组建能力、信息探测处理能力和数据收发能力随之逐渐突出，无线传感器网络这一技术也逐渐形成UL1998年，Gregory.J.Pottie阐述了WSN的科学意义，且DARPA巨资启动了SensIT项目，其目标是实现“超视距”战场

19、检测I。1999年9月，商业周刊将WSN列为21世纪最重要的21项技术之一，橡树岭国家实验室(OakRidgeNationalLaboratory,ORND提出了“网络就是传感器“(NetworkisSensor)的论断。2001年1月，MIT技术评论将WSN列于十种改变未来世界新技术之首“41。2003年，商业周刊预测：WSN和其他三项信息技术将会在不远的将来掀起新的产业浪潮【。2004年，一篇具有重要历史意义的文章一一传感器的国度，发表于“IEEESpectrum”杂志一期专辑，其中论述了WSN的广泛发展前景和普遍应用的可能性B.在国外发达国家对无线传感器网络研究与应用的同时，我国也多次将

20、之列为重点研究技术。1999年，中国科学院在“信息与自动化领域研究报告”中首次将无线传感器网络作为五个重大项目之一。2001年中国科学院与上海微系统所在无线传感器网络方向上陆续部署了若干重大研究项目，参加单位包括上海微系统所、微电子所、半导体所、电子所、软件所等10余个研究所和高效。经过它们多年深入的研究，在微型传感器、传感器终端、无线智能传感器网络通信技术、移动基站和应用系统等方面取得了很大进展，并为无线传感器网络系统技术的进一步研究建立了专门的技术平台。2004年在北京大规模外场演示了相关成果，其中部分成果已经应用于工业实践中。同年，我国未来20年预见技术的调查报告，信息领域157项技术课

21、题中有7项与传感器网络有关。2005年，中国科学院召开了信息口的相关研究所关于无线传感器网络技术的研讨会，共同商讨了传感器网络的进一步发展大计。2006年初发布的国家中长期科学与技术发展规划纲要为技术确定了三个前沿方向，其中两个与WSN的研究直接相关,即智能感知技术和自组网络技术。当前无线传感器网络一直受到广泛的研究，而促使与之相关的产品应用领域已经变得非常广泛。应用范围包括科学的数据收集，环境灾害监测，协助管理库存大仓库，入侵检测和监控，战场监测。无线传感器网络非常适合这些应用程序，因为它们快速和廉价的部署。低成本、低能量的性能，使这些传感器也很容易支配。无线传感器网络在交通方面的应用，在国

22、内外也有很多研究成果。如，韩国国家电子电信研究所JaeJUnYoo和KyOUngBokSUng等人研究电磁网路传感器对交通工具和服务站检测，以控制显示设备，并提供一些警告信息给司机和行人。国内也有很多研究者利用WSN研究来检测高速公路上的车辆安全，如：宁波中科无线通信研究所，中国科学院电子研究所等，他们对WSN节点平台的研究成果显著。1.3 研究的目的及意义伴随着当今时代信息技术的飞速发展，人类生活水平由于Imemet为代表的信息网络技术的应用而取得了巨大的进步。同时信息技术继续保持在持续健康发展的道路上,电子商务、“三网融合”、“信息高速公路”和智能遥感等也成为了当今热门的话题。因为通过互联

23、网，人们能够方便的获取各地的新闻和娱乐等信息，以至于现在互联网成为了人们日常生活不可缺少的部分。如果说Imemet构成了逻辑上的信息世界，改变了人与人之间的沟通方式，那么，无线传感器网络就是将逻辑上的信息世界与客观物理世界连接到一起，改变了人类与自然环境的交互方式。人们可以通过传感器网络方便而直接的从客观世界中获取信息，从而极大地扩展了现有网络的功能和人类认识世界的能力。无线传感器网络扩展了人们的信息获取处理能力，将在下一代互联网中为人民提供最直接、最有效、最真实的信息。无线传感器网络获取客观世界物理信息，具有十分广阔的应用前景，能应用于军事国防、工农业控制、城市管理、生物医疗、环境监测、抢险

24、救灾、防恐反恐、危险区域远程控制等诸多领域。随着传感器网络的深入研究和人广泛应用，传感器网络将逐步深入到人类生活的各个领域牌叫本课题中利用无线传感器网络构建城市道路交通监测系统正是在城市管理和环境监测等多方面的综合运用。现代社会是一个经济高速发展的社会，人们生活水平不断提高，购买汽车的人越来越多，城市的道路上的车辆也越来越多，直接对交通道路负荷带来了挑战，以至于交通事故频繁发生。因此，如何高效地利用有限的交通资源，保证安全驾驶是一项重要任务。为了提高交通安全性，国内外研究者已经提出了交通监控系统用于高速公路的监事与控制。但由于各领域的研究者考虑的重点及应用范围不同、广泛布置应用的成本过高以及功

25、能不够完善等原因，使建立的交通监控模型并不能广泛用于我国各大城市交通之中U(ML而利用无线传感器网络技术建立的道路交通监控系统经论证，满足以下优点：(1)能够对各个道路上的车辆速度、车辆体积进行按需求测量，在利用有代表性的电磁传感器的基础上，提出了普遍性解决方法。用户可以根据不同的应用需要适当的接入其他类型的传感器，做到按需求测量、处理、分析数据。所以本监控系统无论是在道路监控还是智能建筑等相关应用方面具有很强的可扩展性；(2)能够对不同道路上的车流量进行分析，详细记录某路段的车辆行驶密度，统计出各路段的负荷量，可将常年大负荷量路段的信息反馈给相关部门，以便对此路段进行重点对待；(3)传感器节

26、点成本低廉、结构相对简单，可满足大范围的道路铺设需求，克服了传统的传感器测量范围受限的窘境，用户只需按照测量需要，对要测量的区域进行针对性铺设，而其他无关紧要的区域则不必铺设，以节省成本和工作人员的工作量；(4)车辆的探测采用电磁传感器，道路采用湿度传感器，不易受到时间和天气等因素的限制；同时对道路的积水量多少、结冰情况探测，并判断道路车辆行驶的安全度,为用户车辆的安全行驶提供理论参考依据；(5)每个传感器节点的能量消耗管理与补充，不会因为电池能量过度浪费而导致系统寿命过短，大程度的减少人工充电的次数，也不会因为能量供应范围而限制到传感器节点的布置广度，克服了一般传感器的能量限制条件，延长了整

27、个系统的使用寿命。2道路交通监测系统的结构在德克萨斯州交通协会(TeXaSTranSPortatiOnInStitute,TTl)2010年度城市流动报告中提到：在现阶段，很多国家的城市交通发生拥堵、混乱的现象特别严重，且这种现象的出现频率在持续增长当中。为了制定合理有效的管理措施，测量交通状况这一工作将不可缺少。如，交通管理中心可以利用测量的数据在重点交通路口根据车流量大小优化交通红绿灯并分析此路段是否会出现拥堵，再将分析的结果提供给驾驶员，提醒他们重新选择更优驾驶路线。传统的有关测量交通状况的探测器在国内外也有研究，如：感应环探测器，微环探针等，但是这些传统的探测器在安装和维修时会不同程度

28、的破坏道路，这将直接引起高的安装与维持代价问题。近年来人们也做了大量的研究，随之出现的探测手段也进一步多样化，如：视频图像类探测器，微波雷达,激光雷达，被动红外，超声波，被动声波探测器等。但是这些设备材料高成本以及受环境影响探测精度将会改变的特性限制了应用范围。现今无线传感器网络的出现为交通探测提供了前所未有的应用平台，以其低成本，高可靠性，广泛性以及灵活性而脱颖而出。本课题是在WSN的基础上设计开发交通监测系统，不但继承了无线传感器网络的以上优越性，而且很好的与道路交通监测的应用需求相对应。本章主要介绍了无线传感器网络车辆道路交通监测系统的框架模型和设计方法的理论论证。2.1 系统的构成和功

29、能2.1.1 道路交通监测系统的建立本课题研究一种新型的道路车辆检测系统，该系统利用无线传感器网络中各个节点对道路进行分别测量，对结果进行汇总处理。也就是说由传感器节点互联成网，共同负责大区域的监测。所以网络的组成需要多个传感器节点来共同组成，而每一个节点又包含传感器模块(电磁传感器、结冰传感器、光电传感器等)、微处理器模块、无线收发模块、电池模块等硬件部分。为了保证系统对交通状况和车辆信息进行检测，将系统的工作流程做如下设计：由传感器模块对过往的车辆信息和道路状况进行探测，再由处理器分析测量到的数据,从而计算出车辆的数量、运动方向、速度、长度以及路面的结冰情况、探测区域的大雾等状况。一般而言

30、，子节点的传感器模块检测到的信息并不会直接进行自行计算，而要经过多跳的路由传输到Sink节点（汇聚节点）（17oSink节点对所在区域子节点上传的大量数据，一般会进行计算、冗余判断和数据融合处理，再将处理后的数据按照基于位置信息通信协议发送到监控中心，由监控中心对交通进行直观显示和控制。对上面提到的子节点和Sink节点进行任务分工是考虑到客观因素的限制。在很多情况下,仅仅依靠传感器其本身模块检测到的数据，并不能直接通过结果分析得到所需要的数据结果网。如：本监测系统是通过电磁传感器模块对过往的车辆信息进行探测的，当有车辆通过的时候，电磁传感器的输出电压会发生改变，也就是说，电磁传感器只能记录车辆

31、通过时的电压变化和车辆的通过时刻。这样来说，单个节点的电磁传感器得到的数据信息有限而不能通过计算得到车辆的速度，所以需要多个节点共同采集信息来共同计算而完成速度测量这一目的。如图2-1所示，为双车道时的系统组网与工作示意图。图2-1无线传感器网络交通监测系统示意图因为在检测车辆通过信息的时候，电磁传感器是利用了车辆的铁质外壳对环境磁场的影响，所以被检测的车辆无需携带其他附加设备系统也能够正常工作，因此，该系统在大大降低了用户成本的同时，也能对任何进入监控区域的车辆进行检测。在实际应用的时候，传感器节点只需要分布在道路旁即可完成系统安装。为了便于网络中各节点的管理，由系统将监测区域进行划分，每个

32、小区域内由Sink对所在区域的子节点进行管理，而Sink节点受控于总控制中心1。同时，为了实现各种区域内Sink节点的区分和同区域内的子节点之间的区分，系统事先将会为每个节点分配各自独立的地址，且高位地址表示整个系统中节点所在区域，而低位地址表示每个Sink节点所管理区域的节点的逻辑地址。这就将整个系统实现了分区域、分层次的树状管理网络mi。2.1.2 系统中节点的结构一般而言，传感器节点要正常工作，需要包含硬件和软件两方面的内容。其中硬件部分主要有以下几个方面构成：电磁传感器，MPU控制单元，信号收发单元，结冰传感器，电源部分，如下图2-2所示。数据上传1结冰传感器其他传感器电磁传感器传感器

33、部分MPU控制单元T信息4传输信号收发单元能量供给4能，供给电源模块能量供给图22单节点的总体硬件结构图就硬件部分而言，传感器部分利用了Honeywell公司的HMC1021磁阻芯片，设计了以其为主的电磁传感器。同时也接入了一种温湿度传感器。处理器部分和收发器利用了JenniC公司的JN5139集成模块。其中处理器是一种32位16MHZ精简指令集、内含192KB的ROM和96KB的RAM的JN5139单片机,适用于在Zigbee和802.15.4规范的基础上进行低速自组网的协议开发。而收发器与天线为低额定功率且直接集成在单片机上，用户在无线通信开发时，减少了硬件电路开发的工作量。能量使用与供应

34、方案一直是无线传感器网络的重点技术，为了减少系统空闲时的能量消耗，提高能源利用率，系统为每个节点设置了工作、空闲、睡眠等几种模式，这几种模式下节点的能量消耗差别很大，当系统工作量很小的时候，将监控系统中节点的工作模式进行分批转换成睡眠模式（其中空闲模式可以设置为睡眠与工作模式的过渡状态）。能量的供应与补充本课题提出了几种方案：较简单的一种是利用道路上基础设施进行电压转换或充电；另一种情况是设计一种光电或者风能电源，为能源的不断供给提供了可能性31。而软件部分的设计虽然根据处理器芯片的参数、编译环境和开发语言的不同而在设计的时候具体工作会有所差异，但是每种类型的节点所负责的功能基本相同。MPU单

35、元作为节点工作的控制者，它主要完成外部数据的接入，数据的计算和数据的发送等方面的工作。所以能够采用的节点设计方法并不唯一，下面提供两种：方案1：采用的是JenniC公司的JN5139嵌入式处理器，其中控制程序的编写是以CodeBlocks编译软件为开发环境,利用了C+语言规范和的API特殊函数的程序手册，实现了微控制器对外设的自动控制。JN5139集成了MPU微处理器和无线收发通信模块，提供了一种针对硬件操作的API（IntegratedPeriPheraISAPl）函数，以及与之相对应的编译环境（JenniCCodeBlocks,兼容C+语言），用户只要拿着APl函数手册就可以实现对外部硬件

36、进行应用层的开发。JN5139中针对不同的应用定义了大量应用函数，为用户的开发降低了难度，也节省了工作量。同时JN5139的微控制器为基于Zigbee和802.15.4基础的传感器网络协议开发提供了软件平台，设计者在利用CodeBlocks软件设计时，只需要选择建立不同类型的工程来设计是基于Zigbee还是基于802.15.4的协议开发。JenniC公司所提供的JN5139单芯片解决方案不但可以标准的Zigbee终端产品，还能够在很大程度上降低产品成本，缩减新产品的上市时间。而基于IEEE802.15.4规范的协议具有超低功耗、低速率(250KB/S).短距离无线网传输等优秀特点，同时它具有较

37、好的数据安全性以及非常灵活的组网能力，满足大规模网络应用的需要。方案2：当今，ARM系列的微处理器成为了很多手机等智能终端的首选，有着其独特的优势。因此，硬件方面也可以做如下选择：处理器采用ARM7,无线收发器件选用ChiPCon公司的CClOOO等系列的芯片。作为一种主流嵌入式处理器，在传感器节点开发的时候可以向ARM中植入TinyOS和COS-11等微型实时多任务操作系统。上面已经介绍，TinyOSUCBerkeley(加州大学伯克利分校)研发的一种源代码开放的、无线传感网络设计所专有的一种嵌入式操作系统，该系统具有基于构件(component-based)的架构的特性，让程序的快速更新成

38、为了可能，同时减小了代码长度和复杂度，减轻了节点存储空间限制和开发难度的问题。而且其利用事件驱动执行模型，使时序的安排具有灵活性，电源的管理具有良好特性。目前，TinyoS已被广泛应用于分布式多平台的感应板中。而COS-11也是一种源代码公开的、抢占式的实时多任务内核的操作系统，它专为微控制系统和软件开发而设计。当一段微控制器启动后，系统背景程序将首先执行，且作为整个系统的框架贯穿系统运行的始终。芯片CCl(X)O具有：低工作电压(仅2.33.6V),极低的功耗，高灵敏度(一般-109dBm),低可编程输出功率G2010dBm),小尺寸等特点。而且具有250HZ步长的可编程频率能力，通过串行总

39、线接口编程改变工作参数的能力，所以使用将非常灵活。在现有的ARM处理器中嵌入TinyOS等操作系统可以完成对数据的实时处理，网络协议的编写，以及电源能耗的管理等田1。根据以上两种方案的特点进行分析，在实验的时候，考虑到JenniC公司的JN5139集成模块开发的灵活性，所以本课题采用方案1。2.1.3 电磁传感器和路面结冰情况的研究(1)电磁传感器。在过去的几十年内，用于交通监测系统的传感器发展十分繁多，从空气管到感应环，但是他们大多数的传感器测量的信息量都非常有限，所以为了得到等多的车辆信息，如车速、行驶方向车长等信息，需要另想他法。事实上，考虑到大部分的交通车辆的外壳都是铁质的，为了实现道

40、路上车辆的探测，电磁传感器是一种不错的选择。但是并不是所有的电磁传感器都能够探测车辆在户外运动的磁场环境。因此，为系统设计了一种基于HMClo21的电磁传感器，它利用了地球磁场所提供的外环境，当车辆通过时，会对某点的磁场产生扰动，通过监测地球磁场的变化判断车辆通过信息网。通常情况下，利用地磁场提供的一个0.50.6gauss的相对稳定磁场作为偏置外环境，当车辆从电磁传感器上方通过的时候，会造成传感器所在位置的磁场大小发生改变。因为车辆的外壳一般是由软铁和硬铁合成的铁质材料，其中软铁材料是一种能够汇聚磁场让磁通量发生变化并不会被磁化的铁质，而硬铁材料虽然能够汇聚磁场改变磁通量，但是同时会被磁化使

41、磁场残留。但是硬铁质被磁化的大小是有限的，即使当有磁通量密度达到上百高斯的外部磁场通过的时候，硬铁被磁化的磁通量大小还不到2gauss0软铁质虽然能够会汇聚磁场，但是其增加的磁通量大小还不到硬铁质所磁化的大小的一半。如果磁场在软铁质处汇聚的时候，此处的总磁场表现为沿着原来磁场方向发散。所以可以在电磁传感器处，在0.50.6gauss的地磁场偏置的基础上，出现3gauss的动态磁场大小变化。一般而言，受检测距离和障碍物的影响，电磁传感器的设计者不可能完全检测到此动态范围，而通常只会得到1gauss的动态范围，这对于灵敏度为ImVVgauss的HMClO21磁阻芯片来说是完全可以检测的出来的冲】。

42、下图23为汽车通过对地磁场的影响示意图3】。地磁场偏置俵期舞节点信号图2-3车辆通过时电磁传感器信号变化示意图就一般的探测车辆的状况的电磁传感器来说，车辆通过会让探测器的输出发生改变，而没有车辆通过探测器周边的磁场相对稳定，因此可以说通过时的电压输出变化大小和具体数值的多少并不会对系统的测量产生多大影响，只需要判断出有车辆通过时有输出电压变化，无车辆通过时无输出电压变化。所以，在设计的时候对输出电压信号的放大倍数可以按需要随意设定。关于一般标准尺寸的小汽车对地球磁场的变化影响，在加州大学伯克利分校的研究者做了更深入的研究，他们对具体位置的相对磁场大小进行了检测，并得出了磁场变化的三维动态示意图

43、，如图2-4所示3】。图24 车辆对地磁场在Z轴方向上的影响3）TIUn胆醺质圉然氏SIM三本系统在设计的时候，可以根据电磁传感器的输出电压信号变化，而不需要任何其它的硬件设施来分析计算后实现对通过的车辆进行计数（即车流量测量），车辆速度和位置等交通参数测量。I）车流量的测量：当有车辆经过后，电磁传感器输出发生变化，经过计算判断后为有效信号，既可以通过加法计数实现对某节点处的车流量进行测量。2）车速的测量：将两个节点安装在比较接近的两个点上，这两个点之间的距离是do当汽车向前行驶由第一个节点纪录下这个时间，同理也可以纪录下通过第2个节点的时刻，两个时刻间该车的位移量为d,用d除以时间差就可以得

44、到这段时间内的平均速度，当d较小时就可以将这个速度当作瞬时速度了。需要指出的是，车速的测量则需要多个传感器节点来协作完成（至少需要两个节点），且系统的各节点需要时钟同步。3)车辆位置检测：如果车A在某一时刻通过节点1,稍后又通过节点2,而节点3则一直没有检测到A车的存在那么就可以说车A在节点2与节点3之间，并向节点3行驶。此处需要用到无线传感器网络的定位算法，并以此处的测量节点为参考得到车辆的大概位置。可以看出，在传感器网络中，对电磁传感器的合理利用可以得到多个有用的结果，电磁传感器效果的好坏直接决定了后期其他各种参数的测量结果，所以电磁传感器的设计将成为交通监测系统设计中的关键技术。为了保证

45、信号的优化，在将信号接入系统之前，需要利用高精度的差分放大和噪声滤除电路对HMC1021的输出波形进行前置处理。考虑到信号的主要噪声为高频电磁波，所以设计的噪声滤除电路主要为高性能的低通滤波器。(2)上面已经介绍了电磁传感器的基本工作原理，当有车辆通过时，节点上的电磁传感器能够检测到电压脉冲，再根据此脉冲信号处理，可以得到车辆的大概车长，车辆速度以及某处的车流量情况。根据某路段车速、车流量的情况可以合理分析路况和调配交通资源。但是为了监测车辆的进一步安全行驶状况，避免不必要的由道路结冰以及大路潮湿等造成车辆打滑而引起的交通事故发生，本方案扩展了系统的功能。只需要在原有电磁传感器的基础上给每个节

46、点接入一个结冰传感器从而让系统能够检测到道路的结冰情况，提前给出驾驶者速度限制和最优路段选择提示，最大限度的减小由于车辆打滑而失控造成的交通事故发生可能性。这么多年来，结冰传感器的研究可以说是海量的，如何选择合理的结冰传感器是本系统开发所要求的必要的任务P*本系统最终的目的是：要将无线传感器网络用于道路交通监测，对每个节点的安装布置环境有所限定，因此节点对传感器的要求有特殊的地方：首先，传感器材料成本或者市场价格不能过于昂贵，否则后期做出产品后，应用时大面积铺设将会代价过高，不利于广泛商业应用；其次，传感器测量的数据不能太复杂，因为每个节点在降低成本和材料体积的同时数据处理能力有限，如果采集的

47、数据复杂，系统在处理时不但会影响可靠性和实时性，更有可能造成硬件的永久性损害，假如：给节点加上摄像头，那么在采集到的数据信息为图像信息，大家都知道图像类数据一般比较大，即使再小的图像数据跟电磁传感器采集的以Bit为单位的数据相比也会大很多，另一方面，在大容量的数据信息在处理时，对CPU的要求更高，其占用的资源更多，数据处理和识别算法更复杂，对设计人员的技术水平要求也更加苛刻，而且摄像头拍摄到的图像数据中有很多冗余信息,垃圾信息，造成系统资源浪费，从此处可以看出，简单的将摄像头接入监控交通系统是非常不合理的；再次，由于本文中多次强调过监控系统的实时性，即：结果能够及时或者提前分析出来，反馈给用户，避免信息过时而引起的不良后果，所以选择的传感器数据采集能力要快，而且考虑到节点一般安装在道路之下，当车辆过往时，对地面有较大的压力和较强的震动性，所以要求传感器本身的防干扰和防破坏能力要较好；最后，除了以上几个方面外，传感器选择时还要考虑传感器的稳定性以及环境的自适应能力，为了扩大系统监控范围和实际应用价值，组网的范围将会很广，要求节点铺设区域将会很大，这就会造成这个系统中很多传感器所处的环境不一样，如温度高低的不同、所受压力不同、振动幅度不同、湿度不同、光线的明暗度的差异等。