摘要:實(shí)現(xiàn)了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的交通信息采集系統(tǒng),采用磁阻傳感器,通過(guò)測(cè)量地磁的變化來(lái)檢測(cè)車輛信息,用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù),該系統(tǒng)不需要大規(guī)模挖開路面鋪設(shè)車輛檢測(cè)器,具有安裝簡(jiǎn)易,維修方便等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)采用B/S結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了交通信息的管理,用戶可以在遠(yuǎn)程終端利用瀏覽器在線監(jiān)測(cè),實(shí)時(shí)分析交通信息數(shù)據(jù),并進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控和維護(hù)。
關(guān)鍵詞:無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò);交通信息;數(shù)據(jù)管理;B/S結(jié)構(gòu)
0 引言
城市交通問(wèn)題是世界各國(guó)的普遍性問(wèn)題,智能交通系統(tǒng)(Intelligenee Transportation System)是解決日益嚴(yán)重的城市交通問(wèn)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(chǔ)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(yīng)線圈、紅外、視頻等。其中感應(yīng)線圈是侵入式檢測(cè)(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(yīng)用的時(shí)候需要再次挖開路面,對(duì)路面的破壞很大。而紅外、視頻等屬于非侵入式檢測(cè)(Non-intrusive Detection),安裝不用挖開地面,但是仍需鋪設(shè)大量線路,而且檢測(cè)結(jié)果受大風(fēng)、雨雪等天氣影響非常大。采用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(Wireless Sensor Network,WSN)進(jìn)行交通信息的采集,可以減少線路的鋪設(shè),對(duì)路面的破壞非常小,并且測(cè)量結(jié)果基本不會(huì)受天氣影響,極大地方便了安裝和維修工作。
1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)
基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的交通信息采集系統(tǒng)主要由傳感器網(wǎng)絡(luò)、通信控制服務(wù)端、用戶端三部分組成,如圖1所示。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)負(fù)責(zé)采集路面的交通信息,將數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)傳送到通信控制服務(wù)端;通信控制服務(wù)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(yīng)用上的優(yōu)勢(shì),能夠?qū)崿F(xiàn)遠(yuǎn)程用戶使用瀏覽器在線監(jiān)測(cè)、分析和處理傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的功能,有效組織和管理傳感器網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)區(qū)域采集的信息,對(duì)用戶的設(shè)置和查詢進(jìn)行響應(yīng)。
1.1 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)
系統(tǒng)中的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)采用TI公司的CC2520芯片實(shí)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(wú)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(luò)采用不同的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)以樹形(Cluster-Tree)組網(wǎng)方式組成,網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)包括匯聚節(jié)點(diǎn)、路由器和采集節(jié)點(diǎn),采集節(jié)點(diǎn)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(diǎn)上。
采集節(jié)點(diǎn)通過(guò)對(duì)地磁的測(cè)量來(lái)檢測(cè)交通信息。地磁場(chǎng)數(shù)值較小,約0.5×10T,可以認(rèn)為地球磁場(chǎng)強(qiáng)度在一定的區(qū)域內(nèi)(大約幾千米)是恒定的。當(dāng)有磁性的物體通過(guò)時(shí),會(huì)引起物體周圍磁場(chǎng)強(qiáng)度的變化,汽車可看作多個(gè)雙極性磁鐵組成的模型,引起地球磁場(chǎng)的擾動(dòng)。汽車對(duì)地磁的干擾如圖3所示。
因此,可以利用地磁傳感器來(lái)檢測(cè)車輛通過(guò)時(shí)的磁場(chǎng)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(yīng)(Magnetoresistance Effects)原理的,磁阻效應(yīng)是指某些金屬或半導(dǎo)體的電阻值隨外加磁場(chǎng)變化而變化的現(xiàn)象。即當(dāng)外部磁場(chǎng)發(fā)生變化時(shí),傳感器內(nèi)部的電阻也會(huì)相應(yīng)的發(fā)生變化,將磁場(chǎng)強(qiáng)度轉(zhuǎn)化為電壓輸出,利用該效應(yīng),HMC1052可以測(cè)量地磁及汽車通過(guò)時(shí)對(duì)地磁的擾動(dòng)。
采集節(jié)點(diǎn)安裝于需要測(cè)量的路段,負(fù)責(zé)采集路面的交通信息,并將數(shù)據(jù)直接或者通過(guò)路由器發(fā)送給匯聚節(jié)點(diǎn)。
路由節(jié)點(diǎn)安裝在盡量靠近在采集節(jié)點(diǎn)的路旁,用于轉(zhuǎn)發(fā)采集節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)到匯聚節(jié)點(diǎn),可以根據(jù)傳輸距離的要求,采用多跳路由。同時(shí)也增強(qiáng)了網(wǎng)絡(luò)的健壯性。
匯聚節(jié)點(diǎn)也安裝在路旁,它負(fù)責(zé)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的啟動(dòng)和建立,同時(shí)還建立網(wǎng)絡(luò)安全機(jī)制、網(wǎng)絡(luò)中的綁定等,并接收采集節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。匯聚節(jié)點(diǎn)還有一個(gè)以太網(wǎng)接口,將接收到的數(shù)據(jù)通過(guò)以太網(wǎng)發(fā)送到通信控制服務(wù)端。
1.2 通信控制服務(wù)端
系統(tǒng)將無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中數(shù)據(jù)的管理和用戶的使用分離開來(lái),通信控制服務(wù)端主要負(fù)責(zé)交通流量數(shù)據(jù)的分析、計(jì)算以及存儲(chǔ)等數(shù)據(jù)管理工作。通信控制服務(wù)端通過(guò)以太網(wǎng)接口從匯聚節(jié)點(diǎn)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(hào)、采集數(shù)據(jù)、校驗(yàn)位以及包尾。數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)如表1所示。
通信控制服務(wù)端首先將這些原始數(shù)據(jù)進(jìn)行解析、重新封裝后存入數(shù)據(jù)庫(kù)。通過(guò)對(duì)這些信息的抽象,形成了數(shù)據(jù)庫(kù)的整體邏輯結(jié)構(gòu),數(shù)據(jù)庫(kù)實(shí)體關(guān)系圖(E-R圖)如圖4所示,根據(jù)實(shí)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(kù),它采用圖形化用戶界面,數(shù)據(jù)庫(kù)管理直觀,對(duì)Web技術(shù)支持,很容易地將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)發(fā)布到Web頁(yè)面上,非常適用于B/S體系結(jié)構(gòu)。通過(guò)ADO.NET(ActiveX Data Object)訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù)來(lái)實(shí)現(xiàn)用戶對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)的存儲(chǔ)、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(wèn)接口。它提供了平臺(tái)互用性和可伸縮的數(shù)據(jù)訪問(wèn),使用幾個(gè)對(duì)象就可以方便地訪問(wèn)數(shù)據(jù)庫(kù),例如SqlConnection對(duì)象管理與數(shù)據(jù)源的連接。SqlCommand對(duì)象與數(shù)據(jù)源交流并發(fā)送命令。使用SqlDataReader可以進(jìn)行快速“向前”讀取數(shù)據(jù),使用DataSet或者SqlDataAdapter實(shí)現(xiàn)進(jìn)行寫入和讀取數(shù)據(jù)源。
1.3 用戶端設(shè)計(jì)
用戶端通過(guò)瀏覽器給用戶提供一個(gè)可視化的界面與數(shù)據(jù)庫(kù)交互,負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)查詢、圖形化顯示以及監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行情況,運(yùn)行于用戶端瀏覽器的Web頁(yè)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(yīng)用上的優(yōu)勢(shì),利用多線程和模塊化思想,完成整個(gè)界面的設(shè)計(jì),用戶只需關(guān)心自己所需要的數(shù)據(jù),而無(wú)需關(guān)心傳感器網(wǎng)絡(luò)的具體實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)。從而實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程終端瀏覽器在線監(jiān)測(cè)、分析和處理傳感器節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)的功能。主要功能模塊包括實(shí)時(shí)交通參數(shù)監(jiān)控、歷史數(shù)據(jù)回放統(tǒng)計(jì)、傳感器網(wǎng)絡(luò)管理、網(wǎng)絡(luò)用戶管理、報(bào)警通知等消息處理。用戶端的功能模塊如圖5所示。
網(wǎng)絡(luò)用戶管理模塊 對(duì)不同等級(jí)的用戶分配不同的權(quán)限,普通用戶不具備傳感器網(wǎng)絡(luò)管理、用戶管理權(quán)限,可以查詢查看數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)。而管理員用戶可以進(jìn)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(shí)時(shí)交通流量監(jiān)控模塊 接收數(shù)據(jù)庫(kù)發(fā)送來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù),以實(shí)時(shí)曲線圖的方式繪制出來(lái),方便用戶直觀地觀察到每個(gè)采集節(jié)點(diǎn)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(jì)模塊 歷史數(shù)據(jù)模塊允許用戶選擇歷史時(shí)間范圍,查詢各個(gè)采集節(jié)點(diǎn)上傳的數(shù)據(jù)。還可以對(duì)歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,統(tǒng)計(jì)路口的日、周交通流量等。
傳感器網(wǎng)絡(luò)管理模塊 允許用戶對(duì)設(shè)備節(jié)點(diǎn)進(jìn)行重命名、新增、刪除操作,實(shí)時(shí)顯示網(wǎng)絡(luò)中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),同時(shí)可以顯示節(jié)點(diǎn)的路由狀態(tài)和鏈路信息,掌握網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的整體狀態(tài)。該模塊還提供了對(duì)無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)的配置和管理,通過(guò)對(duì)這些節(jié)點(diǎn)的管理,用戶可以及時(shí)了解節(jié)點(diǎn)監(jiān)控區(qū)域內(nèi)的分布情況。
報(bào)警通知等消息處理模塊 當(dāng)傳感器網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)異常,例如節(jié)點(diǎn)損壞,沒(méi)電等情況時(shí)將會(huì)產(chǎn)生一些提示、報(bào)警等消息。系統(tǒng)需要對(duì)這些消息進(jìn)行管理,一方面將這些消息存儲(chǔ)到日志中,供用戶日后查詢時(shí)使用,另一方面要將這些消息及時(shí)地通知給用戶,以便用戶采取相應(yīng)的措施進(jìn)行處理。
用戶端界面如圖6所示。
2 結(jié)語(yǔ)
本文實(shí)現(xiàn)了一種基于無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的交通信息采集系統(tǒng)。采用磁阻感器HMC1052檢測(cè)車輛信息,無(wú)線網(wǎng)絡(luò)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(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控和維護(hù)、升級(jí)。使得傳感器網(wǎng)絡(luò)易于管理和布置,提高了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)開發(fā)和維護(hù)的效率。利用多線程和模塊化技術(shù)實(shí)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(guò)長(zhǎng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)證明所實(shí)現(xiàn)的信息采集系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠,實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)目標(biāo)。