CN100474352C - 道路交通监测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及监测系统，道路交通监测系统，由控制中心、无线通信模块及信息采集系统构成，信息采集系统由无线传感器节点和控制节点组成，无线传感器节点安装在车道上负责测量交通流量、行驶速度等信息，并将信息传送给控制节点，控制节点与分布在一个区域内的无线传感器节点组织成一个多跳星型网络，一方面从无线传感器节点网络中获取信息，另一方面通过GPRS通信模块将信息发送到控制中心。本发明道路交通监测系统价格低廉，无线传感器节点通过无线方式传送测量数据，不必切开路面，方便安装，具有高可靠性，在恶劣气侯条件下仍能够可靠地工作，为交通控制提供依据，缓解交通拥堵、降低尾气排放，保证交通安全。
Description
技术领域：
本发明涉及监测系统，特别是交通监测系统。
背景技术：
随着汽车保有量的不断提高，城市道路拥堵现象日益严重。为了有效地疏导城市交通，交通管理部门必须及时地掌握当前城市道路的行车状况，而交通信息采集系统正是完成这一任务的关键环节。交通信息采集系统的种类很多，目前城市街道中应用最为广泛的有感应线圈探测器、超声波探测器和视频探测器等。这些常用的探测设备的一个共同特点就是相互之间没有协作，各自独立地完成自己的任务。如每一个感应线圈探测器就是一个独立的单元，负责探测通过其的车辆，而与其它邻近的感应线圈探测器没有任何关系。这一方面会造成每一个探测器都需要有连接到控制器的导线，以传递自己的测量信号，这无疑增加了安装设备的工作量；而另一方面还会限制探测器的安装位置，因为这些常用的探测设备都需要交流供电设施，所以它们一般都被安装于供电方便的城市交叉路口附近，而交叉路口处的车速信息已经不能真实反映车辆在远离交叉路口的区域内的行使情况。
发明内容：
本发明的目的是克服目前城市交通信息采集设备存在的上述问题，提出一种道路交通监测系统，系统简单，安装方便，更重要的是信息及时准确，安全可靠，成本低。
本发明为实现上述目的所采用的技术方案是：道路交通监测系统，由控制中心、无线通信模块及信息采集系统构成，信息采集系统由无线传感器节点和控制节点组成，无线传感器节点安装在车道上负责测量交通流量、行驶速度等信息，并将信息传送给控制节点，控制节点与分布在一个区域内的无线传感器节点组织成一个多跳星型网络，一方面从无线传感器节点网络中获取信息，另一方面通过GPRS通信模块将信息发送到控制中心。
所述信息采集系统为控制节点与无线传感器节点组成的以控制节点为中心的2-4跳星型网络。
所述信息采集系统为以控制节点为中心的两跳星型网络，两个无线传感器节点组成一个监测单元，其中一个无线传感器节点为一跳节点，另一个无线传感器节点为两跳节点，一跳节点直接与控制节点通信，两跳节点通过一跳节点的中继将数据传回控制节点。
所述一跳节点一方面可以测量汽车流量和车辆速度，另一方面为两跳传感器节点中继数据，一跳节点在收到控制节点的标志(Beacon)信号后，与其它一跳节点和控制节点实现同步，然后在允许的范围内随机选择工作时间，向可能存在的两跳节点发送接收就绪信号，然后切换到接收状态，等待两跳传感器节点的回传信息，如果接收到两跳节点的回传信息，则立即进入发送状态，向控制节点发送采集到的交通信息，如果在规定的时间内没有收到两跳节点的数据，则只把自己的信息发送给控制节点，之后关闭射频模块，当应答消息(ACK)时隙即将到达时，一跳节点打开射频模块，准备接收ACK分组，在接收到ACK分组后，查找分组中是否包含自己的ID号，如果发现自己的ID号，则关闭射频模块，延时等待邀请时隙的结束；如果没有发现自己的ID号，则会邀请时段内随机退避一段时间后，重新发送数据，邀请时间结束后，便开始温度和车辆检测工作，测量结束后重新开始下一个工作周期。
所述两跳传感器节点的主要任务是测量汽车流量和行驶速度，两跳传感器节点首先要等待接收来自一跳传感器节点的消息，实现与控制节点和一跳节点的时间同步，之后把自己的测量数据发送给一跳节点，等到网络进入休眠时段后，两跳传感器节点开始对行驶车辆进行计数和测量车速：两跳传感器节点采集前端磁场传感器输出的磁场信号，发现第一辆车辆通过，便立即启动定时器记下车辆通过的时刻，然后采集后端磁场传感器的输出信号，车辆检测算法检测到车辆后，微处理器就停止定时器计时，通过计时器的记录下的时间长短，计算出车速的大小，此后，微处理器将采样频率降低到采样频率，重新开始车辆的计数工作，直至休眠时间结束。
所述无线传感器节点由供电单元分别为微处理器、传感器单元及收发单元提供电源，传感器单元为磁阻传感器经两级放大器放大信号后输入至微处理器，微处理器通过自带的A/D转换器采集传感器单元的信号，信息经处理后发送至收发单元，收发单元将信号发送到指定处。
所述传感器单元还装有刷新脉冲发生器与磁阻传感器相连，刷新脉冲发生器由微处理器控制，用于定期恢复磁阻传感器的检测灵敏度。
所述传感器单元装有两个相距10-15厘米的磁阻传感器，两磁阻传感器各接一个一级放大器一级信号放大，再经同一个双运算二级放大器放大后将信号传输至微处理器，微处理器控制一个刷新脉冲发生器，刷新脉冲发生器分别与两磁阻传感器连接。
本发明所述的道路交通监测系统，无线网络具有多跳星型拓扑结构，由于无线传感器节点使用的是微功耗短距离射频单元，多跳的网络拓扑配置可以扩展无线传感器网络的监测范围，实现大范围监测。由于汽车发动机含有大量磁性材料，当其经过无线传感器节点时，磁场信号探测单元便会检测到一个突变的磁场信号，微处理器根据采集到的这种突变信号便可以判断出有车辆经过，并进一步测量出其行驶速度。测量结果通过射频收发单元发送出去，从而避免了有线数据传送，简化了安装。如两跳网络，无线传感器节点被配置为一跳传感器节点和两跳传感器节点，并且一个一跳节点与一个两跳节点组成一个监测单元，其中一跳传感器节点直接与控制节点通信，两跳传感器节点通过一跳传感器节点的中继把测量数据后传到控制节点。这样设计的目的是为了便于实现节能的网络通信协议设计。各监测单元以时分复用(TDMA)方式依次将采集的数据发送到控制节点，无线传感器节点在自己的时隙内打开射频单元发送数据，而在其它节点的时隙内关闭射频单元实现节能。
本发明道路交通监测系统价格低廉，无线传感器节点通过无线方式传送测量数据，而且由电池供电，此外，传感器节点还可以用胶直接粘接于路面，不必切开路面，这些特点都极大地方便了该监测系统的安装。无线传感器节点通过磁场信号对行使的车辆进行非接触测量，具有高可靠性，在雾天、雨天、雪天等恶劣气侯条件下仍能够可靠地工作。该系统可以准确及时地将测量数据传送回交通控制中心，为交通控制提供依据，从而缓解交通拥堵、降低汽车尾气排放，保证交通安全，具有重大的实用价值。
附图说明：
图1为本发明结构示意图。
图2(a)为在交叉路口处测量如在交叉路口处测量各个方向的流量数据。
图2(b)在远离交叉路口的道路上测量各车道的交通流量、行驶速度等数据。
图3为本发明一跳节点程序控制图。
图4为本发明两跳节点程序控制图。
图5为本发明无线传感器节点结构示意图。
图6为本发明实测得到的车辆通过时磁场信号的变化曲线图。
具体实施方式：
如图1所示的道路交通监测系统，由控制中心3、无线通信模块2及信息采集系统1构成，信息采集系统由无线传感器节点和控制节点4组成，无线传感器节点安装在车道上负责测量交通流量、行驶速度等信息采集，并将信息传送给控制节点，控制节点与分布在一个区域内的一跳和两跳无线传感器节点组织成一个两跳星型网络，如图2所示，图2(a)为在交叉路口处测量如在交叉路口处测量各个方向的流量数据。图2(b)在远离交叉路口的道路上测量各车道的交通流量、行驶速度等数据。控制节点一方面从无线传感器节点网络中获取信息，另一方面通过GPRS通信模块将信息发送到控制中心。
控制节点4由微功耗微处理器MSP430F149、基于nRF905射频收发单元和GPRS通信模块组成，需要外部供电设备，控制节点利用基于nRF905的射频收发单元通过无线传感器网络协议收集来自无线传感器节点的测量数据，然后把采集到的道路信息通过GPRS通信模块发送到交通控制中心。
无线传感器节点如图5所示，由微处理器13、基于nRF905射频收发单元12、传感器单元8和供电单元14组成。供电单元为一次性锂电池15经电压变化集成电路TPS60101的处理转换后分别为微处理器MSP430F149、传感器单元及收发单元提供电源，传感器单元为磁阻传感器7经两级放大器放大信号后输入至微处理器，微处理器通过自带的A/D转换器采集传感器单元的信号，信息经处理后发送至收发单元，收发单元将信号发送到指定处。传感器单元还装有刷新脉冲发生器9与磁阻传感器HMC1021相连，刷新脉冲发生器由微处理器控制，用于定期恢复磁阻传感器的检测灵敏度。传感器单元装有两个相距10-15厘米的磁阻传感器，两磁阻传感器各接一个一级放大器11(INA155)一级信号放大，再经同一个双运算二级放大器10(OPA262)放大后将信号传输至微处理器，微处理器控制一个刷新脉冲发生器，刷新脉冲发生器分别与两磁阻传感器连接。传感器单元负责探测周围环境磁场的变化，并将测量信号送入微处理器的A/D转换器，被转换为数字信号。一跳节点5一方面可以测量汽车流量和车辆速度，另一方面为两跳传感器节点中继数据，同时还可以测量温度。如图3所示，一跳节点在收到GPRS网络接入节点的Beacon信号后，便可以与其它一跳节点和GPRS网络接入节点实现同步，然后在允许的范围内随机选择一个宏时隙作为自己的工作时间。在选择的宏时隙到达后，一跳节点首先广播Hello消息，然后切换到接收状态，目的是寻找两跳传感器节点。如果接收到两跳节点的回传信息，则立即进入发送状态，向GPRS网络接入节点发送采集到的交通信息。还有一种可能是在规定的时间内没有收到两跳节点的数据，那么，它就只把自己的信息发送给GPRS网络接入节点，之后关闭射频模块，实现节能。当ACK时隙即将到达时，一跳节点打开射频模块，准备接收ACK分组。在接收到ACK分组后，就会查找分组中是否包含自己的ID号，如果发现自己的ID号，则关闭射频模块，延时1s的时间，等待邀请时隙的结束。如果没有发现自己的ID号，则会邀请时段内随机退避一段时间后，重新发送数据。邀请时间结束后，便开始为期1分钟的温度和车辆检测工作(具体过程见两跳传感器节点的说明)。测量结束后重新开始下一个工作周期。
两跳传感器节点6的任务是测量汽车流量和行驶速度，如图4所示，为了能够将自己的测量结果发送回GPRS网络接入节点，两跳传感器节点首先要等待接收来自一跳传感器节点的Hello消息。依靠Hellow消息可以实现与GPRS网络接入节点和一跳节点的时间同步，之后把自己的测量数据发送给一跳节点。等到网络进入为期1分钟的休眠时段后，两跳传感器节点开始对行驶车辆进行计数和测量车速。为了完成车辆计数工作，两跳传感器节点用100Hz的采样频率采集前端磁场传感器输出的磁场信号，并利用前一章介绍的检测算法判断有无车辆，一旦发现第一辆车辆通过，便立即启动定时器记下车辆通过的时刻，然后用1KHz的采样频率采集后端磁场传感器的输出信号，车辆检测算法检测到车辆后，微处理器就停止定时器计时，这样通过计时器的记录下的时间长短，便可以计算出车速的大小。此后，微处理器将采样频率降低到100Hz，重新开始车辆的计数工作，直至1分钟的休眠时间结束。
如图6所示，在没有车辆经过传感器节点时，磁场信号在一定的范围内波动，当有车辆经过时，磁场信号便会出现明显的正负脉冲信号。当车辆正向通过传感器节点时，磁场信号先出现正向脉冲，并紧随一个反向脉冲，而当车辆反向通过时正负脉冲出现的次序相反。
下面是一跳节点的一段程序源代码：
//告诉转发器这个节点下一次的退避时间数
Message[4]＝TimerA_Count；
Hop[4]＝TimerA_Count；
Power_Off()；
Count＝0；
TimerA_Start()；
while(TimerA_Flag＝＝0)；
TimerA_Flag＝0；
Standby_Mode()；
Send_Mode()；
TxAdress()；
SendData(Hop)；
P1OUT|＝TRX_CE；
Delay_us(50)；
P1OUT&＝～TRX_CE；
Delay_us(800)；
while((P2IN&0x04)＝＝0)；
Power_Off()；
Claims (6)
1、道路交通监测系统，其特征是：其由控制中心(3)、无线通信模块(2)及信息采集系统(1)构成，信息采集系统由无线传感器节点和控制节点(4)组成以控制节点为中心的2跳星型网络，无线传感器节点安装在车道上负责测量交通流量、行驶速度等信息采集，两个无线传感器节点组成一个监测单元，其中一个无线传感器节点为一跳节点(5)，另一个无线传感器节点为两跳节点(6)，一跳节点直接与控制节点通信，两跳节点通过一跳节点的中继将数据传回控制节点，控制节点与分布在一个区域内的无线传感器节点组织成一个2跳星型网络，一方面从无线传感器节点网络中获取信息，另一方面通过GPRS通信模块将信息发送到控制中心。
2、根据权利要求1所述的道路交通监测系统，其特征是：一跳节点一方面测量汽车流量和车辆速度，另一方面为两跳传感器节点中继数据，一跳节点在收到控制节点的标志信号后，与其它一跳节点和控制节点实现同步，然后在允许的范围内随机选择工作时间，切换到接收状态，寻找两跳传感器节点，如果接收到两跳节点的回传信息，则立即进入发送状态，向控制节点发送采集到的交通信息，如果在规定的时间内没有收到两跳节点的数据，则只把自己的信息发送给控制节点，之后关闭射频模块，当应答消息时隙即将到达时，一跳节点打开射频模块，准备接收应答消息分组，在接收到应答消息分组后，查找分组中是否包含自己的ID号，如果发现自己的ID号，则关闭射频模块，延时等待邀请时隙的结束；如果没有发现自己的ID号，则会邀请时段内随机退避一段时间后，重新发送数据，邀请时间结束后，便开始温度和车辆检测工作，测量结束后重新开始下一个工作周期。
3、根据权利要求1所述的道路交通监测系统，其特征是：两跳传感器节点的主要任务是测量汽车流量和行驶速度，两跳传感器节点首先要等待接收来自一跳传感器节点的消息，实现与控制节点和一跳节点的时间同步，之后把自己的测量数据发送给一跳节点，等到网络进入休眠时段后，两跳传感器节点开始对行驶车辆进行计数和测量车速：两跳传感器节点采集前端磁场传感器输出的磁场信号，发现第一辆车辆通过，便立即启动定时器记下车辆通过的时刻，然后采集后端磁场传感器的输出信号，车辆检测算法检测到车辆后，微处理器就停止定时器计时，通过计时器的记录下的时间长短，计算出车速的大小，此后，微处理器将采样频率降低到100Hz，重新开始车辆的计数工作，直至休眠时间结束。
4、根据权利要求1所述的道路交通监测系统，其特征是：无线传感器节点由供电单元(14)分别为微处理器(13)、传感器单元(8)及收发单元(12)提供电源，传感器单元为磁阻传感器(7)经两级放大器放大信号后输入至微处理器，微处理器通过自带的A/D转换器采集传感器单元的信号，信息经处理后发送至收发单元，收发单元将信号发送到指定处。
5、根据权利要求4所述的道路交通监测系统，其特征是：传感器单元还装有刷新脉冲发生器(9)与磁阻传感器相连，刷新脉冲发生器由微处理器控制，用于定期恢复磁阻传感器的检测灵敏度。
6、根据权利要求4或5所述的道路交通监测系统，其特征是：传感器单元装有两个相距10-15厘米的磁阻传感器，两磁阻传感器各接一个一级放大器(11)一级信号放大，再经同一个双运算二级放大器(10)放大后将信号传输至微处理器，微处理器控制一个刷新脉冲发生器，刷新脉冲发生器分别与两磁阻传感器连接。
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