CN102184637A - 基于传感器网络的交通状态获取方法、装置以及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于传感器网络的交通状态获取方法、装置以及系统，涉及智能交通领域，为解决现有技术中交通状态信息的获取网络不能接入具有无线通信接口的传感器的技术问题而发明。所述基于传感器网络的交通状态获取方法，包括：步骤1，通过无线方式接收无线传感器发送的交通状态信息；步骤2，将所述交通状态信息发送给交通管理终端。本发明能够用于智能交通领域的交通信息的获取。

Description

基于传感器网络的交通状态获取方法、装置以及系统

技术领域

本发明涉及智能交通领域，特别是指一种基于传感器网络的交通状态获取方法、装置以及系统。

背景技术

智能交通是目前世界交通运输领域研究的前沿课题，也是目前公认的解决城市交通拥挤、改善行车安全、提高运行效率、减少空气污染等的重要途径。智能交通以信息的采集、处理和综合应用为基础，信息是智能交通技术的核心。交通状态信息作为交通信息的重要组成部分，能够对智能交通的车辆运行管理、动态路径诱导、紧急状态通报等子系统提供支持。

交通状态获取的物理基础是物理传感器，道路交通系统中所用传感器类型多、差异大。如用于道路交通管理的环形线圈、视频图像、雷达、红外、超声等传感器；用于道路交通安全保障的红外、雷达、应力应变、超声、气体等传感器；用于道路基础设施监控的温度、压力、应力应变、气体、图像等传感器等。目前交通信息采集的现状是多种类型和不同接口的传感器处于相互独立的系统中。传感器通常仅面向一两种固定应用；各传感系统之间缺乏信息交互与融合，从而造成了有价值信息的浪费和检测系统的重复建设。此外，大量传感器产生的异构数据造成了网络传输和交通管理中央计算机数据处理的巨大压力。因此，智能交通系统发展，要求信息采集采用分布式、适应多种应用服务需求的传感器网络。

目前道路交通系统中传感器网络的构建处于起步阶段，仅有部分实验路段采用传感器网络进行交通状态信息采集。在传输方式上，以有线传输为主。特别是在城市主干道、环路和主要支路上部署的传感器都采用有线通信方式。

现有技术中，基于传感器网络的交通状态获取装置采用了传感器接入结点、复合结点和中央处理机三类装置。复合节点仅采用有线通信方式采集传感器数据，无法接入新型的无线交通检测传感器，因此其应用场合受到限制。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种基于传感器网络的交通状态获取方法、装置以及系统，能够接收无线传感器发送的交通状态信息，组网方式灵活。

为解决上述技术问题，本发明的实施例提供技术方案如下：

一方面，提供一种基于传感器网络的交通状态获取方法，包括：

步骤1，通过无线方式接收无线通信接口传感器发送的交通状态信息；

步骤2，将所述交通状态信息发送给交通管理终端。

所述步骤1之后，所述步骤2之前，所述方法还包括：

对所述交通状态信息进行预处理，所述预处理包括数据格式整合、错误数据识别、数据修复或数据平滑；

所述步骤2具体为：将预处理后的所述交通状态信息发送给交通管理终端。

所述方法还包括：

根据接收的所述交通状态信息判断是否发生交通事件，生成判断结果；

如果所述判断结果为是，则将此所述通事件的信息发送给交通管理终端。

另一方面，提供一种基于传感器网络的交通状态获取装置，包括：

无线数据采集单元，通过无线方式接收无线通信接口传感器发送的交通状态信息；

传输单元，将所述交通状态信息发送给交通管理终端。

所述的基于传感器网络的交通状态获取装置，还包括：

处理单元，对所述交通状态信息进行预处理，所述预处理包括数据格式整合、错误数据识别、数据修复或数据平滑；

所述传输单元具体为：将预处理后的所述交通状态信息发送给交通管理终端。

所述处理单元还用于，根据接收的所述交通状态信息判断是否发生交通事件，生成判断结果；

所述传输单元具体为：如果所述判断结果为是，则将将此所述通事件的信息发送给交通管理终端。

所述传输单元包括：依次连接的以太网接口、信号隔离与电平转换子单元以及以太网控制器；

所述信号隔离与电平转换子单元用于，转换所述传输单元的内部电路和通信线路之间的电平，并隔离所述传输单元的内部电路与通信线路之间的信号。

所述的基于传感器网络的交通状态获取装置，还包括：有线数据采集单元，用于接收现场总线接口的传感器发送的交通状态信息；

所述有线数据采集单元包括：依次连接的总线控制器、信号隔离与电平转换子单元以及现场总线接口；

所述信号隔离与电平转换子单元用于，转换所述有线数据采集单元的内部电路和通信线路之间的电平，并隔离所述有线数据采集单元的内部电路与通信线路之间的信号。

另一方面，提供一种基于传感器网络的交通状态获取系统，包括：

无线通信接口传感器，通过无线方式发送检测的交通状态信息；

交通状态获取装置，通过无线方式接收所述无线通信接口传感器发送的交通状态信息并向交通管理终端发送；

交通管理终端，从所述交通状态获取装置接收所述交通状态信息。

本发明的实施例具有以下有益效果：

上述方案中，交通状态获取装置设置有无线通讯接口，因此，能够接收无线传感器发送的交通状态信息，组网方式灵活。

附图说明

图1为本发明所述的基于传感器网络的交通状态获取方法的一实施例的流程示意图；

图2为本发明所述的基于传感器网络的交通状态获取方法的另一实施例的流程示意图；

图3为本发明所述的基于传感器网络的交通状态获取装置的结构示意图；

图4为本发明所述的基于传感器网络的交通状态获取系统的结构示意图；

图5为本发明所述的交通状态获取装置的一实施例的逻辑结构图；

图6为本发明所述的交通状态获取装置的一实施例的具体硬件结构图；

图7为本发明实施例的统一数据格式；

图8为本发明所述的交通状态获取装置的实施例的工作流程图；

图9为传感器网络系统的典型架构示意图；

图10为本发明所述交通状态获取系统的一实施例示意图。

具体实施方式

为使本发明的实施例要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

如图1所示，为本发明所述的一种基于传感器网络的交通状态获取方法的一实施例，包括：

步骤11，通过无线方式接收无线通信接口传感器发送的交通状态信息；

步骤12，将所述交通状态信息发送给交通管理终端。

如图2所示，为本发明所述的一种基于传感器网络的交通状态获取方法的另一实施例，包括：

步骤21，通过无线方式接收无线通信接口传感器发送的交通状态信息；

步骤22，对所述交通状态信息进行预处理，所述预处理包括数据格式整合、错误数据识别、数据修复或数据平滑；

步骤23，将预处理后的所述交通状态信息发送给交通管理终端。

所述方法还包括：

步骤24，根据接收的所述交通状态信息判断是否发生交通事件，生成判断结果；

步骤25，如果所述判断结果为是，则将此所述通事件的信息发送给交通管理终端。

如图3所示，为本发明所述的基于传感器网络的交通状态获取装置，包括：

无线数据采集单元31，通过无线方式接收无线通信接口传感器发送的交通状态信息；

传输单元32，将所述交通状态信息发送给交通管理终端。

所述的基于传感器网络的交通状态获取装置，还包括：

处理单元33，对所述交通状态信息进行预处理，所述预处理包括数据格式整合、错误数据识别、数据修复或数据平滑；

所述传输单元32具体为：将预处理后的所述交通状态信息发送给交通管理终端。

所述处理单元33还用于，根据接收的所述交通状态信息判断是否发生交通事件，生成判断结果；

所述传输单元32具体为：如果所述判断结果为是，则将将此所述通事件的信息发送给交通管理终端。

所述传输单元32包括：依次连接的以太网接口、信号隔离与电平转换子单元以及以太网控制器；

所述信号隔离与电平转换子单元用于，转换所述传输单元的内部电路和通信线路之间的电平，并隔离所述传输单元的内部电路与通信线路之间的信号。

所述的基于传感器网络的交通状态获取装置，还包括：有线数据采集单元34，用于接收现场总线接口的传感器发送的交通状态信息；

所述有线数据采集单元34包括：依次连接的总线控制器、信号隔离与电平转换子单元以及现场总线接口；

所述信号隔离与电平转换子单元用于，转换所述有线数据采集单元的内部电路和通信线路之间的电平，并隔离所述有线数据采集单元的内部电路与通信线路之间的信号。

如图4所示，为本发明所述的一种基于传感器网络的交通状态获取系统，包括：

无线通信接口传感器41，通过无线方式发送检测的交通状态信息；

交通状态获取装置42，通过无线方式接收无线通信接口传感器发送的交通状态信息，并向交通管理终端发送；

交通管理终端43，从交通状态获取装置接收所述交通状态信息。

以下描述本发明所述的基于传感器网络的交通状态获取装置的应用场景。本发明所述的一种基于传感器网络的城市道路交通状态获取装置，具有现场总线通信、以太网通信和无线通信接口，并具有数据预处理功能。图5示出了交通状态获取装置的具体结构。所述的处理单元由中央处理器和存储器构成。

中央处理器采用具有较强数据处理能力的数字信号处理器(DSP)芯片，以便对交通数据进行实时处理。所述的DSP采用具有片内总线控制器的芯片，省去DSP与片外总线控制器的硬件连接和软件操作。

存储器可以是随机存取存储器(RAM)芯片。存储器用于扩展中央处理器的存储空间，该存储空间用于数据预处理的运算过程。

所述有线数据采集单元由总线控制器、信号隔离与电平转换电路和总线接口组成。所述的有线数据采集单元可以是控制器局域网(CAN)通信模块。

上述的传输单元可以为以太网通信模块。所述的以太网通信模块包括以太网控制器、信号隔离与电平转换电路和以太网接口。

所述的有线数据采集单元和传输单元中的信号隔离与电平转换电路用于实现内部电路电平和通信线路电平的转换，并隔离内部电路信号与通信线路的信号，以减少它们之间的相互干扰。

所述的无线数据采集单元可以采用协议控制器芯片加射频收发器芯片的结构，也可以采用单片集成协议控制器与射频收发器的芯片。

本发明所述的交通状态获取装置的具体工作方式为：

有线数据采集单元和无线数据采集单元分别以有线和无线的方式采集有线和无线传感器网络所测得的数据。中央处理器模块对检测得到的数据进行预处理。然后将预处理后的数据通过以太网向交通管理终端传输。此外，本发明通过预设的交通事件判别条件和检测得到的数据识别交通事件的发生，当有交通事件发生时，及时向交通管理终端发出事件报告信息。

图6示出了基于以上结构的本发明实施例的具体硬件实现方式。

所述的央处理器可以采用DSP芯片TMS320F2812，该芯片是面向测控应用的数字信号处理器，指令执行速度最高可达150MIPS，并且具有丰富的串行通信接口外设。

所述的存储器可以采用ISSI公司生产的高速静态RAM芯片IS61LV25616该芯片与DSP之间通过并行数据总线连接，DSP通过预留的外扩存储空间寻址以并行方式从该芯片读、写数据。

所述的有线数据采集单元采用CAN总线通信方式，总线控制器使用DSP芯片TMS320F2812内部所集成的CAN控制器，即eCAN模块。该总线控制器经过光耦隔离后连接到总线驱动器PCA82C250，PCA82C250的CANH与CANL(CAN高电平与CAN低电平)管脚与CAN接口相连。CAN总线控制器eCAN模块的作用是实现CAN协议的物理层和数据链路层功能，DSP通过对其进行适当的配置来控制CAN总线的工作状态并实现数据的发送和接收。光耦电路用于将DSP输出信号的电平由3.3V转换为5V，同时实现DSP与总线驱动器的隔离以避免相互干扰。CAN总线驱动器PCA82C250是CAN控制器和物理总线之间的接口，用于实现逻辑电平与总线差分电压的转换。CAN接口是用于连接CAN总线双绞线的接线口。

所述的传输单元包括以太网控制器CS8900A、10BASE-T以太网隔离传输模块HR60127和RJ45接头。CS8900A为一种10M以太网控制器，其内部集成了用于实现完整以太网收发功能的模拟和数字电路，支持全双工操作，完全符合IEEE802.3(ISO/IEC8802-3，1993)以太网标准。DSP通过并行数据总线对该芯片进行数据读写，并由该芯片负责处理以太网数据帧的发送和接收。HR60127是一种网络隔离变压器，它与CS8900相连，将以太网控制器的的逻辑电平变换成以太网通信信号，它与RJ45一同构成了以太网的物理接口。

所述的无线数据采集单元由CC2430芯片和天线构成。CC2430内置8051微处理器内核以及2.4GHz的无线射频模块，在硬件上支持IEEE802.15.4无线通信标准在此基础上可通过向CC2430内载入不同的上层软件协议栈可以实现多种不同的无线通信协议，比如低成本、低功耗的ZigBee协议。CC2430芯片与DSP之间通过串口连接，实现数据的交互。

其中，数据预处理的方法具体如下：

(1)数据格式整合

由于传感器种类很多，通信方式不一，所测的交通参数也不同。通过传感器网络从不同传感器所采集的交通状态数据格式也因而会有所不同。统一数据格式便于后续的处理和上传。将从有线和无线传感器网络收到的协议数据去掉头尾的协议控制内容，得到原始数据，然后将所采集的数据整合成统一格式，如图7所示，在本发明的一个实施例中，整合后的数据从高字节到低字节分别放置车流量、占有率、车速和采集时间。

(2)错误数据识别

传感器的故障、通信故障和环境干扰会造成所采集的交通数据中出现错误数据。错误数据识别采取的方法是：设定各检测参数的合理阈值，当检测值超出合理阈值的范围时，判别为错误数据。所述的合理阈值可通过历史数据和/或道路的情况(如限速)来设定。

(3)数据修复

对于缺失和错误的数据需要进行修补和修复。可采用相邻n个时段数据的平均值进行修复，计算式如下：

x*(t)＝[x(t-n)+x(t-n-1)+...+x(t-1)]

其中：x*(t)为t时段数据的修复值；x(t)为t时段实际检测值。

(4)数据平滑

数据平滑的目的去掉交通数据中的噪声，从而有利于提高后续的交通数据分析建模的质量。可采用指数平滑法实现数据平滑：

y(t)＝αx(t)+(1-α)y(t-1)

其中：y(t)为t时段平滑值；x(t)为t时段检测值；α为平滑系数。

事件响应功能具体通过以下方式实现。预设事件触发条件，如速度超过阈值、占有率超过阈值、流量达到阈值等，当这些条件满足时分别对应车辆超速、车辆滞留、流量饱和等交通事件的发生。本实施例的装置在每个程序循环中对比检测数据和预设条件对事件进行判别，并在事件发生时通过以太网向交通管理终端发送事件报告，事件报告中包含事件的发生时间、事件类型以及传感器检测值等。由于在每次程序循环中都会进行事件识别和上报，保证了对交通事件的及时上报。

图8示出了本发明所提供的交通状态获取装置的实施例的具体工作流程图。首先，上电后，装置进行初始化，包括DSP芯片初始化、通信接口初始化和网络参数配置等。然后，通过有线数据采集单元和无线数据采集单元向传感器网络中的有线传感器和无线传感器轮询检测数据。接下来，对采集到的数据进行预处理，包括数据格式整合、错误数据识别、数据修复和数据平滑。此后，通过对比预设的交通事件判别条件和检测数据识别交通事件的发生，如果有交通事件发生，则立即向交通管理终端发送事件报告。向有线和无线传感器采集完一轮数据之后，判断是否采集了预定量的数据。如果没有采集足够的数据，则继续轮询检测数据。如果已经采集了预定量的数据，则将数据上传至交通管理终端。此后回到数据轮询阶段循环进行该过程。

所述的检测数据轮询是指：交通状态获取装置按节点编号依次向连接在CAN总线和ZigBee无线信道上的传感器节点以及接入节点发送数据请求，并接收各节点回复的检测数据。

在本发明的另一个实施例中，借助DSP的定时器定时，按一定周期向管理终端发送数据。在向有线和无线传感器采集完一轮数据之后，查看定时器，判断是否达到了预定的发送周期。如果没有达到预定周期，则继续轮询检测数据。如果已经达到预定的发送周期，则将数据上传至交通管理终端。此后回到数据轮询阶段循环进行。

如图9所示，为传感器网络系统的典型架构，由传感器节点、汇聚节点和管理终端组成。在监测区域内部署若干传感器节点，它们通过一定的方式组建网络，并通过敏感元件对被测量进行检测，然后将检测数据传送到汇聚节点。汇聚节点对所收集的数据进行处理后，通过广域网络送达交通管理终端。

本发明中，将部署在道路上的传感器节点通过有线和无线通信的方式构成传感器网络，并在网络中对检测的数据进行处理，实现数据采集、处理、传输的功能；通过融合多个传感器节点的数据，完成单个传感器节点无法完成的任务。将传感器网络的架构应用于交通状态获取领域，实现各种交通检测装置的互联，能够更有效地利用交通检测信息，减轻网络传输压力和交通管理终端的数据处理压力。

本发明所提供的一种基于传感器网络的城市道路交通状态获取装置可以为传感器网络中的汇聚节点。如图10所示，为本发明实施例的交通状态获取系统的使用状态示意图。在道路上部署各种类型的交通检测传感器，包括不具有通信能力的传感器、具有CAN总线接口的传感器和具有无线接口的传感器。具有总线接口的传感器和具有无线接口的传感器分别通过CAN总线和无线射频将数据传输到本实施例的汇聚节点。不具通信能力的传感器将检测信号接入传感器接入节点，再由接入节点连接到CAN总线向汇聚节点传输数据。(所述接入节点的作用在于：接入不具有通信能力的交通检测传感器并通过其CAN总线接口传输所接入传感器的检测数据。)一个汇聚节点可以接入一个路段或一个区域内的交通检测传感器，构成一个传感器网络。汇聚节点收集该传感器网络中的传感器数据，对数据进行预处理，并定期或定量将数据上传至交通管理终端。多个路段或区域的汇聚节点均通过以太网与交通管理终端相连。此外，汇聚节点识别交通事件的发生并及时向交通管理终端发送事件报告。

本发明所取得的有益效果如下：

(一)通信接口丰富，具有较好的兼容性。采用有线与无线相结合的通信方式，既可以通过有线方式接入传统的有线交通检测设备，又可以通过无线方式接入新型无线传感器。

(二)采用具有较好实时性的有线和无线传感器网络与大数据量传输的以太网相结合的通信方式，既能满足对底层突发事件实时处理的需求，又能满足向上层传输多传感器数据的大数据量通信需求。

(三)能够对所采集的底层传感器数据进行预处理，从而能减轻交通管理终端的处理数据的压力。

(四)适用于以有线、无线及混合方式通信的交通状态获取系统，并且便于在保留传统的有线交通状态获取系统的基础上加入无线传感器。

本领域普通技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可以存储于存储介质中，该程序在执行时，包括如上述方法实施例的步骤，所述的存储介质，如：磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)或随机存储记忆体(Random Access Memory，RAM)等。

在本发明各方法实施例中，所述各步骤的序号并不能用于限定各步骤的先后顺序，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，对各步骤的先后变化也在本发明的保护范围之内。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于传感器网络的交通状态获取方法，其特征在于，包括：

步骤1，通过无线方式接收无线通信接口传感器发送的交通状态信息；

步骤2，将所述交通状态信息发送给交通管理终端。

2.根据权利要求1所述的基于传感器网络的交通状态获取方法，其特征在于，所述步骤1之后，所述步骤2之前，所述方法还包括：

对所述交通状态信息进行预处理，所述预处理包括数据格式整合、错误数据识别、数据修复或数据平滑；

所述步骤2具体为：将预处理后的所述交通状态信息发送给交通管理终端。

3.根据权利要求1所述的基于传感器网络的交通状态获取方法，其特征在于，所述方法还包括：

根据接收的所述交通状态信息判断是否发生交通事件，生成判断结果；

如果所述判断结果为是，则将所述交通事件的信息发送给交通管理终端。

4.一种基于传感器网络的交通状态获取装置，其特征在于，包括：

无线数据采集单元，通过无线方式接收无线传感器发送的交通状态信息；

传输单元，将所述交通状态信息发送给交通管理终端。

5.根据权利要求4所述的基于传感器网络的交通状态获取装置，其特征在于，还包括：

处理单元，对所述交通状态信息进行预处理，所述预处理包括数据格式整合、错误数据识别、数据修复或数据平滑；

所述传输单元具体为：将预处理后的所述交通状态信息发送给交通管理终端。

6.根据权利要求5所述的基于传感器网络的交通状态获取装置，其特征在于，

所述处理单元还用于，根据接收的所述交通状态信息判断是否发生交通事件，生成判断结果；

所述传输单元具体为：如果所述判断结果为是，则将所述交通事件的信息发送给交通管理终端。

7.根据权利要求5所述的基于传感器网络的交通状态获取装置，其特征在于，所述传输单元包括：依次连接的以太网接口、信号隔离与电平转换子单元以及以太网控制器；

所述信号隔离与电平转换子单元用于，转换所述传输单元的内部电路和通信线路之间的电平，并隔离所述传输单元的内部电路与通信线路之间的信号。

8.根据权利要求5所述的基于传感器网络的交通状态获取装置，其特征在于，还包括：有线数据采集单元，用于接收现场总线接口的传感器发送的交通状态信息；

所述有线数据采集单元包括：依次连接的总线控制器、信号隔离与电平转换子单元以及现场总线接口；

所述信号隔离与电平转换子单元用于，转换所述有线数据采集单元的内部电路和通信线路之间的电平，并隔离所述有线数据采集单元的内部电路与通信线路之间的信号。

9.一种基于传感器网络的交通状态获取系统，其特征在于，包括：

无线通信接口传感器，通过无线方式发送检测的交通状态信息；

交通状态获取装置，通过无线方式接收所述无线通信接口传感器发送的交通状态信息，并向交通管理终端发送；

交通管理终端，从所述交通状态获取装置接收所述交通状态信息。

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