CN110740441A - 一种应用于智能交通道路的网络搭建系统及网络搭建方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应用于智能交通道路的网络搭建系统及网络搭建方法，该系统包括传感单元、路由单元和数据服务器，传感单元具有若干个沿道路的宽度方向和长度方向分布的传感节点，路由单元具有若干个沿道路的长度方向间隔分布的路由节点，各传感节点与路由节点通过蓝牙方式数据交互，各路由节点通过网络与数据服务器数据交互。本发明针对传感节点和路由节点线性分布以及蓝牙的通信协议，设计搭建无线线性网络拓扑结构，完成远程交互。与现有技术相比，其能搭建出高性能网络系统，且低功耗，便于维护与部署。

Description

一种应用于智能交通道路的网络搭建系统及网络搭建方法
技术领域
本发明涉及交通信息的网络通信领域，尤其是涉及一种应用于智能交通道路的网络搭建系统。
背景技术
近年来，随着车辆保有量增多，事故数目也随之直线上升，传统的标志引导还需进一步提高来保证行车安全。为了提升道路上驾驶员行车安全性，先进的智能交通管理是解决交通问题的有效手段，而智能交通管理是在获取实时交通流信息的基础上才能完成的，但实时交通流信息并不容易获得。尤其是在智能道路上所做的基础性工作还较少。现有的道路，为了保证安全性，目前仅仅有信号灯与标志标线，远远不能满足现在智能化交通管理的需求，由此本申请人研发了用于道路系统智能化的智能道钉，此智能道钉的应用给智能交通的研究和应用带来的新的突破。然而，目前，因道路智能系统的通信系统需外接电源，会破坏大量路面，且不易更换维护，网络不健全，很难实现整条车道的实时数据。为此，本发明人王华通过组建团队进行了深入研究，遂由本案产生。
发明内容
本发明的目的是为了搭建一个适应于交通道路的，低功耗，便于维护与部署的高性能网络系统，来实现整条路的冗余检测的应用于智能交通道路的网络搭建系统。
本发明的技术方案为：一种应用于智能交通道路的网络搭建系统，包括传感单元、路由单元和数据服务器，传感单元具有若干个传感群，每一个传感群由若干个沿道路的宽度方向间隔排列的传感节点组成，且每一传感节点埋设于道路地面内，各传感群沿道路的长度方向间隔排列，所述传感节点包括太阳能供电系统和由太阳能供电系统供电的传感处理系统，上述传感处理系统包括处理器、传感模块、灯光模块和第一BLE射频模块，所述第一BLE射频模块与处理器双向通讯连接，上述传感模块的输出端与上述处理器的输入端电连接，上述处理器的控制端与上述灯光模块控制电连接；且各传感节点通过自身的第一BLE射频模块进行互相通讯连接；
所述路由单元由若干个路由节点组成，各路由节点沿道路的长度方向间隔排列，且每一路由节点设置在道路车道外侧，上述路由节点包括供电电源和由供电电源供电的路由系统，上述路由系统包括核心处理器、NB-IoT模块和第二BLE射频模块，上述核心处理器与上述第二BLE射频模块双向通讯连接，上述核心处理器经上述NB-IoT模块与上述数据服务器双向数据传送连接。
上述传感模块为地磁传感模块。
上述供电电源为市电电源。
上述供电电源为太阳能电源。
上述路由节点安装在道路车道外的护栏上。
一种应用于智能交通道路的网络搭建方法，通过如下步骤实现：
一、节点布设，在公路上沿公路的宽度方向和长度方向上均间隔挖一个凹洞，在各个凹洞内放入权利要求1中所述的传感器节点，在公路道路外侧安装沿公路长度方向排列的若干个权利要求1中所述的路由节点；
二、组网设置，各传感器节点中以沿公路宽度方向排列的各传感器节点为一个传感器群，每一传感器群中的各传感器节点通过自身的第一BLE射频模块进行互相发现，并将被发现的节点地址写入MAC地址链表，搭建数据链路形成一个微微网，并以公路中沿汽车的行驶方向搭建出第一至第N微微网；
三、通讯网建立，沿公路的汽车行驶方向排列的相近的若干上述微微网组成一个微微网群，此微微网群与路由单元中与微微网群最接近的一个路由节点进行蓝牙通信连接，构成一个区域蓝牙散射网，相应地沿汽车行驶方向构成第一至第N区域蓝牙散射网，且第一至第N区域蓝牙散射网之间中各路由节点呈多跳数据传输方式进行数据交互；每一区域蓝牙散射网的路由节点均与数据服务器进行数据交互通讯。
在步骤三中，三个连续相邻的三个区域蓝牙散射网中，处于中间的区域蓝牙散射网的路由节点损坏时，以该路由节点为损坏节点，该损坏节点内的各传感节点会分别自行增大自身的发射功率并通过接收路由节点的信息来判断与损坏节点相邻的两路由节点之间Rssi值最大的路由节点为信号最强点，并以信号最强点的路由节点作为桥节点，向周围路由节点进行数据的传递与接收。
本发明的一种应用于智能交通道路的网络搭建系统，针对在道路上采用线性方式布设传感节点，和道路外布设路由节点及采用蓝牙通讯协议设计搭建出无线线性网络拓扑结构，搭建网络中节点之间的数据通讯链路，并通过链路对车辆信息进行实时传递，同时设计路由节点将无线网络接入应用网络，融合网络协议，实时上传网络信息并接受下发命令，完成远程交互；整个系统的布设无需在道路上布设线路，直接拆下即可，易于维护和更换，并对道路采用多个节点同时检测，且近距离稳定数据传，使整个网统数据传送稳定，性能高，能实现整条道路的冗余检测，同时数据服务器能获取大量交通流参数信息，得以通过获取的车辆实时位置来对车辆进行定位以及灯光引导，提升驾驶员的行车安全性。
附图说明
图1为本发明的拓扑图；
图2为传感节点的原理框图；
图3为路由系统的原理框图；
图4为路由节点和传感节点组成的区域蓝牙散射网；
图5为路由节点和传感节点的拓扑示意图；
图6为路由节点多跳传输示意图；
图7为传感节点的低功耗设计图；
图8为路由节点低功耗设计图。
具体实施方式
本发明的一种应用于智能交通道路的网络搭建系统，如图1-6所示，其包括传感单元、路由单元和数据服务器，传感单元具有若干个传感群，每一个传感群由若干个沿道路的宽度方向间隔排列的传感节点组成，且每一传感节点埋设于道路地面内，各传感群沿道路的长度方向间隔排列，传感节点包括太阳能供电系统和由太阳能供电系统供电的传感处理系统，传感处理系统包括处理器、传感模块、灯光模块和第一BLE射频模块，第一BLE射频模块与处理器双向通讯连接，传感模块的输出端与处理器的输入端电连接，处理器的控制端与灯光模块控制电连接；且各传感节点通过自身的第一BLE射频模块进行互相通讯连接，该灯光模块为LED灯，太阳能供电系统采用的是公知技术，该传感模块优选为地磁传感模块，用于检测车辆的运动状态，与智能道钉的应用原理相同；应用时，太阳能供电系统采用太阳光转换电能给传感处理系统的各电部件供电，各部件得电后，传感模块实时感应道路上车辆信息，并将检测到的车辆信息实时传送给处理器，处理器将数据处理后经第一BLE射频模块进行数据传送，并将处理的数据在处理器中存储，同时，在同一蓝牙通讯协议下各传感节点数据互相交互。此传感节点是道路上搭建交通信息的采集系统，为整个系统运作提供源数据，需要不断的采集感知数据，并具备一定的数据处理能力，使用时将各部件封装于一壳体内，安装时将整个壳体填入道路内，且灯光模块的发光面朝上并露出。
所述路由单元由若干个路由节点组成，各路由节点沿道路的长度方向间隔排列，且每一路由节点设置在道路的护栏上，路由节点包括供电电源和由供电电源供电的路由系统，路由系统包括核心处理器、NB-IoT模块和第二BLE射频模块，核心处理器与第二BLE射频模块双向通讯连接，核心处理器经NB-IoT模块与数据服务器双向数据传送连接，该第二BLE射频模块与传感节点的第一BLE射频模块数据传送连接，传感节点检测到的数据经第一BLE射频模块和第二BLE射频模块发送给核心处理器，核心处理器经NB-IoT模块发送给数据服务器，数据服务器将接收到的若干路由节点的数据后进行处理，并发出控制信号，此控制信号依次经NB-IoT模块、第二BLE射频模块、核心处理器、第一BLE射频模块至传感节点的处理器，处理器接收后控制灯光模块工作，如灯光模块变色、闪烁等工作状态，以提示驾驶员前方路况或当前道路状况等道路信息，以便驾驶员及早地作出正确的驾驶行为，提高驾驶员的行车安全。本发明中，因路由节点设置非地面上，所以供电电源可采用与路灯共用的同一市电电源，也可采用太阳能供电电源，或者市电电源与太阳能供电电源共存的双用电源，此电源形式为公知技术，在此不再累述。
采用上述的网络搭建系统，其具体的网络搭建方法，通过如下步骤实现：
一、节点布设，在公路上沿公路的宽度方向和长度方向上均间隔挖一个凹洞，在各个凹洞内放入传感器节点，在公路护栏上安装沿公路长度方向排列的若干路由节点；
二、组网设置，各传感器节点中以沿公路宽度方向排列的各传感器节点为一个传感器群，即在公路宽度方向上同一断面的各传感器节点因安装距离较近能实现同一断面的各传感器节点通过第一BLE射频模块进行数据交互连接，即每一断面的各传感器节点之间互相发现，并将被发现的节点地址写入MAC地址链表，搭建数据链路形成一个微微网，由此，以公路中沿汽车的行驶方向搭建出第一至第N微微网，利用搭建的微微网，使同一断面内的各传感节点能通过广播形式进行相互通讯，各微微网之间可通过广播的形式进行通信，使该微微网的节点会开启扫描接收微微网范围内的广播报文，这样就使数据通过广播的形式可以发送到其他的微微网节点；
三、通讯网建立，沿公路的汽车行驶方向排列的相近的若干微微网组成一个微微网群，此微微网群与路由单元中与微微网群最接近的一个路由节点进行蓝牙通信连接，构成一个区域蓝牙散射网，即在沿汽车行驶方向排列的相近的二至四个微微网与最接近的路由节点进行蓝牙通讯连接，由该路由节点来对若干微微网进行数据传送，相应地沿汽车行驶方向构成第一至第N区域蓝牙散射网，且第一至第N区域蓝牙散射网之间中各路由节点呈多跳数据传输方式进行数据交互；即，由一个路由节点组建的蓝牙散射网使该蓝牙散射网之间的数据可以进行自由传递，且在通讯范围内，如图4所示，各蓝牙散射网之间能完成数据交互，则各蓝牙散射网能形成一种线性多跳式蓝牙散射网，利用此多跳式蓝牙散射网使数据按照路由部署区域依次跳跃传输，向目标路由节点所辖微微网进行相应的数据传送，如图5所示，当其一路由节点损坏时，该路由节点会越过损坏的路由节点将信息继续续向下传递，保证车辆信息在网络中的正常传递，从而确保其他路由节点以及区域的灯光诱导功能正常运行；同时，每一区域蓝牙散射网的路由节点按照设置好的时序与数据服务器进行数据交互通讯，数据服务器不会一次同时收到全部路由节点的信息。
本发明的网络搭建系统和搭建方法可应用的场景之一是根据处理信息进行灯光实时警示，传感节点中的处理器根据本发明的网络系统获得的车辆所在位置、车速、车辆相互间距等信息启动相对位置的传感节点中的灯光模块，对驾驶员进行灯光指引，即处理器在通过本发明的网络系统获知待测车辆的位置、车速后，在达到设定参数时启动灯光模块；比如当待测车辆距离该传感节点等于或小于200米时启动灯光模块，使驾驶员对前方200米的车况有一定了解(该设定参数仅为举例，并非为了局限，在给网络系统使用过程中，本领域技术人员可以根据需求来设定参数)。
本发明的网络搭建系统和网络搭建方法具有如下有益效果：
一、在道路上只需挖洞即可，无需布线路，拆装方便，易于维护和更换；
二、整个系统的检测数据和控制数据采用短距离输送，数据传送稳定性能高，能实现整条道路的冗余检测；
三、整个系统能将数据进行有序传送，应用时能给驾驶员对前方路况起到有效了解，提升驾驶员的行车安全性；
四、采用路由节点多跳传输，能避免因节点损坏而导致的中间的数据链路断裂的问题，在通讯范围内，路由节点可以进行多节点跳跃式传输，通过某一路由节点越过损坏节点并将该信息继续向下传递，确保数据的有效传递；
五、采用蓝牙广播的方式能对传感节点进行时间节点的同步，保证传感两节点在分别开启广播与扫描时是在同一时间间隔内，这样能降低开启射频的时间，降低功耗。
本发明的网络搭建方法中，多跳传输是基于Rssi值的二次路由选择的，ReceivedSignal Strength Indication接收的信号强度指示，无线发送层的可选部分，用来判定链接质量，以及是否增大广播发送强度，RSSI(Received Signal Strength Indicator)是接收信号的强度指示，它的实现是在反向通道基带接收滤波器之后进行的，如图7所示，在某区域路由节点损坏时，为了保证不丢失该区域的传感节点数据信息，底层的传感节点会自行增大自身的发射功率并通过接收路由节点的信息来判断其中两路由节点之间Rssi值最大的一点为信号最强点，并在该损坏路由节点的两侧断面各选择一个路由节点作为桥节点，最终通过两侧的桥节点向周围路由节点进行数据的传递与接收，如按汽车行驶方向依次排列的第一路由节点、第二路由节点和第三路由节点，第二路由节点损坏后，第二路由节点区域的各微微网会自行搜寻，与第一路由节点相靠近的微微网会划分至第一路由节点，把第一路由节点作为桥节点，与第三路由节点相靠近的微微网会划分至第三路由节点，把第三路由节点作为桥节点，把损坏的第二路由节点区域的各微微网重新划分组合，保证损坏的第二路由节点区域的各微微网的数据得以上传。
本发明的网络搭建方法中，无线网络通讯时需要进行广播与扫描，广播用来发送信息，扫描用来接收信息，那么本发明的传感节点可以以空闲态的时间为一次射频周期，保证两个传感节点在同一周期内，同一时间来开启广播与扫描，这样就可以立即接收到该信息，并关闭射频，极大程度降低功耗。再有，在路由节点中，采用NB-IOT的PSM低功耗技术，即向服务器端发送一次数据后，会进入为期为T秒的接收时间窗，在该时间窗内，终端可以接收服务器的命令下发；若需要该无线网络可以实时接收服务器端下发的命令，根据该网络的线性设计，需要保证实时的进行命令接收，则需要分时段的各个路由节点进行数据上报，各个路由节点可以从基站中获取目前时刻，并按照设置好的时序向服务器端发送服务器段数据，每一路由节点的时间接收窗为T，一条线性网络共有N个路由节点，那么该网络的上报周期共为T*N，即每一路由节点经过T*N时间再次通过网关发送数据，而各个路由节点错开发送，保证时间窗不重叠，通过该种分时上报来达到命令实时下发的作用，并在下发后在无线网络中进行传递，从而实现整条道路的冗余数据的传送，并传送稳定。
采用本发明的网络搭建方法，若需要再进一步节省功耗，可以设置最大命令下发延迟ΔTdelay，进行非连续时间窗延拓，如图8所示，通过对分时衔接方案进行非连续性接收处理，可以在允许延迟命令下发的基础上，进一步降低功耗。从图中可以看出，任一时刻都会有某一路由节点处于监听状态，当网络命令在监听时间窗内下发时，路由节点会立即收到该信息，若处于监听阶段的拓展时间内，则数据服务器(即网络端)会缓存该命令信息并等待下一个路由节点进入监听时间窗，此时会将缓存的命令信息下发；这种低功耗模型下路由节点对网络信息的接收可能会有一定的接收延迟，该延迟最大不会超过ΔTdelay，通过这种方式，可以对功耗进行进一步的节能。
本发明针对道路上传感节点的线性分布以及蓝牙的协议通信研究，设计搭建出无线线性网络拓扑结构，设计网络系统中的路由网关节点与传感节点，搭建网络中节点之间的数据通讯链路，并通过链路对车辆信息进行实时传递，同时设计路由节点将无线网络接入应用网络，融合网络协议，实时上传网络信息并接受下发命令，完成远程交互；整个道路以线性形式部署多个传感节点同时检测，通过网络对检测信息传递，获取大量交通流参数信息，并根据车辆实时位置来对车辆进行定位以及灯光引导，提升驾驶员的行车安全性。
上述实施例和附图并非限定本发明的方式，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (7)

1.一种应用于智能交通道路的网络搭建系统，其特征在于：包括传感单元、路由单元和数据服务器，传感单元具有若干个传感群，每一个传感群由若干个沿道路的宽度方向间隔排列的传感节点组成，且每一传感节点埋设于道路地面内，各传感群沿道路的长度方向间隔排列，所述传感节点包括太阳能供电系统和由太阳能供电系统供电的传感处理系统，上述传感处理系统包括处理器、传感模块、灯光模块和第一BLE射频模块，所述第一BLE射频模块与处理器双向通讯连接，上述传感模块的输出端与上述处理器的输入端电连接，上述处理器的控制端与上述灯光模块控制电连接；且各传感节点通过自身的第一BLE射频模块进行互相通讯连接；
所述路由单元由若干个路由节点组成，各路由节点沿道路的长度方向间隔排列，且每一路由节点设置在道路车道外侧，上述路由节点包括供电电源和由供电电源供电的路由系统，上述路由系统包括核心处理器、NB-IoT模块和第二BLE射频模块，上述核心处理器与上述第二BLE射频模块双向通讯连接，上述核心处理器经上述NB-IoT模块与上述数据服务器双向数据传送连接。
2.根据权利要求1所述的一种应用于智能交通道路的网络搭建系统，其特征在于：上述传感模块为地磁传感模块。
3.根据权利要求1所述的一种应用于智能交通道路的网络搭建系统，其特征在于：上述供电电源为市电电源。
4.根据权利要求1所述的一种应用于智能交通道路的网络搭建系统，其特征在于：上述供电电源为太阳能电源。
5.根据权利要求1所述的一种应用于智能交通道路的网络搭建系统，其特征在于：上述路由节点安装在道路车道外的护栏上。
6.一种应用于智能交通道路的网络搭建方法，其特征在于：通过如下步骤实现：
一、节点布设，在公路上沿公路的宽度方向和长度方向上均间隔挖一个凹洞，在各个凹洞内放入权利要求1中所述的传感器节点，在公路道路外侧安装沿公路长度方向排列的若干个权利要求1中所述的路由节点；
二、组网设置，各传感器节点中以沿公路宽度方向排列的各传感器节点为一个传感器群，每一传感器群中的各传感器节点通过自身的第一BLE射频模块进行互相发现，并将被发现的节点地址写入MAC地址链表，搭建数据链路形成一个微微网，并以公路中沿汽车的行驶方向搭建出第一至第N微微网；
三、通讯网建立，沿公路的汽车行驶方向排列的相近的若干上述微微网组成一个微微网群，此微微网群与路由单元中与微微网群最接近的一个路由节点进行蓝牙通信连接，构成一个区域蓝牙散射网，相应地沿汽车行驶方向构成第一至第N区域蓝牙散射网，且第一至第N区域蓝牙散射网之间中各路由节点呈多跳数据传输方式进行数据交互；每一区域蓝牙散射网的路由节点均与数据服务器进行数据交互通讯。
7.根据权利要求6所述的一种应用于智能交通道路的网络搭建方法，其特征在于：在步骤三中，三个连续相邻的三个区域蓝牙散射网中，处于中间的区域蓝牙散射网的路由节点损坏时，以该路由节点为损坏节点，该损坏节点内的各传感节点会分别自行增大自身的发射功率并通过接收路由节点的信息来判断与损坏节点相邻的两路由节点之间Rssi值最大的路由节点为信号最强点，并以信号最强点的路由节点作为桥节点，向周围路由节点进行数据的传递与接收。
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