无线传感网络技术在交通方面的应用综述(共4页)

精选优质文档-倾情为你奉上无线传感器网络技术在交通领域的应用摘 要: 无线传感器网络(WSN)是当今国内外研究的一大热点，其在军事和民用领域都具有广阔的应用。本文通过对相关的技术的资料进行查阅，基于无线传感网络的特点，对其主要的体系结构、协议等方面进行相关的介绍。并对其在交通领域的应用进行探讨。关键词: 无线传感器网络，体系结构，协议，交通1. 引言无线传感器网络就是由部署在监测区域内大量的廉价微型传感器节点组成，通过无线通信方式形成的一个多跳。无线传感器网络是当今国内外研究的一大热点，很多大学和研究所都开展了相关的研究.它在军事和民用领域都具有广阔的应用前景。在军事领域，通过无线传感器网络，隐蔽地分布在战场上的传感器可将获取的信息传输给指挥部;在民用领域，无线传感器网络可在环境监侧、医疗保健、空间探索、灾害预测和其他商业用途上得到广泛应用。2. 无线传感器网络的特点无线传感器网络的网络结构和组织无线传感器的成网技术有多种形态和方式无线传感器网络的集中式结构类似于移动通信的蜂窝结构，集中管理；无线传感器网络的分布式结构，类似于ad hoc网络结构，可自组织网络接人连接，分布管理;无线传感器网状式结构，类似Mesh网络结构，网状分布连接和管理。通过对无线传感器网络相关的资料查阅，无线传感器网络有如下几个特点:u 无线传感器网络由于其使用环境的特性，不允许频繁地补充能量，需要节点具有低能耗的特点u 网 络 规模更为庞大，节点数目更多，因此还要求传感器节点必须具有成本低，体积小，功耗低，工作时间长等特点 u 节点密集分布在目标区域u 自组织网络的布设和展开无须依赖于任何预设的网络设施，节点通过分层协议和分布式算法协调各自的行为节点开机后即可快速、自动地组成一个独立的网络u 网 络节点易失效，因此要求节点可以动态地适应网络规模和节点个数的变化u 节点布置完毕后，除少数节点需移动以外，大部分节点都是静止的3. 无线传感器网络的体系结构无线传感器网络典型的体系结构如下图1所示。节点具有传感、信号处理和无线通信的功能.它们既是信息包的发起者，也是其转发者。通过网络自组织和多跳路由，将数据向网关发送。网关可使用多种方式与外部网络通信，如Internet、卫星或移动通信网络等，大规模应用可能使用多个网关。图1 无线传感器网络典型的体系结构节点由于受到体积、价格和电源供给等因素的限制，通信距离较短，只能与白己通信范围内的邻居交换数据。要访问通信范围以外的节点，必须使用专心-专注-专业多跳路由.为了保证网络内大多数节点都可与网关建立无线链路，节点的分布要相当密集。在不同的应用中r传感器节点的设计也各不相同，但其基本结构是一样的。信号调理电路A/D转换器射频模块 微处理器电池及电源管理电路存储器传感器节点的典型硬件结构如图2所示，主要包括电池及电源管理电路、传感器、信号调理电路、A/D转换器件、存储器、微处理器和射频模块等。节点采用电池供电，一旦电能耗尽，节点就失去了工作能力。为了最大限度地节约电能，在硬件设计方而，要尽量采用低功耗器件，在没有通信任务时，切断射频部分电源;在软件设计方面，各层通信协议都应该以节能为中心，必要时可以牺牲其他一些网络性能指标，以获得更高的电源效率。图2 节点的典型硬件结构4. 网 络 通 信 协 议 研 究下表所列为无线传感器网络的协议栈，各层提供的主要功能如下：表一 无限传感器网络协议表u 物理层提供了两种服务:物理数据服务和为物理层管理实体(P I-ME)提供物理管理服务的接口。本层负责数据的调制、发送与接 收、频率选择、载波频率生成、信号检测和数据加密数据链路层负责数据成帧、帧检测、差错控制以及无线信道的使用控制。u 网络层负责数据融合、分组路由、网络互联、拥塞控制。u 传输层负责数据流的传输，是保证通信服务质量的重要部分u 应用层基于监测任务，在其上开发和使用不同的应用层软件u 无线传感器网络的应用支撑服务包括时间同步和节点定位等。协议方面，目前的研究主要是围绕MAC子层、网络层路由和拓扑控制算法展开的，这里就不对其进行更深层次的介绍。5. 无线传感网络的应用途径虽然无线传感器网络的大规模商业应用，由于技术等方面的制约还有待时日，但是最近几年，随着计算成本的下降以及微处理器体积越来越小，已经为数不少的无线传感器网络开始投入使用。目前无线传感器网络的应用主要集中在以下领域：1环境的监测和保护 2医疗护理 3军事领域 4其他用途 6. 无线传感器网络在交通方面的应用当今交通领域的发展趋势是智能交通方向。智能交通：智能交通是一个基于现代电子信息技术面向交通运输的服务系统。它的突出特点是以信息的收集、处理、发布、交换、分析、利用为主线，为交通参与者提供多样性的服务。智能交通系统的一个重要组成部分就是传感器网络技术。传感器就像是人的各种感觉器官，通过传感器可以采集到我们所以需要的信息，在通过构建成的无线传感器网络把信息传递到数据中心进行相应的处理后在对受控对象进行发送相应的命令。智能交通系统的组成：交通信息采集系统、信息处理分析系统、信息发布系统。而其中的交通那个信息采集系统的主要部分就是由传感器网络组成的。l 传感器在铁路中的应用1 列车测速列车的测速主要由轮轴脉冲转速传感器、惯性加速度传感器。2. 列车定位在列车运行过程中。能否准确及时地获得列车位置信息是列车安全有效运行的保障。主要有相对传感器、地面传感器、绝对传感器。相对传感器是根据预先确定的或先前测量的距离、位置等信息所安装的一种设备。该方式目前由轮轴传感器实现。其工作原理：将传感器输出频率与轮轴转速成正比的脉冲信号，通过对频率进行一系列换算先得出速度，再由速度对时间进行积分得到距离。相对传感器在工作时必须首先确定其相对于大地的绝对位置和取向。为此，在地面适当位置必须加装地面传感器。俗称信标。当机车通过时，车上感应器接收到地面传感器提供的绝对位置信息，使列车对距离信息进行更新，得到新的初始位置，从而克服了相对传感器的误差缺陷。由于相对传感器工作的局限性，绝对传感器成为未来高速铁路运行中列车定位的主流技术。绝对传感器可直接提供绝对位置和取向信息，进而实现列车的测距定位。绝对传感器的实现未来可以靠GPS技术实现，GPS技术的发展成熟，可以对更为高速的移动物体进行更为精确定位，而其中便是可以通过无线传感器网络来把各种传感器信息传递来进行整合后，再把整合好的的主要信息发送给处理中心。 3. 列车的监控 列车在路线上运行的过程中，需要实时的对列车进行监控，随时掌握列车的运行状态。通过列车上的相关传感器和列车运行路线的传感器可以实现对列车在运行过程中实时监控，随时掌握列车运行的状态。列车上的传感器可以对列车里的各种信息数据采集，包括车速、机器的运行状态、车内的情况等信息，通过无线传感器网络来传递，在中央处理器内完成传感器信息的整合，然后再传递到调度监控中心；列车运行路线上的传感器也组成一个传感器网络，把路线上的环境、设备状态等相关信息通过无线传感器网络传递整合后也传递到调度监控中心，再有调度监控中心进行相应的处理，进行正确的调度管理，以确保列车的正常运行。l 无线传感器网络在城市道路交通中的应用随着人们生活水平的日益提高，城市道路上出现了越来越多的车辆，因而给城市道路交通带来更大的压力，更容易发生道路交通堵塞、交通拥挤或是交通事故。而一旦出现交通问题，就需要交通部门的调度监控中心及时采取行动，解决问题，否则很容易造成交通系统的瘫痪，影响人们生活出行。所以，如何能及时的获取到城市道路上的状况信息，及早规划处合理的解决方案是十分重要的。获取的城市道路的状况信息便是城市道路交通的信息采集环节。无线传感器网络在城市道路交通中的应用主要用于在城市道路交通信息的采集方面。城市道路交通信息主要有：城市道路的车辆流量、城市道路的路况信息、道路上的交通设施状况信息、需监控的特殊车辆信息、以及当前城市道路的环境天气信息等。城市道路的车流量可以通过许多的方法得到。例如检测道路地面的压力传感器可以把当前的地面的受力信息检测处理，再推算出道路中的车流量，或是通过图像信息的采集，通过图像处理分析得到道路中的车流量的信息等。城市道路的路况信息可以通过视频监控实现，交通那个设施的状况可以由设施的监控模块来监控，一旦出现问题便可通过无线传感器网络把信息传递到监控中心。特殊车辆的信息需要结合装在车上的传感器来实现获取车辆的行驶情况。而城市道路环境天气信息可以通过气象局方面传递相关的信息，同时也可通过路上的传感器对道路上的空气湿度以及路面的湿滑程度等信息进行采集得到相应的信息等。通过分布在城市道路上的不同的传感器，以及车辆上的传感器，各个不同的传感器之间再由无线传输方式连接形成无线传感器网络，把采集到的信息现在中间件上进行处理整合，之后再将整合后的信息通过某种通信方式，如GPRS网络等，传送到数据中心，再到交通调度监控中心进行分析，然后做出适合的调度控制命令，解决城市道路交通上出现的问题。车流量路况信息设施状态监控车辆信息道路环境无线传感器网络处理中间件模块数据处理中心交通调度监控中心决策人员无线传感器网络城市道路交通中的信息流程采集框图l 无线传感器网络在车辆上的应用无线传感器网络在交通车辆上的应用也是车辆的很重要的组成部分，是实现车辆智能化控制的重要基础。无线传感器网络在汽车上的应用主要是汽车的自动控制和行驶导航两部分。 自动控制自动控制方面，需要通过采集相应的汽车行驶的状况以及行驶的外界环境等多种因素，综合的来规划汽车的自动控制问题。在汽车上装有各种传感器，例如车速传感器、制动设备状况监控、车内环境相关的传感器、车外环境相关的传感器、行驶人员的状态传感器等等。同时还得结合当前交通道路的状况。主要采集的是当前车辆行驶的状态，可以通过车速、车内的行驶人员的状态、车内的环境状态、以及车内制动等系统的运行状态等等信息的采集。另一采集方面是车辆外部环境的信息，主要有外部临近的行驶车辆的相关描述信息，以及当前的天气环境信息等。多个传感器通过无线的方式传送信息，组成一个无线传感器网络。采集到的信息传送到一个传感器信息处理的中间件模块对信息进行初步的处理整合，然后才传给中央控制系统，做出相应合理的调整控制。 车辆行驶导航车辆行驶的导航主要是通过GPS定位技术为基础，再结合车辆的相应的传感器实现的。车辆行驶导航主要有车载导航系统。车载导航系统，主要由GPS导航、自律导航、微处理器、车速传感器、陀螺传感器、CD-ROM驱动器、LCD显示器组成。车载导航系统车载导航系统不仅仅可以实现车辆导航，还有许多的功能。可以实现的功能：提供出行路线的规划和导航、转向语音提示功能，提供话务指挥、 车辆定位 、车辆测速、显示当前航迹、紧急情况下进行呼叫援救。汽车GPS导航系统由两部分组成：一部分由安装在汽车上的GPS接收机和显示设备组成；另一部分由计算机控制中心组成，两部分通过定位卫星进行联系。计算机控制中心是由机动车管理部门授权和组建的，它负责随时观察辖区内指定监控的汽车的动态和交通情况，因此整个汽车导航系统起码有两大功能：一个是汽车踪迹监控功能，只要将已编码的GPS接收装置安装在汽车上，该汽车无论行驶到任何地方都可以通过计算机控制中心的电子地图指示出它的所在方位；另一个是驾驶指南功能，车主可以将各个地区的交通线路电子图存储在软盘上，只要在车上接收装置中插入软盘，显示屏上就会立即显示出该车所在地区的位置及目前的交通状态，既可输入要去的目的地，预先编制出最佳行驶路线，又可接受计算机控制中心的指令，选择汽车行驶的路线和方向。车载导航系统结构图为提高汽车导航定位的精度，通常采用差分GPS技术。当汽车行驶到地下隧道、高层楼群、高速公路等遮掩物而捕捉不到GPS卫星信号时，系统可自动导入自律导航系统，此时由车速传感器检测出汽车的行进速度，通过微处理单元的数据处理，从速度和时间中直接算出前进的距离，陀螺传感器直接检测出前进的方向，陀螺仪还能自动存储各种数据，即使在更换轮胎暂时停车时，系统也可以重新设定。 由GPS卫星导航和自律导航所测到的汽车位置坐标、前进的方向都与实际行驶的路线轨迹存在一定误差，为修正这两者间的误差，使之与地图上的路线统一，需采用地图匹配技术，加一个地图匹配电路，对汽车行驶的路线与电子地图上道路的误差进行实时相关匹配，并做自动修正，此时，地图匹配电路通过微处理单元的整理程序进行快速处理，得到汽车在电子地图上的正确位置，以指示出正确行驶路线。CD-ROM用于存储道路数据等信息，LCD显示器用于显示导航的相关信息。 7. 总结无线传感器网络技术被认为是21世纪的最重要的技术之一，它对人们未来生活的影响将会是非常巨大的。因此，我们有足够的理由相信它对于交通领域未来的发展有着巨大的促进和影响。无线传感器网络技术为以后工业控制的智能化发展提供了可能性，使得发展趋势趋于智能控制。无线传感器网络技术作为智能控制的基础，随着其发展和成熟，控制的智能化水平也会越来越高。无线传感器网络技术在交通方面对于未来的智能交通领域的发展有着无可替代的巨大作用。我们能够想象未来的道路交通的快捷和便利，甚至是交通工具形式的改变，实现另一种全新的交通方式。 参考文献1 陈艳华.传感器在高速铁路中的应用研究.电子设计工程,第17卷10期,20092 韩鸿泉，朱红松，孟军无线传感器网络技术J口.计算机系统应用，2005(2);3841