無線傳感器網絡的自適應交通燈控制系統 - 全文

1、引言

城市交通擁堵現象日趨嚴重，如何優化交通信號燈控制，提高車輛通行效率是亟待解決的問題。然而，現有的交通信號燈控制系統幾乎全部采用的是固定時序的控制方式，無法針對實際交通流量對各車道的放行時間進行自適應性調整，造成了道路資源的浪費。

本文設計了一種基于無線傳感器網絡的自適應交通燈控制系統，利用安裝在各車道上的攜帶超聲波收發模塊的傳感器節點探測車流量，流量信息通過無線通信方式匯聚到集中控制器。集中控制器運行調度算法，根據車流量自適應設置相應車道車輛通行時間，從而提高道路利用效率。本系統中，集中控制器與傳感器節點之間采用無線通信方式，無需敷設通信電纜，安裝十分便捷。密集分布在路面上無線傳感器節點可準確感知各車道車輛數量和車型大小，為自適應信號燈控制提供準確的車流量信息。

2、系統設計

如圖1所示，本系統由以下幾個部分組成：1）集中控制器;2）無線傳感器節點;3）信號燈。本系統可通過城域網將車輛流量信息和信號燈工作狀態傳送至遠程監控計算機，或接收遠程監控計算機控制命令。

圖1 系統組成

集中控制器是本系統的核心設備，它具有以下功能：1）與無線傳感器節點的通信。在本系統中，集中控制器起到無線傳感器網絡中匯聚節點（SinkNode）的作用，各節點采集到的數據最后均匯聚到此。因此，集中控制器必須配備與各節點相匹配的無線收發模塊。2）運行調度算法;3）信號燈控制;4）與遠程監控計算機進行通信?？梢?，本系統對集中控制性能要求較高，故采用ARM 處理器設計。

無線傳感器節點是檢測車流量信息的關鍵設備。每個傳感器節點可攜帶多組用于探測車輛的超聲波收發器。節點既可采用線纜供電，也可采用電池供電。采用線纜供電方式施工量較大，采用電池供電則后期運行維護成本較高。

本系統對信號燈功能無特殊要求，一般在交通路口每個車輛通行方向上都設置一組信號燈。

由于系統中傳感器節點為數眾多，集中控制器與節點之間采用無線通信大大降低了施工難度。集中控制器與信號燈之間則采用有線連接，這樣在傳感器節點與控制器之間的通信受到無線電干擾的情況下，集中控制器能夠放棄自適應調度，改按預定的時序控制信號燈，避免造成整個系統癱瘓。

3、硬件設計

3.1、無線傳感器節點設計

本系統所使用的無線傳感器節點由3部分組成：處理器板（含射頻電路和電源）、底板和傳感器板。一個處理器板可連接多個傳感器板，兩者之間采用電纜連接。其硬件框圖如圖2所示。

圖2 ?無線傳感器節點硬件框圖

3.1.1、處理器板設計

處理器板以CC2430為核心設計，CC2430實際上是在一顆芯片上集成了CC2420射頻芯片和C8051單片機的電路，自帶無線收發器、FLASH、RAM、14位ADC、定時器、AES128協同處理器、看門狗等資源，硬件支持CSMA/CA，支持多種電源管理模式，具有功耗低、無線接收靈敏度高、抗干擾能力強等優點。

處理器板如圖3所示。由于CC2430固有的發射功率不足，我們為之增加了射頻功率放大電路，功放芯片為CC2591，實測發射功率為18dBm，通信距離可達500m。CC2430的部分引腳被配置為輸出，經驅動器放大后，連接到傳感器板的輸入端。另一部分則被配置為輸入，連接到傳感器的輸出端。

圖3 ? 處理器板

3.1.2、超聲波傳感器板設計

傳感器板由超聲波發送器、接收器、發送電路、接收電路共四部分組成。超聲波發送器選用壓電陶瓷傳感器T:40:12，接收器采用與之配對的R:40:12。發送電路采用音頻集成功放芯片LM386，其具有功耗低、工作電壓范圍寬、增益可調（20~200倍）等優點。發送電路的激勵信號是40kHz、占空比為50%的方波脈沖，由處理器板提供，經發送電路放大后，推動壓電陶瓷傳感器T:40:12產生超聲波。接收電路采用在電視機遙控器上經常采用的紅外線檢波接收器CX20106，其帶通濾波器的中心頻率為30~60kHz可調，故也可用作超聲波檢測電路。其內部電路如圖4所示。