曹成濤（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能交通工程技術(shù)應(yīng)用中心，廣東廣州　510650）

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TinyOS環(huán)境下交通信息采集自組網(wǎng)系統(tǒng)設(shè)計**國家自然科學(xué)基金資助項目(編號：50878088)；廣東省高等學(xué)校學(xué)科建設(shè)專項項目（編號：2013WYXM0133）；廣東省高等學(xué)校優(yōu)秀青年教師培養(yǎng)計劃資助項目（編號：Yq2013180）。

曹成濤
（廣東交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院智能交通工程技術(shù)應(yīng)用中心，廣東廣州510650）

摘要：針對傳統(tǒng)交通信息采集的弊端，基于IEEE 802.11p標準，利用ARM3000平臺提出了一種TinyOS環(huán)境下交通信息采集自組網(wǎng)系統(tǒng)方案，給出了系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)，詳細介紹了TinyOS環(huán)境下交通信息采集自組網(wǎng)系統(tǒng)的MAC層、路由層和應(yīng)用層的設(shè)計方法，給出了自組網(wǎng)系統(tǒng)中傳感節(jié)點、匯聚節(jié)點、管理節(jié)點的軟件工作流程。以通用城市交叉口為例，從檢測數(shù)據(jù)的可靠性、時延、傳輸距離等3個方面對系統(tǒng)進行了測試，結(jié)果表明，該方案穩(wěn)定可靠，對進一步開發(fā)相關(guān)的實用系統(tǒng)具有參考意義。關(guān)鍵詞：交通信息采集；TinyOS；自組網(wǎng)方案；傳感器節(jié)點

0　引言

交通信息采集是實現(xiàn)智能交通控制與交通誘導(dǎo)的前提，一直是智能交通領(lǐng)域研究的熱點之一。目前廣泛應(yīng)用的線圈、壓電等交通檢測器以有線接入為主，在傳感器至信號處理器之間需要大量電纜。這種方式存在著明顯不足，需要在交叉口或高速公路沿線布設(shè)大量的信號傳輸線和電源線，導(dǎo)致系統(tǒng)建造、安裝、維護復(fù)雜，設(shè)施擴建更新困難、設(shè)施環(huán)境信息檢測靈活性差，信息檢測在空間位置上無法隨時調(diào)整，不能適應(yīng)新時期交通信息采集對時空參數(shù)即時性的要求。傳統(tǒng)的以總線方式設(shè)計的交通信息采集傳感器網(wǎng)絡(luò)需要人工進行精確的線路布設(shè)和節(jié)點管理，而且節(jié)點的體積較大、耗能較高。人們布設(shè)傳感器網(wǎng)絡(luò)是為了獲得每個節(jié)點的信息，沒有注重節(jié)點之間的協(xié)同工作，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)功能單一、測量精度不高、覆蓋范圍較小。

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)（Wireless Sensor Network）的出現(xiàn)，較好的解決了傳統(tǒng)交通信息采集方式難以更新、擴容的問題[1]。交通信息采集自組網(wǎng)是無線傳感網(wǎng)在智能交通領(lǐng)域的一個主要應(yīng)用，可實現(xiàn)人、車、路的互相感知，有極大的應(yīng)用前景和發(fā)展?jié)摿?。交通信息采集自組網(wǎng)能否在現(xiàn)實中取得應(yīng)用，關(guān)鍵在于系統(tǒng)的自組網(wǎng)路由協(xié)議能否滿足交通信息采集實時性的需要。金純[2]等基于IEEE 802.11p標準，對車路互聯(lián)網(wǎng)中RSU（路邊單元）和OBU（車載單元）之間的通信進行了仿真和分析。何鵬[3]等提出一種拓撲相對穩(wěn)定的車輛分簇算法和基于分簇的多信道混合型MAC協(xié)議，并通過模擬仿真證明了算法的有效性。Kara?giannis G[4]等對車路協(xié)同的系統(tǒng)架構(gòu)、搭建方法方面進行了研究，李建坡[5]等建立了一種無線傳感網(wǎng)路由算法。綜上，國內(nèi)外學(xué)者在交通信息采集自組網(wǎng)傳輸機制和傳輸標準等方面進行了有益的研究，但多數(shù)集中在理論仿真，交通信息采集自組網(wǎng)的實際應(yīng)用仍處在探索階段[6]。

本文基于IEEE 802.11p標準，利用ARM3000平臺提出了一種TinyOS環(huán)境下交通信息采集自組網(wǎng)方案，給出了系統(tǒng)的整體框架結(jié)構(gòu)，詳細介紹了TinyOS環(huán)境下交通信息采集自組網(wǎng)系統(tǒng)的MAC層、路由層和應(yīng)用層的設(shè)計方法，給出了自組網(wǎng)系統(tǒng)中傳感節(jié)點、匯聚節(jié)點、管理節(jié)點的軟件工作流程。在ARM3000的顯示界面列出所有交通信息采集節(jié)點的ID，當選中一個節(jié)點時，能夠以曲線圖的方式動態(tài)的表示該節(jié)點交通流量等交通信息的變化情況。得到節(jié)點的RSSI(Received Signal Strength Indicator)值和電池數(shù)據(jù)后，在ARM平臺上以圖元的方式表示節(jié)點電池剩余量和信號強度。這樣用戶就可以掌握節(jié)點的電池情況，并及時地更新節(jié)點的電池。通過平臺上的LED顯示監(jiān)測區(qū)域內(nèi)各交叉口的交通流量信息，這樣用戶就可以掌握整個區(qū)域內(nèi)交叉口的交通狀況。當交通流量信息超過設(shè)定的閾值時能夠蜂鳴器報警和燈光報警，提示管理者交叉口交通出現(xiàn)異常。以某通用城市交叉口為例，從檢測數(shù)據(jù)的可靠性、實時性、傳輸距離等3個方面對系統(tǒng)進行了測試，結(jié)果表明，該方案通信穩(wěn)定，丟包率低，該研究對進一步開發(fā)相關(guān)的實用交通信息采集自組網(wǎng)系統(tǒng)打下了基礎(chǔ)。

1　系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示：WSN節(jié)點上的地磁傳感器實時檢測所在車道的交通流量、車速、RSSI值和節(jié)點能源狀況等相關(guān)數(shù)據(jù)，然后節(jié)點通過無線網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到ARM3000平臺上的Sink節(jié)點。Sink節(jié)點通過串口與ARM平臺通信。在ARM平臺的用戶終端上，通過LCD等方式向用戶提供交叉口的交通信息。用戶通過ARM平臺可以直接向交通信息采集傳感器節(jié)點發(fā)送控制命令，設(shè)定在不同時間段或不同交通情況下的采集頻率、報警值等，從而提高系統(tǒng)的靈活性和減小節(jié)點能耗。例如，當把系統(tǒng)應(yīng)用到一個新的交叉口時，針對交叉口交通量狀況，可以相應(yīng)的調(diào)整設(shè)定不同的交通流量報警閥值。將ARM3000平臺接入Internet網(wǎng)或局域網(wǎng)，讓ARM平臺起網(wǎng)關(guān)的作用。通過TCP/IP協(xié)議，可以把無線網(wǎng)絡(luò)中采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)浇煌ㄐ畔⒅行姆?wù)器上，為實現(xiàn)區(qū)域交通綠波控制或智能誘導(dǎo)提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

圖1　交通信息采集自組網(wǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2　方案設(shè)計與實現(xiàn)

本設(shè)計中WSN交通信息采集節(jié)點采用美國加州大學(xué)伯克利分校提出的Mica2型號節(jié)點改進而成，由于傳感器維護會對交通造成影響，因此需選用低功耗穩(wěn)定的處理器芯片，以延長交通信息采集節(jié)點的使用壽命。處理采用ATME的8位低功耗單片機Atmega128L，無線傳輸單元采用TI公司的低功耗無線收發(fā)模塊CC2530，采用ISM短距離通訊工作頻帶在915 MHz。傳感采集單元采用地磁傳感器HMC1021，電源模塊采用普通紐扣電池。此外，利用Atmega128L自帶的ADC電路獲取工作電壓值，可以換算電池的剩余能量，以及信號強度值RSSI。WSN交通信息采集節(jié)點組成如圖2所示。

圖2　WSN交通信息采集節(jié)點

2.1Mac層設(shè)計

目前交通自組網(wǎng)普遍采用IEEE 802.11p標準，筆者基于此標準在TinyOS環(huán)境下設(shè)計了自組網(wǎng)的Mac層。Mac層主要由7個組件完成，并提供相應(yīng)的接口給高層使用。MAC層7個組件的關(guān)系如圖3所示。

圖3　交通信息采集自組網(wǎng)Mac層組件關(guān)系圖

（1）AMStandard是活動消息（AM）層的標準組件。

（2）MicaHighSpeedRadioM是協(xié)議棧的控制中心，它通過調(diào)用底層的組件間接地和硬件通信。

（3）ChannelMonC是負責信道檢查的組件。當檢測到信道處于空閑時，它就會通知高層的組件。

（4）SpiByteFifoC使用Atmega128L的SPI，負責一位一位的接收或發(fā)送廣播數(shù)據(jù)。

（5）RadioTimingC組件通過調(diào)用單片機里硬件計數(shù)器的值，產(chǎn)生一個用于收發(fā)雙方同步的時間值。

（6）SecDedEncoding組件負責對字節(jié)進行編碼和譯碼。

（7）SlavePinC組件調(diào)用硬件抽象層(HPL)函數(shù)操作硬件引腳。

（8）RandomLFSR組件用于獲得一個隨機數(shù)，以決定當檢測到碰撞時，當前節(jié)點等待廣播信道的時間。

下面介紹MAC層發(fā)送、接收數(shù)據(jù)的過程：當節(jié)點要發(fā)送一個數(shù)據(jù)幀時，要先等待一段隨機時間，檢測信道是否處于空閑狀態(tài)。如果信道處于空閑狀態(tài)，接著就發(fā)送12個字節(jié)的數(shù)據(jù)幀開始標志，然后就可以發(fā)送數(shù)據(jù)了。發(fā)送完數(shù)據(jù)后，節(jié)點就進入了等待ACK幀狀態(tài)。其實，在廣播棧初始化之后，節(jié)點在Mac層就一直處于監(jiān)聽信道的狀態(tài)。如果接收到了數(shù)據(jù)幀的開始標志，那么Mac層就知道了，接下來接收的就是真正需要的數(shù)據(jù)幀了。節(jié)點在接收完一個數(shù)據(jù)幀之后，必須發(fā)送一個確認幀，通知發(fā)送方“我已經(jīng)收到數(shù)據(jù)”。

2.2路由層設(shè)計

TinyOS中將所有通信數(shù)據(jù)都封裝為活動消息（Active Message）?；顒酉ⅲˋM）的定義如圖4。

圖4　AM消息結(jié)構(gòu)

目的節(jié)點地址addr是消息發(fā)往的節(jié)點ID。

（1）消息句柄type將在接收節(jié)點中調(diào)用，可以把句柄ID看作是一個在消息頭部中的整數(shù)或“端口號”。

（2）消息組group是規(guī)定只有在同一個組下的節(jié)點能夠通信，默認為0x7E。

（3）數(shù)據(jù)段字節(jié)數(shù)length是數(shù)據(jù)段的字節(jié)數(shù)目。

（4）數(shù)據(jù)段data最大允許長度為29字節(jié)。

（5）crc校驗字段是從addr到data字段的校驗值。

（6）ack字段為1表示消息成功發(fā)送；為0表示消息沒有成功發(fā)送。

路由層的定義是實現(xiàn)多條路由的關(guān)鍵。路由層定義如圖5。

圖5　路由層數(shù)據(jù)格式

節(jié)點的路由狀態(tài)廣播包括節(jié)點自己的ID號、到匯聚節(jié)點的跳數(shù)、路由狀態(tài)廣播消息的編號以及到鄰居節(jié)點的鏈路評估信息等。由于前3項都在路由層定義了，所以在路由分組中不需要再定義了。路由狀態(tài)分組格式如圖6所示。

圖6　路由狀態(tài)分組格式

節(jié)點就是通過在estList表中查找節(jié)點ID號是自己的表項，再把receiveEst填寫到路由表中發(fā)送路由狀態(tài)包的節(jié)點表項的sendEst。節(jié)點接收到鄰居節(jié)點的路由狀態(tài)分組之后，就保存在自己的路由表中。

2.3應(yīng)用層設(shè)計

根據(jù)規(guī)范和設(shè)計要求，軸系相鄰法蘭上的偏移值δ和曲折值Φ為：δ≤0.10 mm，Φ≤0.10 mm/m。從表1和表2可知，兩組法蘭上的偏移值和曲折值滿足設(shè)計和規(guī)范要求。

從WSN交通信息采集節(jié)點匯聚到Sink節(jié)點的數(shù)據(jù)包只有兩種類型，一種是包含各車道交通流量、車速信息的FSMsg數(shù)據(jù)包，另一種是包含節(jié)點RSSI值和工作電壓的RBMsg數(shù)據(jù)包。通過多跳路由協(xié)議就可以將網(wǎng)絡(luò)內(nèi)所有節(jié)點的數(shù)據(jù)匯聚到Sink節(jié)點。

根據(jù)上層消息結(jié)構(gòu)的分析，應(yīng)用層最大允許長度為22字節(jié)。消息結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7　應(yīng)用層數(shù)據(jù)包結(jié)構(gòu)圖

從Sink節(jié)點發(fā)送往WSN交通信息采集節(jié)點的命令數(shù)據(jù)包主要包括交通信息采集頻率采、異常報警閾值。由于從Sink節(jié)點往信息采集節(jié)點發(fā)送命令數(shù)據(jù)比較少，所以采用了廣播的方式將命令發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的所有節(jié)點上。

3　節(jié)點軟件實現(xiàn)

3.1交通信息采集傳感節(jié)點流程

交通信息采集傳感節(jié)點主要負責自主組成網(wǎng)絡(luò)、采集數(shù)據(jù)、上傳數(shù)據(jù)等功能。傳感器節(jié)點的工作流程如圖8所示。

圖8　交通信息采集傳感節(jié)點流程圖

3.2交通信息采集Sink節(jié)點流程

Sink節(jié)點是數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉屑~，在系統(tǒng)中充當路由器的作用，實現(xiàn)在兩個網(wǎng)絡(luò)間數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)。Sink節(jié)點的工作流程如圖9所示。

圖9　Sink節(jié)點流程圖

ARM3000主要完成提供人機操作界面、接收并處理Sink節(jié)點數(shù)據(jù)、接收用戶輸入節(jié)點命令、發(fā)送控制命令、超閥值報警等功能。ARM平臺收到Sink節(jié)點的數(shù)據(jù)后，繪制交叉口交通流量變化曲線圖、標示節(jié)點的電池剩余量和RSSI值。流程如圖10所示。

圖10　管理節(jié)點流程圖

4　系統(tǒng)測試方案及結(jié)果

TinyOS是一種專為嵌入式無線傳感網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的開源操作系統(tǒng)，基于構(gòu)件的架構(gòu)使其具有低功耗易實現(xiàn)的特點[7]。在ARM3000平臺上移植TinyOS嵌入式操作系統(tǒng)，利用其多任務(wù)、高實時的優(yōu)勢完成和Sink節(jié)點的通訊以及豐富的采集數(shù)據(jù)顯示方式。因為系統(tǒng)提供了GUI、TCPIP等方面的API。所以筆者的任務(wù)就是在這些庫的基礎(chǔ)上直接進行應(yīng)用程序的開發(fā)。

表1　交通信息采集自組網(wǎng)系統(tǒng)任務(wù)定義

4.1系統(tǒng)測試任務(wù)定義

因為移植TinyOS后，在操作系統(tǒng)啟動時，默認會啟動優(yōu)先級為1、8、9、10、11、59、62、63的任務(wù)。所以在應(yīng)用程序中，一共定義了7個任務(wù)。

Uart0_Receive_Task任務(wù)解析Uart0發(fā)送過來的Sink節(jié)點的數(shù)據(jù)，然后通過消息隊列的方式通知Rcvd_Process_Task對數(shù)據(jù)進行處理。Message_Task響應(yīng)系統(tǒng)默認消息，如鍵盤消息、觸摸屏消息等。Uart0_Send_Task負責將用戶的控制命令發(fā)送到Sink節(jié)點。UDP_Send_Task將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)到PC服務(wù)器。UDP_Receive_Task接受PC服務(wù)器的數(shù)據(jù)，獲得服務(wù)器的IP和通信端口號。Check_NodeLive_Task周期性的檢查節(jié)點的生命計數(shù)器，如果節(jié)點死亡，就從節(jié)點隊列移出。

4.2系統(tǒng)測試結(jié)果

如圖1所示，分別以雙向2車道、4車道、6車道的通用十字形交叉口為例，傳感節(jié)點安裝在交叉口進口道停車線前15 m處，對系統(tǒng)進行了測試。

（1）數(shù)據(jù)可靠性測試

系統(tǒng)啟動后，設(shè)置采集間隔為10分鐘，利用手動交通調(diào)查儀器統(tǒng)計的交通流量為參照與平臺采集的交通信息采集到的交通信息對比，由表1可知系統(tǒng)采集交通信息誤差最大約為7%。

表2　交通信息可靠性列表

（2）數(shù)據(jù)時延測試

在通用交叉口，系統(tǒng)的時延隨著交通流量的增大和節(jié)點的增多呈上升趨勢，但時延通常小于400 ms，可以滿足交叉口信號控制和交通誘導(dǎo)的需求。

（3）傳輸距離測試

交通信息采集傳感節(jié)點設(shè)置在進口道停車線前15 m處[8]，不同進口方向兩個節(jié)點間的距離大約28 m，sink節(jié)點可以收到兩個節(jié)點發(fā)送的數(shù)據(jù)。如傳感節(jié)點設(shè)置在進口道停車線前20 m、30 m、50 m處，不同進口方向兩個節(jié)點間的距離分別為35 m、50 m、77 m，測試表明在節(jié)點距離小于50 m時，可以收到節(jié)點數(shù)據(jù)；如節(jié)點距離在50~77 m會有找不到節(jié)點的情況發(fā)生，由于城市交通信號控制檢測點通常小于50 m，可以滿足實際需要。

表3　系統(tǒng)數(shù)據(jù)時延測試列表

5　結(jié)論

與傳統(tǒng)的線圈等交通信息采集方式相比，基于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)的交通信息采集有更大的靈活性和方便性，在后期維護、系統(tǒng)布線等方面有著巨大的優(yōu)勢。本文基于IEEE 802.11p標準，設(shè)計的TinyOS環(huán)境下交通信息采集自組網(wǎng)方案，具有傳輸數(shù)據(jù)可靠、時延小、傳輸距離滿足需要等優(yōu)點，以通用城市交叉口為例，從檢測數(shù)據(jù)的可靠性、時延、傳輸距離等3個方面對系統(tǒng)進行了測試，結(jié)果表明，該方案通信穩(wěn)定，對進一步開發(fā)相關(guān)的實用系統(tǒng)具有參考意義。

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(編輯：阮毅)

坪山將建廣東省機器人產(chǎn)業(yè)示范基地

近日，“坪山聚龍智谷”成為廣東省“2015年省市共建戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)基地”。根據(jù)省一級規(guī)劃，機器人產(chǎn)業(yè)將成為坪山新區(qū)智能制造示范基地的突破口，機器人產(chǎn)業(yè)園到2020年底基本建成。

據(jù)了解，《廣東省智能制造示范基地產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2015-2017）（機器人產(chǎn)業(yè)示范基地·深圳坪山）》近期正式發(fā)布，該規(guī)劃提出，以打造國際領(lǐng)先、國內(nèi)一流“機器人產(chǎn)業(yè)示范基地”為發(fā)展愿景，集聚全球機器人領(lǐng)域的產(chǎn)業(yè)資源、科研要素，全力推進新區(qū)機器人產(chǎn)業(yè)快速健康發(fā)展，將新區(qū)打造成為全球智造者的天地、機器人的家園、創(chuàng)造家的樂土。

該規(guī)劃提出，新區(qū)機器人產(chǎn)業(yè)園力爭到2017年初見成效，到2020年底基本建成，形成以機器人技術(shù)為核心，以重點項目為著眼點推進智能工業(yè)機器人全產(chǎn)業(yè)鏈結(jié)構(gòu)布局，實現(xiàn)工業(yè)產(chǎn)值500億元，力爭實現(xiàn)機器人產(chǎn)業(yè)年均增長超過20%。培育集聚10家以上技術(shù)引領(lǐng)型的國際知名企業(yè)、研究機構(gòu)，使創(chuàng)新資源和要素實現(xiàn)有效的匯聚和深度的合作，建立比較完善機器人設(shè)計、研發(fā)、檢測、試驗、驗證、認證認可等服務(wù)的公共服務(wù)認證檢測體系，組織實施10個以上重大產(chǎn)業(yè)化項目，吸引若干機器人領(lǐng)域的兩院院士、千人計劃等高端人才團隊到新區(qū)，以各種形式為新區(qū)機器人產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供服務(wù)，培養(yǎng)、造就一批具有國際影響力的領(lǐng)軍人才，將新區(qū)打造成為國際領(lǐng)先的機器人科研創(chuàng)新中心、全球知名的機器人產(chǎn)業(yè)集聚基地。

（來源：南方日報）

Design of Traffic Information Collection Ad Hoc Network Based on TinyOS

CAO Cheng-tao
（Intelligent Traffic Engineering Technology Center，Guangdong Communication Polytechnic，Guangzhou510650，China）

Abstract:Aiming at the drawbacks of the traditional traffic information collection，an Ad Hoc Network scheme of traffic information collection based on IEEE 802.11p was proposed by using ARM3000 platform. The structure of the system was introduced. The design method of MAC layer，routing layer and application layer of Ad Hoc Network on tinyos were explained in detail，while the software workflow of sensor node，sink node and management node was given. Taking general city intersection as an example，the system was tested from three aspects of reliability，data delay and transmission distance. It shows that the design scheme proposed is stable and reliable，which has reference significance to develop practical system.

Key words:traffic information；TinyOS；Ad Hoc Network；sensor node

作者簡介：曹成濤，男，1981年生，山東濟寧人，博士，副教授。研究領(lǐng)域：智能交通系統(tǒng)。

收稿日期：2015－07－29

中圖分類號：TP391 U491

文獻標識碼：A

文章編號：1009－9492 ( 2015 ) 11－0001－06

DOI:10. 3969 / j. issn. 1009-9492. 2015. 11. 001