无线网络技术在交通流量管理中的应用

康晓丽（山西省自动化研究所，山西 太原 030012）

由于近年来大城市人口密度大、新车增长速度过快、施工项目多、市民的交通观念差等原因，交通拥挤情况十分严重，已经严重影响到人们的日常生活。交通路况的好坏与人们的日常生活息息相关，因此实时掌握全市各路段的车流量，建立全面的交通流量管理系统，从而合理建设、规划交通，从根本上解决、缓解交通拥挤问题已成为交通管理部门的重要目标之一。本文讲述了无线射频识别即RFID（Radio Frequency Identification）传感技术在交通流量实时监测系统中的典型应用。

1 无线网络技术介绍

射频识别技术即RFID（Radio Frequency Identification），又称为电子标签、无线射频识别，是一种通信技术，可通过无线电讯号识别特定目标并且读写相关数据，无需识别系统与特定目标之间建立机械或光学接触，也是一种非接触的自动识别技术，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，可识别高速运动物体并可同时识别多个标签，操作快捷方便。 是目前发展最为迅速，潜力最大的新兴无线技术之一。

2 基于RFID（Radio Frequency Identification）传感技术的道路交通状监视系统

通过将RFID系统划分为3层，实现可靠、通用、易扩展的道路交通状态监视系统构建平台。第一层，也是最底层为Device层，即RFID传感器硬件部分，包括读写装置、物理设备（TCP/IP、串口（USB、RS-232C）等）；第二层为中间件层，即RFID传感器控制服务器端，通过Event控制/管理(包括数据过滤和Event通知)和设备管理（包括设备登陆/管理和数据收集）实现Log收集分析的集约访问阶层管理；第三层为Application层，是上层应用系统，通过采用.NET API库（只支持Windows）、应用WebService、DB实现流量实时监控、实时交通管制、交通规划系统等功能。

2.1 RFID车辆感应标签系统

（1）车辆感应标签构造原理

如图1所示，一个车感标签可以分为无线通信、传感器、时钟、CPU内存、电池等几个部分。其中无线通信模块保证了车辆感应标签与信号接收器之间的通信，通信距离根据天线型号的不同，有80米、300米和200米三种，通信方式采用低功耗技术，每枚电池保证不间断通信5年时间，通信速度高达2Mbps；传感器模块可以记忆当前地球磁场属性，并且感应到当车辆通过时磁场的微弱变化；时钟模块高精准的记录当前时钟，时钟可以通过信号接收器读取/设置，时钟模块的计时晶震，提供给CPU(数据处理器)计算车速所必须的时间变化量；CPU和内存模块提供了流量计算逻辑，通过传感器模块收集的磁场数据，CPU可以用预先编制的计算逻辑计算车辆长度、大小、速度等信息。内存模块提供的储存空间提供了在不能同步数据时（信号接收天线损坏等）暂时储存车流量数据的可能；电池模块提供的长久的电力供应，配合整体的低功耗技术，持续工作时间可以长达6年。整体工作温度-30℃～70℃。

（2）车辆感应标签工作原理

当汽车接近时，通过传感器探测到经过车辆的信息，并将该信息传回到CPU内存模块，该模块将参照时钟模块把数据传递到通信模块同时存储车流信息，通信模块向外发送接收到的信息，电池模块保证了传感探测器10年的持续供电。

（3）车辆感应标签的样式

TYPE1：

图1 车辆感应标签构造原理图

在路面钻小洞，植入标签即可。

TYPE2：

图2 车辆感应标签样式示意图

放在路面以膨胀螺钉固定(同路面反光导向标志)

2.2 数据的读取和发送

方式1：手持式读写器

CF卡式读写器可用于移动终端的数据采集，道路观测人员可以在观测路段手持读写器，在20M的读取半径上对车流量进行数据采集，然后向服务器传送读取到的数据流量。

方式2：固定式读写器

固定式读写器固定在观测路边的某个位置，可以在80M～200M的读取半径上对车流量读取数据，通过无线互联网向服务器传送读取到的流量数据。低功耗技术可在黑暗环境下工作1周。

其中接收装置和数据中心的连接方式分为三种：分别为GPRS(无线)、光缆等网络、485网络等三种方式传送到数据处理中心。在传输过程中采用以下技术保证数据的及时传输和网络的稳定性。

（1）中继原理，多个接收器可以自行组成无线通信网络，可以中继周边接收器所接收到的信号。无线网络中只要有一台接收器接入互联网络，其他的读取器都可以通过这个节点向数据处理中心上传数据。

（2）天线先发言方式（ATF方式）

时常状态下，标签不发出任何无线电信号，并处于待机状态，以保证低能耗以及信道的畅通。需要读取信息时，先由天线发出广播信号，要求读写范围内的标签返回自己的唯一ID识别编号。处于待机状态的标签在接收到天线的广播信号后，发射瞬时信号，告知自己的ID识别编号。天线接收到所有的ID编号后，自动安排访问顺序，并发射信号要求指定标签(Tag1)建立数据连接。当天线和Tag1的通信结束后，天线依照先前安排的次序，要求Tag2建立数据连接，并同步数据。每次连接都会同步标签时钟。

（3）多天线对多标签的分时控制机制

在多天线和多标签的环境下，使用天线群的分时读取控制机制，解决冲撞问题。在同一时刻，只有一个天线工作，以保证信道的通畅。天线集群中的天线依次被激活，一个读取周期结束后，可以保证读取所有温度信息。

2.3 友好便捷的管理界面系统

提供友好的管理界面系统，使得设备管理方便简单。系统收集从设备层到应用层的各种Log。Log自动管理、分析、检索、过滤等功能。迅速排查故障，对设备状态监视。系统定期删除Log、自动压缩Log、按日期/按大小分配Log文件，能够节省系统资源，使系统稳定运行，管理工作更加轻松。

3 本技术的优势分析

3.1 无线传感技术的优势

（1）施工方便

传统的方法需在地面开槽、安放地感线圈，非常不方便。采用无线网络技术无需地面配线、快速施工安装RFID车辆感应标签。路面施工极其方便，不需要挖开路面，不需要布线，不需要电源，只需钻小孔植入即可。每个探测传感器设备的铺设只需几分钟就可以完成而且不受使用现场环境的影响。

（2）外观精巧，维护简单

小巧美观，几乎不需要平时的维护。不影响道路其他设施的施工。经久耐用，内置电池可以使用5～8年时间。

（3）全天候把握交通流量

设备不受天气等情况的影响，24小时不间断统计车辆信息。不受施工环境的限制，不需电源供应，通过GPRS传送数据，不需任何布线。-45℃～85℃的工作温度，在恶劣环境下也可使用。

（4）多维的数据收集为实施监控提供依据

可以同时获取：车速，车辆长度，单位时间车流量等数据，并实时上传，为上位程序提供最及时有效的数据。

（5）最小化的网络负荷

所有车流量信息已在标签端计算完成，上传的是具体数值，对网络负荷极小，即使是GPRS也可轻松搞定数据传送任务。

3.2 使用RFID集约访问中间件的优势

（1）快速部署

使用RFID集约访问中间件可以实现快速的部署设置，通过简单调试就可以和上层应用程序完美结合，规避开发接口的风险。

（2）集约的硬件管理

集约化的硬件管理。及时发现故障设备，实时监控设备状态，防止天线间的互相干扰。

（3）高效的数据读取

中间件可以优化读取，传送数据的能力，过滤不必要的数据，使数据传送最优化，提高设备网络的整体处理能力。

（4）支持设备投入和维护的工作

可视化的操作界面，使设备初始化和维护工作简单高效。

4 结语

通过以上论述，本系统实时的流量收集，结合信号灯控制系统，为动态交通流量调节提供了可能性。交通路口系统通过建立覆盖城市主要干道及路口的传感器网络，配备相应的设备和软件，可将交通路口车辆运行状况实时传送到调度中心，对道路车辆运行状况进行监控。同时，公安交通管理部门可以根据现场实际情况对道路车流量进行控制，将车辆安排到畅通的路段减少阻塞，保证道路交通畅通，实现城市交通管理的智能化。

[1]Klaus Finkenzeller(德国). 射频识别技术(第3版)[M]. 电子工业出版社,2006, 10.

[2]王爱英. 智能卡技术(第三版)——IC卡与RFID标签[M]. 清华大学出版社,2009, 11.

[3]刘勃. 交通流量的视频检测方法研究[M]. 中国科学技术大学, 2008, 1.

[4]吴兵, 李晔. 交通管理与控制人民[Z]. 交通出版社, 2010, 1.