基于无线传感器网络的车流量检测节点设计

王志秦

（唐山学院 信息工程系，河北 唐山063000）

0 引言

在国内各大中型城市解决交通拥堵问题的过程中，智能交通系统受到了广泛关注。智能交通系统具有采集和分析处理交通信息、控制交通信号、引导车辆通行等功能，能够有效缓解交通拥堵，实现节能环保。采集交通信息，尤其是主干道路的车流量信息是合理控制和引导车辆的基础，具有重要研究意义。近年来随着电子信息技术的快速发展，无线传感器网络为车流量检测提供了新的技术手段［1］。无线传感器网络具有成本低、便于大规模部署、维护方便、扩展性能好、可分布式检测和协同计算等明显优势，系统效果优于传统的车流量检测系统，是构成智能交通系统的重要组成部分和发展方向［2］。

1 无线传感器网络的车流量检测系统

1．1 系统组成

无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）是由部署在检测区域内大量的微型传感器节点组成，通过无线通信方式构成的一个多跳自组织的网络系统，可以将覆盖区域内被感知对象的信息发送给观察者。传感器网络系统通常包括传感器节点、汇聚节点和管理节点［3］。

在车流量检测系统中，传感器节点部署在需要检测车流量的道路上，这些节点能够通过自组织方式构成网络，检测到的车流量数据能够沿着传感器节点逐个跳跃传输，经过多跳后传输到汇聚节点，并通过有线、GPRS或其他通信方式送达管理节点。用户可通过管理节点对该传感器网络进行配置和管理。

无线传感器网络的车流量检测系统是由设置于道路交叉路口的汇聚节点和远端的管理节点组成，系统的组成结构如图1所示。

1．2 系统安装部署方式

在无线传感器网络的车流量检测系统中，管理节点位于远端与智能交通系统的数据中心集成；检测节点通过传感器检测路面上的车流量信息，这些节点大量离散分布于道路的路面上，自带电池并通过低功耗运行方式延长使用时间；汇聚节点负责建立协调无线网络系统和处理汇聚的车流量信息，布置在道路的交叉路口附近，并由信号灯系统提供电源。检测节点和汇聚节点的安装部署方式如图2所示。

图1 车流量检测系统组成结构图

图2 安装部署方式

1．3 车流量检测手段

传统的车流量检测方法主要有感应线圈和视频采集等方法。感应线圈由于其原理简单而广泛应用于单点检测，但是其安装部署方法受到限制且成本较高，数据传递采用有线方式，不利于大规模分布式部署。视频采集方法受到摄像头采集效果和天气、光线的影响，车流量检测数据精度低。其他如红外、超声等检测方法受成本和应用的影响不适合大规模部署。

采用磁阻传感器检测车流量信息是一种有效的检测手段。磁阻传感器是利用磁性金属在磁场中电阻变小的磁阻效应来测量磁感应强度及磁感应强度的水平分量和垂直分量的传感器，由于它体积小、灵敏度高、易安装等特点，在弱电磁场测量方面有广泛的应用前景。目前绝大多数车辆都是由钢铁构成，当车辆经过时，会对地球磁场产生较大的影响，通过磁阻传感器可感知车辆通过的信息，从而形成对车流量的检测。

2 车流量检测节点硬件设计

车流量检测节点是整个系统中重点设计的环节，该节点的性能决定了最终车流量检测数据的准确性和系统使用寿命。针对道路车辆运行信息检测的特点和无线传感器网络特点，决定采用基于ZigBee技术的无线传感器网络，使用超低功耗MSP430系列微控制器，ZigBee射频收发器，利用磁阻传感器检测车流量信息，并配以电源管理芯片和锂电池，而且为延长电池使用寿命，配有太阳能电池和充电电路。系统的硬件原理如图3所示。

图3 硬件原理图

2．1 检测节点的硬件总体结构

检测节点以MSP430系列超低功耗单片机作为系统的控制核心；磁阻传感器检测车辆信息并传递给 MCU，MCU对检测信息做处理，并将需要发送的数据信息放入数据缓冲池；在系统唤醒的时间可将信息通过射频收发器发送出去，MCU控制系统进入和退出休眠状态；锂电池和电源管理电路负责为系统供电，太阳能电池及充电电路可以在有光照时为锂电池充电。车流量检测节点的硬件结构如图4所示。

图4 车流量检测节点硬件结构图

2．2 ZigBee网络硬件组成

TI公司的MSP430系列微控制器是专为低功耗应用而精心设计的超低功耗、16位RISC混合信号处理器，适合用于长时间电池供电的场合。MSP430F5418A内部集成了128 KB的FLASH，16 KB RAM，能够支持较复杂程序的开发，如ZigBee网络协议。具备1．8～3．6 V的宽工作电压范围，0．5μA的待机功耗，灵活的时钟选择可使设计人员能灵活设定处理器速度与工作电压，从而优化电池的使用寿命，非常适合在低功耗ZigBee网络中工作［4］。

TI公司的 CC2520是第二代ZigBee／IEEE802．15．4射频收发器，应用范围包括工业监视与控制、家庭与大楼自动化、机顶盒、遥控和无线传感器网络。它主要用于企业、科研与医疗等部门的2．4 GHz免费频段，具有较高的灵敏度和稳定性，并可低电压工作。应用于典型系统时，CC2520只需搭配1颗微控制器芯片和数颗被动零件。CC2520提供丰富的硬件支持电路，如封包处理、数据缓冲、爆发传输、数据加密、数据验证、净信道评估（clear channel assessment）、链路质量指示和封包时间信息，大幅减轻协调器控制器的作业负荷［5］。

2．3 磁阻传感器电路

Honeywell HMC5883L是一种采用各向异性磁阻（AMR）技术表面贴装并带有数字接口的弱磁传感器芯片，应用于低成本罗盘和磁场检测领域。传感器带有的对于正交轴低敏感的固相结构能用于测量地球磁场的方向和大小，其测量范围从1 mG到8 G。HMC5883L包括高分辨率HMC118X系列磁阻传感器，该传感器具有在轴向高灵敏度和线性高精度的特点。内部附带集成电路包括放大器、自动消磁驱动器、偏差校准、12位模数转换器，具有简易的I2C系列总线接口。Honeywell H MC5883L的磁传感器在低磁场传感器行业中是灵敏度最高和可靠性最好的传感器［6］。

2．4 电源管理及太阳能电池电路

系统采用锂电池供电，并配以LDO电路，在系统采用低功耗工作时，系统电量能够维持系统正常运行2年以上，为了延长系统工作时间，结合检测节点在公路路面安装的特点，加入小型太阳能电池并配以充电电路为系统提供可充电电能。

3 车流量检测节点软件设计

在车流量检测节点的硬件基础上进行系统软件设计。ZigBee网络协议采用TI公司的免费ZigBee协议栈Z－Stack。Z－Stack是一个多平台、全功能的协议栈，提供了大多数任务事件处理函数，不需要大范围地改动Z－Stack协议的代码，只需根据实际需要编写应用层的任务事件处理函数，将主要精力集中于信息处理程序。

3．1 磁阻传感器信号处理

磁阻传感器HMC5883L能够将X，Y，Z三轴向的磁阻变化数据存储于片内寄存器，MCU通过I2C总线可以读写到这些数据，并将这些数据存储于数据缓冲池。在系统应用前对没有车辆经过时的本地磁场数据进行记录并获取其平均值，并根据车辆通过时的影响平均值设定数据的阈值范围。当系统运行后，读取的数据与阈值范围进行比较实现对车流量的统计。

3．2 车流量检测算法

车流量检测节点采用休眠唤醒方式工作，休眠唤醒时间周期短于100 ms，以城市道路车辆行驶速度60 km／h计算，普通车辆通过车流量检测节点的时间长于250 ms，检测节点足以检测到车辆并完成信息处理。检测节点在唤醒工作状态时，不断检测磁阻传感器数据，如果发现车辆通过，则对通过的车辆计数，并将数据放于数据缓存池中，当唤醒次数达到一定阈值，则将统计数据总和集中发送给汇聚节点。汇聚节点通过对路段内的数据动态变化进行统计，确定车流量信息。

3．3 检测节点软件流程

Z－Stack协议栈采用事件轮询机制，系统初始化后按优先级查询是否有就绪任务事件，存在就绪任务事件则调用任务事件所对应的处理函数，执行完所有就绪任务事件后进入低功耗模式。

汇聚节点上电后初始化协议栈，选择合适的信道，允许ZigBee设备与其连接，并建立ZigBee网络；检测节点上电初始化后，进行信道扫描，寻找周边节点并与其建立连接。Zig－Bee网络建立后，检测节点周期性采集车流量数据，通过无线信道传送给汇聚节点。汇聚节点接收到各个检测节点的数据汇总统计后，传输给管理节点并与智能交通系统数据集成。检测节点软件流程图如图5所示。

图5 检测节点流程图

4 系统实验

系统实验在一条双向单车道上进行，在两条车道上交错布置10个车流量检测节点，节点直线间隔距离15 m，汇聚节点置于道路一端，车流量数据集中显示于汇聚节点配备的液晶显示屏，测试数据如表1所示。

表1 测试数据

实验表明，虽然由于车速、车辆变道、不按照车道行驶等原因会使检测数据产生误差，但是检测数据与实际通过车辆数据之间的误差很小，当实验次数增加时平均数据误差会逐渐减小。所以基于无线传感器网络的车流量检测节点能够有效准确地检测车流量信息。

5 结论

本系统利用无线传感器组网进行车流量检测，检测节点利用磁阻传感器感应车流量信号，各节点构成ZigBee无线传感器网络，并将检测信息发送到汇聚节点，供智能交通系统使用。检测节点大量离散分布于道路的路面上，可以全路段检测车流量，检测精度较高。检测节点采用低功耗硬件配置，设计了电源管理电路使节点在休眠和唤醒的方式下工作，可以利用太阳能电池充电，充分延长检测节点的在网工作时间。实验表明，该系统能准确检测车流量信息，具有安装布线方便、易维护、工作稳定、寿命长的特点。

［1］ 仲元昌，蔡增增，赵贞贞，等．面向交通信息采集的智能无线传感器节点［J］．计算机工程与应用，2012，48（24）：62－66．

［2］ 任亮亮．基于视频识别和WSN的城市交通灯动态控制系统设计［J］．电子世界，2012（4）：113－114．

［3］ 沙超，王汝传，张悦．一种基于无线传感器网络的智能交通系统［J］．传感器与微系统，2012，31（10）：81－87．

［4］ 袁凌云，朱云，龙瞿立成．分布式无线交通监控系统的研究与实现［J］．计算机工程，2006，32（8）：249－251．

［5］ 冯勇平，张頔，罗嵘．一种低功耗无线传感器网络节点的设计［J］．电子技术应用，2009（4）：33－36．

［6］ 杨波，邹富强．异向性磁阻传感器检测车流量的新方法［J］．浙江大学学报：工学版，2011，45（12）：2109－2158．