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无线传感器网络在智能交通系统中的应用
作者：RFID世界网 收编
来源：中国自动化网
日期：2010-01-27 10:12:01
摘要：无线传感器网络技术应用与研究得到更多关注。本文结合智能交通系统中的典型应用，讨论了无线传感器网络的设计等问题。随着技术发展与成熟，无线传感器网络技术可以在智能交通系统中更多关键性场合得到应用，例如电子收费、交通安全与自动驾驶、停车管理、交通诱导系统等，更进一步推动智能交通系统的发展。
网络节点和网关节点的设计
网络节点软件功能设计
在ITS无线传感器网络的设计中，网络节点按照功能不同，需要分别进行设计。终端节点、汇聚节点和网关节点的软件功能如图3所示。终端节点安装不同的传感器用于运动车辆信息采集和道路信息获取等。其功能实现可按照精简功能设备(RFD，ReducedFunctionDevice)标准来实现。终端节点与汇聚节点按照星型网络组网，在固定时间点由睡眠状态醒来与汇聚节点主动通讯。信息路由则交给父(汇聚)节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成，降低了节点功耗和软件实现复杂度。汇聚节点是终端节点软件功能上的扩展，实现了扩展网络及路由消息的功能，允许更多重点节点接入网络。可按照全功能设备(FFD，FullFunctionDevice)标准进行设计。
无线传感器网络节点软件功能
网关节点是网络中所需要的协调器，负责启动网络、配置网络成员地址、维护网络、维护节点的绑定关系表等，还负责将所采集的数据初步处理并交付交通信号控制器传输到上一级信息中心，需要较多存储空间、计算及通讯能力。
现有较多的无线传感网解决方案，包括各芯片产商推出的单片机外接射频芯片和集成射频、微处理器的单芯片等。在节点设计中较常采用的ZigBee射频芯片有Atmel的AT86RF230、TI的CC2420、Freescale的MC1319x和MC1320x、Microchip的MRF24J40等。此外，芯片产商推出了单芯片解决方案，如TICC2430延用了CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器；Freescale的MC1321x/MC1322x和Jennic的JN5121/JN513x单芯片解决方案等。
●基于Atmel的AT86RF230射频芯片和AVR单片机设计方案
典型的终端节点和汇聚节点设计如图4所示，采用Atmel的8位RISC结构低功耗ATMegal1281VMCU作为系统控制核心。采用512KB的AT45DB041D作为外部程序存储器。射频模块使用Atmel的支持ZigBee协议的AT86RF230，RF功率达到3dBm，室外传输距离可达300米以上节点的扩展接口可连接模拟输入、数字I/O、I2C、SPI和UART接口，这些扩展接口使其易于与传感器及其它外设连接，例如外接光度、温温度、气压、声、地磁和加速度等传感器。
●基于TI的CC2420芯片和ARM单片机设计方案
在设计无线传感器网络网关时，需要较强的数据处理能力，用以实现复杂路由协议以及信息处理等。如图5所示Crossbow的imote2节点采用了MarvellPXA271高性能、低功耗处理器。该处理器使用动态电压调节技术，频率范围13MHz~416MHz，可工作于低电压(0.85V)低频率(13MHz)模式，具备了优良的动态电源管理技术。此外，该处理器封装内集成三个芯片256KBSRAM，32MBFLASH以及32MBSDRAM，减小了体积。通过提供多种I/O，能够灵活的支持不同种类的传感器。该处理器还支持一个MMX协处理器，提高多媒体处理能力，可以用于无线多媒体传感器网络中的语音和图像处理。Imote2使用TI的CC2420ZigBee射频芯片，支持2.4GHz、16通道250kb/s数据传输，发送功率-24～0dBm。有效通讯距离是30米，可以通过SMA接口外接天线来增加传输距离。
Imote2系统结构
●节点设计其他考虑
在智能交通系统专用无线传感器网络节点设计时需要如下考虑：
①节点低功耗设计。终端节点都是电池(可用太阳能蓄电池)供电。
②节点成本要低廉。在进行大规模交通信息采集等部署时，节点成本将是项目关键。
③节点的数据处理及存储能力。一些节点需要进行高速信息采集并且运行识别算法，所以需要数据处理能力。还需要考虑在有限的空间之内存储程序、数据、以及支持代码在线更新等功能。
④此外，根据不同应用场合的需要，无线传感器节点要具有不同的传感器接口，能外接不同的传感器。
其中，能耗管理应该作为重点考虑。特别是采用32位ARM处理器外接射频芯片的解决方案，需要有效降低节点能耗，需要在系统级软件上进一步改善能耗管理，例如优化TinyOS或嵌入式Linux电源管理功能。
结语
无线传感器网络技术应用与研究得到更多关注。本文结合智能交通系统中的典型应用，讨论了无线传感器网络的设计等问题。随着技术发展与成熟，无线传感器网络技术可以在智能交通系统中更多关键性场合得到应用，例如电子收费、交通安全与自动驾驶、停车管理、交通诱导系统等，更进一步推动智能交通系统的发展。
网络节点软件功能设计
在ITS无线传感器网络的设计中，网络节点按照功能不同，需要分别进行设计。终端节点、汇聚节点和网关节点的软件功能如图3所示。终端节点安装不同的传感器用于运动车辆信息采集和道路信息获取等。其功能实现可按照精简功能设备(RFD，ReducedFunctionDevice)标准来实现。终端节点与汇聚节点按照星型网络组网，在固定时间点由睡眠状态醒来与汇聚节点主动通讯。信息路由则交给父(汇聚)节点及网络中具有路由功能的协调器和路由器完成，降低了节点功耗和软件实现复杂度。汇聚节点是终端节点软件功能上的扩展，实现了扩展网络及路由消息的功能，允许更多重点节点接入网络。可按照全功能设备(FFD，FullFunctionDevice)标准进行设计。
无线传感器网络节点软件功能
网关节点是网络中所需要的协调器，负责启动网络、配置网络成员地址、维护网络、维护节点的绑定关系表等，还负责将所采集的数据初步处理并交付交通信号控制器传输到上一级信息中心，需要较多存储空间、计算及通讯能力。
现有较多的无线传感网解决方案，包括各芯片产商推出的单片机外接射频芯片和集成射频、微处理器的单芯片等。在节点设计中较常采用的ZigBee射频芯片有Atmel的AT86RF230、TI的CC2420、Freescale的MC1319x和MC1320x、Microchip的MRF24J40等。此外，芯片产商推出了单芯片解决方案，如TICC2430延用了CC2420芯片的架构，在单个芯片上整合了ZigBee射频前端、内存和微控制器；Freescale的MC1321x/MC1322x和Jennic的JN5121/JN513x单芯片解决方案等。
●基于Atmel的AT86RF230射频芯片和AVR单片机设计方案
典型的终端节点和汇聚节点设计如图4所示，采用Atmel的8位RISC结构低功耗ATMegal1281VMCU作为系统控制核心。采用512KB的AT45DB041D作为外部程序存储器。射频模块使用Atmel的支持ZigBee协议的AT86RF230，RF功率达到3dBm，室外传输距离可达300米以上节点的扩展接口可连接模拟输入、数字I/O、I2C、SPI和UART接口，这些扩展接口使其易于与传感器及其它外设连接，例如外接光度、温温度、气压、声、地磁和加速度等传感器。
●基于TI的CC2420芯片和ARM单片机设计方案
在设计无线传感器网络网关时，需要较强的数据处理能力，用以实现复杂路由协议以及信息处理等。如图5所示Crossbow的imote2节点采用了MarvellPXA271高性能、低功耗处理器。该处理器使用动态电压调节技术，频率范围13MHz~416MHz，可工作于低电压(0.85V)低频率(13MHz)模式，具备了优良的动态电源管理技术。此外，该处理器封装内集成三个芯片256KBSRAM，32MBFLASH以及32MBSDRAM，减小了体积。通过提供多种I/O，能够灵活的支持不同种类的传感器。该处理器还支持一个MMX协处理器，提高多媒体处理能力，可以用于无线多媒体传感器网络中的语音和图像处理。Imote2使用TI的CC2420ZigBee射频芯片，支持2.4GHz、16通道250kb/s数据传输，发送功率-24～0dBm。有效通讯距离是30米，可以通过SMA接口外接天线来增加传输距离。
Imote2系统结构
●节点设计其他考虑
在智能交通系统专用无线传感器网络节点设计时需要如下考虑：
①节点低功耗设计。终端节点都是电池(可用太阳能蓄电池)供电。
②节点成本要低廉。在进行大规模交通信息采集等部署时，节点成本将是项目关键。
③节点的数据处理及存储能力。一些节点需要进行高速信息采集并且运行识别算法，所以需要数据处理能力。还需要考虑在有限的空间之内存储程序、数据、以及支持代码在线更新等功能。
④此外，根据不同应用场合的需要，无线传感器节点要具有不同的传感器接口，能外接不同的传感器。
其中，能耗管理应该作为重点考虑。特别是采用32位ARM处理器外接射频芯片的解决方案，需要有效降低节点能耗，需要在系统级软件上进一步改善能耗管理，例如优化TinyOS或嵌入式Linux电源管理功能。
结语
无线传感器网络技术应用与研究得到更多关注。本文结合智能交通系统中的典型应用，讨论了无线传感器网络的设计等问题。随着技术发展与成熟，无线传感器网络技术可以在智能交通系统中更多关键性场合得到应用，例如电子收费、交通安全与自动驾驶、停车管理、交通诱导系统等，更进一步推动智能交通系统的发展。
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