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无线传感器网络在高速公路不停车收费系统中的应用
2013-01-07    来源:


目前收取道路交通费是我国道路建设投资的主要收回方式之一,不停车电子收费(ETC)是今后的发展方向,射频识别(Radio Frequency identification,RFID)技术和无线传感器网络(Wire—less Sensor Network,WSN)的出现使它的实现成为可能。

 

收费系统的无线传感器网络特点

  无线传感器网络体系结构,通常包括传感器节点、汇聚节点(Sink node)、外部网络和用户界面。大量传感器节点随机部署在感知区域 (Sensor field),能够通过自组织方式构成网络。传感器节点将采集到的数据,沿着其他传感器节点逐跳进行传输,在传输过程中采集到的数据可能 被多个节点处理,经过多跳路路由后到汇聚节点,再由汇聚节点通过外部网络把数据传送到处理中心进行集中处理。
  收费系统无线传感器节点通常是一个微型的嵌入式系统,构成无线传感器网络的基础层支持平台。从网络功能上看,每个传感器节点兼顾传统网络节点的终端和 路由器双重功能,除了进行本地信息收集和数据处理外,还要对其他节点转发来的数据进行存储、管理和融合等处理,同时与其他节点协作完成一些特定的任务。

 
不停车收费系统的设计

  无线传感网络与RFID相结合,用于高速公路收费系统,以后等条件成熟后可推广到一般公路收费站。该不停车无线传感器网络收费系统能进行车辆靠近报警与识别,并把数据实时的反馈给收费系统。该系统具有以下一些特点:

  2.1含有射频识别技术的网络节点设计
  传感器节点完成对将要通过车辆的感知并进行适当的处理后,将信息数据无线传送给监控中心。因此,传感器节点的基本功能是:准确地采集车辆参 数的值,并进行初步的处理;遇险情(车辆闯关逃费)时进行声光报警;接收监控中心的数据请求命令,将采集的数据发往监控中心等。无线传感器节点各模块的组 成见图1。处理器模块用来进行节点设备控制、任务调度、能量计算、功能协调等;无线收发模块用来进行节点间的数据发送、频率选择等;传感器模块用来进行外 部传感信号的接收、转换;电源模块为传感器节点提供必要的能量。
 


图1 无线传感器节点模块

  处理器模块是无线传感器节点的核心,负责整个节点的设备控制、任务分配与调度、数据整合与转储等多个关键任务。考虑到无线传感器网络的实际特点,作为硬件平台的中心模块,除了应具备一般单片机的基本性能外,还应该有适应整个不停车收费系统网络需要的特点:

  1)尽可能高的集成度。受外形尺寸限制,模块必须能够集成更多的节点的关键部件。

  2)尽可能低的能源消耗。处理器的功耗一般很大,而在无线网络中,没有持续的能源供给,这就要求节点的设计必须将节能作为一个重要因素来考虑。

  3)尽量快的运行速度。网络对节点的实时性要求很高,要求处理器的实时处理能力要强。

  4)尽可能多的I/O和扩展接口。多功能的传感器产品是发展的趋势,而在前期设计中,不可能把所有的功能包括进来,这就要求系统有很强的可扩展性。

  5)尽可能低的成本。如果传感器节点成本过高,必然会影响网络化的布局。

  
  2.2 不停车收费系统的通讯协议
 
  由于收费站布设节点的无线通讯距离长等特点,选用Zig—Bee通讯协议较合适。ZigBee执行IEEE802.15.4标准,世界通用 的频率为2.4G。IEEE在其802.15.4标准中提出一种低速的标准,这种标准易于实现,功耗低,成本低,但却有相当的可靠性。 lEEE802.15.4网络根据收费系统实际需要,组成点对点网络比较合适。与星型网不同,点对点网络只要都在对方的无线辐射范围之内,任何两个设备之 间都可以直接通讯,从而确保不停车系统传输数据的稳定性和安全性。


  2.3 系统的关键技术

  不停车收费系统的关键技术是基于无线传感器网络的自动车辆识别技术实现对车辆、货物实时监控,并能实现高效、准确的管理。如图2所示,该系统由电脑、管理软件、智能电子标签、智能电子标签阅读器、控制箱、道匣、含有地感线圈的无线传感器节点组成。
 


图2 无线传感器网络的ETC车道

  基于无线传感网络的ETC系统能实现自动检验、登记、放行等功能。每辆车在挡风玻璃内放置一块记录本车基本信息的智能智能电子标签(射频卡 大小)。在道口进出口上安放一台智能标签阅读器及一套控制箱,同时配置道闸和含有地感线圈的无线传感器节点。当带有智能电子标签的汽车进人地感线圈的节点 时,地感线圈得到信号,同时智能标签阅读器也读到智能电子标签的信号,光学识别系统识别车的车牌。如果是合法的,就发出信号,打开道闸,允许车辆通过。另 外,自动识别系统读取电子标签中的用户费用信息、车型信息和人口车道信息进行收费计算,完成IC卡内收费额的扣除,收费记录写人lC卡,并向用户显示有关 收费状态信息后给予放行。如果有非法ETC用户强行通过ETC专用车道,可进行车牌抓拍,生成违章记录,便于事后处理。此时车辆只要适当减速,不需要停 车,也不需要伸手刷卡,就可以顺利通过道口。车辆过道闸后通过门内地感线圈的无线节点时,又产生信号,让道闸关闭。车辆通过高峰时,即车辆一辆接一辆进人 时,可以通过软件设置,道闸处于常开状态,当最后一辆车辆进人时道闸关闭。车辆出人的全部信息均由电脑实时记录,并生成车流量的准确日报、月报统计表。


系统节能分析

  系统的设计通过下面的措施进行了能量节约考虑: 采用低功耗的ATmegal28L微处理器,在平常状态下处于Stop模式,冻结所有的时钟供 应, 电源消耗最少,电流消耗仅AT—megal28L的漏电流,少于1OvA;( 在无线收发电路处于空闲状态时,尽可能将其关闭,即置于睡眠状 态;⑧ 在软件设计上,通过动态电源管理(Dynamic Power Management,DPM)技术使系统各个部分都运行在节能模式。在关闭空闲 模块状态下,传感器节点或其一部分将被关闭或者处于低功耗状态,直到有感兴趣的事件发生;④优化操作系统。操作系统的核心是任务调度器,负责调度给定的任 务集合使其满足各自的时间和性能需求,通过在任务调度中考虑节能问题,系统生存时间可得到明显的延长。在实时调度算法中进行某种程度的预测,对能耗进行主 动式的管理。同时应用层设计成将主要的计算任务及早执行,然后在算法正常结束前提前中止,这样就能在对精度影响不大的情况下节约能耗。


结束语

  随着国际社会智能交通系统研究开发的进展和我国不停车收费系统建设的迅速兴起,伴随着无线传感器网络技术的日益成熟,我国必将形成一个规模庞大的产业市场。不停车收费系统采用IC卡作为数据交换的载体,也使得“金卡工程”有了新的应用领域。

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