无线传感器网络的自适应交通灯控制系统

1、引言

城市交通拥堵现象日趋严重，如何优化交通信号灯控制，提高车辆通行效率是亟待解决的问题。然而，现有的交通信号灯控制系统几乎全部采用的是固定时序的控制方式，无法针对实际交通流量对各车道的放行时间进行自适应性调整，造成了道路资源的浪费。

本文设计了一种基于无线传感器网络的自适应交通灯控制系统，利用安装在各车道上的携带超声波收发模块的传感器节点探测车流量，流量信息通过无线通信方式汇聚到集中控制器。集中控制器运行调度算法，根据车流量自适应设置相应车道车辆通行时间，从而提高道路利用效率。本系统中，集中控制器与传感器节点之间采用无线通信方式，无需敷设通信电缆，安装十分便捷。密集分布在路面上无线传感器节点可准确感知各车道车辆数量和车型大小，为自适应信号灯控制提供准确的车流量信息。

2、系统设计

如图1所示，本系统由以下几个部分组成：1）集中控制器;2）无线传感器节点;3）信号灯。本系统可通过城域网将车辆流量信息和信号灯工作状态传送至远程监控计算机，或接收远程监控计算机控制命令。

图1 系统组成

集中控制器是本系统的核心设备，它具有以下功能：1）与无线传感器节点的通信。在本系统中，集中控制器起到无线传感器网络中汇聚节点（SinkNode）的作用，各节点采集到的数据最后均汇聚到此。因此，集中控制器必须配备与各节点相匹配的无线收发模块。2）运行调度算法;3）信号灯控制;4）与远程监控计算机进行通信。可见，本系统对集中控制性能要求较高，故采用ARM处理器设计。

无线传感器节点是检测车流量信息的关键设备。每个传感器节点可携带多组用于探测车辆的超声波收发器。节点既可采用线缆供电，也可采用电池供电。采用线缆供电方式施工量较大，采用电池供电则后期运行维护成本较高。

本系统对信号灯功能无特殊要求，一般在交通路口每个车辆通行方向上都设置一组信号灯。

由于系统中传感器节点为数众多，集中控制器与节点之间采用无线通信大大降低了施工难度。集中控制器与信号灯之间则采用有线连接，这样在传感器节点与控制器之间的通信受到无线电干扰的情况下，集中控制器能够放弃自适应调度，改按预定的时序控制信号灯，避免造成整个系统瘫痪。

3、硬件设计

3.1、无线传感器节点设计

本系统所使用的无线传感器节点由3部分组成：处理器板（含射频电路和电源）、底板和传感器板。一个处理器板可连接多个传感器板，两者之间采用电缆连接。其硬件框图如图2所示。

图2  无线传感器节点硬件框图

3.1.1、处理器板设计

处理器板以CC2430为核心设计，CC2430实际上是在一颗芯片上集成了CC2420射频芯片和C8051单片机的电路，自带无线收发器、FLASH、RAM、14位ADC、定时器、AES128协同处理器、看门狗等资源，硬件支持CSMA/CA，支持多种电源管理模式，具有功耗低、无线接收灵敏度高、抗干扰能力强等优点。

处理器板如图3所示。由于CC2430固有的发射功率不足，我们为之增加了射频功率放大电路，功放芯片为CC2591，实测发射功率为18dBm，通信距离可达500m。CC2430的部分引脚被配置为输出，经驱动器放大后，连接到传感器板的输入端。另一部分则被配置为输入，连接到传感器的输出端。

图3   处理器板

3.1.2、超声波传感器板设计

传感器板由超声波发送器、接收器、发送电路、接收电路共四部分组成。超声波发送器选用压电陶瓷传感器T:40:12，接收器采用与之配对的R:40:12。发送电路采用音频集成功放芯片LM386，其具有功耗低、工作电压范围宽、增益可调（20~200倍）等优点。发送电路的激励信号是40kHz、占空比为50%的方波脉冲，由处理器板提供，经发送电路放大后，推动压电陶瓷传感器T:40:12产生超声波。接收电路采用在电视机遥控器上经常采用的红外线检波接收器CX20106，其带通滤波器的中心频率为30~60kHz可调，故也可用作超声波检测电路。其内部电路如图4所示。

图4  超声波检测电路

当收到特定频率的超声波时，会在第8脚产生一个负脉冲，输出到CC2430的中断输入引脚进行处理。可见，每路传感器板需要占用处理器板2个I/O端口。在不对CC2430的输入输出口进行扩展的情况下，每块处理器板最多可连接10块传感器板。

在传感器板的布局上，必须注意超声波发送器与接收器之间应保持一定的距离，以防止发生发送器与接收器之间的串扰问题，即发送器发射的超声波未经障碍物反射就直接绕射到接收器上。

3.2、集中控制器设计

图5  集中控制器硬件框图

4、网络部署

本系统部署方式如图6所示。无线传感器节点密集分布在车道上，可通过超声波收发器准确检测出车流量。为防止车辆碾压造成传感器节点损坏，可将传感器节点嵌入铸铁材料的减速板中，或钻孔安装在比路面略低的位置。

图6  网络部署

5、结语

智能交通技术对解决城市交通问题、提高道路利用率、提升交通管理水平方面具有重要意义。本文利用无线传感器网络这一先进技术设计了一种自适应交通灯控制系统，密集分布超声波传感器可以准确获取车流量信息，自适应的信号灯调度算法可根据各方向车流量变化自动调节通行时间，从而减少车辆和平均等待时间，提高通行效率。

集中控制器硬件框图如图5所示。它采用了与无线传感器节点相同的CC2430处理器板。S3C2440ARM处理器采用TTL电平的串口与CC2430进行通信。与信号灯通信则采用RS485串口。集中控制器配备了以太网接口，用于和远程监控中心通信。