智能交通网络信息采集系统的设计

2022-03-23 09:16:20 | 浏览次数：

【摘要】交通信息的采集和处理是智能交通网络系统的重要组成部分，通过对交通信息需求的分析，构建了智能交通网络系统的框图，并对智能交通网络信息采集系统的硬件和软件分别进行了设计。

【关键词】智能交通网络;信息采集单元;数据传输;车辆组网

1.引言

良好的交通是社会正常运行和发展的先决条件，对社会经济的发展和人民生活水平提高起着非常重要的作用。然而，随着经济的快速发展，汽车保有量急剧的增加，交通拥堵、交通事故、各种污染和资源短缺等一系列的焦点问题，不断威胁着给人类赖以生存的环境。交通问题也成为全世界普遍关注的焦点。

融合计算机技术、通信技术和人工智能技术于一体的智能交通网络系统逐渐成为了解决或缓解交通问题的重要途径。交通信息的采集和处理是智能交通网络系统的重要组成部分，为交通进行科学管理和合理控制提供信息源，同时，还能为城市交通规划和交通管理部门的准确决策提供科学依据。

2.设计原理

2.1 设计思路

依据信息变化的频率，智能交通信息可分为静态信息和动态信息。

静态信息主要指在较长的时间内处于相对稳定的交通信息，包括道路网和交通设施信息等比较基础的信息，另外，还包括以车辆保有量和道路交通量为主的统计信息等。

动态信息主要指交通系统中随时间和空间不断变化的道路信息，包括道路网交通流状态特征信息、交通紧急事件信息、在途车辆及驾驶员的实时信息、环境状况信息及交通动态控制管理信息等。

道路交通的特征是范围广、移动速度高，因此，交通信息传输的方式应该以无线移动通信和数字通信的方式为主。在智能交通网络系统中使用的通信系统主要包括：

（1）以路网基础设施为主的信息传输系统，它是利用道路沿线铺设的电缆或光纤，将沿涂的交叉路口、服务站、管理站、货运站、客运站等基础设施连接而成的一个通信网络。

（2）路网与车辆之间的通信系统，它主要利用无线通信技术完成路与车之间的信息交换。

（3）车辆之间的通信，目前主要是利用无线电或红外线完成车与车之间的信息传输。近年来，以无线通信技术为主的车载自组网逐渐成为车间通信的新方法。

2.2 数据传输过程

系统数据传输过程如图1所示，此系统采用树型网络拓扑结构。监控主机发出对某条道路交通情况的查询请求命令，通过因特网传到路由器，路由器根据命令要求选择对应网络中的协调器，然后协调器根据命令给出的地址选中要查询的簇，当簇中心节点接到命令后，激活该簇连接的所有节点进行通信。终端节点将采集到的信息，经A/D转换后发送给本簇中心节点，中心节点经协调器发送到路由器，最后由路由器将数据传回监控中心。监控中心对数据进行分析处理，便可了解该街道的交通情况。在此系统中每个车载全功能器件FFD（路由器）相当于一个簇中心节点，可直接获得本簇内其他节点信息，如果一个车主想获得其它道路或车辆信息，可向路由器发送查询请求，过程与上述相同。

图1 智能交通网络原理图

图2 硬件电路组成

2.3 信息采集单元的设计

车辆需要安装交通信息采集单元来实现信息采集和无线通信功能。因此需设计嵌入式车载信息采集单元来实现其功能。

嵌入式车载信息采集单元主要应包括如下功能：

（1）信息采集功能，主要包括：车辆当前所在的位置信息、当前的行驶速度和行驶方向等运动信息、以及从启车至当前时间的行驶里程等信息。

（2）通信功能，主要包括两方面：与空间位置相邻或接近的车辆组成车载自组网，并相互转发数据和信息;与移动接入点进行双向通信，将采集的参数和信息传输至移动接入点，也可从移动接入点接受来自控制中心的信息和指令，包括更新电子地图等。

（3）车间导航功能，通过车载自组网获取与之邻近车辆的相关信息，确定邻近车辆的运行速度和位置等信息。

（4）其他功能功能，可通过网络实现与远程人员的视频、语音服务;可定制泊车、诱导服务。

（5）可组成汽车行驶记录仪，记录、存储、显示、打印车辆运行速度、时间、里程以及有关车辆行驶的其他状态信息，并可通过接口实现数据输出的数字式电子记录装置，俗称汽车黑匣子。

车载信息采集装置主要包括微处理器及其辅助电路、存储器单元、信息采集单元、通信单元和输入输出单元等。

图2是车载信息采集单元硬件组成图。

（1）微处理器及其辅助电路

微处理器执行与信息采集、运算、以及处理等相关的各种控制和算术逻辑功能，它是车载信息采集装置的核心。微处理器可采用嵌入式微处理器。微处理器辅助电路主要包括供电电源、复位、晶振以及调试接口等。对于车载信息采集单元的供电，可将车辆电瓶输出经稳压提供供电。

（2）存储器单元

存储器单元主要用来保存系统控制程序以及相关数据。存储器包括SDRAM内存和FLASH存储。SDRAM存取速度大大高于Flash存储器，具有读/写的属性，可用作内存，即作为程序的运行空间，数据及堆栈区。Flash存储器是一种非易失性存储器，可在系统电擦写，掉电后信息不丢失，可存放程序代码、常量表以及一些在系统掉电后需要保存的用户数据如电子地图、车辆基本信息等。

（3）信息采集单元

信息采集单元的功能主要是在微处理器及控制下采集所需的各项信息参数，主要出GPS接受模块、车速传感器、里程计、转向仪等组成。

（4）通信单元

车一车间通信、车一移动接入点间通信可采用移动网卡，如USB移动网卡，也可直接将无线宽带好收发器MAX2839等集成到系统上进行无线通信。MAX2839工作于2.3GHz至2.7GHz宽带，也可兼容802.119或nWLAN。信息采集单元与其它车载设备（如仪表）间通信采用CAN总线的方式进行通信。控制器区域网总线是一种多主机局部网，CAN总线接口电路主要由CAN总线通信接口电路、CAN收发器与光电隔离部分、串口收发器等组成。

（5）输入、输出单元

输入、输出单元组成人机交互界面，可以给驾驶员提供查询、导航和提醒等服务。输入单元包括键盘输入、触摸屏输入和语音输入等，输出单元包括LCD输出和语音输出。

软件开发使用Chipcon公司提供的开发套件。在处理器将自身外围设备设置好后，再对板上其他资源进行初始化或检测，包括外接Flash检测、传感器模块检测、CC2420无线收发模块检测。CC2420无线收发模块检测是通过SPI口进行的。处理器通过SPI口读入CC2420的状态字节判断CC2420芯片的运行状态，决定是否进入下面程序段。随后我们可以利用MAC层提供的服务方便地进行无线传感器网络的搜索、接入、退出以及数据的传递任务。完成MAC层接口后，设计设备节点的上层逻辑，其流程图如图3所示。

图3 网络节点流程图

这里要注意的是网络组成是动态的，有些设备可能有时处于休眠状态，因此对于核心节点来说要定时检测内部网络的节点情况，并及时进行更新。通信部分的消息帧有“KVP”和“Message”两种方式，其中“Message”方式的帧格式可以由用户自己定义，操作方式比较灵活。

3.系统分析

在信息系统中，所有采集数据报送时，其目的地址都定义为是控制中心的接口地址。也就是说，所有的采集数据最终都是要报送给控制中心的。每天车辆启动注册时的位置决定了第一接口地址。在车辆移动过程中根据车辆移动轨迹进行实时更新。源地址和目的地址既定，那么根据车辆与临近转发点的欧式距离判定，最近的转发点作为车辆采集信息报送的接入点。车辆注册时的接入点就是与其欧式距离最短的信号灯。

从节约能源和保证传输质量角度出发，车辆在行进过程中，当周围有可利用移动车辆时，将会组建小型VENET网络，过程如图4所示。

图4 车辆组网时序图

（1）当车辆在IPv6智能交通信息系统中行驶时，将各自的位置和状态信息以及簇头申请报文报送给了临近的信号灯。

（2）信号灯根据车辆的对外服务能力函数和彼此的欧式距离，向每辆具有组网能力的车辆，发送它附近的移动车辆的列表。

（3）同意组网的车辆向信号灯发送申请报文，信号灯给予响应。

（4）得到信号灯回复的车辆（簇头）主动向列表中的邻居车辆发送组网请求。

（5）邻居响应后开始组网。在邻居车辆未就组网事宜协商一致之前，双方依旧采用802.16e协议，与远处的信号灯联系。当双方协议一致时，开始进行802.16e到802.119的垂直切换。

（6）切换成功后，邻居车辆将与簇头根据资源预留协议预留通信链路，并将自己的位置和状态信息通过预留链路报送给簇头车辆，簇头将信息封装发送给信号灯。

4.总结

随着计算机、电子、无线通信等行业的发展，实时采集交通信息成为了人们关注的热点并逐步在成为现实。实时采集信息加快了数据采集频率，保证了真实呈现当前交通路网状态的可能性，进一步提高交通行为预测的精度，为科学地进行交通控制和诱导提供统计依据，为管理部门制定和调整法规政策提供事实依据。

参考文献

[1]张文溥.道路交通检测[M].北京：人民交通出版社，2009.