基于无线传感器网络的道路交通事故防范系统

【摘 要】提出一种基于无线传感器网络的道路状况监测和交通事故防范系统。该系统由前端监测节点以及后端管理软件组成，不仅对交通安全影响较大的气象信息进行采集，同时获取道路状况图像信息。气象监测站与图像监控节点通过无线传感器网络相连，实现气象信息与视频图像信息融合。前端节点监测的数据通过3G网络传输至管理中心服务器，当发生异常时实现前端报警，管理中心人员将同时收到气象信息与路况图像信息，为交通管理部门进行道路状况监测，实现道路交通事故防范提供有效的依据，具有很好的应用前景与推广价值。

【关键词】无线传感器网络；交通事故防范；3G

【Abstract】This paper proposed a road conditions monitoring and traffic accident prevention system based on wireless sensor network. The system consists of traffic information monitoring nodes and management software. The monitoring nodes acquire not only the weather， which have greater impacts on traffic safety， but also the image information of the road conditions. Weather stations and the image monitoring nodes are connected through the wireless sensor network. All the monitoring data is transmitted over the 3G network to a central management server.

When an exception occurs， the center manager will receive weather information and road image information together. The system will provide an effective basis for the traffic management department to achieve prevention of road traffic accidents and it has good prospects and promotion of value.

【Key words】Wireless sensor network； Traffic accident prevention； 3G

0 引言

天气气候的变化，特别是恶劣天气，严重影响交通安全，是造成交通事故的重要原因之一。因此道路气象监测是道路安全科学运营，实现智能交通管理的一个重要依据。在恶劣气象条件下，交通事故的发生率明显偏高。同时由车辆的违规行驶与地质灾害的发生都会对交通安全造成影响[1]。如能对路况进行实时监测，并对事故隐患及时作出判断与处理，便可有效提高交通安全。

目前，国内已有不少省市对高速公路沿线的交通气象信息进行监测，同时也架设有监控视频。但其视频监控主要用于电子警察，对超速违法车辆进行抓拍，其数据采用光纤进行传输，属于固定点铺设，在山区或普通道路应用成本高，难以推广[2]。同时，气象监测站与视频监控节点之间相互独立，而实际道路安全监控中需要两者有机结合，当出现气象异常如道路结冰或能见度低时，管理中心需要实时的图像视频信息来直观了解现场情况，当视频监控出现告警信息如车辆违规停车，滚石占道等情况时，又需要了解现场的气象信息，为及时准确制定交通管理方案提供依据。因此，构建一种能够在前端有机融合气象与视频监控的道路安全系统具十分必要。

针对上述问题，本设计并实现一种无线传感网技术（Wireless Sensor Network， WSN）[3]与3G技术结合的道路状况与交通事故防范系统，该系统同时获取对交通安全影响较大的气象信息以及道路状况图像信息，气象监测站与图像监控节点通过无线传感器网络相连，具有手动获取、定时获取以及异常事件上报等功能。该系统监测点设置灵活、组网便捷、无人值守，融合图像与路况气象的交通事故防范、报警及信息技术，对道路（特别是边远地区，高速公路以外的公路）监测点的路况、天气等信息进行分析和判断，发出交通诱导信息包括向驾乘人员以及公众预警信息，预防交通事故发生、优化交通运行状况和提高交通运输效益。

1 系统方案

系统由道路现场的信息监测节点与交通管理中心组成，如图1所示。信息监测节点包括气象信息监测节点与图像信息监测节点，气象监测节点主要监测对交通安全影响较大的气象信息如能见度、路面状况等；图像监测节点主要监测道路状况，如道路堵塞、山体滑坡、桥梁坍塌等。气象信息与图像信息通过无线传感器网络相互交互，实现前端异常信息的同步与共享，并传入汇聚节点，汇聚节点再通过3G路由将监测数据传输至交通管理中心服务器，通过建立VPN的方式，各信息监测节点与交通管理中心形成一个大的局域网，方便管理中心对各监测节点的统一管理。

2 硬件设计

系统硬件部分主要分为前端监测节点硬件以及管理中心服务器。限于篇幅，本文仅介绍前端监测站点硬件。前端监测站点硬件主要由气象数据采集模块以及无线传感器网络节点机组成。

2.1 气象数据采集模块硬件设计

气象监测站点负责对交通气象数据的采集、处理、判断和传输，其硬件由传感器、信息处理模块、通信模块以及电源模块组成，如图2所示。在图2中，传感器感知各类气象信息，并通过信号调理电路处理后输出至信息处理模块。信息处理模块对气象数据进行处理、判决、存储并通过通信模块发送至交通管理中心服务器。气象监测站点采用太阳能电池与蓄电池混合供电方式，为各个模块以及传感器提供电源。

2.2 无线传感器网络节点机硬件设计

无线传感器网络中节点机包含射频芯片和微处理器两部分。微处理器负责配置驱动射频芯片，实现与射频芯片间的数据传输。微处理不仅要完成数据的传输功能，还需完成整个无线传感器网络的自组织路由，实现节点之间数据的即时、可靠通信。系统选用低功耗处理器LPC2134作为驱动射频芯片的微处理器。LPC2134是由PHILIPS公司生产的高性能低功耗ARM处理器，具有16K字节的SRAM，工作电压为3.0V～3.6V，处理能力强，十分适用于无线传感器网络[4]。同时选用低功耗且发射功率可编程的芯片ADF7020-1作为射频芯片。适用于135MHz～650 MHz和80MHz～6325 MHz两个频段，其最大通信距离达到1公里以上。LPC2134与ADF7020-1之间可直接通过GPIO接口进行通信，其接口连接图如图3所示。

3 软件设计

3.1 控制中心软件设计

后端控制中心需具有主要功能有：信息分类、信息存储、信息查看、信息预览以及发送预警信息。控制中心由接入服务器、管理服务器、报警服务器、数据库、流媒体服务器以及存储服务器组成。

前端传回的所有信息首先通过接入服务器，接入服务器根据配置的IP端口号以及包头信息的不同将各类信息分类，例如：将视频流传送至流媒体服务器；将录像、图片传送至存储服务器；将天气等数据信息存入数据库；将控制信息传送至管理服务器。管理人员可以通过登录管理服务器对设备参数进行修改，对监控用户进行管理，对当前的监控信息进行查看，对报警信息进行人工确认以及发送。具体结构如图4所示。

3.2 无线传感器网络的自组网路由设计

系统中无线传感器网络采用自组织路由协议。无线传感器网络节点机上电后，自组织形成一个无线传感器网络，每个节点确定自己的父子节点。当其中一个节点失效时，其子节点会自动重新广播组网包，与其他节点建立连接。路由协议主要可分为上行路由与下行路由两部分。

3.2.1 上行路由设计

上行路由是指无线传感器网络内传感器节点向汇聚节点发送数据所经历的路由，其建立的基本思想基于最小跳数路由原则，无线传感器网络内部所有节点上电后均试图建立自己的上行路由。数据传输过程中采用握手方式，每一级的传输必须获得确认信息才算传输成功。具体流程如图5所示。图中URA为上行路由申请包，URAR为URA的回复包。

3.2.2 下行路由设计

下行路由是指无线传感器网络内汇聚节点向其他节点发送数据所经历的路由。为缓解下行路由的压力，传感器节点通过上行路由上传数据时，自身携带路由表。当汇聚节点接收到传感器节点的上传数据，更新下行路由表。汇聚节点发送下行数据时，首先检查是否有到目标节点的下行路由，若存在，直接沿着内部存储的下行路由传输数据。若不存在，则广播下行路由请求，建立到目标节点的下行路由。路由建立流程如图6所示。图中DRA为下行路由申请包，DRAR为下行路由申请的回复包。

4 结束

本系统道路安全进行全方位的监控与事故防范，采集视频图像信息与气象信息进行融合，分析判断，智能预警。监测点通过无线传感器网相连，通过3G网络与控制中心连接。因此监测点可以在具有3G网络覆盖的地区任意移动，机动性强，布设灵活。对于管理中心人员而言，当发生异常气象条件时，可以同时收到气象信息和视频信息，为其准确判断气象异常，及时采取措施提供了有效的依据，具有很好的社会价值。

【参考文献】

[1]李迅，甘璐，丁德平，张德山，尹菀.G2京津塘高速公路交通气象安全指数的预报研究[J].气象，2014，04：466-472.

[2]陈小兵，杨武.高速公路视频监控系统设计方案及发展方向[J].公路交通科技（应用技术版），2011，11：4-6+39.

[3]高庆云.基于无线传感器网络的大气环境监测系统[J]. 科技视界，2015，16：194 -196.

[4]孙强，朱海峰，徐晨，包志华.基于ADF7020和LPC2134的WSN电力抄表系统[J].电力系统保护与控制，2010，03：110-113+135.