基于无线地磁传感器的交通流检测系统协议设计

摘要：提出了一种基于无线地磁传感器的交通流检测系统协议设计，解决了现有智能交通中数据采集的可靠性问题。该系统在Mesh网络拓扑下，采用ZigBee技术作为无线通信方式，设计特有的帧结构，并在调试、常规和配置模式下分别设计出合理的传输协议，达到高可靠性传输的目的。

关键词：地磁传感器；无线传感器网络；交通流检测

中国分类号：TN915・04文献标识码：A文章编号：10053824（2013）03004204

0引言

数据采集系统是智能交通系统的重要组成部分，其数据的准确性直接影响到整个智能交通系统的控制精度，交通流检测系统更是智能交通系统中重要的数据采集技术指标之一。而无线地磁传感器在探测车辆方面所具有的极高灵敏度，能够最大程度保证数据采集的准确度。与传统的感应线圈相比，地磁传感器具有安装尺寸小、灵敏度高、施工量小、使用寿命长和对路面的破坏小[12]等优点，目前已经成为智能交通流检测的主流技术之一。但对数据的可靠性传输问题一直是无线传感器交通流检测系统中的难点之一，受到广大研究者的关注。而ZigBee（紫蜂）技术具有成本低、功耗小和易组网等优点，在无线通信和数据传输中具有突出的优势，所以对它的研究在交通流检测中具有重要意义。

本文在分析了现有无线地磁传感器交通流检测系统的传输协议设计，提出了在Mesh（网格）网络拓扑下，采用ZigBee技术[36]，设计数据帧和命令帧结构以及在3种模式（调试、常规和配置模式）下的传输协议，确保该系统的数据传输具有高可靠性与稳定性。

1系统结构

1.1Mesh全覆盖网络拓扑结构

如图1所示，在每个路口的每个车流方向上的每个车道（路面下方）放置无线地磁点，放置1个检测车流，前后放置2个可实现车速检测。另外每个路口的每个车流方向的路边（地表上方）放置一个中继节点（尽量靠近地磁点），埋于路面下的地磁在一跳无法到达接收机的情况下，可以通过置于外面的中继节点中继实现通信。

图1Mesh结构的全覆盖路调系统拓扑结构1.2Mesh结构优势

安装于路口的无线地磁传感器网络系统采用Mesh拓扑结构，其原因有以下几点：

1）XBee/Jennic在大路口情况下都无法保证检测数据的可靠性传输。在无遮挡、晴朗天气环境下，集成了XBee/Jennic的地磁点埋于地下只能传送40 m，而大路口一个对角线长度就远不止40 m，无法保证各地磁点数据的可靠传输。

2）Mesh结构具有链路自修复能力，可以自动避让不可靠链路，查询可靠链路，因此可以最大化的拓展地磁数据传送范围，保证地磁数据上行通道的可靠性。

3）在大路口环境下，对角距离一般会超过50 m，另外恶劣的天气情况（大雨、积水和积雪）对无线链路的影响很大，因此必须选择性能相对冗余的Mesh网络解决方案来适应极端情况。

2帧结构

本系统中设计帧的类型有2种，一种是data frame （数据帧），另外一种就是command frame（命令帧）。

2.1数据帧

数据帧结构如表1所示。表1数据帧结构

octets：2111211起始

字节节点

编号数据

帧序

列号数据

类型数据

值Resv

（预留

位）CRC（循环冗余检验）校检查

1）起始位（start delimiter）：0xEB 0x90连续出现概率较低，以此作为每个帧结构的起始字节。

2）节点编号（node number）： 按每个方向6个车道算（可拓展），48个地磁点，因此采用A0～AF，B0～BF，C0～CF的命名方式命名。

3）数据帧序列号（seq_id）：便于在连续发送模式下的数据帧的区分。地磁每检测1个车辆立刻发送这个事件给接收机，接收机要凭这个号码区别前后数据帧。

4）数据类型（data type）：0xD0，单纯发送被检测到的车辆信息（一定时间间隔内的车辆计数值）；0xD1，上报当前地磁点电池电压信息。

5）数据值（data value）：间隔Ts发送模式―Ts内的车辆数；调试模式-1；电压上报模式―当前地磁点Vcc电压值。

6）Resv：预留字节。

7）CRC：CRC校验，CRC = NN+Seq_id+DT+DV+Resv。

2.2命令帧

命令帧结构如表2所示。表2命令帧结构

Octets：21211起始字节命令类型命令参数ResvCRC校检查

1）起始位（start delimiter）：同上。

2）命令类型（command type）：0xD8，设置间隔时间T命令；0xD9，索取地磁电压命令；0xDA，应答信息，即调试模式下，地磁每发送一个报告都要求一个应答信息来确认发送状态。

3）命令参数（command parameters）：0xD8，间隔时间T；0xD9，地磁电压；0xDA，应答信息，第一字节―CRC校验成败（true/false）；第二字节―接收数据帧的seq_id。

4）Resv：预留字节。

5）CRC：CRC校验，CRC = CT+CP+Resv。

3协议设计

3.1工作模式

根据示范工程中地磁交通流检测系统的实际需求，为系统设计了3种工作模式，分别是调试模式、常规模式和配置模式。调试模式适用于系统的调试阶段，常规模式适用于系统正式启用阶段，配置模式适用于对地磁点的参数进行修改的情况。

1）调试模式。在调试模式下，地磁点有以下特点：触发发送，每检测到1个车辆经过，即刻发送该信息给接收机；无休眠，因为前者特点必须保证无休眠；应答，要求接收机接收到信息后发送应答信息，以获取发送成败信息。

2）常规模式。在常规模式下，地磁点有以下特点：间隔发送，间隔时间Ts发送该时间间隔内检测车辆数据给接收机；休眠，发送失败立即进入休眠状态；应答，要求接收机接收到信息后发送应答信息，以获取发送成败信息。

3）配置模式。接收机（上位机）通过软件界面

配置地磁点的发送时间间隔信息，传感器检测算法全局变量等参数。

3.2协议设计

1）调试模式。在调试模式下，协议要求一旦有车辆经过，地磁点立即触发发送车辆信息到接收机，接收机进行CRC校验及XBee目的地址配置后，返回应答信息至地磁点，地磁点继续等待车辆检测中断。如图2所示。

图2调试模式下的通信协议2）常规模式。在常规模式下，地磁点发送时间间隔Ts内的车辆数据至接收机，接收机进行CRC校验及XBee目的地址配置后，返回应答信息至地磁点，若应答消息显示发送失败则地磁点立即进入休眠状态，XBee休眠Ts后，触发发送当前车辆信息。如图3所示。

图3常规模式下的通信协议3）配置模式。在配置模式下，接收机在得到配置指令后，以广播模式发送配置指令，地磁点在经过CRC校验后，配置相关参数（若配置指令为返回电压指令，则读取当前电压值），地磁点将配置结果返回给接收机。如图4所示。

图4配置模式下的通信协议3.3协议流程图（XBee模块配置）

1）接收机数据接收模块（数据上行）。接收机等待接收地磁点发送的车辆检测信息，判断检测信息是否接受完毕，若没有则继续等待接收，若已接收完毕则进入AT配置模式，向串口输入字符串“ATDN*＼＼r”，配置目的地址为数据帧的源地址，发送序列号为seq_id的应答信息至源节点，最后判断地磁点是否有新数据发送过来，若有则重复以上过程，若没有则结束。如图5所示。

图5接收机接收车流量数据模块图6接收机配置地磁参数模块2）接收机配置地磁模块（指令下行）。如图6所示。判断是否有配置按钮动作，若无则返回，若有则进入AT模式，输入“ATDH0”、“ATDLFFFF”，使接收机进入广播发送模式，判断是否返回“ok＼＼r”直至有“ok＼＼r”返回，构建配置指令帧（包括发送时间间隔、索取地磁当前电压、地磁检测参数等），配置指令帧构建完成后，由串口发送配置帧直至返回成功信息为止。

3）地磁读取当前供电电压模块。进入AT模式，串口输出“AT%V”和回车，等待返回电压数据d，转化电压数据，返回。如图7所示。

图7地磁读取当前供电电压模块

4终端界面

接收机终端界面如图8所示。

流量监测。实时地显示当前每个车道的车辆数以及每个地磁点的当前电源引脚电压。地磁配置。可配置无线地磁发送间隔、电压上传请求等。

5结语

本文提出了一种基于无线地磁传感器的车流量

图8接收机终端界面

检测系统的协议设计，设计了数据帧和命令帧的帧结构，并在3种工作模式下设计了高可靠性的传输协议，实现了地磁传感器在车流检测系统中的高可靠性数据采集；在接收机的终端软件中也能对交通流进行实时检测，以及方便地配置无线地磁的各种参数。

参考文献：

[1]黄轶群，王剑，蔡伯根. 基于无线传感器网络的交通信息采集系统研究[J].现代电子技术，2010，33（23）：158160.

[2]孔俊丽，王菡，李漠辰. 基于ZigBee的车辆数据采集器的研究[J].微型机与应用，2012，31（15）：3031，35.

[3]李文仲，段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007：139.

[4]乐英高，徐卫东，周天鹏.ZigBee和RFID技术相结合的物联网系统研究[J].数字通信，2011，38（1）：4143.

[5]王志华，李希胜.龚维栋，等.基于ZigBee的无线从磁强计[J].计算机测量与控制，2011，19（6）：1417.

[6]陆鹏，龚荣洲.基于磁电阻传感器的地磁信号采集系统设计[J].磁性材料及器件，2011，42（1）：3438.