“Astra”基于无线传感网络的道路综合管理系统
文/李典诰 秦畅
本文以 GPRS 和 Zigbee 无线通信技术为基础，提出了集成道路硬件设施管理和车流管理的综合管理方案，实现对城市道路网络的远程监测。系统设计很好的迎合了当今智能交通综合化的发展趋势，根据实际需求和已有应用经验提出切实可行的解决方案，不仅秉承了现有方案的优越性能，更在多方面提出创新性的改进措施。将在节约能源、提高城市交通水平、保障道路安全等方面产生巨大的社会效益和经济效益。
【关键词】GPRS Zigbee 远程监测 智能交通 综合管理
1 背景介绍
1.1 技术基础
1.1.1 GPRS通信技术
GPRS 突破了 GSM 网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，得到的用户数据速率却相当可观，连接及传输都会更方便容易。
1.1.2 Zigbee技术
ZigBee 技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通讯技术。主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用。类似于 CDMA 和 GSM 网络。Zigbee数传模块类似于移动网络基站。通讯距离从标准的 75m 到几百米、几公里，并且支持无限扩展。
2 系统方案
2.1 系统总体方案
“Astra”系统主要由执行机机构、数据采集机构、数据传输机构和控制中心组成。其中数据采集机构分布于城市路网中，负责采集系统正常运行所需的必要信息，如外界光照强度、车流信息等；执行机构与采集机构按照一对一原则分布，根据采集到的数据信息或远程控制信号完成各功能部件的控制工作。数据传输机构充当网络信使，实现各底层机构与控制中心的通信。根据道路监控网络传输距离远、网络容量需求大等问题，综合考虑实现成本，本系统采用了 GPRS 和 Zigbee 无线通信网络。
控制中心是整个系统的大脑，它支配了整个系统的活动。其通过接入 Internet 处理来自监控网络下层的信息，提供对数据采集机构和执行机构的远程控制。
2.2 系统方案结构
根据以上总体方案叙述，本系统将分为应用层、网络层以及传感层三个层面。其中传感层包括了数据采集机构和执行机构两大部分，网络层和应用层分别对应数据传输机构和控制中心。控制中心支持Windows和Android环境下管理平台，仅Windows管理平台为系统核心，Android 平台下的管理操作需通过系统核心间接完成 。
作为一款综合型智能交通产品，“Astra”旨在为道路管理提供统一的智能控制平台。为满足日益增长的功能需求，感知层设备在提供已有设备接口的基础上，仍设有丰富的扩展接口，使得系统功能的进一步完善更为方便。
3 系统功能
“Astra”系统设计围绕统一路灯监控与交通管理展开，致力于发掘现代路灯的潜在价值，使得路灯不再局限于灯等概念，它更将是智能交通管制不可或缺的重要工具。
3.1 Astra路灯方案
（1）路灯智能照明控制：通过定时、感光、人工远程控制等方式对城市路灯进行单一或区域开关操作，控制优先级由高到低依次为：人工控制，感光控制，定时控制。
（2）不同气候条件下光源智能选择：根据当前能见度自动选择不同穿透力的光源，同时支持人工干预选择。
（3）亮度调节：支持预设亮度控制方案和人工临时远程控制两种方式，在无人工干预的前提下，预设方案根据不同时段调节路灯亮度，在保证正常照明的基础上，不仅能提高路灯使用寿命，更能大大减少了不必要的电能浪费。
（4）能耗监测：路灯控制器自带的电能检测模块能够记录并上传路灯能耗信息，支持电流、电压实时检测，为路灯性能评估提供了可靠数据。
（5）故障检测及报警：系统能及时发现输电线路、路灯及控制器故障并通过控制中心发送警告信息通知相应维护责任人，大大缩短了检修时间。
（6）储能控制：系统通过太阳能板和风力发电机储备自然能源，并在已有应用的基础上改进太阳能板控制，支持自动寻找强光照方向，使得自然资源得到更充分的利用。
（7）PGIS 定位：路灯上的 PGIS 标签号码为警察确定案发现场和外地游客报警求助提供了新的极大的便利，仅需提供标签号码即可知道当前所在的具体位置。
3.2 Astra交通方案
1.车流监控 ；
2.智能信号灯；
3.车流诱导；
4.智能限速 ；
5.停车位管理；
6.交通违规记录。
4 系统具体实施
本节主要介绍了系统网络结构和使用的相关通信协议。对于目前使用较为广泛的GPRS 和 Zigbee 通信，本部分不再赘述，主要介绍由开发人员自行制定的部分规约。
4.1 系统网络结构
“Astra”基于 GPRS 和 Zigbee 技术，结合城市实际情况，为道路照明设施管理和车流疏导提供全套远程监控方案。系统监控网络由中央控制室、区域集中器、终端控制器、手机管理终端构成。网络结构示意图如图2-1所示。系统采用三级结构形式，能很好地进行远程区域和定点监控。
4.1.1 中央控制室
中央控制室的设备由主测控 PC 机、服务器、打印机、投影仪、互联网接入设备等部分组成。软件部分主要包括系统运行平台、系统管理软、数据库等。
4.1.2 区域集中器
区域集中器在整个监控系统中起到上传下达的作用。它主要由核心板、CC2530 通信模块、电源变换电路、人机交互接口模块、GPRS 通信模块和授时模块组成。软件部分主要是信号的发送接收，选择合适的信号传递方式。
4.1.3 终端控制器
控制器直接实现各种功能控制以及工作信息的反馈，同时也传递集中器下达的控制信号，确保信号的可靠传递。控制器的主要组成部分为：核心板、CC2530 通信模块、电源变换电路、人机交互接口、备用电源、外部时钟、蓄电池管理模块、车流量监测模块、路灯控制模块、电功耗检测模块、停车位检测及停车计费模块。软件部分主要涉及信号采集及信号的中继传递。
4.1.4 手机管理终端
该终端为安装有本系统管理软件的用户手机。管理软件在 Android 环境下运行，为区域信息批量获取及区域控制提供了更为便利的渠道。
4.2 通信规约
关于“Astra”系统网络使用到几种通信规约，目前使用较为广泛的 GPRS 和 Zigbee通信部分，本节不再赘述，主要介绍系统自定的通信规约。
4.2.1 消息包格式
消息包主要包括消息头、数据内容、数据校验和消息尾四个部分。消息头长度为 24位，包含了帧起始、帧长度和消息类型。各消息包均采用统一的消息头，根据消息头可准确获取消息内容，消息头使得信号发送的长度限制比较自由。
数据校验部分支持信号出错检测，在很大程度上减小了由于传输过程中出错带来的隐患。后期改进拟采用更高级校验方式，实现自动信号纠错，更大程度上保证通信有效率。
4.2.2 消息包定义举例
typedef struct
{
char head;
unsigned char len;
unsigned char type;
} MessageHeader; //消息头
typedef struct
{
char head;
unsigned char len;
unsigned char type;
unsigned long s_num;
unsigned long l_num;
unsigned char state;
unsigned char check;
char tail;
} LstatePackage; //开关状态
信号----------- 区域集中器
4.3 多传感融合车流检测
安装于路灯上的车流检测传感器均匀分布于道路中，主要用于测量路段的车流空间部分情况、车流量、车流速度、排队长度和事故状态等交通参数。其中，m 个信息输出表示路段综合交通信息，包括车流量、车流速度、拥挤程度、排队长度以及是否发生交通事故。这些信息既会实时上传到远程控制中心，也将作为交通控制器调整交通信号的可靠依据。在 Astra 交通控制体系中，信息融合计算环节是其核心部分。它将车辆传感器送来的信息进行综合分析、计算和推理，得到道路的车流量、车流速度、排队长度以及事故状态等交通信息。
系统数据融合依据较充分额传感器资源，减少了测量中的不确定性，以获得更准确、更可靠和更丰富的测量结果。此外，多传感信息融合检测具有很强的容错性，当系统中的某些传感器失效时，可依靠其他正常传感器提供的信息进行融合计算。
设 i 条车道第 j 区第 k 时段的车流量、车流速度和排队长度测量值分别为 、 和 其中 i=1,2,3,j=1,2,3,4,k=1,2…则该路段部分数据融合公式如下：其中，r ≤ 4(r 表示某一车道中传感器能正常工作的有效区域数 )， （ ﹥ ）表示计量的时段范围。 和 分别表示该路段在第 k 时段中的平均车流量、平均车流速度和平均排队长度。 和 分别表示第 i 条车道在 时刻到 时刻时间段内的平均车流量、平均车流速度和车辆平均排队长度。 和 分别表示该路段在 时刻到 时刻时间段内的平均车流量、平均车流速度和车辆平均排队长度。
5 硬件框图
在系统网络的几个组成部分中，控制中心涉及的开发工作为系统软件开发，硬件设计主要集中在区域集中器和终端控制器部分。
5.1 区域集中器硬件框图集中器由 STC 89C52 为核心，向外扩展而成。同通用 IO 口连接的有：液晶显示器、矩阵键盘、交通灯控制器和交通摄像头等器件；通过 RS232 接口连接到 CC2530 协调器模块。整个模块通过电源模块使用供电线路电源。核心板将通过 CC2530 的连接，实现与控制中心和各终端通信。
5.2控制终端硬件
控制终端同样以 STC 89C52 为中心，通过 IO 口连接到数据采集机构和执行机构，网络通信通过RS232 接口与CC2530节点模块的连接实现。该部分电源解决方案与集中器一致，采用统一的电源模块。系统网络中的所有控制终端均采用同样硬件配置，具有完整的数据采集和执行机构，即使在掉线的情况下仍能在核心板的支配下，按预设方案保证基本功能实现。
6 软件设计
系统开发设计的软件设计包括控制中心软件开发和核心板、CC2530 模块程序设计，本章节依次介绍了控制中心软件功能模块组成以及区域集中器和控制终端软件流程。
6.1 控制中心软件功能模块
依照系统菜单规划的中心软件功能模块组成如图 10，图示内容仅为系统大致框架，详细功能可参照附件部分——可执行程序。
6.2 集中器软件流程
6.2.1 STC 89C52软件流程
作为集中核心控制部分，STC 8952 主要负责控制交通诱导设施，包括红绿灯、路况显示屏、交通摄像头等，核心板不仅支持自引导工作，也满足了远程人工控制需要 。
6.2.2 CC5230协调器软件流程
CC2530 协调器模块负责网络数据转发，其软件工作主要为数据类型识别并准确转发。
6.3 控制终端软件流程
6.3.1 STC 89C52软件流程
控制终端的核心处理器与集中器相同，负责引导终端数据采集机构和执行机构工作，同样支持远程人工干预 。
6.3.2 CC2530节点软件流程
在控制终端的工作过程中，CC2530 节点模块仅充当了一个数据转发机构，其工作比较简单。
作者单位
湘潭大学 湖南省湘潭市 411100
85597153
