第28卷第8期计算机仿真2011年8月
文章编弓．：1006—9348(2011)08—0367—05
基于物联网的交通流量监测系统设计研究
周舸1。陈智勇2
(1．电子科技大学成都学院，四川成都611731；
2．河南省商丘供电公司夏邑县供电局，河南商丘476000)
摘要：研究交通流鼍监测系统问题，由f车辆运动流程难以准确且实时监控，各种类型车辆识别度低，已有的交通流量监测
系统存在的采集数据分散，以及需采用复杂图像处理和分析算法从复杂背景中提取有用信息，存在监测性能受限，实时性准
确率低等问题。为解决卜述问题，提出设计一种物联网技术的交通流量监测系统。采用ZigBee无线通信技术、MODEL2珥20
三轴加速度传感器和CC2430处理器等组成的硬件平台，收集系统所需的核心数据。简化网络体系结构及相关的协议机
制。依据系统采集实时数据进行仿真。仿真实验结果表明建立系统可以高效率、高性能地监测区域内的车辆类型并进行实
时分类标识，为车辆行动实时定位和交通流量监测系统的设计提供了有效依据。
关键词：物联网；无线传感器网络；交通工程；流鼍监测
中图分类号：TP311．1l文献标识码：B
ResearchandDesignofFlowMonitoringSystem
forTrafficBasedonInternetofThings
ZHOUGel，CHENZhi—yon92
(1．ChengduCollegeofUniversityofElectronicScienceandTechnology，CbengduSichuan611731，China；
2．HenanShangqiuXiayiPowerSupplyCompany，ShangqiuHen直n476000，China)
ABSTRACT：Theexistingtrafficflowmonitoringsystemhadtheshortage，such船scattereddatacollection，difficult
accuratereal—timemonitoringinvehiclemovementprocess，varioustypesofvehicleidentification，compleximage
processingandanalysisalgorithmtoextractusefulinformationfromcomplexbackgroundinformation，whichleadsto
increasedsystemcosts．Thissystem，adoptingZigBee，whichisthewirelesscommunicationtechnologyofIntemetof
things，MODEL2420tri—axialaccelerometerandCC2430processormodulecompositionhardwareplatformforthe
collectionsystemrequiredcoredata．Additionally，basedonthesimplifiednetworksystemstructureandrelevanta-
greementmechanism，accordingtothereal—timedataacquisitionsystem，thissystemisabletobehigIlefficiency，
hishperformanceinmonitoringthereal—timetrafficflowandthevarioustypesofvehiclesforreal—timeclassifica-
tionidentification．
KEYWORDS：Internetofthings；Wirelesssensornetwork；Trafficengineering；Flowmonitoring
l引言
国内外对于交通信息采集的相关系统及其关键技术的
研究已有多年【1。21，并获得广泛实际应用。已有技术町采集
到如各车道的汽车流量、行车道汽车占有率，行车时速、车辆
类型、车辆间时距等交通信息。但因以上系统及其技术使用
成本高，交通信息采集装置安装维护困难、使用寿命短等缺
点，仍需进一步提高监测系统的工作效率和监测性能。同
收稿日期：2011-03一18修凹日期：2011一04—28
时，基于射频识别模块、红外感应装置、GPS无线通信技术、
激光扫描器等传感技术和装置，采用通用标准协议，可以将
任何物品连接至互联网，实现实时、准确的数据信息通信，从
而实现智能化识别、定位和监控的物联网p1得到学术界和工
业界的广泛关注。物联网利用无所不在的无线或有线的网
络通信技术建屯广泛连接。
因此本文研究设计并实现了基于物联网技术的交通流
量监测系统。该系统能实时、自动获得监测庆域内的车辆类
型信息、车辆行动流程实时监控信息、车流量信息和所有车
辆定位信息等。仿真结果表明，该系统可以为交通管理部门
．--——367·--——
万方数据
贺时、准确地扶{：j符路段的交迎流疑情况挺供町钜保障．片
IfI以将控制IhD扶褂的并蹄段的交通流鼠f占况通世物联网
为型多似川I、挺供’''2-tl、I．t叫靠们…秆服务，此外”f通过卧黼
器彳『效捌竹十产雌洲…～的1。辆流艟．他并路段的交j』Ⅱ虹为
顺畅
2交通流量监测系统
ZigBee4足物联网技术rI-斯距离的WSI～s标雕，村mfJ
L打的尢线迎f等技术如监玎、Wifi等『盯肯．』}备功牦低．延迸
蛳、lU池席命K等特．一j．I．川此㈣打迂介川十速率要求4：幽的
物联嘲心川；此外，ZigBee址型网络拓扑结构迂川干近小离
数柱-：传输、环境J捌边l’扰人、时I『捕】敏感、传输数据量大的
J，Ⅱ川
【罔此本文所研究世计的临删系统址罐下ZigBee树刷刚
络拓扑±．々构。泼结构小秉川坼i】爿器作为·II心节点nf作为舱
删系统的核心纰什，，j外还竹符7一个宵点f…”l删ji域山f内临
删对象饥洲器作为雌测K域的^发仃．一_升仞始一个
wsNs，随后加人I发J不岐的肖点采刚自组粤【的A止Ⅲ人到该
WSNsI{J，
2．1系统架构设计
根据物联网ZigBee技术的树型嘲络特f|}!．肯．^采川
CC2430处删器，建扩以光线t辆运动状态临删器为仃点．姒
p(：机连接诉il爿小心竹点为栉；刚巾心的实时交通流艟眦删
系统
午城峨删传感器H点九动．精确集r1，采集数据以J5乏处日!
过程如下：
1)无线1：辆运动状态临删器集成MODEl2420i轴JJⅡ
速度传感器，所lrl：辆随1‘安装携带；
2)雄一个乍放传感器mi川·安装数据分析程序，町以
收集周边肖点能也，分析埘边仃J_所代表的车辆类删，定位
世}，』i及Je数精；
3)1WL洲K域l^J的午载f々感器¨点，将1：辆运动状态信
息数据以及其分析褂到的·定区域内的其他乍辆仃点的数
拂H寿息，使J11目t频端的尢线通信打式实时发送刮坍搁器；
4)交通流特慨删系统的协凋器秋褂米rl剐络内的扦个
侮点发送的数槲，经斛码肝分析符个1：载传感器肖点的运动
f．i息“肚该肖点采集刮的州边m!．L能0，后，转发到控制一hb
的服务袢J}，为变通临管郎I’J提供准确、实时的参考信息。
交通流键监测系统架构丑¨蚓I所“i。其中．假设在临测
【式域内有_二种类删乍辆记为：类型I车辆．类型Ⅱ车辆平¨类
型Ⅲ乍辆。图tr嘲”所小范}1寸为类J盹l车辆1．所能监测到
的局部Ⅸ域．其巾也折类删Ⅲ乍辆1干¨类删I牛辆4。该节
点收集到这砦f占息后即通过尤线通f占技术把数据发送至协
调器节点，然后转发给控制巾心．蛀后把数据发送至物联网
E，可供交通监管部门、车辆驾驶员及其它j钉户提供实时交
通流星信息。
拜．‘
岫r}_I
：：，，
般
瓣勰蕊
围l交通流量监测系统架构图
2．2系统实现
2．21协调器节点硬什实现
监测系统刘十盼凋器节．“的硬件l：，要求其处理能力，
仃储能力和通信能力较强．根据文献[5]，町以祝曲调器节．“
为能h}允址、I～仃资源丰富千¨计算能力较强的增强制传感器
扎托IJ,I此．小义IfIZig[1ee帅训器社点的硬件系统包括：
CC2430模块．增强州l乜源模块、高清晰液品址小模块、高速
半输入输出模块以及发射天线等部件，如蚓2所爪，
罔2所示的西调器节点的硬件设计方案，能够提高监测
系统忭能并满址甚十ZigBee的低成本．低功耗的24CHz
ISM波段J、t川。泼系统所采川的CC2430包括：高性能
24CttzDSSS射频收发器和J1彳fT：、『k7￡产小巧高效优点的
8051控制器部件。
图2协调器节点硬件框图
222牛载监洲传感器甘点硬件实现
t载传感器节点采用嵌人式技术设计，因为受节点体
_l；l{、生产成本稍I电池能耗等删素的限制．每个监测节点的数
据处硎．仃储和通信等能力均有限．有效通信距离也相对柑
限。因此，奉义研究、设计的监测系统巾采片j的ZigBee传感
器{，点硬什选择丁CC2430模块、三轴加速度传感器、高效电
源模块，高速率输人输出模块以及发射天线等部件，如图3
所示。
本文将i个轴向加速度作为研究对象，节点选用MOD．
EL2420三轴加速度传感器，该微机械电容式加速传感器包
括3轴JJ兀速度传感技术，融合了氪阻尼．与模喇3320使用的
GLOCCERT、输出数字脉冲密度和序列化的可迫溯性，具
鲻
万方数据
围3车载监测传感器节点硬件框图
订校准精度高、机电磁I。扰中I：能强、功耗低等特点，并提供r
四种加速度测情范恫，足·款低成水，单芯片i轴肌速度传
感器。
在本设计中采用MODEL2420米测培乍辆活动时_三维的
加速度信号以及车辆周边·定妊域内的儿他1：载传感器节
点的村{笑信号
2．3流量监测算法软件实现
络拄制佑息；
3)定时采集传感器仃点及』乓川边K域的1：辆f?i息数捌
采川流f矗监洲算法进行数执；分析，传送到帅捌器m_：
4)循环执{r3)操作．“至离_『f=j监测K城网络，
凸“阱词器节点『‘作流祥如J利4所爪’浚竹点主婴功能圈5车载监测传感器节点工作流程圉包括：……“…一。。”……‘…
1)不断实时临测新节点即新车辆的加入，井给钾个车载
监测传感器肯点分配唯一的识别码；
2)等待辑个车载监测传感器节点反馈数据，把采川fJ组
织方式加入到监测网络的备个传感器节点发送的数据．I：传
到饥调器竹点数据J{j；
3)办调器肯点把ff动、集r”采集剑的数据发送毫控制中
心，泼L}I心采用监洲算法对数据进{j实时分析，fI手发送到物
联网中，可以对监测网络内的彳}个车辆进行控制和发送实时
交通流埔相j∈数据。’
2．4交通流量监测模型
冈为监测区域内的交通流址【{I订一多玎：¨类删乍辆的运
动流程组成，所以已打的；KL测模删研究、外发r多种视变通
流龄形如庄续流体的惴测模捌。小义所址讧的雌测模刷把
交通流辏的疏密视为波的传手册．适州J+交通拥摩时交通流状
忐解析等情况。交通流鲢变化的小确定性和突发性使得』￡
密度址术Ⅻm，㈨此本史说JE为膻缩性流体，
此外本文采川的MODEl2420：轴向f々感_：}{；的牛产规范
为j个数。产脉冲序列输…，1j施加在脉冲惭眨j：的加速度成
Jf：比I川¨寸，该类删传感器足从单一的+5伏Ib源的100kHz
至1MHz．丌IJ／CMOS兼窬…此．tnfⅫ，f闸内，f譬感器成比
例的输}{{饵时钟卿!苹和具“独量特性的电源电难．在“彳fj
坐标系-hx轴、Y轴和z轴正交前I’i+，仃卷审问或维数力向
I：缸．^坐标的父‘}均可行作诵II角度的分缱计算、分析．其
中，x轴神jY轴上的分聩0加谜度定义为在轴箭头方向的加
速度，z轴址垂亢的包底部，与JF力¨速度定义为在封装底部
的推儿。化驱动KlU缆或慢l。扰、电7e噪卢环境F，【J『采川
外邓数’，线路驱动器增强抗卜扰能力，以便吏时、准确聚集、
发送干“接收数错，
在x轴、Y轴干¨z轴三维巾．MODEl2420加速度传感器
町以实日t、准确峨测褂刮n身以及心边1：载传感器肯点的加
速发参数，然后汁算嵌参数在u寸问lj一次、两次积分，基于此
数据·叮以分析加速J!}!、速度和位移相『结合的f占息．进一步计
算得刮’：辆华杯，类划等姑体信息
3实验结果与分析
小¨对l：文构迎的交通流破监测系统枉削断乍辆类型、
乍辆定位举标等方I』J『进行性能分析’J评价．将MODEl2420
——369——
羔璧鬯蚤
万方数据
三轴加速度传感器的实测电压划分如表l所示。
表1实测电压划分情况
2
矗
警1
在仿真中，预先对五种不同交通流量情况下的监测数据
进行lO组不同电压值数据的采样和计算，五种情况下车辆0
数设定如表2所示。实验过程中所采用的不同交通流量下
x轴、Y轴和z轴电压区间分别为1．5≤X≤2，1．2≤Y≤
2．5，2．4≤Z≤3．5。
表2五种交通流量下3种类型车辆数设定值
如表1所示，依据四个模糊参数值确定经验值厌间，当
x轴、Y轴和z轴分别处于表l中四个区间之一时，即町确
定车辆类型及其定位坐标信息，因此本文利用Ns一2对基于
车载监测传感器采集副的车辆数据值进行仿真∞1，并对仿真
结果进行数学分析。NS一2仿真参数值如表3所示。
表3仿真参数
参数值
仿真实验时长
拓扑大小
协调器节点数
车载传感器节点数
传输层协议
路由协议
节点移动模型
最大移动速度
1500秒
500米}700米
5
50
UDP
DSR
随机移动
10秽秒
由于在采集交通流量时会受到类似车辆动作的十扰，此
时z轴向的设定电压值和电源电压值的变化较为明显，因此
本文所建立的监测系统在分析非完伞静止的车辆行动状态
时会受到外部因素的影响。根据Ns一2仿真结果进行分析
和计算后得到五种状态的电压值对比情况如图6所示。
三轴电压采样区间分别为：X轴为1．3≤x≤1．5之间，Y
轴为1．7≤Y≤2．3之间，z轴为2．7≤z≤3．4之间。从图6
中可以看出，交通流量监测95％的情况下，三轴方向上电压
采样值均位于以上区间内。因此本文所构建的流量监测模
．．——370．．——
交通流量预测分组
围6电压分析前后对比图
型适用于多类型车辆、自组织构建监测网络中进行不同时间
段数据采样、发送和接收数据的综合、实时应用。
舔
《20
缸
器
镪
篆15
卅
5；
{
，，
，、
瓜、
一。预j殳类型I车辆数J+预没类型Ⅱ牟辆敷
”十预设类犁Ⅲ乍辆数
I卟+仿真统计类型I车辆数L，一
——仿真统计类型Ⅱ车辆数L，+仿真统计类型Ⅲ车辆数
I／
345
交通流量预测分组
图7五种不同交通流量下3种类型车辆数设定值与统计分
析值对比图
NS一2仿真结果对于车辆类型识别与没定车辆类型对
比如图7所示。从图7中町以看出，该监测系统的数据分析
算法针对监测Ⅸ域网络内的不同类型车辆划分为若干个子
监测区，并利用子监测区每个车载传感器节点上的电压值的
变化和MODEL2420加速度传感器上三轴向的坐标变化值对
流镀监测区内的交通流量状况进行监测，提高r监测的准确
性。在五种交通流茸预设分组下，3种类型车辆数设定值与
统计分析值趋于一致且误差较小。监测系统针对不问待测
路况构建的网络的不砌路段划分若f个子监测区，可根据某
一子监测区中心车载传感器监测节点在不同监测周期内，同
一监测区范围内的坐标信息，计算分析得H{监测区内各车载
传感器监测节点的动态行程信息，实时对当前监测周期内、
当前监测区的交通流量状况进行判断和分析，并及时反馈给
控制中心及物联网。
万方数据
4结束语
本文提出了一种将物联网技术片j于解决交通流量实时
瞌控的系统架构及』￡戈键技术，川时给出了系统叶1的协埘器
节点和车载监测传感器节点的软件、硬件实现方案和工作流
程，井采用NS一2仿真、模拟五种不l司交通环境，建t、实现
实时交通流量监测系统。仿真结果表明．该系统具有工作效
率高、数据采集自动化、数据分析精准度高等特点。同时该
系统是基于物联网技术，且有建设、维护费用低廉，更新数据
简便，软件升级易于实现等优点，且容易摆脱地域、环境等条
件的约束，只要车辆及其用边具有尤线或有线网络通信技
术，即可搭建交通流量监测系统，为交通管理部『J提供可靠、
实时的交通管理数据依据，为用户f{{行带束极大方便．以便
有效调节各路段车辆流量、车辆类型和定位信息，使各路段
交通更为顺畅。
参考文献：
[1]Yjiann—ShiouAⅢstudyofhighwaytrafficflowmodel—rood—
elvalidationandsimulationfJ]ControlApplications．2002，
(12)：978—983
2]BSKemerTracingandfore．ringofcong群ledpattemshhigII—
waytr“Pmanagement[J]IntelligentTransportationSystem．
200188—93
3]Flan．WAkyildiz．YSuWitless．gotl,ccornetworI(s：asurvey
fJ]ComputerNetworks．2002，38(4)：393—422
4]张宏锋，李文锋基FZigBee技术的九线传感器网络的研究
[J]武汉理J：大学学报，2006，28(8)：12—14
5]术厚冰，蕻远利立通系统计算机仿真研究综述[J]计算机
仿真，2004—3
6]CHui．YXin—Ping，CZhongAlateraldeflection—isoline
methodforvehiclepositioningbasedoNma印eticmafke口guidance
[J]AdvancesinSystemsScienceandApplications．2007，7(3)：
426—430
[作者简介]
周舸(1978一)．男(汉族)，四川省成都市人，硕
卜，电f科技大学成都学院计算机系讲师，主受研
究领域为软件工程与信息系统集成。
陈智勇(1970一)男(汉跌)，河南商丘人，副教授．
主要研究方向：电力系统由动化，信息化。
(上接第79页)245—254
并对飞艇能源系统没计可行性进行了判断。在此基础上进[6]GA库利，JD吉勒特，t生-等译飞艇技术[M]北京：科
一步给出了计算艇上薄膜太阳能电池合理布设K域的计算学H{版社-2007327-350．
方法。利用此方法对菜算例飞艇进行了仿真计算，计算结果[7]王海峰，宋笔锋·艾建民，“I军科高空飞艇薄膜太阳能电池内
表明在确定r飞艇J．作地理位置后，艇I：太阳能电池的布设辐射量计算研究[J]太阳能学报，2006·(2"：819-823．躜u骥竺闸竺行懋，篓翌篓謦竺随1錾篇：篙怖,(1)层飞：26艇太-31．阳能源系统研剐川中
计算方法为平流层匕艇能源系统设计提供了基础和参考，为[91债磊；，J：茹；，李建英．n宥太阳方位角的公式求解及其应
飞艇薄膜太阳能电池布局优化提供r理论依据，也为设计飞用[J]太阡{能学撤．2008．(1)：69—73
艇总体重量平衡方案提供了指导。显然，本计算方法也可以[10]张向强．任维f上，姜鲁华．下啦允气梁展，F仿真研究[J]计
用于其它曲面模型光伏能源系统的设计与计算。算机仿真．2008，(25)：69—71
参考文献：
lI]史君海，朱新孥，隋丌甲流层飞艇表面接收^刖能的建模与
分析[J]计算机仿真，2007．(24)：64—67
[2]AnlhonyCofozzaInitialFeasibilityAssessmenlofaHighAhitude
LongEndurallceAirship[R]NASA2003—212724，2003
[3]HongiunRan，ReidThomas，DimitdMavrisAComp”hensive
C10bdM0delofBmodbandDirectSolarRadiationforSolarCell
Simulation[C]AIAA2007—33，2007
[4]HNaito．KEguehiDesignConceptandAnalysisofsolarPower
SubsystemforSPFAinhipOperations[C]MAA1999—
33351．1999
[5]Wemer．Knaupp，EvaMundschausol叶ElectricEnergySupply
aIHighAltitude[J]Aemsp”eScienceandTechnology．2004
王生(1964
[作者简介】
张衍垒(1985一)．男(议旅)．山东省临清『h人，硕
I．研究生．主蛰研究领域为屯行器改计．
李兆杰(1965一)，另(汉族)，ih东省淄博市人，高
级I。程师，硕f研究乍导师，主要研究领域为飞行
器设计
)．男(汉族)．河北人，研究员，博f．研究生导师．主
要研究领域为飞行器设计。
张向强(1973一)，贝(问族)．山东人，副研究员，顾十研究生导师
丰要研究领域为飞行器殴计。
37l
万方数据
基于物联网的交通流量监测系统设计研究
作者：周舸，陈智勇，ZHOUGe，CHENZhi-yong
作者单位：周舸,ZHOUGe(电子科技大学成都学院,四川成都,611731)，陈智勇,CHENZhi-yong(河南省商丘供电
公司夏邑县供电局,河南商丘,476000)
刊名：计算机仿真
英文刊名：ComputerSimulation
年，卷(期)：2011,28(8)
参考文献(6条)
1.YJiann-ShiouAcasestudyofhighwaytrafficflowmodel-modelvalidationandsimulation2002(12)
2.BSKernerTracingandforecastingofcongestedpatternsforhighwaytrafficmanagement2001
3.FIan;WAkyildiz;YSuWirelesssensornetworks:asurvey[外文期刊]2002(04)
4.张宏锋;李文锋基于ZigBee技术的无线传感器网络的研究[期刊论文]-武汉理工大学学报2006(08)
5.宋厚冰;蔡远利交通系统计算机仿真研究综述[期刊论文]-计算机仿真2004(03)
6.CHui;YXin-Ping;CZhongAlateraldeflection-isolinemethodforvehiclepositioningbasedonmagnetic
markersguidance2007(03)
本文读者也读过(1条)
1.逯峰.张爱华在智能交通管理中物联网内容与架构的设计[期刊论文]-广东公安科技2011,19(4)
本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_jsjfz201108088.aspx
|
|
