一种获取城市道路交通状态的传感器网络

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技术领域\n本发明属于网络信息技术领域，尤其设计一种获取城市道路交通状态的传感器网络。\n背景技术\n城市经济的发展和汽车的普及造成了城市道路交通拥堵、能源浪费、环境污染等问题。为解决其中的城市道路交通拥堵问题，智能交通系统应运而生。智能交通系统(Intelligent Transportation system，简称ITS)，是将先进的计算机处理技术、信息技术、数据通信传输技术、自动控制技术、人工智能及电子技术等有效地综合运用于交通运输管理体系中，建立一种在大范围内、全方位发挥作用的准时、准确、高效的交道运输管理体系。\n智能交通系统的基础性和关键性技术之一是能够准确地获取实时道路交通参数，包括交通流量、车速、占有率、排队时间、行程时间等。目前城市道路交通信息采集是通过交通控制系统中的环形线圈检测器，但环形线圈检测器仅能够检测截面交通参数，不能准确测量区间交通参数；尽管目前还部署了视频、测速雷达等传感器，但这些传感器部署相对独立，占用较多的通信资源，对中央处理系统数据处理能力要求极高。总结起来，现有的获取道路交通状态的传感器存在如下问题：\n1、不同类型的传感器间无法进行直接信息交互和物理互连。\n一方面，城市交通系统的各种应用要求得到多源交通信息，而在不同时期不同区域铺设的传感器(如线圈传感器和视频传感器)分属不同系统，相互独立，无法直接进行数据交互、不能构成全时空的交通状态获取系统，存在严重的“信息孤岛”问题；另一方面，传感器接入标准(尤其是接口标准)发展滞后，各类型传感器或子系统采用的技术和设备多来自不同国家或地区，具有不同的标准，现有系统彼此之间相互连接非常困难。\n2、海量数据的传输和处理对网络和中央计算机造成巨大压力。\n目前，用于交通状态采集的传感器网络采用集中接入方式，大量铺设的检测装置产生了海量异构数据，一方面传输这些数据要求网络具有更高的带宽，同时由于这些海量异构数据包含了大量的冗余信息，造成了网络资源的严重浪费；另一方面，处理这些数据对中央处理计算机的处理能力提出了极高的要求，使现阶段的中央处理计算机面临着巨大的数据处理压力，一旦中央处理计算机发生故障，将导致整个系统瘫痪。\n3、面向不同应用的传感器功能有限且建设成本高。\n常用的交通信息采集传感器是环形线圈检测器，但线圈检测器只能采集到交通流量、车速等单一交通状态数据，无法直接获取区域交通状态参数，因此不能在线、实时、准确地获取交通状态信息；视频传感器目前用于监控，还不能从中得到与线圈传感器类似的交通参数；微波传感器仅用于测量速度。这些传感器功能有限，或易受环境干扰而影响其应用范围，而且当前大部分传感器都要铺设独立的通信线路，建设费用昂贵，不利于扩展。\n针对上述问题，在智能交通系统建设的过程中，急需构件一种获取城市道路交通状态的传感器网络，实现获取道路交通状态的不同类型传感器之间的信息互通互连，保证获取的道路交通状态数据在该网络中的顺利传输及大数据量的正常计算和处理，减少信息冗余，避免因多源异构传感器各自独立建设而产生的建设费用昂贵的问题。\n发明内容\n本发明的目的在于，针对目前在智能交通系统建设的过程中存在的获取道路交通状态的不同类型传感器之间的信息无法互通互连、数据的传输和处理对网络和中央计算机产生的压力巨大、以及不同的传感器铺设和各自建设网络通信系统成本高的问题，提出一种获取城市道路交通状态的传感器网络。\n本发明的技术方案是，一种获取城市道路交通状态的传感器网络，包括接入结点或者具有现场总线通信接口的传感器、复合结点和中央处理机，其特征在于，\n所述接入结点通过传感器信号接入模块与传感器连接，并通过现场总线与复合结点连接；实现既有传感器的接入，并对接入的传感器数据进行处理；\n所述具有现场总线通信接口的传感器，直接通过现场总线将获取的道路交通数据传输至复合结点，或者对获取的道路交通数据进行处理后，再通过现场总线传输至复合结点；\n所述复合结点通过现场总线接收来自接入结点或者具有现场总线通信接口的传感器的数据，并通过大数据量通信网络将数据传输至中央处理机；对通过现场总线传输的接入结点的数据进行处理，或者对通过现场总线传输的具有现场总线通信接口的传感器的数据进行处理，得到区间交通状态参数和小粒度区域交通状态参数，并将交通状态参数通过大数据量通信网络传输至中央处理机；\n所述中央处理机位于交通指挥中心，通过大数据量通信网络接收复合结点传输的数据；并对获得的数据进行综合处理，得到大粒度的区域交通状态信息和全局交通状态信息。\n所述接入结点包括传感器信号接入模块、第一中央处理器、第一现场总线接口、第一现场总线通信模块、第一存储电路、第一人机接口模块和第一电源电路；其中，传感器信号接入模块，用于将传感器输出的信号送入接入结点的第一中央处理器；第一现场总线接口，用于通过现场总线将接入结点与复合结点连接并进行通信；第一现场总线通信模块，用于连接第一中央处理器和第一现场总线接口；第一中央处理器具有对接入的传感器的数据进行处理的功能；第一存储电路，用于存储数据处理结果；第一人机接口模块，实现使用者和接入结点之间的电路调试、显示和控制；第一电源电路用于为接入结点提供工作电压。\n所述复合结点包括第二中央处理器、第二现场总线接口、第二现场总线通信模块、大数据量数据通信模块、网络通信接口、第二数据处理模块、第二存储电路、第二人机接口模块和第二电源电路；其中，第二现场总线接口，用于通过现场总线将复合结点与接入结点或者具有现场总线通信接口的传感器连接并进行通信；第二现场总线通信模块，用于连接第二中央处理器和第二现场总线接口；大数据量数据通信模块，用于连接第二中央处理器和网络通信接口；第二中央处理器具有对复合结点接收的接入结点或者具有现场总线通信接口的传感器的数据进行处理的功能，处理后得出区间交通参数和小粒度区域交通参数；第二存储电路，用于存储数据处理结果；第二人机接口模块，实现使用者和复合结点之间的电路调试、显示和控制；第二电源电路用于为复合结点提供工作电压。\n所述传感器信号接入模块包括模拟量接入接口和与之对应的信号调理电路、开关量接入接口和与之对应的第一电平变换电路以及脉冲量接入接口和与之对应的第二电平变换电路；其中，所述模拟量接入接口和与之对应的信号调理电路用于接入模拟量输出的传感器；所述开关量接入接口和与之对应的第一电平变换电路用于接入开关量输出的传感器；所述脉冲量接入电路和与之对应的第二电平变换电路用于接入脉冲序列量输出的传感器。\n所述第一现场总线通信模块包括第一现场总线控制器和第一光耦隔离器。\n所述第二现场总线通信模块包括第二现场总线控制器和第二光耦隔离器。\n所述大数据量数据通信模块包括网络通信控制器和隔离变压器。\n所述中央处理机采用多线程进行数据通信与处理；实现基于优先级抢占扩充时间轮换调度，对具有同样优先权的任务使用时间片获得相等的CPU分配时间。\n所述现场总线采用CAN或者Lonworks或者Profibus。\n所述大数据量通信网络采用基于以太网和TCP/IP协议的NTCIP协议。\n本发明能够接入目前使用的多种类型的道路交通信息获取传感器，实现了不同类型传感器之间的信息互通互连；另外，本发明在数据传输时，对网络的要求减小，并对中央处理机的数据处理压力也大大减轻；最后，本发明提供的网络系统的可靠性、可扩展性和实时性都优于现行的道路交通状态获取系统。\n附图说明\n图1为获取城市道路交通状态的传感器网络的体系结构图。\n图2为获取城市道路交通状态的传感器网络数据传输模式和主要构件图。\n图3为接入结点的硬件结构框图。\n图4为复合节点的硬件结构框图。\n图5为中央处理机与复合结点数据传输作业流程图。\n图6为中央处理机软件多线程实现流程图。\n图7为获取城市道路交通状态的传感器网络具体实施示意图。\n具体实施方式\n下面结合附图，对优选实施例作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。\n图1为获取城市道路交通状态的传感器网络的体系结构图。图1中，XOY平面：逻辑分层；YOZ平面：结构分层；XOZ平面：功能分层。获取城市道路交通状态的传感器网络可以按照逻辑分层、结构分层和功能分层，\n按照传感器网络的功能划分传感器网络可分为传感器接入、多传感器数据处理、数据传输。\n1)传感器接入：完成多源传感器信号的接入，如以模拟信号，开关量信号，脉冲数字量信号输出的传感器接入。\n2)传感器数据处理：实现数据融合，如物理层、逻辑层、应用层和综合应用层的数据融合。\n3)数据传输：实现交通状态信息的传输，包含底层网络的数据传输和上层网络的数据传输。\n按照传感器网络的组成结构划分传感器网络可分为接入结点(或具有现场总线通信接口的传感器)、复合结点、中央处理机。\n1)接入结点(或带有网络接口的新型传感器)：用于既有传感器(常规不带网络接口的传感器，如线圈传感器、红外传感器、温度传感器、测速雷达等)接入传感器网络，并对接入的传感器数据进行基本的数据处理(如滤波、特征提取等)；对于具有现场总线通信接口的传感器(如地磁传感器)，则根据需要直接将数据传输至复合结点或者对数据进行处理后在传输至复合结点。\n2)复合结点：通过现场总线接收接入结点(或者具有现场总线通信接口的传感器)传输的数据，对这些数据进行处理后，得到区间交通参数，并将这些参数通过大数据量通信网络传输至中央处理机。\n3)中央处理机：通过大数据量通信网络接收复合结点传输的数据，对这些数据进行综合处理，得到不同粒度的区域交通状态。\n按照传感器网络数据处理逻辑划分传感器网络可分为传感器数据层、截面数据处理层、区间数据处理层、小粒度区域数据处理层、大粒度区域数据处理层、全局数据处理层。\n1)传感器数据层：是指使用传感器检测一些基本物理量参数，在传感器中采集得到。\n2)截面数据处理层：是指利用传感器获取到的一些基本物理量参数计算出道路截面上的基本交通状态参数，如速度、流量，时间占有率等。在接入结点中实现。\n3)区间数据处理层：是指将提取出的截面数据进行融合处理，提取出区间交通状态参数，如一个路段上的车流量、平均速度、排队长度等。在复合结点中实现。\n4)小粒度区域数据处理层：是指通过复合结点得到的区间参数来计算出一个小粒度区域内(由两个路口以下或者4个路段以下组成的小区域)的交通状态参数，它可以反映两个路口及以下或者四个路段及以下的交通状态特征，小粒度区域数据处理在复合结点中实现。\n5)大粒度区域数据处理层：是指通过复合结点得到的区间参数来计算出一个大粒度区域内(包括3个路口及以上或者5个路段及以上)的交通状态参数，它可以反映3个路口及以上或者5个路段及以上的区域交通状态特征。大粒度区域数据处理在中央计算机中实现。\n6)全局数据处理层：是指将来自各个区域内的交通状态参数信息进行融合，实现对城市路网全局信息的获取、以及综合业务信息的综合处理，实现交通状态的监测和预警，在中央计算机中实现。\n依据上述思路，本发明提出了获取城市道路交通状态的传感器网络体系。图2为获取城市道路交通状态的传感器网络数据传输模式和主要构件图。图2中，获取城市道路交通状态获取的传感器网络主要构件包括：接入结点或者具有现场总线通信接口的传感器、复合结点和中央处理机。\n接入结点通过传感器信号接入模块与传感器连接，并通过现场总线与复合结点连接，实现既有传感器的接入，并对接入的传感器数据进行初级处理。\n具有现场总线通信接口的传感器，直接通过现场总线将获取的道路交通数据传输至复合结点，或者对获取的道路交通数据进行初级处理后，再通过现场总线传输至复合结点。\n所述复合结点通过现场总线接收接入结点或者具有现场总线通信接口的传感器的数据，并通过大数据量通信网络将数据传输至中央处理机；对通过现场总线传输的接入结点的数据进行处理，或者对通过现场总线传输的具有现场总线通信接口的传感器的数据进行处理，得到区间交通状态参数和小粒度区域交通状态参数，并将交通状态参数通过大数据量通信网络传输至中央处理机。\n中央处理机位于交通指挥中心，通过大数据量通信网络接收多个复合结点传输的数据；并对获得的数据进行综合处理，得到大粒度的区域交通状态信息和全局交通状态信息。\n各个主要构件的详细说明如下：\n(1)接入节点\n目前道路交通系统中所用的交通检测传感器类型较多，且大多数传感器没有现场总线的功能，不能组网。接入结点主要功能是接入这些传感器，能够使现有传感器具有组网功能。\n图3为接入结点的硬件结构框图。图3中，接入结点包括传感器信号接入模块、第一中央处理器、第一现场总线接口、第一现场总线通信模块、第一存储电路、第一人机接口模块和第一电源电路。\n其中，传感器信号接入模块，用于将传感器输出的信号送入接入结点的第一中央处理器。传感器信号接入模块又包括模拟量接入接口和与之对应的信号调理电路、开关量接入接口和与之对应的第一电平变换电路以及脉冲数据量接入接口和与之对应的第二电平变换电路。模拟量接入接口和与之对应的信号调理电路用于接入模拟量输出的传感器。开关量接入接口和与之对应的第一电平变换电路用于接入开关量输出的传感器。脉冲量接入电路和与之对应的第二电平变换电路用于接入脉冲序列量输出的传感器。模拟量数据、开关量输出和数字脉冲序列输出等类型传感器包含了目前道路交通信息采集常用的传感器类型如线圈，微波，超声，红外，霍尔，涡流等等。\n第一现场总线接口，用于通过现场总线将接入结点与复合结点连接并进行通信。\n第一现场总线通信模块，包括第一现场总线控制器和第一光耦隔离器，用于连接第一中央处理器和第一现场总线接口。\n第一中央处理器具有数据处理能力，能够对接入的传感器数据进行处理。\n第一存储电路，用于存储数据处理的结果。\n第一人机接口模块，实现使用者和接入结点之间的电路调试、显示和控制。\n第一电源电路用于为接入结点提供工作电压。\n原有传感器是通过各自的通信光缆直接接到交通管理指挥中心，由于既有传感器没有网络接口，故开发接入结点，接入结点一方面采用电路直接将传感器信号接入进来，经过简单处理后，通过现场总线的网络接口发送到复合结点。那么从接入结点来看，它和现有传感器共同构成了具有接入功能的传感器，同时由于接入结点带有中央处理器，能够根据需求进行组网和数据处理，因此也具有了智能，所以将现有传感器和接入结点看做一个整体，现有传感器具有了自组网功能，构成了传感器网络的智能结点。\n(2)具有现场总线通信接口的传感器\n随着传感器技术的发展，具有现场总线通信接口的传感器已经出现，这种类型传感器可以直接作为接入结点接入到传感器网络中。\n(3)复合结点\n复合节点通过现场总线接口模块接收多个接入结点或具有现场总线通信接口的传感器，并通过大数据量通信网络将数据传输至中央处理机。\n图4为复合节点的硬件结构框图。图4中，复合结点包括第二中央处理器、第二现场总线接口、第二现场总线通信模块、大数据量数据通信模块、网络通信接口、第二数据处理模块、第二存储电路、第二人机接口模块和第二电源电路。\n第二现场总线接口，用于通过现场总线将复合结点与接入结点或者具有现场总线通信接口的传感器连接并进行通信。\n第二现场总线通信模块，包括第二现场总线控制器和第二光耦隔离器，用于连接第二中央处理器和第二现场总线接口。\n大数据量数据通信模块，包括网络通信控制器和隔离变压器，用于连接第二中央处理器和网络通信接口。\n第二中央处理器具有对复合结点接收的接入结点或者具有现场总线通信接口的传感器的数据进行处理的功能，处理后得出区间交通参数和小粒度区域交通参数。\n第二存储电路，用于存储数据处理结果。\n第二人机接口模块，实现使用者和复合结点之间的电路调试、显示和控制。\n第二电源电路用于为复合结点提供工作电压；\n(4)中央处理机\n中央处理机位于交通指挥中心，通过大数据量通信网络接收复合结点传输的数据，并通过融合处理得到不同粒度的区域交通状态参数。中央处理机具体功能包括：向复合结点发出联机或脱机命令，切换结点工作状态；定时发送结点查询命令，查询接入结点工作状况，更新系统结点表；根据用户需要，定时向复合结点发送读取命令，取得复合节点的监控数据，并保存数据，形成监控数据文件；以图形化的方式显示监控曲线。\n中央处理机与复合结点数据传输采用客户机/服务器模式(Client/Server)，在操作过程中采取主动请求的方式，服务器先行启动，并根据客户机的请求提供相应服务。复合结点和中央处理机都可以作为客户机和服务器。图5为中央处理机与复合结点数据传输作业流程图，图5中，中央处理机与复合结点数据传输的具体实施步骤如下：\nA、接收流程(服务器端)\n步骤501，加载socket库，并进行版本协商；创建并初始化socket；\n步骤502，将socket绑定到一个本地地址和端口上；\n步骤503，将socket设为监听模式，准备接收客户请求；\n步骤504，等待客户请求的到来；当请求到来后，接受连接请求，返回一个新的对应于此次连接的socket；若无请求，则返回步骤503，继续等待；\n步骤505，用返回的socket和客户端进行通信；\n步骤506，判断条件标志，是否继续保持通信，如果是，则返回到步骤503；否则进入下一步骤；\n步骤517，关闭socket。\nB、发送流程(客户端)\n步骤511，创建并初始化socket；\n步骤512，向服务器发出连接请求，判断在t时间内是否连接上服务器，如果是，则进入步骤B3，否则进入步骤B4；\n步骤513，和服务器端进行通信；\n步骤514，关闭socket。\n图6为中央处理机软件多线程实现流程图。图6中，中央处理机进行数据处理的方法是，采用基于优先级抢占扩充时间轮换调度，对具有同样优先权的任务使用时间片获得相等的CPU分配时间。对于关键数据(即能体现交通状态的重要参数)不仅要进行可靠的传输，而且要求高实时性。所以采用不同优先级的线程，对于关键数据采用高优先级线程，而非关键数据采用较低优先级线程。\n在不同的线程中需共享数据，采用全局变量、队列及通过发送用户消息，将数据传输到不同的线程。对同一资源的访问，如全局变量，则需要线程同步。这里采用了互斥对象及事件对象，保证了数据存取及显示的可靠性和正确性，对实时监测和后续数据的分析处理至关重要。\n中央处理机软件多线程实现流程具体实现步骤如下：\n步骤601，启动连接按钮；\n步骤602，分别创建UDP、TCP线程，且分别绑定于不同端口；按照本发明一个实施方式，优选采用8080、8081端口，端口号大于1024；\n步骤603，传递对话框的句柄，以及相关参数；\n步骤604，在创建的线程中采用循环接收数据，若标志为1，进入步骤605；否则，进入步骤607；\n步骤605，通过传递过来的句柄，发送用户自定义消息给对应的对话框，传递接收到的信息；\n步骤606，在指定对话框中，使用消息响应函数，接收线程传递来的消息，并且对接收到的消息进行数据分析与处理；\n步骤607，关闭SOCKET，关闭线程。\n图7为获取城市道路交通状态的传感器网络具体实施示意图。接入结点与复合结点采用CAN传输方式，复合结点与中央处理机采用基于以太网和TCP/IP协议的NTCIP协议的大数据量通信网络数据传输模式。\n在本实施例中，接入结点和复合结点采用数字信号处理器DSPTMS320F2812作为中央处理器，CAN控制器为DSP内嵌的eCAN模块和总线收发器82C250，光耦隔离器件采用高速光耦6N137。传感器输出信号经调理电路和电平变换电路后，数字量进入DSP的GPIO，模拟量进入DSP的AD转换器，开关量进入DSP的捕获单元。\n接入结点可接入的传感器包括涡流效应传感器(如现有道路的线圈传感器)、光电效应传感器(如现有道路的视频检测器)、温度传感器(包括电压输出和电流输出的温度传感器)等。智能传感器指具有总线接口的新型传感器，如地磁传感器等。\n复合结点与中央处理器采用基于以太网+TCP/IP协议族并符合NTCIP协议通信方式，对于可靠性要求高的数据采用TCP协议传输，对于可靠性要求不高实时性要求高的数据采用UDP协议传输。以太网控制器为CS8900，隔离变压器为HR601627，以太网接口为RJ45。\n中央处理机为PC机或普通服务器，其软件系统采用VC++进行程序编写。\n本发明能够接入目前使用的多种类型的道路交通信息获取传感器，不仅实现了不同类型传感器之间的信息互通互连，而且大大简化了对现有传感器的布线要求和对网络传输的要求。另外，本发明的接入节点和复合结点都具有数据处理能力，这使得数据传输对网络的要求减小，同时，中央处理机的数据处理压力也大大减轻。最后，本发明提供的网络系统可以应用于交通状态获取与交通控制、交通安全、交通基础实施监控，并可直接接入到现有系统中，改造费用少，成本低；其可靠性、可扩展性和实时性都优于现行的道路交通状态获取系统。\n以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。