基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能交通系統(tǒng)設(shè)計*

劉文軍，樊建席*，李春勝，楊 帆

(1.蘇州大學(xué)計算機(jī)科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇蘇州215006;2.中油吉林化建工程有限公司，吉林吉林132021)

嵌入式系統(tǒng)和無線通信技術(shù)的進(jìn)步催生了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)WSN(Wireless Sensor Network)的產(chǎn)生。由于普通傳感節(jié)點(diǎn)有限的傳輸范圍，WSN通常采用多跳通信，這使得對大規(guī)模區(qū)域的監(jiān)測成為可能。最新研究成果表明，在WSN中引入移動元素MEs(Mobile Elements)可以有效降低成本、提高系統(tǒng)的可靠性和能量效率［1－6］。

針對智能交通系統(tǒng)ITS(Intelligent Transportation System)應(yīng)用，本文給出了一個交通流量監(jiān)測和查詢應(yīng)用的參考解決方案。所提出的方案采用基于ZigBee無線通信技術(shù)的異構(gòu)傳感器網(wǎng)絡(luò)。ZigBee標(biāo)準(zhǔn)相對BlueTooth等技術(shù)在節(jié)點(diǎn)加入離開、網(wǎng)絡(luò)規(guī)模、能耗上具有明顯優(yōu)勢。異構(gòu)性表現(xiàn)在將網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)分為移動匯點(diǎn)MS(Mobile Sink)、副匯點(diǎn)VS(Vice Sink)和普通傳感節(jié)點(diǎn)SN(Sensor Node)3種角色。層次化的結(jié)構(gòu)不僅顯著減少了通信開銷，還能夠保護(hù)普通節(jié)點(diǎn)，充分發(fā)揮計算能力更強(qiáng)的VS的功能性。特別地，本系統(tǒng)可以通過網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接入更大系統(tǒng)，從而作為一個子系統(tǒng)提供服務(wù)。提出的具有移動匯點(diǎn)預(yù)測功能的路由轉(zhuǎn)發(fā)協(xié)議可以有效降低延遲，特別是在大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)時其優(yōu)勢體現(xiàn)的更加明顯。此外，為了加快數(shù)據(jù)收集的速度，采用VS緩存被請求數(shù)據(jù)的機(jī)制，以方便后續(xù)訪問，進(jìn)一步優(yōu)化了結(jié)果。仿真結(jié)論表明，與現(xiàn)存應(yīng)用于類似場景的協(xié)議相比，所提方案具有更好的擴(kuò)展性、更短的信息收集延遲。

1 相關(guān)概念

1.1 ZigBee傳感器網(wǎng)絡(luò)

ZigBee是基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗個域網(wǎng)協(xié)議［7］。根據(jù)該協(xié)議規(guī)定的技術(shù)是一種短距離、低功耗、低復(fù)雜度、高性價比的無線通信技術(shù)。ZigBee作為一種新興的無線通信技術(shù)，得到了越來越廣泛的關(guān)注和應(yīng)用。ZigBee協(xié)議定義了3種類型的網(wǎng)絡(luò)設(shè)備:協(xié)調(diào)器(Coordinator)、路由器(Router)、終端節(jié)點(diǎn)(End-Device)。Tree和Mesh是ZigBee標(biāo)準(zhǔn)定義的兩種標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)洹１鞠到y(tǒng)的設(shè)計采用更具彈性的Mesh拓?fù)洹?/p>

在帶有移動元素的WSN中，一個移動匯點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)部署區(qū)域中按照某種規(guī)則移動，當(dāng)接近傳感節(jié)點(diǎn)的通信范圍時通過單跳或有限跳方式收集來自于靜態(tài)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)。一般地，移動匯點(diǎn)的移動模型分為3 種［2］:隨機(jī)匯點(diǎn)移動性(Random Sink Mobility)、最優(yōu)匯點(diǎn)移動性(Optimized Sink Mobility)和約束的匯點(diǎn)移動性(Constrained Sink Mobility)。本文工作采用第一種移動模型。

1.2 智能交通系統(tǒng)

智能交通系統(tǒng)是對通信、控制和信息處理技術(shù)在交通運(yùn)輸系統(tǒng)中集成應(yīng)用的統(tǒng)稱［8］。建立一個實(shí)時、精確和高效集成的交通管理系統(tǒng)是未來交通系統(tǒng)發(fā)展的方向?；赪SN的智能交通系統(tǒng)已成為解決城市交通中若干關(guān)鍵問題的一種行之有效的技術(shù)。該技術(shù)開啟了一類新型的智能城市感知應(yīng)用，包括交通信息采集［9］，路況監(jiān)測［10］，停車管理［11］和車輛預(yù)警服務(wù)［12］等。

本文基于ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的流量查詢應(yīng)用要求給出高效的體系結(jié)構(gòu)，所面臨的一個主要挑戰(zhàn)是讓網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)能夠獲取車輛的實(shí)時位置。文獻(xiàn)［5］提出了一種基于MS位置預(yù)測的自適應(yīng)路由技術(shù)，中繼節(jié)點(diǎn)估計MS的即時位置，并向該虛擬目標(biāo)路由數(shù)據(jù)包。該方法的不足是MS的隨機(jī)移動使得獲取的路由路徑偏離了最優(yōu)路徑，仍會引起較高的傳輸延時。文獻(xiàn)［13］引入更為復(fù)雜的移動性管理技術(shù)，獲得的路由路徑得到了優(yōu)化，但代價較高。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 應(yīng)用場景

考慮如下應(yīng)用場景:一個或多個移動用戶駕車在城市街區(qū)查詢附近的空閑停車場、停車位或特定路段的流量信息。該應(yīng)用中行使的汽車充當(dāng)移動匯點(diǎn)，由駕駛員操控向網(wǎng)絡(luò)發(fā)送查詢請求包，然后等待特定時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)響應(yīng)。一旦請求數(shù)據(jù)返回，用戶基于收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行相應(yīng)后續(xù)決策。該應(yīng)用場景如圖1所示。

圖1 交通流量監(jiān)測應(yīng)用場景

該應(yīng)用要求用戶能夠隨時隨地查詢網(wǎng)絡(luò)中的興趣信息，且查詢信息能夠在預(yù)定時間內(nèi)返回給用戶。從圖1中可以看到系統(tǒng)中的元素是異構(gòu)的。為了充分利用異構(gòu)節(jié)點(diǎn)不同的功能性，將本系統(tǒng)中的元素分為如下3類:

(1)移動匯點(diǎn)(MS)由嵌入在車輛中的設(shè)備充當(dāng)。假定車輛裝配了GPS，則可以方便獲取MS的位置和移動性信息。車輛通常以隨機(jī)模式進(jìn)行移動，但在GPS設(shè)備提供的移動性信息幫助下，可以基于計算方法預(yù)測MS短時間內(nèi)的移動軌跡。

(2)傳感節(jié)點(diǎn)(SN)在指定命令下負(fù)責(zé)對特定區(qū)域現(xiàn)象進(jìn)行感測。假定該類節(jié)點(diǎn)稠密地部署于傳感區(qū)域，如一個大型商場或交通路段。節(jié)點(diǎn)的典型特征是在能量、處理能力和存儲能力上都有較強(qiáng)的約束。典型地，僅和一跳范圍內(nèi)的鄰居進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)的傳輸采用多跳通信模式路由到達(dá)目標(biāo)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)的工作周期為DC。

(3)副匯點(diǎn)(VS)構(gòu)成了ITS的骨干網(wǎng)絡(luò)，并負(fù)責(zé)將SN和MS連接起來。VS通常安放在路燈柱上，以太陽能方式供電，因而能量約束不像SN那樣苛刻。這些節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)對收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并轉(zhuǎn)發(fā)給MS，相比普通節(jié)點(diǎn)具有更強(qiáng)的計算、存儲和通信能力。

2.2 體系結(jié)構(gòu)

假定系統(tǒng)中的每個元素有唯一的標(biāo)識符(ID)，且具備位置感知能力。通信體系結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求能夠允許一個MS發(fā)送信息查詢請求，并能夠快速收到相應(yīng)的響應(yīng)。圖2給出了一個異構(gòu)可擴(kuò)展的ITS系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。

圖2 一個用于流量監(jiān)測查詢應(yīng)用的智能交通系統(tǒng)

在該分層體系結(jié)構(gòu)中，VS和SN分別組成了高層和底層的通信設(shè)施。SN負(fù)責(zé)收集傳感范圍內(nèi)的興趣數(shù)據(jù)，并以多跳方式和VS進(jìn)行通信。VS由位于道路附近等距離排列的節(jié)點(diǎn)充當(dāng)，負(fù)責(zé)連接MS和SN，完成信息的處理和轉(zhuǎn)發(fā)。VS接收來自SN的傳感信息，進(jìn)行必要的信息提取、計算路由路徑，將響應(yīng)信息和收集的數(shù)據(jù)按照路由路徑傳遞給目標(biāo)VS，進(jìn)而轉(zhuǎn)發(fā)給移動用戶。VS可以從收集到的數(shù)據(jù)中提取信息，發(fā)送給基站，為更大范圍的全局系統(tǒng)提供決策支持。

圖3 VS層體系結(jié)構(gòu)

在對頂層結(jié)構(gòu)抽象過程中，通常將其看作一個無向圖G(V，E)，其中以頂點(diǎn)V表示VS集合，邊集E表示連接相鄰VS的通信鏈路。V中的兩個頂點(diǎn)u和v是相鄰的，當(dāng)且僅當(dāng)節(jié)點(diǎn)u和v在彼此的通信范圍內(nèi)，稱u是v的鄰居，反之亦然。如圖3給出了局部道路系統(tǒng)中VS的部署和相應(yīng)的虛擬拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。圖3(a)圖示了等距離放置的若干VS，節(jié)點(diǎn)之間的通信關(guān)系如圖3(b)所示，每個節(jié)點(diǎn)和相鄰兩側(cè)共4個鄰居存在通信關(guān)系。在相同的節(jié)點(diǎn)部署情況下，一個大的通信功率使得節(jié)點(diǎn)具有更多的鄰居，意味著更短的路由路徑。反之，低的傳輸功率節(jié)省更多能量，但導(dǎo)致更長的路由路徑(延遲)。因此，在實(shí)際的應(yīng)用中需根據(jù)實(shí)際需要確定無線傳輸范圍。

3 系統(tǒng)設(shè)計

3.1 初始化

為了構(gòu)建一個連通的異構(gòu)通信網(wǎng)絡(luò)，初始化階段是必要的。通過初始化過程，每個節(jié)點(diǎn)將通信范圍內(nèi)的其他節(jié)點(diǎn)識別為鄰居。VS除了對所有指定距離范圍內(nèi)的VS構(gòu)建連接，還負(fù)責(zé)建立MS和SN之間的連接關(guān)系。一個連通網(wǎng)絡(luò)中的兩個非相鄰節(jié)點(diǎn)之間的通信通過多跳模式完成。

具體的初始化過程如下:起始時每個節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個包含節(jié)點(diǎn)自身位置、能量水平和工作周期的HELLO包。為了避免沖突，該消息延遲一個隨機(jī)的瞬間發(fā)送。借助收到的HELLO包，每個元素構(gòu)建其鄰居表。初始化階段完成后，每個節(jié)點(diǎn)創(chuàng)建了包含鄰居地理信息的路由表。后續(xù)過程中，每個節(jié)點(diǎn)可以周期地評估節(jié)點(diǎn)剩余能量和當(dāng)前工作周期，將相關(guān)信息存儲于下一個HELLO包中，然后周期性地廣播。以此方式，網(wǎng)絡(luò)中的每個節(jié)點(diǎn)獲知其鄰居的位置、能量水平和當(dāng)前的工作周期。

3.2 路由轉(zhuǎn)發(fā)

系統(tǒng)中的每個元素都是位置感知的，因而可以采用全局的地理坐標(biāo)來指導(dǎo)包的轉(zhuǎn)發(fā)。由于MS的隨機(jī)移動性，基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)的傳感器網(wǎng)絡(luò)流量查詢應(yīng)用所面臨的一個挑戰(zhàn)是VS和SN均不能以高效的方式獲知MS的實(shí)時位置。為了預(yù)測MS的實(shí)時位置，需要在數(shù)據(jù)包的傳播過程中引入一個時間戳Ti。為了保持收集到的傳感信息時效性，假定系統(tǒng)所允許的最大延遲時間為Tdeadline。如果在該時間范圍內(nèi)無響應(yīng)信息返回，則認(rèn)為該查詢失敗。

通常，一個查詢消息被注入網(wǎng)絡(luò)到從網(wǎng)絡(luò)中返回查詢結(jié)果需要經(jīng)歷如下過程:

(1)查詢消息通過多跳方式被傳輸?shù)綄δ繕?biāo)區(qū)域負(fù)責(zé)的VS，假定為VSi。

(2)VSi發(fā)起到目標(biāo)區(qū)域的查詢，目標(biāo)SN感測、收集并匯聚數(shù)據(jù)。

(3)響應(yīng)數(shù)據(jù)準(zhǔn)備完畢后，響應(yīng)消息通過多跳方式回送給VSi。

(4)VSi基于移動性信息計算MS可能就近處于的 VS，記為 VSj。

(5)依據(jù)不同的情況，響應(yīng)數(shù)據(jù)通過多跳模式被發(fā)送到VSj，進(jìn)而轉(zhuǎn)發(fā)給請求用戶。

圖4給出了網(wǎng)絡(luò)初始化和路由轉(zhuǎn)發(fā)策略的工作流程。以下將路由過程分為查詢傳播和響應(yīng)傳播兩個部分，分別詳細(xì)解釋。

3.2.1 查詢傳播

信息查詢過程描述如下:當(dāng)一個MS想要獲取特定區(qū)域的流量信息，首先在T0時刻生成QUERY消息，該消息包含興趣數(shù)據(jù)類型、目標(biāo)區(qū)域地理坐標(biāo)、查詢請求時間戳等信息。然后，查詢消息被傳遞到通信范圍內(nèi)最近的VS，記為VS0。接下來，查詢消息需要在VS層和SN層兩個層面上進(jìn)行傳播。在VS層上，查詢消息通過多跳方式被轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的副匯點(diǎn)VSi。假定VSi在T1時刻收到該消息。在SN層上，查詢消息被VSi通過廣播方式傳播到最接近目標(biāo)區(qū)域中心的SN。

圖4 信息查詢請求與響應(yīng)返回工作流程

如前所述，在異構(gòu)的系統(tǒng)設(shè)計中VS相比普通傳感節(jié)點(diǎn)具有更強(qiáng)的存儲、計算和通信能力。每當(dāng)信息傳遞到VS時，出于快速查詢響應(yīng)考慮，VS將對收到的信息緩存一個合適的時間。當(dāng)查詢消息轉(zhuǎn)發(fā)給相應(yīng)的VS(如VSi)，則VSi將檢查其上是否存儲了具有設(shè)定時效范圍內(nèi)的所需信息，該信息是因其他用戶剛請求過或需要傳輸?shù)饺址秶鷥?nèi)的系統(tǒng)而被保存在該VS上的。如果VS具有該信息，則經(jīng)過計算后回送給目標(biāo)VS(VSj);否則，VSi將發(fā)起到SN的新查詢。

3.2.2 響應(yīng)傳播

SN節(jié)點(diǎn)信息獲取過程如下:如果請求的信息在VS上沒有存儲或已經(jīng)過期，則深入到SN的查詢過程開始啟動。查詢消息發(fā)送給目標(biāo)SN后，最接近目標(biāo)區(qū)域中心的傳感器節(jié)點(diǎn)選舉自身為簇首，并負(fù)責(zé)收集傳感區(qū)域內(nèi)的請求數(shù)據(jù)。當(dāng)簇首匯聚完興趣數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)包開始通過多跳方式按照地理或能量感知的路由策略向VS傳播。

當(dāng)響應(yīng)信息包被路由到VSi，將按照最短路由策略再由VSj傳遞給MS。由于MS的隨機(jī)移動性，MS的實(shí)時位置難以被精確地確定。以下提出一種依據(jù)MS移動性信息計算其近似位置的方法。定義消息傳播延遲為從用戶發(fā)出查詢開始到收到響應(yīng)包的時間段，記消息傳播的總延遲為Tdelay。初始VS(VS0)在T0時刻接收來自用戶的QUERY消息。假定來自于SN的響應(yīng)消息在T1時間后到達(dá)VSi，在T2時間后到達(dá)目標(biāo)VS，則有

此時，MS相對初始位置行進(jìn)的距離為

其中V是MS的平均速度，MS按照一個約束的隨機(jī)路點(diǎn)移動模型(Random Waypoint Mobility Model)［11］進(jìn)行移動，最大速度和最小速度分別為Vmax和Vmin。從而可以依據(jù)行進(jìn)距離ΔS計算出當(dāng)前MS所在位置。由于MS的隨機(jī)移動性，根據(jù)上述預(yù)測方法得到的目標(biāo)VS，可能出現(xiàn)如下3種可能性:

(1)MS在預(yù)定時間到達(dá)目標(biāo)VS，接收響應(yīng)包。

(2)MS尚未到達(dá)目標(biāo)VS，則等待一個合理的時間。

(3)MS已經(jīng)通過目標(biāo)VS，則在通過VS時予以通知，并記錄其移動性信息(速度，時間和方向等)，VS使用收到的移動性信息重新計算下一步的目標(biāo)VS。

4 系統(tǒng)仿真

以下利用一個開源的仿真工具OMNeT++對系統(tǒng)進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。根據(jù)ZigBee通信技術(shù)特征并參考相關(guān)文獻(xiàn)［5］，結(jié)合本文考慮的應(yīng)用場景，將節(jié)點(diǎn)部署方法與通信距離相關(guān)參數(shù)設(shè)定如下。假定傳感器節(jié)點(diǎn)SN如圖1所示部署。相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離為25 m。等距離間隔的VS部署于道路兩側(cè)，VS之間的距離為100 m。MS和SN的通信距離為25 m，VS的通信距離為250 m。一個MS隨機(jī)選擇起始位置并沿著道路行進(jìn)。移動節(jié)點(diǎn)隨機(jī)選取起始位置和方向，隨機(jī)選擇網(wǎng)絡(luò)中的目標(biāo)區(qū)域并發(fā)送數(shù)據(jù)查詢包。詳細(xì)參數(shù)設(shè)定如表1所示。

表1 仿真實(shí)驗(yàn)主要參數(shù)設(shè)定

試驗(yàn)中將本協(xié)議與文獻(xiàn)［5］中的方法以及普遍使用的洪泛(Flooding)方法得出的性能進(jìn)行對比。文獻(xiàn)［5］中通過預(yù)測MS的位置來達(dá)到加快信息傳播的目的，消息的傳播方向指向當(dāng)前MS的實(shí)時位置。網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和MS移動速度條件下的延遲效果如圖5、圖6所示。

圖5 網(wǎng)絡(luò)規(guī)模N與延遲T的關(guān)系(V=10 m/s)

圖5給出了不同方法的包傳播延遲與網(wǎng)絡(luò)規(guī)模N之間的關(guān)系。從圖中可以看出3種策略中消息傳播延遲都隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模N增加。相對另外兩種協(xié)議，本文協(xié)議具有更短的延遲，且延遲隨著網(wǎng)絡(luò)規(guī)模增大的速度更為平緩，呈現(xiàn)了良好的擴(kuò)展性。主要原因在于協(xié)議充分利用節(jié)點(diǎn)的異構(gòu)性，特別利用VS節(jié)點(diǎn)較強(qiáng)的通信和計算能力，SN首先將數(shù)據(jù)傳輸?shù)絍Si中，然后利用VSi計算目標(biāo)VS并確定路由，最終轉(zhuǎn)發(fā)給目標(biāo)用戶。

圖6 傳播延遲與MS移動速度的關(guān)系(N=400)

圖6給出了3種協(xié)議在不同的MS移動速度下的平均查詢延遲，從圖中可以觀察到，3種協(xié)議在低速的情況下均獲取更佳的性能。相對洪泛方法，其他兩種協(xié)議因?yàn)椴捎昧薓S預(yù)測機(jī)制大大降低了延遲，且在低速情況下計算目標(biāo)VS位置的誤差更小。文獻(xiàn)［5］中的方法隨著MS移動速度的增加，延遲上升較快，而本文所提方法明顯更優(yōu)是因?yàn)槔昧朔謱拥捏w系結(jié)構(gòu)和引入了數(shù)據(jù)緩存機(jī)制。

5 結(jié)論

當(dāng)前各類車輛的快速增長使得現(xiàn)存的交通管理系統(tǒng)不能滿足實(shí)際需要，智能化交通應(yīng)用的需求不斷增加。隨著無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn)，智能交通系統(tǒng)的發(fā)展進(jìn)入了一個新時期。本文給出了一個基于ZigBee標(biāo)準(zhǔn)WSN的道路流量監(jiān)測應(yīng)用解決方案。仿真結(jié)果驗(yàn)證了本方案在延遲和路由方面存在較好性能。下一步將進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)性能，并在實(shí)際應(yīng)用環(huán)境中測試和驗(yàn)證其有效性。

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