【導(dǎo)讀】《現(xiàn)代控制理論》。題目智能交通信號(hào)控制。二Ｏ一三年12月15日

　　

【正文】 行智能交通路由。 建議系統(tǒng)涉及這是由三個(gè)基本部分組成的無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的傳感器節(jié)點(diǎn) 或塵埃，電源和一個(gè)中央控制器。反過(guò)來(lái)，微塵是由傳感器和收發(fā)器模塊。傳感器感測(cè)所述車(chē)輛在交叉路口和收發(fā)器通過(guò)無(wú)線介質(zhì)發(fā)送所述傳感器的數(shù)據(jù)發(fā)送到中央控制器。該電源提供所需的傳感器節(jié)點(diǎn)的功率和大多再生。中央控制器執(zhí)行所有的計(jì)算為傳感器網(wǎng)絡(luò)?？刂破鹘邮蛰斎胪瑫r(shí)從所有傳感器和流程，以進(jìn)行必要的決定。 參與系統(tǒng)組件 該系統(tǒng)涉及到的無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)包含了三個(gè)基本組成部分：傳感節(jié)點(diǎn)，電源模塊和中央處理器。而傳感節(jié)點(diǎn)包括了傳感器和無(wú)線電收發(fā)機(jī)模塊。傳感器可以感應(yīng)在節(jié)點(diǎn)上的車(chē)輛，而無(wú)線電收發(fā)機(jī)通過(guò)無(wú)線媒介發(fā)送傳感器器數(shù)據(jù) 到中央處理器。電源模塊為傳感節(jié)點(diǎn)提供電源，同時(shí)電源模塊也是可再生的。中央處理器對(duì)傳感網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行所有的計(jì)算。該控制器從所有的傳感器接收輸入信號(hào)和自發(fā)地處理所要求的決議。 傳感器是產(chǎn)生如溫度或壓力的物理狀況變化的可測(cè)量的響應(yīng)硬件設(shè)備。傳感器測(cè)量物理數(shù)據(jù)的參數(shù)將被監(jiān)控。傳感器所產(chǎn)生的連續(xù)的模擬信號(hào)由模擬 數(shù)字轉(zhuǎn)換器數(shù)字化并傳送到控制器，用于進(jìn)一步的處理。傳感器節(jié)點(diǎn)應(yīng)該是體積小、消耗極低的能量、工作在高容積密度，是自主的、無(wú)人值守，并適應(yīng)環(huán)境。由于無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)通常是非常小的電子設(shè)備，他們只能裝備 限制在小于 安培小時(shí)及 伏電源。傳感器可分為三類(lèi)：被動(dòng)全向傳感器，被動(dòng)窄波束傳感器 。和有源傳感器 [3]。 在本系統(tǒng)中這些傳感器放置在一個(gè)交叉點(diǎn)或在各道路上的車(chē)道分隔線的道路下運(yùn)行。該傳感器是靈敏的障礙探測(cè)器，探測(cè)在其附近的車(chē)輛。這些傳感器在每條道路停車(chē)線開(kāi)始設(shè)置四個(gè)層級(jí)，標(biāo)志著不同四個(gè)級(jí)別的交通狀況。第四級(jí)表示高密度的運(yùn)輸量，也意味著對(duì)于控制器，這條道路具有更高的優(yōu)先級(jí)。根據(jù)傳感器能夠獲得更高的效率，來(lái)選擇所需的障礙物檢測(cè)傳感器，如超聲波或紅外激光檢測(cè)傳感器。 一個(gè)節(jié) 點(diǎn)，在無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，也被稱為傳感器節(jié)點(diǎn)，能夠執(zhí)行一些工序和收集的傳感器信息，并與其他連接的節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中通信。一個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的主要部件是一個(gè)微控制器，收發(fā)器，外部存儲(chǔ)器，電源和一個(gè)或多個(gè)傳感器 [3]。 圖 1 節(jié)點(diǎn) 框圖 節(jié)點(diǎn)的需求 一個(gè)節(jié)點(diǎn)的主要職責(zé)是在任何區(qū)域中，從各個(gè)分布式傳感器收集信息，并將收集到的信息傳輸?shù)街醒肟刂破魅ヌ幚怼８鶕?jù)需求，任何類(lèi)型的傳感器可以被納入這些節(jié)點(diǎn)。它是分布式傳感一個(gè)全新的范式，它開(kāi)辟了一個(gè)引人入勝的新的方式來(lái)看待傳感器網(wǎng)絡(luò)。 節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢(shì) ? 節(jié)點(diǎn)的核心是一個(gè)小的，低成本，低功耗 控制器。 ? 該控制器監(jiān)視一個(gè)或多個(gè)傳感器。利用節(jié)點(diǎn)接口各種傳感器很簡(jiǎn)單，包括傳感器的溫度、光、聲、位置、加速度、振動(dòng)、壓力、重量、壓力、濕度等。 ? 所述控制器連接到中央控制器是利用無(wú)線電鏈接的。最常見(jiàn)的無(wú)線鏈路在約3 至 61 米的距離范圍允許一個(gè)節(jié)點(diǎn)傳輸。功耗，尺寸和成本是遠(yuǎn)的距離傳輸?shù)目紤]因素。由于節(jié)點(diǎn)的一個(gè)基本概念是微型，所以和低成本，低功率無(wú)線電聯(lián)系也是正常的。 ? 由于節(jié)點(diǎn)尺寸的縮小和功耗，可以想象利用太陽(yáng)能發(fā)電，甚至許多外國(guó)的東西如振蕩電源，讓他們運(yùn)行。這是很難想象的東西小，無(wú)害化作為節(jié)點(diǎn)引發(fā)一場(chǎng)革命，但是這 也正是他們所做的一切。 ? 節(jié)點(diǎn)的編程也很簡(jiǎn)單，不僅可以利用串口線纜來(lái)連接到編程板，也可以用以太網(wǎng)線纜來(lái)連接到編程板或者可以利用空中編程。 圖 2 所提出的系統(tǒng)框圖 傳感器節(jié)點(diǎn)往往利用 ISM 頻段，這給免費(fèi)廣播，頻譜分配和全球可用性。無(wú)線傳輸介質(zhì)的可能的選擇是射頻（ RF），光通信和紅外線。激光器需要更少的能量，但需要線的視線進(jìn)行通信，并且向大氣條件敏感。紅外線，如激光器，不需要天線，但它在其廣播能力的限制。無(wú)線電頻率為基礎(chǔ)的溝通是最 相關(guān)的，適合大部分的 WSN 應(yīng)用。無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)傾向于使用免許可證的通信頻率： 173， 433，868，和 915 兆赫 。和 GHz。發(fā)射器和接收器的功能組合成已知為收發(fā)器的單個(gè)裝置 [3]。 帶來(lái)獨(dú)特的發(fā)射和接收到任何特別的設(shè)備的各種協(xié)議 /算法被設(shè)計(jì)出來(lái)。節(jié)點(diǎn)是往往具有強(qiáng)大的發(fā)射器和接收器，統(tǒng)稱為更好的長(zhǎng)期運(yùn)行的收發(fā)器也較好的實(shí)現(xiàn)了在任何環(huán)境條件下發(fā)送 /接收質(zhì)量。 傳感器節(jié)點(diǎn)的功耗包括傳感，通信和數(shù)據(jù)處理。是必需的，比任何其他進(jìn)程的數(shù)據(jù)通信更多的能量。功率不是被存儲(chǔ)在電池或電容器。電池，無(wú) 論是充電電池和非充電，對(duì)傳感器節(jié)點(diǎn)供電的主要來(lái)源。電流傳感器能夠從太陽(yáng)能資源，溫差，振動(dòng)或更新他們的能量。使用了兩種節(jié)電政策動(dòng)態(tài)電源管理（ DPM）和動(dòng)態(tài)電壓調(diào)節(jié)（ DVS）。 DPM 通過(guò)關(guān)閉當(dāng)前未使用的或有源的傳感器節(jié)點(diǎn)的部件來(lái)節(jié)省電量。一個(gè) DVS 方案變化取決于非確定性的工作量傳感器節(jié)點(diǎn)內(nèi)的功率電平。通過(guò)改變電壓隨著頻率，因此能夠獲得二次方降低功耗。 G. Tmote Sky TmoteSky 是一個(gè)超低功耗無(wú)線模塊使用在傳感器網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)控應(yīng)用程序，并快速應(yīng)用原型。 TmoteSky 利用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，如 USB 和 IEEE 與其他設(shè)備進(jìn)行無(wú)縫互操作。通過(guò)使用行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，整合濕度，溫度和光線感應(yīng)器，并提供與外圍設(shè)備靈活的互連， TmoteSky 使廣泛的網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用 [ 4 ] 。該 TMote 是無(wú)線傳感器技術(shù)中最常用的節(jié)點(diǎn)之一。任何類(lèi)型的傳感器可以在這種類(lèi)型的節(jié)點(diǎn)的組合使用。 TmoteSky 采用了 Chipcon 公司的 CC2420 無(wú)線電的無(wú)線通信。 CC2420 是一個(gè) IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的無(wú)線電提供了 PHY 和 MAC 地址的一些功能 [ 5 ] 。與靈敏度超過(guò)了 IEEE 規(guī)范和低功耗操作 ， CC2420 提供可靠的無(wú)線通信。 CC2420 是許多應(yīng)用使用默認(rèn)的無(wú)線電設(shè)置提供符合 IEEE 符合高度可配置的。 ZigBee 規(guī)范可以使用內(nèi)置的無(wú)線發(fā)射器在 TmoteSky 來(lái)實(shí)現(xiàn)。 H. Tmote 主要特點(diǎn) ? 250KBPS 的 IEEE Chipcon 公司的無(wú)線收發(fā)器 ? 互操作性與其它 設(shè)備。 ? 8MHz 的德州儀器 MSP430 微控制器（ 10K 的 RAM， 48K 快閃記憶體） ? 集成的 ADC， DAC，電源電壓監(jiān)控器和 DMA 控制器 ? 集成板載天線約 50m 范圍室內(nèi) /125 米范圍戶外 ? 集成的濕度，溫度和光傳感器 ? 超低消耗電流 ? 快速喚醒從睡眠（ 6μ S） ? 硬件鏈路層加密和認(rèn)證 ? 通過(guò) USB 編程和數(shù)據(jù)采集 ? 16 針擴(kuò)展的支持和可選的 SMA 天線連接器 ? TinyOS 的支持：網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)和通信實(shí)現(xiàn) ? FCC 第 15 部分和加拿大工業(yè)部法規(guī)符合 ? 環(huán)保 符合 RoHS 指令規(guī)定 [4]。 I、 ZigBee 無(wú)線技術(shù) ZigBee 是一種規(guī)范一套高水平采用小型，低功耗數(shù)字通信協(xié)議基于個(gè)人區(qū)域一個(gè) IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的射頻網(wǎng)絡(luò) [6] [7]。 ZigBee 設(shè)備通常用于在網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò) 形式，在長(zhǎng)距離傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)數(shù)據(jù)通過(guò)中間設(shè)備來(lái)達(dá)到更遙遠(yuǎn)的。這使得對(duì)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)形成特設(shè)的，沒(méi)有集中控制或大功率發(fā)射機(jī) /接收機(jī)能夠達(dá)到所有的設(shè)備。任何 ZigBee 設(shè)備的任務(wù)可以運(yùn)行網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 是針對(duì)需要低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，電池壽命長(zhǎng)，安全的網(wǎng)絡(luò)。 ZigBee 已定義的速率 250kbps，最適合于周期性或間歇性的數(shù)據(jù)或一個(gè)單一的信號(hào)傳輸從一個(gè)傳感器或輸入裝置。應(yīng)用包括無(wú)線光開(kāi)關(guān)，電氣儀表與家庭顯示器，交通管理系統(tǒng)，和其他消費(fèi)品和工業(yè)設(shè)備，需要在相對(duì)較低的利率數(shù)據(jù)的短距離無(wú)線傳輸。由 ZigBee 規(guī)范中定義的 技術(shù)的目的是要簡(jiǎn)單，比其他的 WPAN，藍(lán)牙等更便宜。 J. ZigBee 設(shè)備的類(lèi)型 ZigBee 設(shè)備有三種類(lèi)型： ? ZigBee 協(xié)調(diào)器（ ZC）：最有能力的設(shè)備，協(xié)調(diào)員形成網(wǎng)絡(luò)樹(shù)的根，并可能縮小到其他網(wǎng)絡(luò)。有在每個(gè)網(wǎng)絡(luò)中僅有一個(gè) ZigBee 協(xié)調(diào)器，因?yàn)樗菃?dòng)該網(wǎng)絡(luò)最初的設(shè)備。它存儲(chǔ)有關(guān)網(wǎng)絡(luò)的信息，包括擔(dān)任信托中心和存儲(chǔ)庫(kù)的安全密鑰。 ZigBee 協(xié)調(diào)器的中央控制器是在這個(gè)系統(tǒng)中。 ? ZigBee 路由器（ ZR）：除了運(yùn)行的應(yīng)用程序的功能，一個(gè)設(shè)備可以充當(dāng)一個(gè)中間路由器，通過(guò)對(duì)來(lái)自其它設(shè)備的數(shù)據(jù)。 ? ZigBee 終 端設(shè)備（ ZED）：它包含了足夠的功能來(lái)跟我們的父節(jié)點(diǎn)。它不能中繼來(lái)自其它設(shè)備的數(shù)據(jù)。這種關(guān)系允許節(jié)點(diǎn)睡著一個(gè)顯著量的時(shí)間，從而使電池壽命長(zhǎng)。 ZED 需要最少的存儲(chǔ)量，因此，可以制造比 ZR 或 ZC 便宜。 K. ZigBee 協(xié)議 該協(xié)議建立在最近的算法研究，以自動(dòng)構(gòu)造節(jié)點(diǎn)的低速 adhoc 網(wǎng)絡(luò)。在大多數(shù)大的網(wǎng)絡(luò)情況下，網(wǎng)絡(luò)將集群的集群。目前的 ZigBee 協(xié)議支持信標(biāo)和非信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)。在非信標(biāo)使能的網(wǎng)絡(luò)，一個(gè)非時(shí)隙 CSMA/ CA 信道接入機(jī)制被使用。在這種類(lèi)型的網(wǎng)絡(luò)中， ZigBee 的路由器通常具有其接收 機(jī)連續(xù)活動(dòng)，需要一個(gè)更堅(jiān)固的電源。然而，這允許在其中某些設(shè)備連續(xù)接收異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)，而其他被檢測(cè)到的外部刺激時(shí)僅傳輸。在信標(biāo)使能的網(wǎng)絡(luò)，所謂的 ZigBee 路由器專(zhuān)網(wǎng)節(jié)點(diǎn)周期性的發(fā)送信標(biāo)，以確認(rèn)他們的存在給其他網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)。節(jié)點(diǎn)可以信標(biāo)之間睡覺(jué)，從而降低他們的工作周期和延長(zhǎng)其電池壽命。信標(biāo)間隔取決于數(shù)據(jù)速率，它們的范圍可以從 到 在 250 kbps 的。在一般情況下， ZigBee 的協(xié)議時(shí)的無(wú)線電是在最小化，從而減少電源使用。在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)，只需要積極而被發(fā)送的信標(biāo)。在非信標(biāo)使能網(wǎng)絡(luò)，電力消 費(fèi)顯然是不對(duì)稱的：一些設(shè)備總是積極的，而其他的大部分時(shí)間都在睡覺(jué)。 五、提出的算法 考慮到左側(cè)行車(chē)系統(tǒng)（遵循英國(guó)，澳大利亞，印度，馬來(lái)西亞等 72 個(gè)國(guó)家）。該系統(tǒng)可以很容易地修改為右側(cè)行車(chē)系統(tǒng)（美國(guó)，加拿大，阿聯(lián)酋，俄羅斯等）。還考慮到四條道路的交界處分別編號(hào)為節(jié)點(diǎn) 1， 2， 3 和 4。從每個(gè)節(jié)點(diǎn)的交通流向其他三個(gè)節(jié)點(diǎn)都具有不同的密度?？紤] 1 路現(xiàn)在在各個(gè)方向給出綠燈信號(hào)。 圖 4 考慮交叉口 1）對(duì)所有道路均可以自由左轉(zhuǎn)（自由右轉(zhuǎn)適合右側(cè)行車(chē)系統(tǒng)）。 2）檢查所有其他節(jié)點(diǎn)的交通密度和取回 傳感器的數(shù)據(jù)。 3）比較的數(shù)據(jù)，并計(jì)算最高的密度。 4）允許使用密度最高的節(jié)點(diǎn)為 60 秒。 5）允許節(jié)點(diǎn)再次等待 1 時(shí)隙輪到它并且處理從步驟 3 開(kāi)始重復(fù)進(jìn)行。 假設(shè)三路目前是在各個(gè)方向都是綠燈信號(hào)。所有的左轉(zhuǎn)是自由的。在左側(cè)車(chē)道無(wú)信號(hào) /傳感器。各道路被給予最大 60 秒的時(shí)間段的時(shí)間。這時(shí)候可以根據(jù)實(shí)施的情況而變化?？紤] 4 級(jí)傳感器 AX， BX， CX， DX， A 具有最高的優(yōu)先級(jí)和 X代表道路 1 至 4。同時(shí)考慮 3 條車(chē)道：左（ L），中間（ M）、右（ R）對(duì)應(yīng)于交通方向。轉(zhuǎn)左車(chē)道是自由的，所以不需要傳感器。 傳感器 4*2 陣列形式： 4 層級(jí)的交通狀況和兩路車(chē)道，被命名為 MAX， RAX,MBX， RBX 等，共計(jì)需要 32 個(gè)傳感器。下面的流程表示按照信號(hào)來(lái)操作的序列。 1）每個(gè)傳感器周期性地發(fā)送狀態(tài)到控制器。 2 ）控制器接收該信號(hào)，并計(jì)算如下 3）對(duì)每條道路的具有最高優(yōu)先級(jí)傳感器 AX 進(jìn)行比較。 4 ）如果一個(gè)單一道路有流量通過(guò)到 AX，它將在下一個(gè)時(shí)間段被給予綠色信號(hào)。 5 ）如果多個(gè)道路有流量通過(guò)到 AX，在路上等待時(shí)間最長(zhǎng)將在下一個(gè)時(shí)間段給綠色信號(hào)。 6 ）一旦道路給予綠色，其等待時(shí)間復(fù)位，其傳感器的狀態(tài)被忽略在該時(shí)隙 7 ）如果在中間車(chē)道給予了綠色信號(hào)指示，根據(jù)交通流量的情況，要么右側(cè)相鄰的大道給予綠色右轉(zhuǎn)信號(hào)，或者相向的大道給予綠色直行信號(hào)。 8 ）如果在右車(chē)道給予了右轉(zhuǎn)綠色信號(hào)，根據(jù)交通流量的情況，要么左邊相鄰大道給直行方向綠色信號(hào)或者相向的大道給右轉(zhuǎn)綠色信號(hào)。 9 ）類(lèi)似的智能決策信號(hào)中納入基于交通密度和方向的交通是可以控制的。 該系統(tǒng)的實(shí)施，可以通過(guò)在路下或者在道路分隔線上放置傳感器節(jié)點(diǎn)和接合中央控制器與信號(hào)燈以及通過(guò)所提供的無(wú)線協(xié)議來(lái)連接傳感器節(jié)點(diǎn)到控制器。實(shí)施這套系統(tǒng)的唯一限制是要 考慮到行人，這可以利用到交通量大的交叉路口，如高速公路，也可以利用在行人量少的地方。不過(guò)主要的交叉路口有地下通道和架空行人路來(lái)避免行人對(duì)繁忙的交通中的影響。 六、結(jié)論 上述建議的使用無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)交通信號(hào)路由的系統(tǒng)，比起許多現(xiàn)有系統(tǒng)是更具有優(yōu)勢(shì)的。無(wú)線傳感器節(jié)點(diǎn)，在每個(gè)路口創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，因此很容易在有車(chē)輛密度大的交叉口來(lái)實(shí)現(xiàn)。它既花費(fèi)低廉，也不需要在車(chē)輛中搭載任何系統(tǒng)，這使得它比現(xiàn)有的系統(tǒng)更具可行性。使用的傳感器節(jié)點(diǎn)的各種系統(tǒng)可以根據(jù)要求改變，并且可以根據(jù)場(chǎng)所的可行性，可以使用任何類(lèi) 型的傳感器。