【導(dǎo)讀】《現(xiàn)代控制理論》。題目智能交通信號控制。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。反過來，微塵是由傳感器和收發(fā)器模塊。傳感器感測所述車輛在交叉路口和收發(fā)器通過無線介質(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)。控制器接收輸入同時(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)上的車輛，而無線電收發(fā)機(jī)通過無線媒介發(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量的響應(yīng)硬件設(shè)備。傳感器測量物理數(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、無人值守，并適應(yīng)環(huán)境。由于無線傳感器節(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：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)或在各道路上的車道分隔線的道路下運(yùn)行。該傳感器是靈敏的障礙探測器，探測在其附近的車輛。這些傳感器在每條道路停車線開始設(shè)置四個(gè)層級，標(biāo)志著不同四個(gè)級別的交通狀況。第四級表示高密度的運(yùn)輸量，也意味著對于控制器，這條道路具有更高的優(yōu)先級。根據(jù)傳感器能夠獲得更高的效率，來選擇所需的障礙物檢測傳感器，如超聲波或紅外激光檢測傳感器。 一個(gè)節(jié) 點(diǎn)，在無線傳感器網(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?。根?jù)需求，任何類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，它開辟了一個(gè)引人入勝的新的方式來看待傳感器網(wǎng)絡(luò)。 節(jié)點(diǎn)的優(yōu)勢 ? 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線電鏈接的。最常見的無線鏈路在約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，可以想象利用太陽能發(fā)電，甚至許多外國的東西如振蕩電源，讓他們運(yùn)行。這是很難想象的東西小，無害化作為節(jié)點(diǎn)引發(fā)一場革命，但是這 也正是他們所做的一切。 ? 節(jié)點(diǎn)的編程也很簡單，不僅可以利用串口線纜來連接到編程板，也可以用以太網(wǎng)線纜來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。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 論是充電電池和非充電，對傳感器節(jié)點(diǎn)供電的主要來源。電流傳感器能夠從太陽能資源，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)行無縫互操作。通過使用行業(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 是無線傳感器技術(shù)中最常用的節(jié)點(diǎn)之一。任何類型的傳感器可以在這種類型的節(jié)點(diǎn)的組合使用。 TmoteSky 采用了 Chipcon 公司的 CC2420 無線電的無線通信。 CC2420 是一個(gè) IEEE 標(biāo)準(zhǔn)的無線電提供了 PHY 和 MAC 地址的一些功能 [ 5 ] 。與靈敏度超過了 IEEE 規(guī)范和低功耗操作 ， CC2420 提供可靠的無線通信。 CC2420 是許多應(yīng)用使用默認(rèn)的無線電設(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)置的無線發(fā)射器在 TmoteSky 來實(shí)現(xiàn)。 H. Tmote 主要特點(diǎn) ? 250KBPS 的 IEEE Chipcon 公司的無線收發(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 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，在長距離傳輸數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)通過中間設(shè)備來達(dá)到更遙遠(yuǎn)的。這使得對ZigBee 網(wǎng)絡(luò)形成特設(shè)的，沒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 是針對需要低數(shù)據(jù)速率應(yīng)用，電池壽命長，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)單一的信號傳輸從一個(gè)傳感器或輸入裝置。應(yīng)用包括無線光開關(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，需要在相對較低的利率數(shù)據(jù)的短距離無線傳輸。由 ZigBee 規(guī)范中定義的 技術(shù)的目的是要簡單，比其他的 WPAN，藍(lán)牙等更便宜。 J. ZigBee 設(shè)備的類型 ZigBee 設(shè)備有三種類型： ? 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，通過對來自其它設(shè)備的數(shù)據(jù)。 ? ZigBee 終 端設(shè)備（ ZED）：它包含了足夠的功能來跟我們的父節(jié)點(diǎn)。它不能中繼來自其它設(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。 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，從而降低他們的工作周期和延長其電池壽命。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。 五、提出的算法 考慮到左側(cè)行車系統(tǒng)（遵循英國，澳大利亞，印度，馬來西亞等 72 個(gè)國家）。該系統(tǒng)可以很容易地修改為右側(cè)行車系統(tǒng)（美國，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。 圖 4 考慮交叉口 1）對所有道路均可以自由左轉(zhuǎn)（自由右轉(zhuǎn)適合右側(cè)行車系統(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。所有的左轉(zhuǎn)是自由的。在左側(cè)車道無信號 /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。考慮 4 級傳感器 AX， BX， CX， DX， A 具有最高的優(yōu)先級和 X代表道路 1 至 4。同時(shí)考慮 3 條車道：左（ L），中間（ M）、右（ R）對應(yīng)于交通方向。轉(zhuǎn)左車道是自由的，所以不需要傳感器。 傳感器 4*2 陣列形式： 4 層級的交通狀況和兩路車道，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來操作的序列。 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，并計(jì)算如下 3）對每條道路的具有最高優(yōu)先級傳感器 AX 進(jìn)行比較。 4 ）如果一個(gè)單一道路有流量通過到 AX，它將在下一個(gè)時(shí)間段被給予綠色信號。 5 ）如果多個(gè)道路有流量通過到 AX，在路上等待時(shí)間最長將在下一個(gè)時(shí)間段給綠色信號。 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 ）如果在中間車道給予了綠色信號指示，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，或者相向的大道給予綠色直行信號。 8 ）如果在右車道給予了右轉(zhuǎn)綠色信號，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或者相向的大道給右轉(zhuǎn)綠色信號。 9 ）類似的智能決策信號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燈以及通過所提供的無線協(xié)議來連接傳感器節(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。不過主要的交叉路口有地下通道和架空行人路來避免行人對繁忙的交通中的影響。 六、結(jié)論 上述建議的使用無線傳感器網(wǎng)絡(luò)自動(dòng)交通信號路由的系統(tǒng)，比起許多現(xiàn)有系統(tǒng)是更具有優(yōu)勢的。無線傳感器節(jié)點(diǎn)，在每個(gè)路口創(chuàng)建一個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，因此很容易在有車輛密度大的交叉口來實(shí)現(xiàn)。它既花費(fèi)低廉，也不需要在車輛中搭載任何系統(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)場所的可行性，可以使用任何類 型的傳感器。