文摘

本文提出一种低成本和基于无线传感器网络的节能城市流动监测系统(网络)。提出了传感器单元的主要成分是蓝牙传感器和无线个域网收发器。在传感器网络中,蓝牙传感器捕获的MAC地址蓝牙单元安装在移动设备和汽车导航系统。无线个域网的收发器将收集到的MAC地址传输到一个数据中心没有任何主要的通信基础设施(例如,光纤和3 g / 4 g网络)。共有七个原型传感器单元已经部署在巷道段在纽瓦克,新泽西州,对于一个概念证明(POC)测试。POC测试的结果表明,提出的传感器单元的性能出现承诺,导致2%的数据下降率和改善蓝牙捕获率。

1。介绍

无线传感器网络(WSN)技术不仅提供增强现有的传感器网络(例如,家庭自动化和环境监测),但他们也一直在创新应用于卫生保健交付和运输(1- - - - - -3]。运输他们的应用程序之一,probe-based交通检测获得了大量关注实时交通监控、工作区域和事件管理、交通规划。通过跟踪捕获瞬时车辆位置信息的车载GPS导航装置和/或智能移动设备,几个商业供应商提供了实时旅行时间信息不仅道路使用者,而且交通管理机构。知道的市场普及率车载导航系统和智能移动设备在美国,调查样本的数量足以覆盖美国主要高速公路。然而,GPS装置的准确性嵌入式导航系统和移动设备通常是平庸;众所周知,这种流行的位置误差的范围GPS达到9米(30英尺),特别是在高度城市化地区形成城市峡谷摩天大楼,如纽约、波士顿、西雅图、洛杉矶的准确性GPS实时交通管理往往是不可接受的。

最近,出现了基于蓝牙的交通检测技术(4,5]。从任何Bluetooth-embedded传感蓝牙信号设备,如智能手机,笔记本电脑,平板电脑,无线耳机,和汽车音响系统,蓝牙传感器捕捉48比特位的介质访问控制(MAC)地址检测设备。MAC地址是一个独特的标识符分配给每个通信设备。因此,对于一个特定的道路段,它是可能的旅行时间估计的蓝牙设备匹配其MAC地址的两端部分没有GPS装置。几个交通管理机构(如NJDOT VDOT, MDOT)采用基于蓝牙流量传感装置由多个供应商在美国。

与gps探测检测、基于蓝牙传感系统要求现有的通讯基础设施实时交通监控收集的数据流。当前实践利用现有光纤网络部署为交通监控设备(如交通摄像机和回路探测器)或商业无线通讯服务(例如,3 g或4 g / LTE)由电信公司提供。光纤网络提供无缝的通信质量,但只能在几个主要高速公路走廊(例如,州际公路)。全国商业无线服务也可以,但是需要支付服务费用要充分利用它们。因此,使用这种通信基础设施对城市交通监控系统的面子。

提出了一种低成本和节能的交通监控系统特别适合高度城市化地区是具有挑战性的充分利用现有的光纤网络和高成本的商业通信服务。通过合并低能蓝牙模块和无线个域网收发器形成无线网状传感器网络,提出了传感器单元将捕获高质量GPS-free交通数据同时确保无缝的数据交付没有现有的通讯基础设施。

本文的其余部分组织如下。文献综述总结了城市流动监测工作之前进行下一节。系统架构的部分呈现的细节提出传感器单元和城市的整体框架基于无线传感器网络监测系统。结果从一个概念证明(POC)测试将在下一节中讨论后的结论和建议部分的结束语。

2。文献综述

监测城市巷道流动一直是一个先进的城市交通管理系统的关键因素。许多相关的应用程序提出了开展城市流动监测。在本节中,其中的一些研究亮点进行了总结。

传统上,城市流动监测实施的框架内的交叉综合管理系统集成了数据采集设备(如循环探测器或摄像机)和通讯基础设施(例如,光纤)。布雷瑟et al。6)和Bielefeldt et al。7)测试了一个城市交通拥堵管理系统,即宇宙,在疾走交通控制系统在伦敦,英国。宇宙是一个中央控制系统集成控制交叉口,事件管理,堵塞监控实现跑了。宇宙是由摩纳哥的拥堵监控(监测和分析交通拥堵),一个子系统安装在疾走在伦敦。通过使用在线交通信息通过SCOOT的交通传感系统,摩纳哥不断流行的交通状况监测捕获路口卷信息。给出一个综合交叉管理系统,这样的监控子系统像摩纳哥将足够是有益的,因为它不需要额外的成本来构建交通传感系统和通讯基础设施。然而,旅行时间或速度相比数据作为城市的主要性能指标监控、交通计数十字路口管理系统采集的数据也不足以准确反映现行城市道路交通状况。

无数努力收集旅行时间数据作为主要城市流动性能进行测量来实现更准确的城市交通监控系统。Cathey和Dailey8]估计走廊旅行时间利用交通车辆配备一个自动车辆定位(AVL)单元基于全球定位系统(GPS)。虽然AVL-based交通探测系统被成功部署在金县,华盛顿,作者还指出,旅行时间的质量严重依赖于调查的样本大小和可能产生偏见的旅行时间样本不足的结果。Chakroborty和菊池(9)检查汽车和总线之间的差异探针旅行时间和解决总线的事实调查旅行时间会导致精度和距离问题。处理这些问题,作者提出了一个框架来从总线旅行时间预测automobile-based旅行时间。作者开发了几个回归模型通过使用现场收集的数据在多个走廊纽卡斯尔县特拉华州。尽管他们的模型可接受的性能,问题必须处理领域实现之前,包括更新间隔,每天的时间效应,和准确性水平。聚氨酯等。10)提出了一种总线探针系统收集实时道路旅行时间在西雅图,华盛顿。配备了GPS装置和无线传输装置,每个总线报道其位置信息以及时间戳在实时交通管理中心(TMC)。从每个装备收集位置信息总线,TMC估计道路作为城市流动的旅行时间性能指标。根据操作的公共汽车在公共汽车站,装备巴士可能会经常的旅行时间不当,以反映实际交通状况。为了处理这个问题,作者提出公交出行时间的调整算法。

持续增长的移动设备,如智能手机、平板电脑、和车载导航系统、移动基于探测系统(11自2000年初以来已经繁荣。配备内置的GPS模块和无线通讯使用3 g或4 g / LTE服务,高精度旅行时间信息很容易收集到的个人致力于提供他们的位置信息服务提供商如INRIX公司(12],NavTeq [13],WAZE [14]。最近,许多交通状态点和mpo等机构使用手机探针旅行时间从INRIX公司实时监控交通拥挤主要走廊(15]。而以gps探测提供了这样的服务供应商将确保高度准确的旅行时间信息,它将通常不适合小规模运输机构(如城市点)由于高成本的数据订阅。此外,以GPS位置信息的质量会不太理想的现代大城市的市区由于城市峡谷效应导致GPS信号的多路推论[16]。

基于无线传感器网络(WSN)的流量监测方法已经被一些研究人员检查了在各自领域涉及计算机科学、无线通信和电子工程。孟et al。17)提出了一个概念框架WSN-based城市交通监控系统。没有进入一个特定的传感技术的细节,作者关注了一个算法来有效地处理大量的流量传感数据来自传感器网络。Khanafer et al。18]探索一些传感器网络体系结构适用于智能交通系统(ITS)的应用程序。作者也定义为其设计了网络所需的重要元素:健壮性、可伸缩性、成本、安全性和功率效率。基于这样的设计要求,作者评估分层,集群,平面架构的基础上,确定了集群架构将适合交通监视。Yulian et al。19)提出了一种实时交通信息收集和监测系统基于物联网(物联网)。物联网是指一群通过无线或有线网络设备或系统形成一个云的数据和信息。装备与无线电频率识别(RFID)设备可能在个人车辆形成一个物联网云,作者创造了一个虚拟测试床在实验室和评估WSN-based交通监控系统的性能。

总之,无数的努力提出了实现准确实时的城市流动监测和一些系统已经成功地实现了有前途的表演。发现成功部署的关键元素是高精度数据采集设备和无缝通信网络需要巨大的资本投资的安装和维护。WSN-based城市流动监测体系结构能够取代如此高的成本基础设施采用低成本的传感器单元。

3所示。系统架构

3.1。组件

3.1.1。蓝牙的读者

蓝牙是一种短距离无线通信协议使中期之间的双向通讯设备,如智能手机、移动电脑,和/或汽车收音机。蓝牙使用一个低成本的收发器芯片的设备之间交换信息。蓝牙收发器“发现”模式下连续传输自己的MAC地址,一个独特的识别代码分配给每一个蓝牙设备,确定设备为目的的沟通,并建立一个与“响应设备”(20.]。调查持续只要传输设备在通信范围内。通过匹配蓝牙设备的MAC地址通过每个蓝牙读者,巷道断面的旅行时间可以测量(21]。

在这篇文章中,一个定制的多传感器蓝牙读者提出了提高检出率一起用两个二类蓝牙模块,其探测范围是9米(30英尺)。不像农村走廊,城市道路交叉口通常密集分布,使两个或三个十字路口在90米(300英尺)。的捕捉interintersection旅行时间在市区,类我蓝牙读者报道的90米(300英尺)将不合适的,可能会导致不准确的出行时间测量。相比之下,二类蓝牙读者会适合城市道路,但短报道遭受检出率不足。为了处理这个问题,采用多传感器配置蓝牙读者。

基于蓝牙标准(22),蓝牙读者不断发出扫描信号(查询),过后11毫秒每1.28秒的扫描间隔如图1(一)。对于二类蓝牙读者,它创建一个18米(60英尺)扫描圆直径11毫秒每1.28秒。因此,如果车辆配备蓝牙设备开车经过一个二类蓝牙读者51公里/小时(31.9英里)的速度(即。,18米(60英尺)/ 1.28秒= 14米/秒(46.9英尺/秒))或更高,读者很可能捕获。另外,图1 (b)显示扫描覆盖率的形成当两个二级交替传感器扫描每1.28秒的间隔,导致扫描间隔0.64秒。dual-sensor配置图1 (b)能够捕获车辆配备蓝牙设备速度高达102公里/小时(63.8英里),这是足够高的城市道路。

3.1.2。无线个域网收发器

Zigbee无线网状网络标准的低成本和低功耗的无线移动感应系统。内部基于IEEE 802.15.4协议提供服务(23),无线个域网是用来传输数据到250 kBps的2.4 GHz频段内90米(300英尺)的室内和3.2公里(2英里)视距室外通信范围。由于无线个域网并不打算支持大功率网络(例如,wi - fi, WiMax),它通常被用于低能网等传感器网络环境监测温度和降水探测、宽领域。有必要清楚地注意到无线个域网收发器不用于收集MAC地址在拟议的架构。使用无线个域网的接收机的主要目的是通过蓝牙传输的MAC地址数据读者一个接入点,收集所有MAC地址的数据在通信范围内的网状网络。

时设计一个无线网络,弱节点的计算能力和精力有限节点不应该被忽视。根据配置,无线个域网收发器有三个不同的角色:协调器、路由器或结束节点。协调员无线个域网作为一个接入点,接收所有传入的数据包的路由器和终端节点无线个域网。另一方面,结束节点无线个域网只传送数据包协调器或路由器传感器。路由器无线个域网执行发射机和接收机的角色处理数据包从/到相邻的路由器和终端节点。取决于角色的组合传感器,传感器网络可以分为三个不同的拓扑结构:对,明星,网格如图2。城市流动监测,网状网络是合适的。

3.1.3。传感器单元集成

主要组件的传感器单元中描述图3(一个)。一个迷你电脑处理读者蓝牙和无线个域网收发机的操作,并提供一个接口交换数据的蓝牙读者无线个域网传感器通过使用一个计算机程序开发的研究团队。迷你电脑档案数据从蓝牙读者获得它的存储空间。与蓝牙读者直接连接到迷你电脑通过USB集线器,无线个域网收发器必须使用专门的断接板,称为屏蔽连接到单片机。单片机与微型电脑通过USB集线器提供迷你电脑和无线个域网之间的串行通信链路收发器。蓝牙阅读器之间的通信和迷你电脑也由一个串行链接。minc PC和两个传感器之间的通信速度是每秒9600位(bps)。每个部分所需的电力是由充电电池组通过迷你电脑。保持传感器单元操作24小时和7天内,一个30瓦太阳能电池板连接到电池组充电,白天的时间。图3 (b)显示了原型的传感器单元用于概念验证测试。

3.2。监控系统架构

需要至少一个传感器单元部署在捕捉一个十字路口两个路口之间的道路段的旅行速度。是理想的传感器单元安装在一个十字路口的中间捕捉蓝牙汽车从每个方法。提供一个传感器单元捕获传入和传出的流量在一个十字路口,它收集到的蓝牙传送MAC地址信息及其时间戳和传感器单元的序列号路由器或协调员无线个域网收发器在每一个更新间隔(例如,2分钟)。如果一个接收器传感器单元与路由器无线个域网收发器,它会将接收到的数据包的协调员传感器单元。配备了通讯设备(例如,WiFi或4 g LTE /调制解调器),协调器无线个域网收发器的传感器单元从多个传感器单元接收到的数据包传送到数据库服务器通过互联网。数据库服务器不仅档案数据库中收集的数据从传感器单元也估计道路段的旅行时间分析MAC地址和时间戳被网络中每个传感器单元。旅行时间的检索数据库服务器中的数据,基于web的应用程序服务器产生流动性能的措施(例如,旅行速度、旅行时间指数和缓冲指数)为最终用户。图4描绘了一个高层WSN-based城市监控系统的系统架构。

4所示。概念验证测试

一个概念证明(POC)测试检查WSN-based城市监控系统的性能进行了在新泽西理工学院校园在纽瓦克,新泽西州。测试进行了从下午4点到下午6点7月28日,2014年。必须明确指出,POC测试的主要目的是(1)构建一个基于网格监测传感器网络拓扑架构和(2)检查提出的数据收集和传输性能传感器单元。在这个意义上,分析收集的数据调查POC的道路段的流动性能测试网站的重要性。出于同样的原因,基于web的应用程序出现在系统架构(见图4)没有被包括在案例研究中。

4.1。传感器部署

四个传感器单元部署捕捉蓝牙MAC地址穿过中央大道,沃伦街和马丁·路德·金。大道在纽瓦克,新泽西州,用1到4在图5。路由器无线个域网收发器(即。,用5图5)是部署在两个传感器之间的单位在中央大道蓝牙传输MAC地址被两个传感器单元(即。传感器单元1和2)。两个协调员无线个域网收发器,用在图6和图75,位于新泽西理工大学校园,校园无线网络是可用的。在协调器收集的数据单元传输到数据库服务器位于智能交通系统实验室(ITSL)通过WiFi新泽西理工大学。每个传感器单元位于街角的十字路口人行道上通过保持视线与相邻传感器单元。一个红色的小点箭头在图5表示数据流从一个无线个域网发送方接收无线个域网;例如,传感器单元号2传输数据的传感器单元5号。传感器单元号4还充当路由器传递数据包从传感器单元号3单元7号。每个传感器单元被配置为将收集到的数据每2分钟一个路由器或协调员无线个域网收发器在测试之前。然而,每个传感器单元的传输调度都是不同的,以防止任何潜在的数据急于路由器和无线个域网协调人的接收机。

4.2。结果

表1总结了传感器检测MAC地址的单位总数1到4。它还显示了路由器的MAC地址收到总数和协调员无线个域网收发器5 - 7所示。尽管所有的设备检测传感器单元1和2接收传感器5和6,2检测设备没有被发送到协调器传感器7,导致接收率的98%。发现丢失的数据从传感器单元发送3传感器单元4,没有收到数据。有人指出的位置传感器单元的高度在案例研究网站大约1 - 1.2米(3到4英尺),因为他们不能够安装在现有的交叉基础设施像一个红绿灯。相反,传感器单元是由数据采集助手在十字路口站在人行道上。然而,传感器单元3和4之间的道路段路边有许多活动,比如街道停车和街头摊位,这将防止两个传感器单元之间的视线。必须指出当然可以解决这一问题,越来越多的传感器单元的视线。

dual-reader蓝牙配置的性能进行了测试。表2总结了蓝牙设备的数量被蓝牙读者(即。读者1和2),传感器单元。他们发现一个蓝牙读者发现大约60%到75%的蓝牙设备相比,发现蓝牙设备的总数从dual-reader获得配置。两个蓝牙读者可以感受到相同的蓝牙设备在同一时刻,导致检测的两倍。大约13%到25%的双检测观察POC测试。尽管有这样的双重检测情况下,dual-reader配置似乎提高蓝牙读者的检出率。

图6演示了中央大道的方向旅行速度和沃伦街通过分析蓝牙MAC地址和时间戳的POC测试期间收集的传感器单元1到4。知道道路的限速40公里(25英里),估计旅行速度会精确到正确反映实际交通状况。有趣的是,非常低的速度小于6.5公里(4英里)观察对道路在POC测试站点,如图6。考虑,道路都是在新泽西理工大学校园,这种低速情况下,特别是在沃伦街,将获得的行人携带移动设备的嵌入式蓝牙模块。正如所料,两个低速情况下变成了手机通过检查蓝牙MAC地址的前6位数字,这表明蓝牙设备的供应商。

5。结论的话

一个创新的传感器单元获取的交通状况,提出了旨在建立一个无线传感器网络低成本城市流动监测系统。采用两个二类蓝牙读者和一个2.4 GHz无线个域网收发器,使低成本和节能感应操作。此外,该传感器单元采用dual-reader蓝牙配置改善二类蓝牙读者的检出率在9米(30英尺)检测范围。提出了传感器单元,当然可以构建一个无线传感器网络(WSN)低成本实时城市流动监测系统。作为WSN-based监测系统的关键特性,它不严重依赖数据采集和通信基础设施通常涉及巨大的成本和努力建设、操作和维护。一个概念证明(POC)测试原型的传感器单元进行了在新泽西理工大学校园在纽瓦克,新泽西州。一个迷你的WSN共有7个传感器单元,形成的一个临时实时城市流动监测系统实施在POC测试。POC的测试结果表明,该传感器单元产生接收率的98%,这的确是可以接受的实时监控系统。也发现dual-reader蓝牙配置提高了蓝牙的检出率读者相比单一阅读器配置的检出率约60%至75%。

作为POC的测试证明,该传感器单位证明其承诺表现为低成本实时城市流动监测。知道建设必要的基础设施来处理实时监控的数据收集和管理涉及大量的成本和巨大的努力,WSN-based架构提出了将是一个可行的解决方案来实现一个低成本的实时城市流动监测系统。

POC测试执行本文主要关注研究的可操作性提出传感器单元和实时移动监控架构。在未来,一个新的试点测试可以覆盖更大的市区进行永久性部署的传感器单元来实现长期的城市流动监测。此外,长期监测环境下,监控架构将全功能为最终用户提供适当的web服务在未来。对估计旅行速度,见POC的测试结果,提出城市道路传感器单元可能会感觉速度较低的情况下造成行人、骑车人,或者司机在沉重的交通拥堵。为了解决这个问题,一个过滤算法将在未来的发展。最后,先进的交叉管理系统包括自适应控制系统将利用所产生的估计速度提出了架构通过未来的研究工作。

利益冲突

作者宣称没有利益冲突有关的出版。