基于无线传感器网络的车流量检测系统设计

摘要：由于城市中车辆增多，车流量检测在现代交通中已成为重要的一部分。掌握车流量信息，可以了解路面状况从而对做出合理决策有极大的帮助。如何准确实时地得到车流量数据成为道路交通的显著要求，本文中用TI公司的CC2530作为核心处理器单元，通过在主要路段设置热释电红外传感器检测节点，用ZigBee无线传输技术构建无线传感器网络，来实现对车流量的准确检测。

引言

　　由于城市对智能交通系统^[1]的需求，车流量检测技术在近些年发展迅速，现有很多检测方法如视频检测技术、微波感知技术、环形感应线圈检测技术、红外传感感应技术等。视频检测技术虽然能够大范围地采集道路环境，但在恶劣天气的情况下检测效果要大打折扣;微波感知技术在车辆类型单一的道路上能够提供准确数据，但无法应对路况不均路段的需要;环形感应线圈需要置于路面之中，需要损坏道路进行安置，施工多有不便^[2] ;而红外传感器成本低廉，通过检测路面车辆所发出的红外线来得到流量等信息，效果能够达到要求[3]。所以本文选用热释电红外传感器作为车流量检测设备，构建传感器检测模块。

1 系统方案设计

　　本检测系统用一个无线传感器模块节点采集车流量数据，执行在线车辆检测，与汇聚节点进行射频通信等。本文设计的检测节点硬件框图如图1所示，节点组成包括微处理模块、射频模块、传感器模块以及存储模块，并根据调试需要增加了串行通信接口。检测节点用热释电红外传感器来侦测车流量数据。微处理器模块是整个传感器节点的核心，负责设定节点工作模式、对传感器进行数据采集和检测处理、控制射频模块收发等。射频模块负责数据通信，结合相应通信协议完成数据包的收发。存储模块用于保存工作参数配置，并根据需要保存一定时期内的检测记录或原始数据以便调用。

2 系统硬件设计

2.1 传感器模块设计

　　红外传感器选用高灵敏度的LHI807，再在外面加一片菲涅尔透镜，菲涅尔透镜有两个作用:一是聚焦作用;二是将探测区域内分为若干个明区和暗区，使进入探测区域的移动物体以温度变化的形式在PIR上产生变化热释红外信号^[4] 。当有车经过红外检测器时，热释电红外传感器会产生交变的电压信号，经过滤波，一级放大，再通过电容耦合到第二级放大，输出信号进入窗口电压比较器。放大器选用LM324集成运算放大器。电位器R决定了一个窗口电压区间，低于该电压区间，输出为低电平;高于该电压区间，输出为高电平。输出信号经过射频模块发射出去。原理图如图2所示。

2.2 微处理器模块与射频模块

　　ZigBee 是一种无线通信技术，它形成的网络必然涉及到射频电路，一般情况下是由一块 MCU、无线收发芯片，以及外围电路组成。CC2530 微处理器的出现，大大简化了射频电路设计，它集成无线射频功能，因此并不需要额外的射频芯片来做 RF 收发器。它是基于2.4GHz 真正意义上的片上系统(SoC)，总体成本材料非常低，却能建立强大的无线网络节点。采用标准的增强型 8051 内核，拥有 8KB 的 RAM，可编程闪存，其闪存版本有四种，分别是 CC2530F32/64/128/256。另外，CC2530 有不同的运行模式，分别是主动模式 RX(接收数据)，功耗约为 24mA;主动模式 TX(发送数据)，功耗约为29mA;供电模式 1(唤醒)，功耗约为 0.2mA;供电模式 2(睡眠状态，只有定时器运行)，功耗约为 1μA;供电模式 3(只有外部中断)，功耗约为 0.4μA。其中休眠模式时具有超低功耗，再加上无线传感器通常是周期性采集特点，这种休眠功耗使得一个节点的持续工作时间非常久，无需经常更换电池。这种节点最后往往是封装在一个密封外壳里，甚至还有防盗螺丝，如果经常更换电池就会带来不少工作量。

　　CC2530 通过简单的四线(SI、SO、CS、 CLK)与 SPI 兼容的串行接口配置。CC2530 芯片正常工作时需要 32MHz 的参考时钟用于数据接收与发送。参考时钟可以来自外部时钟源， 也可以由内部晶体振荡器产生。如果使用外部时钟源，可以直接从 XOSC_Q1 脚输入，并且令 XOSC_Q2脚悬空;如果使用内部晶体振荡器， 晶振两端应接在 XOSC_Ql和 XOSC_Q2引脚之间，并且置位 CC2530 里的选通寄存器。协调器与路由设备、终端设备的功能不同，这主要取决于软件，电路上区别不大，协调器与路由设备一般采用外置天线，而终端设备在车辆探测中采用内置天线。内置天线可以方便节点的外盒封装，使得节点完全密封;外置天线可以灵活改变收发增益，为了兼顾二者，以应用不同的场合，采用内置天线与外置天线同时集成于节点的做法，但在同一时刻只有一个天线发生作用。CC2530 芯片的 RF_P 与 RF_N 管脚接收发天线。另外，P1_0 与 P1_1 口分别接两个 LED 小灯，用来指示节点的运行状态。CC2530 芯片的电路原理图如图3所示。