基于ZigBee的城市公交車定位系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

　　城市現(xiàn)代化建設(shè)中，公交交通工具的管理和調(diào)度是其很重要的一個(gè)方面。管理中心可以隨時(shí)通過路況和乘客的需求調(diào)度車輛；另外一方面，通過公交站臺(tái)的顯示器，通告給乘客等待中的車輛離站還有多遠(yuǎn)距離，這樣在堵車的情況下可以讓乘客自己選擇出行方式。本文設(shè)計(jì)一個(gè)基于ZigBee 無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位系統(tǒng)，本系統(tǒng)中，公交車被視為定位節(jié)點(diǎn)，在城市道路沿線廣布參考節(jié)點(diǎn)，通過參考節(jié)點(diǎn)計(jì)算出定位節(jié)點(diǎn)，在把定位信息上報(bào)給網(wǎng)關(guān)，通過網(wǎng)關(guān)傳至主干網(wǎng)絡(luò)，最后傳至控制中心。

　　1 無(wú)線定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)原理和實(shí)現(xiàn)

　　該網(wǎng)絡(luò)定位的原理如圖1 所示，從圖中可以看出，該網(wǎng)絡(luò)定位幾乎全部可以采用無(wú)線傳輸，這樣可以解決道路布線困難，且節(jié)約大量的硬件成本。

圖1 定位系統(tǒng)原理

　?、僦鳈C(jī)：管理中心的計(jì)算機(jī)，在計(jì)算機(jī)上配備相關(guān)界面化軟件，便于觀察各條公交線路的公交車位置情況，這樣也便于管理和調(diào)度。

　?、诰W(wǎng)關(guān)：采用CC2430 設(shè)計(jì)，能夠組建一個(gè)ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，在每個(gè)區(qū)域中，即每條公交線路上，網(wǎng)關(guān)充當(dāng)協(xié)調(diào)器的角色，把定位節(jié)點(diǎn)，即各輛公交車位置信息上報(bào)給管理中心。

　?、蹍⒖脊?jié)點(diǎn)：參考節(jié)點(diǎn)也采用CC2430 設(shè)計(jì)，在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)路由器角色，在本系統(tǒng)定位過程中布置在公交線路上，由用戶指定固定坐標(biāo)，并為定為節(jié)點(diǎn)提供該坐標(biāo)和RSSI 平均值。另外，參考節(jié)點(diǎn)還可以擴(kuò)展，通過視頻功能，可以獲取路況信息，進(jìn)一步為管理中心提供數(shù)據(jù)。

　?、芏ㄎ还?jié)點(diǎn)：定位節(jié)點(diǎn)采用CC2431 設(shè)計(jì)，其內(nèi)部具有定位引擎，能夠根據(jù)參考節(jié)點(diǎn)提供的固定坐標(biāo)和RSSI 平均值計(jì)算出自身的精確坐標(biāo)位置，并把該坐標(biāo)協(xié)同定為節(jié)點(diǎn)標(biāo)識(shí)號(hào)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。

　　2 系統(tǒng)各節(jié)點(diǎn)具體設(shè)計(jì)

　　2.1 定位節(jié)點(diǎn)

　　定位節(jié)點(diǎn)采用CC2431 設(shè)計(jì)，利用內(nèi)部引擎計(jì)算自身的位置，然后傳至網(wǎng)關(guān)。其設(shè)計(jì)原理如圖2 所示。從圖可以看出，僅僅采用CC2431 和加上外部必要的無(wú)線器件，沒有其它外設(shè)，一方面簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，另一方面利于節(jié)省能源。

圖2 定位節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)原理

　　定位節(jié)點(diǎn)通過接受定位區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點(diǎn)的RSSI 值后，經(jīng)過定位算法來(lái)計(jì)算其坐標(biāo)值。定位節(jié)點(diǎn)包含以下功能：

　?、偌尤刖W(wǎng)絡(luò)，無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)功能。

　　②控制參考節(jié)點(diǎn)多次收集與定位節(jié)點(diǎn)通信時(shí)信號(hào)強(qiáng)度值的功能。

　?、劭刂茀⒖脊?jié)點(diǎn)計(jì)算多次手機(jī)定位節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度值的平均值并發(fā)送給定為節(jié)點(diǎn)功能。

　?、苣鼙粎f(xié)調(diào)器空中動(dòng)態(tài)配置標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的功能。

　　⑤掉點(diǎn)后標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)信息不丟失的功能。

　?、抻?jì)算，發(fā)送XY 坐標(biāo)。

　?、甙l(fā)送定位節(jié)點(diǎn)編號(hào)的功能。

　　定位節(jié)點(diǎn)的基本功能包含了無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)的功能，控制參考節(jié)點(diǎn)多次收集和定位節(jié)點(diǎn)通信時(shí)的信號(hào)強(qiáng)度值，并且控制參考節(jié)點(diǎn)計(jì)算多次收集定位節(jié)點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度值的平均值并發(fā)送給定位節(jié)點(diǎn)。定位節(jié)點(diǎn)還要接受網(wǎng)關(guān)進(jìn)行空中動(dòng)態(tài)配置標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，并且保證掉電后標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)信息不會(huì)丟失。

　　定位節(jié)點(diǎn)上電以后，系統(tǒng)將給與它一個(gè)默認(rèn)的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，包括A 值，N 值，模式，收集等待時(shí)間，自動(dòng)模式下周期，最小參考節(jié)點(diǎn)數(shù)等信息，如果是第一次加入?yún)⒖季W(wǎng)絡(luò)，則系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)寫入flash；否則如果已存在于網(wǎng)絡(luò)中，就將存放在flash 中的標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)讀出。

2.2 參考節(jié)點(diǎn)

　　參考節(jié)點(diǎn)是一種已知的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，其坐標(biāo)（X,Y）值是固定的，不參與定位計(jì)算，由CC2430 實(shí)現(xiàn)。本設(shè)計(jì)過程中一個(gè)區(qū)域采用8 個(gè)參考節(jié)點(diǎn)組成。

　　參考節(jié)點(diǎn)必須正確的配置在定位區(qū)域中的位置。它的任務(wù)是提供一個(gè)包含自己位置X,Y 坐標(biāo)和RSSI 平均值[7 的信息包給定位節(jié)點(diǎn)。

　　在參考節(jié)點(diǎn)部分共有4 個(gè)輸入串ID，分別是RSSI 請(qǐng)求，參考節(jié)點(diǎn)配置，參考節(jié)點(diǎn)的請(qǐng)求配置，多次收集RSSI 平均值。參考節(jié)點(diǎn)收集到信息后。根據(jù)串ID 對(duì)信息進(jìn)行處理，并實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的功能。

　　參考節(jié)點(diǎn)在上電以后，如果是第一次加入定位網(wǎng)絡(luò)，那么系統(tǒng)講給與它一個(gè)默認(rèn)的X,Y 值，并將數(shù)據(jù)寫入flash；否則如果已經(jīng)存在于網(wǎng)絡(luò)中，則首先要將flash 中的X,Y 坐標(biāo)值讀出，已確定自己的位置。

　　2.3 網(wǎng)關(guān)的功能及設(shè)計(jì)

　　網(wǎng)關(guān)應(yīng)具有以下功能：

　?、俳⒕W(wǎng)絡(luò)，無(wú)線收發(fā)數(shù)據(jù)的功能。

　?、诶么诤陀?jì)算機(jī)通信的功能。

　　③計(jì)算校驗(yàn)的功能。

　　④通過液晶顯示器顯示參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)地址的功能。

　?、蒉D(zhuǎn)發(fā)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)配置和請(qǐng)求配置參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的功能。

　?、揶D(zhuǎn)發(fā)計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)請(qǐng)求定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)的功能。

　　網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)模塊選擇CC2430，它是系統(tǒng)中至關(guān)重要的模塊。首先，網(wǎng)關(guān)要接收由監(jiān)控軟件提供的各個(gè)參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)的配置數(shù)據(jù)，并根據(jù)不同的方式發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)；其次還要接收個(gè)節(jié)點(diǎn)的反饋數(shù)據(jù)，判斷數(shù)據(jù)的有效性，并傳輸給監(jiān)控中心。

　　整個(gè)定位系統(tǒng)通過串命令控制整個(gè)流程，每1 個(gè)串命令都實(shí)現(xiàn)1 個(gè)相對(duì)應(yīng)的功能。網(wǎng)關(guān)是一個(gè)中心控制站，自己涉及的串命令比較少。網(wǎng)關(guān)處理各個(gè)節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來(lái)的有效數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。這些數(shù)據(jù)包含了操作系統(tǒng)值，節(jié)點(diǎn)網(wǎng)絡(luò)地址，有效數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，串ID，坐標(biāo)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度和坐標(biāo)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被網(wǎng)關(guān)收集之后，首先通過串口發(fā)送給pc 機(jī)，然后對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)校驗(yàn)。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)校驗(yàn)的方法是取出數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)值，即第1 位，對(duì)各位數(shù)據(jù)進(jìn)行異或計(jì)算。

　　PC 機(jī)通過串口接收到數(shù)據(jù)之后，首先判斷第1 位是否為操作系統(tǒng)值，然后根據(jù)數(shù)據(jù)長(zhǎng)度分配空間裝載數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)裝載完成之后，立即對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)。

　　3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

　　為模擬公交定位系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)，采用了8 塊CC2430 模塊為參考節(jié)點(diǎn)，2 塊CC2431 模塊為定位節(jié)點(diǎn)，1 個(gè)網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展卡和1 個(gè)CC2430 模塊組成網(wǎng)關(guān)，進(jìn)行模擬公交車定位系統(tǒng)，最后將網(wǎng)關(guān)的數(shù)據(jù)通過串口[11]與計(jì)算機(jī)相連。因?yàn)槎ㄎ幌到y(tǒng)的控制源是控制中心的計(jì)算機(jī)，所有的流程都由計(jì)算機(jī)控制。在網(wǎng)關(guān)收到或發(fā)送數(shù)據(jù)的時(shí)候，總會(huì)計(jì)算1 個(gè)校驗(yàn)值驗(yàn)證或做數(shù)據(jù)的最后以一位，所以以下實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)格式由數(shù)據(jù)幀[11]和校驗(yàn)位[12]兩部分組成。

　　通過串口讀到的數(shù)據(jù)為：02 10 18 0B CB B8 3C D2 1500 08 FF FF FF FF 83。各位數(shù)據(jù)含義如下：

表1 串口各位數(shù)據(jù)含義

　　從表中可以看出，0B 是數(shù)據(jù)長(zhǎng)度，為從這以為開始一直到校驗(yàn)位的所有數(shù)據(jù)位，B8 3C 表示網(wǎng)絡(luò)地址，低位在前，高位在后，表示的網(wǎng)絡(luò)地址為0x3CB0。15 00 表示串ID 號(hào)，地位在前，高位在后，所以串ID 地址為0x0015。后面的是XY 坐標(biāo)上電后的初始地址。

　　在定位節(jié)點(diǎn)上電之后，首先把數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。因?yàn)橄到y(tǒng)采用非自動(dòng)模式，所以網(wǎng)關(guān)會(huì)一直等待，直到上位機(jī)需要節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送如表2 所示的一條命令。

表2 上位機(jī)數(shù)據(jù)

　　從命令的形式可以看出，該命令的發(fā)送形式為短地址形式。發(fā)送該命令以后，只有地址為0x5324 的節(jié)點(diǎn)會(huì)收到該信息。發(fā)送后上位機(jī)收到的數(shù)據(jù)為：02 10 18 14 CB 32 65D3 14 00 11 00 06 00 1F 00 04 B8 3C 00 00 28 00 28 CF31 32 33 34。

　　從結(jié)果可以看出，上位機(jī)正常收到數(shù)據(jù)，通過改變定位節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中的位置，就可以得到一組不同的數(shù)據(jù)，在根據(jù)數(shù)據(jù)中特定的信息位可以得到坐標(biāo)結(jié)果。在實(shí)際應(yīng)用系統(tǒng)中，對(duì)應(yīng)的坐標(biāo)位都在地圖上進(jìn)行顯示，可以直觀的看到各輛公交車在路線上的位置信息。

　　4 結(jié)語(yǔ)

　　Zigbee 的無(wú)線定位系統(tǒng)基于無(wú)線單片機(jī)CC2431，利用CC2431 自帶的RSSI 定位引擎，再運(yùn)用無(wú)線自組網(wǎng)進(jìn)行定位并向控制中心傳送定位信息。該系統(tǒng)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，定位精確度高，設(shè)備成本低廉，適合現(xiàn)代化城市的公交車系統(tǒng)智能管理。