智能交通系統(tǒng)的ZigBee拓撲結(jié)構(gòu)設計與應用

摘要：根據(jù)交通系統(tǒng)的具體特點，提出了一種基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡相結(jié)合的方法來實現(xiàn)城市交通干線的覆蓋思路，給出了基于ZigBee協(xié)議的鏈狀拓撲結(jié)構(gòu)無線通信網(wǎng)絡實現(xiàn)方法。該方法可通過計算節(jié)點之間的RSSI值來實現(xiàn)智能報站和智能定位功能。
關(guān)鍵詞：ZigBee協(xié)議；智能交通；自動報站；定位

0 引言
    借助于無線傳感網(wǎng)絡實現(xiàn)的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡層路由協(xié)議和應用層協(xié)議在智能交通系統(tǒng)中對保證傳輸高效、穩(wěn)定有重要作用。然而，ZigBee協(xié)議支持的拓撲結(jié)構(gòu)主要是星型、樹狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，和交通系統(tǒng)中節(jié)點的拓撲結(jié)構(gòu)不是很吻合。智能交通系統(tǒng)的網(wǎng)絡是一個自組織功能很強的網(wǎng)絡，因此，本文根據(jù)智能交通系統(tǒng)本身的特點來設計與之相符合的網(wǎng)絡拓撲結(jié)構(gòu)，并提出了其在智能報站和定位上的應用。

1 FFD和RFD相結(jié)合的鏈狀拓撲結(jié)構(gòu)的設計
    在ZigBee網(wǎng)絡中，通常需要兩種不同類型的設備：FFD(具有完整功能的設備)和RFD(簡化功能的設備)。其中，F(xiàn)FD通常有三種工作狀態(tài)：主協(xié)調(diào)器、路由器設備和終端設備。
    為了能夠和交通管理中心取得聯(lián)系，通常需要在車輛上安裝RFD節(jié)點；而要與交通管理中心取得聯(lián)系，就必須加入一種帶有高速數(shù)據(jù)處理技術(shù)(GPRS)相結(jié)合的FFD節(jié)點作為ZigBee網(wǎng)絡的協(xié)調(diào)器，當然，還必須要有FFD作為路由節(jié)點。所有的RFD和FFD相結(jié)合，將成為一種鏈狀的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．1 FFD鏈頭作為協(xié)調(diào)器
    通常其在鏈中的位置設置為0，當此FFD收到了組網(wǎng)的命令時，根據(jù)交通系統(tǒng)的要求設置以廣播的方式發(fā)出組網(wǎng)幀。該幀中必須攜帶有一個字節(jié)用于表示節(jié)點的位置信息，該節(jié)點主要負責網(wǎng)絡的組建立和遠程控制部門的信息交換。
1．2 鏈接節(jié)點RFD
    當接收到廣播后，會先把源節(jié)點的地址信息保存起來，并且通知源節(jié)點已經(jīng)收到了廣播，之后將攜帶有位置信息的組網(wǎng)幀廣播出去，網(wǎng)幀中攜帶的位置字段是被修改后的新的位置信息。上一級節(jié)點收到了應答消息后，會把下一級節(jié)點的地址信息保存起來。RFD節(jié)點確定自己在鏈中位置的方法是將收到組網(wǎng)幀的位置字段的信息加1，廣播信息按照這種方式一直一環(huán)扣一環(huán)傳遞傳播下去，直到位置字段的信息到了協(xié)調(diào)器節(jié)點規(guī)定的最大路由級數(shù)。
1．3 路由器節(jié)點
    一般可以安裝在兩個公交站點之間的電線桿上，主要負責上下行不同網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡信息的交換以及處理移動車輛信息的交換。

2 RFD與FFD節(jié)點的有效距離研究
    我們是通過接收到的信號強度來確定節(jié)點之間距離的，天線接收到的無線電波，經(jīng)過反向通道基帶接收濾波器后，接收機測量電路可以得到接收機輸入的平均信號強度指示，這個信號強度指示值我們用RSSI(Received Signal Strength Indication)來表示，通過這個信號強度的值可以確定出移動車輛與FFD的有效距離。
    在基于接收信號強度指示RSSI的定位中，已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度，接收節(jié)點根據(jù)收到信號的強度，計算出信號的傳播模型，利用理論和經(jīng)驗模型將傳輸損耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用已有的算法計算出節(jié)點的位置?；窘邮盏接脩艄?jié)點的信號強度和基站與節(jié)點之間距離的關(guān)系式為：
   
    其中，P(d)表示基站接收到用戶節(jié)點的信號強度；P(d0)表示基站接收到在參考點：d0表示發(fā)送表示發(fā)信號的強度，假設所有節(jié)點的發(fā)送信號強度相同：n表示路徑長度和路徑損耗之間的比例因子，依賴于建筑物的結(jié)構(gòu)和使用的材料；d表示需要計算的節(jié)點和基站間距離；nW表示節(jié)點和基站間墻壁個數(shù)；C表示信號穿過墻壁個數(shù)的閾值；WAF表示信號穿過墻壁的衰減因子，依賴于建筑物的結(jié)構(gòu)和使用的材料。
    RSSI值和節(jié)點距離關(guān)系的測試：在測試和應用中，相鄰節(jié)點之間的距離不同，節(jié)點設置的功率增益也不同。分別在功率增益為-9 dBm和0 dBm時，調(diào)節(jié)發(fā)送節(jié)點和接收節(jié)點之間的距離，測量不同的RSSI值。將測試結(jié)果和式(1)進行比較，可以發(fā)現(xiàn)，RSSI值和距離之間的關(guān)系并不完全和式(1)計算的結(jié)果相吻合。這是由于采用RSSI值對距離的測量并不是非常精確，會受到周圍環(huán)境以及氣候的影響。但在本應用中，移動節(jié)點和路由節(jié)點之間的距離只需要一個大致的評價，并不需要達到很高的精度，所以，RSSI值對判斷公交車與臨時?？空局g的距離是很有用的參數(shù)。

3 公交車報站功能的實現(xiàn)
    圖1中的小圈代表在道路上行駛的交通車輛，這些交通車輛上面也攜帶有ZigBee節(jié)點。當攜帶有ZigBee節(jié)點的車輛接收到了來自站臺的ZigBee節(jié)點發(fā)送過來的信息后，會對RSSI值進行判斷。當RSSI值達到了設定的閾值后，可以假設移動的車輛已經(jīng)到達了臨時停靠點。公交車的igBee節(jié)點會向臨時停靠站的節(jié)點發(fā)送一個到站信息，其中攜帶有自己的車牌號碼、司機姓名等信息。臨時停靠點的ZigBee節(jié)點收到這個數(shù)據(jù)幀后，會根據(jù)車牌號碼去查詢數(shù)據(jù)庫，然后將站臺信息發(fā)給公交車的ZigBee節(jié)點。獲得了臨時?？奎c返回的數(shù)據(jù)幀后，ZigBee節(jié)點會提取出有用的信息，并通過語音系統(tǒng)在公交車上廣播站臺信息，提示乘客到站下車，下站乘客做好下車準備。公交車廣播了站臺信息后，ZigBee節(jié)點會繼續(xù)給臨時停靠站節(jié)點發(fā)送一個離站的數(shù)據(jù)幀，通知臨時?？空镜墓?jié)點車牌號碼為XXXX的公交車已經(jīng)離開了該臨時?？空尽ＥR時?？空镜腪igBee節(jié)點會在數(shù)據(jù)庫中記錄下車牌號碼為XXXX的公交車到站時間和離站時間，并且這個信息會在網(wǎng)絡空閑的時候發(fā)送到交通管理中心。圖2所示為車輛報站數(shù)據(jù)幀格式圖。

4 公交車輛定位的實現(xiàn)
    假設現(xiàn)在交通局要查詢車牌號碼為閩B3H057的75路車的公交車的行駛位置。交通局通過GPRS發(fā)送給該路段的臨時?？空竟?jié)點需要查詢的信息，例如，PPYUEB3H057ROAD75，表示要查詢車牌號碼為閩B3H057的75路車的公交車所在位置。從農(nóng)林大學到火車站之間的臨時停靠站都會通過GPRS節(jié)點收到這個查詢信息。臨時停靠站的節(jié)點收到GPRS信息后，首先會把信息進行廣播，然后等待一個短暫的時間。在這個短暫的時間內(nèi)，收到這個廣播信息的移動節(jié)點會檢測自己的車牌號碼和路線號碼。當自己的車牌號碼和路線號碼與查詢的號碼一致的時候，移動節(jié)點會發(fā)送給臨時?？空竟?jié)點一個數(shù)據(jù)幀，以確認自己在臨時停靠站附近。收到確認信息的臨時停靠站的節(jié)點會通過GPRS模塊將信息轉(zhuǎn)發(fā)到交通控制中心。
    如果在這個短暫的時間內(nèi)，臨時?？空竟?jié)點沒有收到移動節(jié)點的應答消息，臨時?？空镜墓?jié)點會向它的下一站ZigBee節(jié)點發(fā)送詢問信息。下一站ZigBee節(jié)點會和臨時?？空镜墓?jié)點一樣，將信息進行廣播，然后等待一個短暫的時間，直到ZigBee節(jié)點的應答。如果被詢問的移動車輛就在這個路由節(jié)點的附近，移動車輛會給路由節(jié)點發(fā)送一個應答消息。收到應答消息的路由節(jié)點會將確認消息轉(zhuǎn)發(fā)到上一級節(jié)點。臨時停靠站節(jié)點會根據(jù)路由的級數(shù)推算出移動車輛距離臨時?？空镜木嚯x。如果臨時?？空镜南乱患壜酚晒?jié)點依然沒有搜索到移動車輛的位置，搜索信息會繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)到下一級路由節(jié)點。任何一級路由節(jié)點收到信息的確認幀后，都會將信息通過路由節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)到臨時停靠站節(jié)點，最終由臨時停靠站節(jié)點的GPRS模塊將信息發(fā)送到交通管理中心。圖3所示是其移動節(jié)點定位圖。

5 結(jié)語
    本文重點分析了交通系統(tǒng)的特點和一些重點需要解決的題。根據(jù)這些信息，提出了采用ZigBee和GPRS網(wǎng)絡相結(jié)合的方法來實現(xiàn)城市交通干線的覆蓋，從而實現(xiàn)了智能報站、重要交通信息發(fā)布等應用。