基于ZigBee的公交信息系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

摘要：提出利用ZigBee技術(shù)開(kāi)發(fā)的城市公共交通信息平臺(tái)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，通過(guò)采用自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)，解決了目前公共交通信息實(shí)時(shí)傳送的問(wèn)題。系統(tǒng)采用TI／Chipcon公司的CC2430和CC2431芯片，利用無(wú)線(xiàn)通信模塊與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車(chē)輛運(yùn)行信息、到站信息、車(chē)輛狀況的智能監(jiān)控與管理。
關(guān)鍵詞：ZigBee；傳感器網(wǎng)絡(luò)；公交系統(tǒng)；定住機(jī)制

0 引言
隨著城市發(fā)展的速度越來(lái)越快，交通工具越來(lái)越多，擁堵現(xiàn)象越發(fā)明顯，使得人們的出行受到了很大的制約。目前公交系統(tǒng)無(wú)法將行車(chē)信息與道路通行信息及時(shí)送達(dá)調(diào)度系統(tǒng)，一旦發(fā)生車(chē)輛故障、交通堵塞或交通事故，給車(chē)輛調(diào)度、乘客帶來(lái)不便。為此，研究出基于ZigBee技術(shù)的城市公共交通信息系統(tǒng)，通過(guò)站點(diǎn)終端及時(shí)將車(chē)輛信息及行車(chē)信息發(fā)送到調(diào)度站，為科學(xué)合理調(diào)度車(chē)輛、為乘客提供車(chē)輛實(shí)時(shí)行駛信息，真正實(shí)現(xiàn)智能交通。

1 ZigBee技術(shù)優(yōu)點(diǎn)
ZigBee技術(shù)是一種低速無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，它適用于通信數(shù)據(jù)量不大，數(shù)據(jù)傳輸速率相對(duì)較低，分布范圍較小，但對(duì)數(shù)據(jù)的安全可靠有一定要求，而且要求低成本和低功耗，容易安裝使用的場(chǎng)合。該系統(tǒng)采用ZigBee技術(shù)主要考慮以下因素：它是一種無(wú)線(xiàn)通信設(shè)備，避免了網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)麻煩；ZigBee設(shè)備體積小，安裝成本低，設(shè)備維護(hù)方便；ZigBee設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)自組織的功能，能夠自動(dòng)進(jìn)行組網(wǎng)，在終端節(jié)點(diǎn)電量較低、部分終端節(jié)點(diǎn)損壞的情況下仍然能夠重新配置網(wǎng)絡(luò)，保證網(wǎng)絡(luò)的正常通信；ZigBee設(shè)備采用了分級(jí)的安全性策略，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、可靠?br />
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)
將帶有定位功能的ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器芯片CC2431安裝到公交車(chē)上，使車(chē)輛能夠在行駛中實(shí)現(xiàn)定位，通過(guò)安裝在道路兩旁的參考節(jié)點(diǎn)組成一個(gè)自組織的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，交通信息采集傳感器終端節(jié)點(diǎn)CC2431與每個(gè)臨近的參考節(jié)點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，參考節(jié)點(diǎn)可以安裝在公交站牌上和路燈等固定位置的交通設(shè)施上，最終的數(shù)據(jù)將被匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)上。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以作為一個(gè)模塊安裝在交叉路口的交通信號(hào)控制器內(nèi)，通過(guò)信號(hào)控制器的專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò)，將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到調(diào)度管理中心作進(jìn)一步處理。如果需要人為進(jìn)行操控，由調(diào)度管理中心根據(jù)當(dāng)前的行車(chē)狀況，進(jìn)行指令的發(fā)出，指揮車(chē)輛的調(diào)度，如圖1所示。

3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)的定位機(jī)制
在基于ZigBee技術(shù)的城市公共交通信息平臺(tái)中，確定傳感器節(jié)點(diǎn)自身位置是系統(tǒng)中最重要的參考數(shù)據(jù)，定位原理是根據(jù)少數(shù)已知位置的節(jié)點(diǎn)，通過(guò)比照計(jì)算，按照某種定位機(jī)制來(lái)確定自身位置的，節(jié)點(diǎn)分為信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和未知節(jié)點(diǎn)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過(guò)攜帶定位設(shè)備或者人工部署等手段獲得自身的精確位置，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)中占的比例很小，不是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的其他傳感器節(jié)點(diǎn)就是未知節(jié)點(diǎn)，他們通過(guò)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)來(lái)確定自身位置。具體步驟如下：
(1)首先確定未知節(jié)點(diǎn)到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的距離或方位。采用基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示的定位(RSSI)算法，已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到信號(hào)的強(qiáng)度計(jì)算出信號(hào)的傳播損耗，利用理論或者經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用已有的算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。以下是具有視距傳輸?shù)膶?duì)數(shù)距離路徑損耗模型。其大尺度傳輸模型見(jiàn)式(1)：

式中：Pr(d)為接收信號(hào)強(qiáng)度表達(dá)式(距離發(fā)射點(diǎn)d m處)；A0表示節(jié)點(diǎn)的發(fā)射功率；d0表示接收功率的參考點(diǎn)；γ0為自由空間路徑損耗指數(shù)(γ0=2)；γ表示實(shí)際的路徑損耗指數(shù)；Xσ表示0均值的高斯分布隨機(jī)變量；標(biāo)準(zhǔn)偏差為σ。在實(shí)際的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以測(cè)量并記錄來(lái)自其他節(jié)點(diǎn)的型號(hào)強(qiáng)度，由式(1)推出：

相對(duì)于其他定位方法，RSSI定位受硬件條件及環(huán)境的影響最小，且易于實(shí)現(xiàn)，但精度較差。無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無(wú)線(xiàn)電波的傳輸受多種因素影響，使得某個(gè)固定節(jié)點(diǎn)接收到另一個(gè)固定節(jié)點(diǎn)發(fā)射的信號(hào)強(qiáng)度每次不相同。但從全局來(lái)看，信號(hào)強(qiáng)度必然在某一范圍內(nèi)變化。因此采用多次測(cè)量取平均值的方法，將使計(jì)算結(jié)果不斷向?qū)嶋H坐標(biāo)收斂，從而有效地減小隨機(jī)誤差帶來(lái)的影響。
(2)通過(guò)使用三邊測(cè)量法估算出未知節(jié)點(diǎn)的位置。三邊測(cè)量法如圖2所示。已知A，B，C三個(gè)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(Xa，Ya)，(Xb，Yb)，(X-c，Yc)，以及它們到未知節(jié)點(diǎn)D的距離分別為Da，Db，Dc，計(jì)算節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為(X，Y)，節(jié)點(diǎn)D在三個(gè)圓的交點(diǎn)上。根據(jù)RSSI算法，求出待測(cè)節(jié)點(diǎn)X與已知節(jié)點(diǎn)Xa，Xb，Xc之間的距離Da，Db，Dc。由于RSSI測(cè)距算法測(cè)量距離有著比較大的誤差，因此可分別通過(guò)n個(gè)已知節(jié)點(diǎn)的位置和他們與待測(cè)節(jié)點(diǎn)之間的距離求出待測(cè)節(jié)點(diǎn)n種可能的位置，然后將這n種可能的位置坐標(biāo)平均，即可得到最終待測(cè)節(jié)點(diǎn)的位置。

4 ZigBee無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)
4．1 ZigBee無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)組成
ZigBee無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)是由上位機(jī)軟件進(jìn)行定位監(jiān)控和一個(gè)無(wú)線(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的無(wú)線(xiàn)定位監(jiān)控系統(tǒng)。本文采用TI／Chipcon公司的帶有硬件定位引擎的CC2431芯片和帶有路由功能的CC2430。無(wú)線(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee網(wǎng)關(guān)、參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)組成：
參考節(jié)點(diǎn)：無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)中已知坐標(biāo)節(jié)點(diǎn)，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器。由于其坐標(biāo)是已知的，所以這個(gè)節(jié)點(diǎn)要正確地配置在定位區(qū)域中。它主要將一個(gè)包含自己位置的X，Y坐標(biāo)和RSSI值的信息包發(fā)送至盲節(jié)點(diǎn)。
盲節(jié)點(diǎn)：無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)中的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，是ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的路由器，主要通過(guò)已知參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)計(jì)算自身坐標(biāo)值。移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和離自己最近的參考節(jié)點(diǎn)通信，通過(guò)收集這些節(jié)點(diǎn)的X，Y坐標(biāo)和RSSI值計(jì)算出自己的坐標(biāo)信息。然后將適當(dāng)?shù)男畔l(fā)送給網(wǎng)關(guān)，通過(guò)RS232串口延長(zhǎng)線(xiàn)傳送給上位機(jī)軟件。
ZigBee網(wǎng)關(guān)：它是無(wú)線(xiàn)定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，通過(guò)RS 232串口延長(zhǎng)線(xiàn)與PC相連，其在整個(gè)系統(tǒng)中有著至關(guān)重要的作用。首先它要接收由上位機(jī)軟件提供配置數(shù)據(jù)，并發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點(diǎn)；其次還要接收各節(jié)點(diǎn)反饋的有效數(shù)據(jù)，并上傳至上位機(jī)軟件。
4．2 系統(tǒng)定位原理
定位系統(tǒng)由參考節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)組成。參考節(jié)點(diǎn)是一個(gè)位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點(diǎn)，這個(gè)節(jié)點(diǎn)位置已知且可以將其位置參數(shù)通過(guò)發(fā)送數(shù)據(jù)包通知其他節(jié)點(diǎn)。盲節(jié)點(diǎn)與離自己最近的參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，獲得參考節(jié)點(diǎn)位置坐標(biāo)及相應(yīng)的RSSI值，并將其寫(xiě)入定位引擎，然后讀出由定位引擎經(jīng)計(jì)算得到的自身位置。通過(guò)收集參考節(jié)點(diǎn)的X，Y坐標(biāo)和RSSI值，并與輸入?yún)?shù)(A，N)一起計(jì)算自己的位置信息，然后將信息發(fā)給網(wǎng)關(guān)。
網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)建立網(wǎng)絡(luò)，獲取收集到的信息，利用串口和計(jì)算機(jī)通信，然后對(duì)收集到的信息進(jìn)行計(jì)算校驗(yàn)，最終將參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)地址正確地顯示出來(lái)。

5 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)
該系統(tǒng)通過(guò)安裝在各公交車(chē)上的盲節(jié)點(diǎn)、安裝在各站臺(tái)和路燈等固定設(shè)施上的參考節(jié)點(diǎn)和安裝在交通信號(hào)燈上的ZigBee網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)控中心。網(wǎng)關(guān)初始化后，首先選擇合適的信道建立網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)聽(tīng)該信道，等待其他ZigBee設(shè)備發(fā)出的連接請(qǐng)求。當(dāng)接收到某設(shè)備的連接請(qǐng)求，經(jīng)認(rèn)證確認(rèn)是合法設(shè)備后，便發(fā)出允許連接的命令，建立連接。連接建立后，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)便獲得了該設(shè)備的標(biāo)識(shí)號(hào)(標(biāo)識(shí)號(hào)代表該公交車(chē))，并將該標(biāo)識(shí)號(hào)儲(chǔ)存在自己的登記表中，然后檢測(cè)是否有用戶(hù)采集數(shù)據(jù)請(qǐng)求，如果有，則根據(jù)登記表中的信息依次采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)RSSI算法計(jì)算平均值，最后通過(guò)串口向上位機(jī)軟件發(fā)出“某車(chē)在何時(shí)進(jìn)站”的信息。當(dāng)公交車(chē)駛離站臺(tái)后，使公交車(chē)與網(wǎng)關(guān)斷開(kāi)連接，從登記表中刪除這個(gè)標(biāo)識(shí)號(hào)，同時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)送信息“某車(chē)已駛離站臺(tái)”。如果遇到堵車(chē)等特殊情況，公交司機(jī)可以通過(guò)車(chē)輛上的專(zhuān)用按鈕發(fā)送信號(hào)，網(wǎng)關(guān)可以接受反饋的數(shù)據(jù)，并傳輸給上位機(jī)軟件。
盲節(jié)點(diǎn)經(jīng)過(guò)初始化后，監(jiān)聽(tīng)信道尋找ZigBee網(wǎng)關(guān)，嘗試加入網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)它檢測(cè)到ZigBee網(wǎng)關(guān)并且信號(hào)強(qiáng)度大于定值時(shí)，便向該網(wǎng)關(guān)發(fā)出建立連接的請(qǐng)求。連接建立后，它便獲得了該網(wǎng)關(guān)的標(biāo)識(shí)號(hào)，從而知道是哪一站，并發(fā)出報(bào)站信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、準(zhǔn)確的報(bào)站。當(dāng)本車(chē)駛離站臺(tái)時(shí)，檢測(cè)到網(wǎng)關(guān)信號(hào)強(qiáng)度減弱到一定程度后，便向網(wǎng)關(guān)發(fā)出斷開(kāi)連接的請(qǐng)求。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和參考節(jié)點(diǎn)的流程圖如圖3，圖4所示。

6 結(jié)語(yǔ)
由于ZigBee技術(shù)具有低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、長(zhǎng)距離傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，其通信可靠，自組織自愈能力強(qiáng)、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點(diǎn)，使得將其應(yīng)用到智能公交系統(tǒng)上具有很大的優(yōu)勢(shì)。在本文中，通過(guò)對(duì)公共交通信息平臺(tái)的構(gòu)建，重點(diǎn)對(duì)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)定位機(jī)制進(jìn)行研究，結(jié)合RSSI測(cè)距算法與三邊測(cè)量法，提出了基于ZigBee技術(shù)的城市公共交通信息平臺(tái)架構(gòu)，并構(gòu)建出實(shí)現(xiàn)模型。將該系統(tǒng)應(yīng)用到城市公共交通系統(tǒng)中，可以實(shí)時(shí)了解車(chē)輛行車(chē)信息和車(chē)輛狀況，為乘客和調(diào)度提供極大的方便，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。