智能交通系統的ZigBee拓撲結構設計與應用

摘要：根據交通系統的具體特點(diǎn)，提出了一種基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò )相結合的方法來(lái)實(shí)現城市交通干線(xiàn)的覆蓋思路，給出了基于ZigBee協(xié)議的鏈狀拓撲結構無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )實(shí)現方法。該方法可通過(guò)計算節點(diǎn)之間的RSSI值來(lái)實(shí)現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(dòng)報站；定位

0 引言
借助于無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)絡(luò )實(shí)現的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構、網(wǎng)絡(luò )層路由協(xié)議和應用層協(xié)議在智能交通系統中對保證傳輸高效、穩定有重要作用。然而，ZigBee協(xié)議支持的拓撲結構主要是星型、樹(shù)狀和網(wǎng)狀結構，和交通系統中節點(diǎn)的拓撲結構不是很吻合。智能交通系統的網(wǎng)絡(luò )是一個(gè)自組織功能很強的網(wǎng)絡(luò )，因此，本文根據智能交通系統本身的特點(diǎn)來(lái)設計與之相符合的網(wǎng)絡(luò )拓撲結構，并提出了其在智能報站和定位上的應用。

1 FFD和RFD相結合的鏈狀拓撲結構的設計
在ZigBee網(wǎng)絡(luò )中，通常需要兩種不同類(lèi)型的設備：FFD(具有完整功能的設備)和RFD(簡(jiǎn)化功能的設備)。其中，FFD通常有三種工作狀態(tài)：主協(xié)調器、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(chē)輛上安裝RFD節點(diǎn)；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據處理技術(shù)(GPRS)相結合的FFD節點(diǎn)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò )的協(xié)調器，當然，還必須要有FFD作為路由節點(diǎn)。所有的RFD和FFD相結合，將成為一種鏈狀的網(wǎng)絡(luò )結構。其結構如圖1所示。

1．1 FFD鏈頭作為協(xié)調器
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(shí)，根據交通系統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(gè)字節用于表示節點(diǎn)的位置信息，該節點(diǎn)主要負責網(wǎng)絡(luò )的組建立和遠程控制部門(mén)的信息交換。
1．2 鏈接節點(diǎn)RFD
當接收到廣播后，會(huì )先把源節點(diǎn)的地址信息保存起來(lái)，并且通知源節點(diǎn)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。上一級節點(diǎn)收到了應答消息后，會(huì )把下一級節點(diǎn)的地址信息保存起來(lái)。RFD節點(diǎn)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)調器節點(diǎn)規定的最大路由級數。
1．3 路由器節點(diǎn)
一般可以安裝在兩個(gè)公交站點(diǎn)之間的電線(xiàn)桿上，主要負責上下行不同網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò )信息的交換以及處理移動(dòng)車(chē)輛信息的交換。

2 RFD與FFD節點(diǎn)的有效距離研究
我們是通過(guò)接收到的信號強度來(lái)確定節點(diǎn)之間距離的，天線(xiàn)接收到的無(wú)線(xiàn)電波，經(jīng)過(guò)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(gè)信號強度指示值我們用RSSI(Received Signal Strength Indication)來(lái)表示，通過(guò)這個(gè)信號強度的值可以確定出移動(dòng)車(chē)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)射節點(diǎn)的發(fā)射信號強度，接收節點(diǎn)根據收到信號的強度，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化為距離，再利用已有的算法計算出節點(diǎn)的位置?；窘邮盏接脩?hù)節點(diǎn)的信號強度和基站與節點(diǎn)之間距離的關(guān)系式為：

其中，P(d)表示基站接收到用戶(hù)節點(diǎn)的信號強度；P(d0)表示基站接收到在參考點(diǎn)：d0表示發(fā)送表示發(fā)信號的強度，假設所有節點(diǎn)的發(fā)送信號強度相同：n表示路徑長(cháng)度和路徑損耗之間的比例因子，依賴(lài)于建筑物的結構和使用的材料；d表示需要計算的節點(diǎn)和基站間距離；nW表示節點(diǎn)和基站間墻壁個(gè)數；C表示信號穿過(guò)墻壁個(gè)數的閾值；WAF表示信號穿過(guò)墻壁的衰減因子，依賴(lài)于建筑物的結構和使用的材料。
RSSI值和節點(diǎn)距離關(guān)系的測試：在測試和應用中，相鄰節點(diǎn)之間的距離不同，節點(diǎn)設置的功率增益也不同。分別在功率增益為-9 dBm和0 dBm時(shí)，調節發(fā)送節點(diǎn)和接收節點(diǎn)之間的距離，測量不同的RSSI值。將測試結果和式(1)進(jìn)行比較，可以發(fā)現，RSSI值和距離之間的關(guān)系并不完全和式(1)計算的結果相吻合。這是由于采用RSSI值對距離的測量并不是非常精確，會(huì )受到周?chē)h(huán)境以及氣候的影響。但在本應用中，移動(dòng)節點(diǎn)和路由節點(diǎn)之間的距離只需要一個(gè)大致的評價(jià)，并不需要達到很高的精度，所以，RSSI值對判斷公交車(chē)與臨時(shí)?？空局g的距離是很有用的參數。