智能交通系統的ZigBee拓撲結構設計與應用

　　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。

　　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。

　　3公交車(chē)報站功能的實(shí)現

　　圖1中的小圈代表在道路上行駛的交通車(chē)輛，這些交通車(chē)輛上面也攜帶有ZigBee節點(diǎn)。當攜帶有ZigBee節點(diǎn)的車(chē)輛接收到了來(lái)自站臺的ZigBee節點(diǎn)發(fā)送過(guò)來(lái)的信息后，會(huì )對RSSI值進(jìn)行判斷。當RSSI值達到了設定的閾值后，可以假設移動(dòng)的車(chē)輛已經(jīng)到達了臨時(shí)?？奎c(diǎn)。公交車(chē)的igBee節點(diǎn)會(huì )向臨時(shí)?？空镜墓濣c(diǎn)發(fā)送一個(gè)到站信息，其中攜帶有自己的車(chē)牌號碼、司機姓名等信息。臨時(shí)?？奎c(diǎn)的ZigBee節點(diǎn)收到這個(gè)數據幀后，會(huì )根據車(chē)牌號碼去查詢(xún)數據庫，然后將站臺信息發(fā)給公交車(chē)的ZigBee節點(diǎn)。獲得了臨時(shí)?？奎c(diǎn)返回的數據幀后，ZigBee節點(diǎn)會(huì )提取出有用的信息，并通過(guò)語(yǔ)音系統在公交車(chē)上廣播站臺信息，提示乘客到站下車(chē)，下站乘客做好下車(chē)準備。公交車(chē)廣播了站臺信息后，ZigBee節點(diǎn)會(huì )繼續給臨時(shí)?？空竟濣c(diǎn)發(fā)送一個(gè)離站的數據幀，通知臨時(shí)?？空镜墓濣c(diǎn)車(chē)牌號碼為XXXX的公交車(chē)已經(jīng)離開(kāi)了該臨時(shí)?？空?。臨時(shí)?？空镜腪igBee節點(diǎn)會(huì )在數據庫中記錄下車(chē)牌號碼為XXXX的公交車(chē)到站時(shí)間和離站時(shí)間，并且這個(gè)信息會(huì )在網(wǎng)絡(luò )空閑的時(shí)候發(fā)送到交通管理中心。圖2所示為車(chē)輛報站數據幀格式圖。

　　4公交車(chē)輛定位的實(shí)現

　　假設現在交通局要查詢(xún)車(chē)牌號碼為閩B3H057的75路車(chē)的公交車(chē)的行駛位置。交通局通過(guò)GPRS發(fā)送給該路段的臨時(shí)?？空竟濣c(diǎn)需要查詢(xún)的信息，例如，PPYUEB3H057ROAD75，表示要查詢(xún)車(chē)牌號碼為閩B3H057的75路車(chē)的公交車(chē)所在位置。從農林大學(xué)到火車(chē)站之間的臨時(shí)?？空径紩?huì )通過(guò)GPRS節點(diǎn)收到這個(gè)查詢(xún)信息。臨時(shí)?？空镜墓濣c(diǎn)收到GPRS信息后，首先會(huì )把信息進(jìn)行廣播，然后等待一個(gè)短暫的時(shí)間。在這個(gè)短暫的時(shí)間內，收到這個(gè)廣播信息的移動(dòng)節點(diǎn)會(huì )檢測自己的車(chē)牌號碼和路線(xiàn)號碼。當自己的車(chē)牌號碼和路線(xiàn)號碼與查詢(xún)的號碼一致的時(shí)候，移動(dòng)節點(diǎn)會(huì )發(fā)送給臨時(shí)?？空竟濣c(diǎn)一個(gè)數據幀，以確認自己在臨時(shí)?？空靖浇?。收到確認信息的臨時(shí)?？空镜墓濣c(diǎn)會(huì )通過(guò)GPRS模塊將信息轉發(fā)到交通控制中心。

　　如果在這個(gè)短暫的時(shí)間內，臨時(shí)?？空竟濣c(diǎn)沒(méi)有收到移動(dòng)節點(diǎn)的應答消息，臨時(shí)?？空镜墓濣c(diǎn)會(huì )向它的下一站ZigBee節點(diǎn)發(fā)送詢(xún)問(wèn)信息。下一站ZigBee節點(diǎn)會(huì )和臨時(shí)?？空镜墓濣c(diǎn)一樣，將信息進(jìn)行廣播，然后等待一個(gè)短暫的時(shí)間，直到ZigBee節點(diǎn)的應答。如果被詢(xún)問(wèn)的移動(dòng)車(chē)輛就在這個(gè)路由節點(diǎn)的附近，移動(dòng)車(chē)輛會(huì )給路由節點(diǎn)發(fā)送一個(gè)應答消息。收到應答消息的路由節點(diǎn)會(huì )將確認消息轉發(fā)到上一級節點(diǎn)。臨時(shí)?？空竟濣c(diǎn)會(huì )根據路由的級數推算出移動(dòng)車(chē)輛距離臨時(shí)?？空镜木嚯x。如果臨時(shí)?？空镜南乱患壜酚晒濣c(diǎn)依然沒(méi)有搜索到移動(dòng)車(chē)輛的位置，搜索信息會(huì )繼續轉發(fā)到下一級路由節點(diǎn)。任何一級路由節點(diǎn)收到信息的確認幀后，都會(huì )將信息通過(guò)路由節點(diǎn)轉發(fā)到臨時(shí)?？空竟濣c(diǎn)，最終由臨時(shí)?？空竟濣c(diǎn)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(dòng)節點(diǎn)定位圖。

　　5結語(yǔ)

　　本文重點(diǎn)分析了交通系統的特點(diǎn)和一些重點(diǎn)需要解決的題。根據這些信息，提出了采用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，從而實(shí)現了智能報站、重要交通信息發(fā)布等應用。