基于ZigBee的公交信息系統研究與實(shí)現

　　0 引言

　　隨著(zhù)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。目前公交系統無(wú)法將行車(chē)信息與道路通行信息及時(shí)送達 調度系統，一旦發(fā)生車(chē)輛故障、交通堵塞或交通事故，給車(chē)輛調度、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，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)送到調度站，為科學(xué)合理調度車(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)，它適用于通信數據量不大，數據傳輸速率相對較低，分布范圍較小，但對數據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)通信設備，避免了網(wǎng)絡(luò )布線(xiàn)麻煩;ZigBee設備體積小，安裝 成本低，設備維護方便;ZigBee設備具有網(wǎng)絡(luò )自組織的功能，能夠自動(dòng)進(jìn)行組網(wǎng)，在終端節點(diǎn)電量較低、部分終端節點(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設備采用了分級的安全性策略，保證了數據傳輸的安全、可靠。

　　2 系統結構總體設計

　　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)現定位，通過(guò)安裝在道路兩旁的參考節點(diǎn)組成一個(gè)自組織的網(wǎng) 絡(luò )系統，交通信息采集傳感器終端節點(diǎn)CC2431與每個(gè)臨近的參考節點(diǎn)組成星型網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信，參考節點(diǎn)可以安裝在公交站牌上和路燈等固定位置的交通設施 上，最終的數據將被匯聚到網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)上。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)可以作為一個(gè)模塊安裝在交叉路口的交通信號控制器內，通過(guò)信號控制器的專(zhuān)有網(wǎng)絡(luò )，將所采集到的數據發(fā)送到調 度管理中心作進(jìn)一步處理。如果需要人為進(jìn)行操控，由調度管理中心根據當前的行車(chē)狀況，進(jìn)行指令的發(fā)出，指揮車(chē)輛的調度，如圖1所示。

　　3 無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )的定位機制

　　在基于ZigBee技術(shù)的城市公共交通信息平臺中，確定傳感器節點(diǎn)自身位置是系統中最重要的參考數據，定位原理是根據少數已知位置的節點(diǎn)，通過(guò)比照計算， 按照某種定位機制來(lái)確定自身位置的，節點(diǎn)分為信標節點(diǎn)和未知節點(diǎn)。信標節點(diǎn)通過(guò)攜帶定位設備或者人工部署等手段獲得自身的精確位置，在網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)中占的比例 很小，不是信標節點(diǎn)的其他傳感器節點(diǎn)就是未知節點(diǎn)，他們通過(guò)信標節點(diǎn)來(lái)確定自身位置。具體步驟如下：

　　(1)首先確定未知節點(diǎn)到信標節點(diǎn)的距離或方位。采用基于接收信號強度指示的定位(RSSI)算法，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損耗，利用理論或者經(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。以下是具有視距傳輸的對數距離路徑損耗模型。 其大尺度傳輸模型見(jiàn)式(1)：

　　式中：Pr(d)為接收信號強度表達式(距離發(fā)射點(diǎn)d m處);A0表示節點(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(γ0=2);γ表示實(shí)際的路徑損耗指數;Xσ表示0均值的高斯 分布隨機變量;標準偏差為σ。在實(shí)際的無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )中，節點(diǎn)可以測量并記錄來(lái)自其他節點(diǎn)的型號強度，由式(1)推出：

　　相對于其他定位方法，RSSI定位受硬件條件及環(huán)境的影響最小，且易于實(shí)現，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 節點(diǎn)接收到另一個(gè)固定節點(diǎn)發(fā)射的信號強度每次不相同。但從全局來(lái)看，信號強度必然在某一范圍內變化。因此采用多次測量取平均值的方法，將使計算結果不斷向 實(shí)際坐標收斂，從而有效地減小隨機誤差帶來(lái)的影響。

　　(2)通過(guò)使用三邊測量法估算出未知節點(diǎn)的位置。三邊測量法如圖2所示。已知A，B，C三個(gè)節點(diǎn)的坐標分別為(Xa，Ya)，(Xb，Yb)，(X- c，Yc)，以及它們到未知節點(diǎn)D的距離分別為Da，Db，Dc，計算節點(diǎn)D的坐標為(X，Y)，節點(diǎn)D在三個(gè)圓的交點(diǎn)上。根據RSSI算法，求出待測節 點(diǎn)X與已知節點(diǎn)Xa，Xb，Xc之間的距離Da，Db，Dc。由于RSSI測距算法測量距離有著(zhù)比較大的誤差，因此可分別通過(guò)n個(gè)已知節點(diǎn)的位置和他們與 待測節點(diǎn)之間的距離求出待測節點(diǎn)n種可能的位置，然后將這n種可能的位置坐標平均，即可得到最終待測節點(diǎn)的位置。

　　4 ZigBee無(wú)線(xiàn)定位系統

　　4.1 ZigBee無(wú)線(xiàn)定位系統組成

　　ZigBee無(wú)線(xiàn)定位系統是由上位機軟件進(jìn)行定位監控和一個(gè)無(wú)線(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò )構成的無(wú)線(xiàn)定位監控系統。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)、參考節點(diǎn)和盲節點(diǎn)組成：

　　參考節點(diǎn)：無(wú)線(xiàn)定位系統中已知坐標節點(diǎn)，是ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的路由器。由于其坐標是已知的，所以這個(gè)節點(diǎn)要正確地配置在定位區域中。它主要將一個(gè)包含自己位置的X，Y坐標和RSSI值的信息包發(fā)送至盲節點(diǎn)。

　　盲節點(diǎn)：無(wú)線(xiàn)定位系統中的移動(dòng)節點(diǎn)，是ZigBee網(wǎng)絡(luò )中的路由器，主要通過(guò)已知參考節點(diǎn)的坐標來(lái)計算自身坐標值。移動(dòng)節點(diǎn)和離自己最近的參考節點(diǎn)通信， 通過(guò)收集這些節點(diǎn)的X，Y坐標和RSSI值計算出自己的坐標信息。然后將適當的信息發(fā)送給網(wǎng)關(guān)，通過(guò)RS232串口延長(cháng)線(xiàn)傳送給上位機軟件。

　　ZigBee網(wǎng)關(guān)：它是無(wú)線(xiàn)定位系統的網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器，通過(guò)RS 232串口延長(cháng)線(xiàn)與PC相連，其在整個(gè)系統中有著(zhù)至關(guān)重要的作用。首先它要接收由上位機軟件提供配置數據，并發(fā)送給相應的節點(diǎn);其次還要接收各節點(diǎn)反饋的有效數據，并上傳至上位機軟件。

　　4.2 系統定位原理

　　定位系統由參考節點(diǎn)和盲節點(diǎn)組成。參考節點(diǎn)是一個(gè)位于已知位置的靜態(tài)節點(diǎn)，這個(gè)節點(diǎn)位置已知且可以將其位置參數通過(guò)發(fā)送數據包通知其他節點(diǎn)。盲節點(diǎn)與離自 己最近的參考節點(diǎn)進(jìn)行通信，獲得參考節點(diǎn)位置坐標及相應的RSSI值，并將其寫(xiě)入定位引擎，然后讀出由定位引擎經(jīng)計算得到的自身位置。通過(guò)收集參考節點(diǎn)的 X，Y坐標和RSSI值，并與輸入參數(A，N)一起計算自己的位置信息，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，利用串口和計算機通信，然后對收集到的信息進(jìn)行計算校驗，最終將參考節點(diǎn)和定位節點(diǎn)坐標網(wǎng)絡(luò )地址正確地顯示出來(lái)。

　　5 系統實(shí)現

　　該系統通過(guò)安裝在各公交車(chē)上的盲節點(diǎn)、安裝在各站臺和路燈等固定設施上的參考節點(diǎn)和安裝在交通信號燈上的ZigBee網(wǎng)關(guān)將數據傳送給監控中心。網(wǎng)關(guān)初始 化后，首先選擇合適的信道建立網(wǎng)絡(luò )，監聽(tīng)該信道，等待其他ZigBee設備發(fā)出的連接請求。當接收到某設備的連接請求，經(jīng)認證確認是合法設備后，便發(fā)出允 許連接的命令，建立連接。連接建立后，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)便獲得了該設備的標識號(標識號代表該公交車(chē))，并將該標識號儲存在自己的登記表中，然后檢測是否有用戶(hù)采 集數據請求，如果有，則根據登記表中的信息依次采集數據，并根據RSSI算法計算平均值，最后通過(guò)串口向上位機軟件發(fā)出“某車(chē)在何時(shí)進(jìn)站”的信息。當公交 車(chē)駛離站臺后，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)標識號，同時(shí)向監控中心發(fā)送信息“某車(chē)已駛離站臺”。如果遇到堵車(chē)等特殊情況，公交司機可以通 過(guò)車(chē)輛上的專(zhuān)用按鈕發(fā)送信號，網(wǎng)關(guān)可以接受反饋的數據，并傳輸給上位機軟件。

　　盲節點(diǎn)經(jīng)過(guò)初始化后，監聽(tīng)信道尋找ZigBee網(wǎng)關(guān)，嘗試加入網(wǎng)絡(luò )。當它檢測到ZigBee網(wǎng)關(guān)并且信號強度大于定值時(shí)，便向該網(wǎng)關(guān)發(fā)出建立連接的請求。 連接建立后，它便獲得了該網(wǎng)關(guān)的標識號，從而知道是哪一站，并發(fā)出報站信息，實(shí)現自動(dòng)、準確的報站。當本車(chē)駛離站臺時(shí)，檢測到網(wǎng)關(guān)信號強度減弱到一定程度 后，便向網(wǎng)關(guān)發(fā)出斷開(kāi)連接的請求。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)和參考節點(diǎn)的流程圖如圖3，圖4所示。

　　6 結語(yǔ)

　　由于ZigBee技術(shù)具有低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、長(cháng)距離傳輸的特點(diǎn)，其通信可靠，自組織自愈能力強、網(wǎng)絡(luò )容量大等特點(diǎn)，使得將其應用到智 能公交系統上具有很大的優(yōu)勢。在本文中，通過(guò)對公共交通信息平臺的構建，重點(diǎn)對無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )定位機制進(jìn)行研究，結合RSSI測距算法與三邊測量法，提出 了基于ZigBee技術(shù)的城市公共交通信息平臺架構，并構建出實(shí)現模型。將該系統應用到城市公共交通系統中，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 和調度提供極大的方便，具有一定的應用價(jià)值。