ZigBee在公交信息系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)

　　引言

　　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)。系統(tǒng)采用TI/Chipcon公司的CC2430和CC2431芯片，利用無線通信模塊與上位機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車輛運(yùn)行信息、到站信息、車輛狀況的智能監(jiān)控與管理。

隨著城市發(fā)展的速度越來越快，交通工具越來越多，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)無法將行車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)生車輛故障、交通堵塞或交通事故，給車輛調(diào)度、乘客帶來不便。為此，研究出基于ZigBee技術(shù)的城市公共交通信息系統(tǒng)，通過站點(diǎn)終端及時(shí)將車輛信息及行車信息發(fā)送到調(diào)度站，為科學(xué)合理調(diào)度車輛、為乘客提供車輛實(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)是一種低速無線網(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：它是一種無線通信設(shè)備，避免了網(wǎng)絡(luò)布線麻煩;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?/p>

　　2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)

　　將帶有定位功能的ZigBee無線傳感器芯片CC2431安裝到公交車上，使車輛能夠在行駛中實(shí)現(xiàn)定位，通過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)，通過信號(hào)控制器的專有網(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)前的行車狀況，進(jìn)行指令的發(fā)出，指揮車輛的調(diào)度，如圖1所示。

　　3 無線傳感器網(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)，通過比照計(jì)算，按照某種定位機(jī)制來確定自身位置的，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)，他們通過信標(biāo)節(jié)點(diǎn)來確定自身位置。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)際的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，節(jié)點(diǎn)可以測(cè)量并記錄來自其他節(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。無線傳感器網(wǎng)絡(luò)中，無線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)誤差帶來的影響。

　　(2)通過使用三邊測(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。