ZigBee在公交信息系統(tǒng)中的實現 - 全文

　　引言

　　由于ZigBee技術具有低成本、低功耗、低復雜度、低傳輸速率、長距離傳輸的特點，其通信可靠，自組織自愈能力強、網絡容量大等特點，使得將其應用到智能公交系統(tǒng)上具有很大的優(yōu)勢。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通信，實現對公交車輛運行信息、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送達調度系統(tǒng)，一旦發(fā)生車輛故障、交通堵塞或交通事故，給車輛調度、乘客帶來不便。為此，研究出基于ZigBee技術的城市公共交通信息系統(tǒng)，通過站點終端及時將車輛信息及行車信息發(fā)送到調度站，為科學合理調度車輛、為乘客提供車輛實時行駛信息，真正實現智能交通。

　　1 ZigBee技術優(yōu)點

　　ZigBee技術是一種低速無線網絡技術，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，容易安裝使用的場合。該系統(tǒng)采用ZigBee技術主要考慮以下因素：它是一種無線通信設備，避免了網絡布線麻煩;ZigBee設備體積小，安裝成本低，設備維護方便;ZigBee設備具有網絡自組織的功能，能夠自動進行組網，在終端節(jié)點電量較低、部分終端節(jié)點損壞的情況下仍然能夠重新配置網絡，保證網絡的正常通信;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(tǒng)結構總體設計

　　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現定位，通過安裝在道路兩旁的參考節(jié)點組成一個自組織的網絡系統(tǒng)，交通信息采集傳感器終端節(jié)點CC2431與每個臨近的參考節(jié)點組成星型網絡進行通信，參考節(jié)點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關節(jié)點上。網關節(jié)點可以作為一個模塊安裝在交叉路口的交通信號控制器內，通過信號控制器的專有網絡，將所采集到的數據發(fā)送到調度管理中心作進一步處理。如果需要人為進行操控，由調度管理中心根據當前的行車狀況，進行指令的發(fā)出，指揮車輛的調度，如圖1所示。

　　3 無線傳感器網絡的定位機制

　　在基于ZigBee技術的城市公共交通信息平臺中，確定傳感器節(jié)點自身位置是系統(tǒng)中最重要的參考數據，定位原理是根據少數已知位置的節(jié)點，通過比照計算，按照某種定位機制來確定自身位置的，節(jié)點分為信標節(jié)點和未知節(jié)點。信標節(jié)點通過攜帶定位設備或者人工部署等手段獲得自身的精確位置，在網絡節(jié)點中占的比例很小，不是信標節(jié)點的其他傳感器節(jié)點就是未知節(jié)點，他們通過信標節(jié)點來確定自身位置。具體步驟如下：

　　(1)首先確定未知節(jié)點到信標節(jié)點的距離或方位。采用基于接收信號強度指示的定位(RSSI)算法，已知發(fā)射節(jié)點的發(fā)射信號強度，接收節(jié)點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(jié)點的位置。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式(1)：

　　式中：Pr(d)為接收信號強度表達式(距離發(fā)射點d m處);A0表示節(jié)點的發(fā)射功率;d0表示接收功率的參考點;γ0為自由空間路徑損耗指數(γ0=2);γ表示實際的路徑損耗指數;Xσ表示0均值的高斯分布隨機變量;標準偏差為σ。在實際的無線傳感器網絡中，節(jié)點可以測量并記錄來自其他節(jié)點的型號強度，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，且易于實現，但精度較差。無線傳感器網絡中，無線電波的傳輸受多種因素影響，使得某個固定節(jié)點接收到另一個固定節(jié)點發(fā)射的信號強度每次不相同。但從全局來看，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際坐標收斂，從而有效地減小隨機誤差帶來的影響。

　　(2)通過使用三邊測量法估算出未知節(jié)點的位置。三邊測量法如圖2所示。已知A，B，C三個節(jié)點的坐標分別為(Xa，Ya)，(Xb，Yb)，(X-c，Yc)，以及它們到未知節(jié)點D的距離分別為Da，Db，Dc，計算節(jié)點D的坐標為(X，Y)，節(jié)點D在三個圓的交點上。根據RSSI算法，求出待測節(jié)點X與已知節(jié)點Xa，Xb，Xc之間的距離Da，Db，Dc。由于RSSI測距算法測量距離有著比較大的誤差，因此可分別通過n個已知節(jié)點的位置和他們與待測節(jié)點之間的距離求出待測節(jié)點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(jié)點的位置。

4 ZigBee無線定位系統(tǒng)

　　4.1 ZigBee無線定位系統(tǒng)組成

　　ZigBee無線定位系統(tǒng)是由上位機軟件進行定位監(jiān)控和一個無線定位網絡構成的無線定位監(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。無線定位網絡主要由ZigBee網關、參考節(jié)點和盲節(jié)點組成：

　　參考節(jié)點：無線定位系統(tǒng)中已知坐標節(jié)點，是ZigBee網絡中的路由器。由于其坐標是已知的，所以這個節(jié)點要正確地配置在定位區(qū)域中。它主要將一個包含自己位置的X，Y坐標和RSSI值的信息包發(fā)送至盲節(jié)點。

　　盲節(jié)點：無線定位系統(tǒng)中的移動節(jié)點，是ZigBee網絡中的路由器，主要通過已知參考節(jié)點的坐標來計算自身坐標值。移動節(jié)點和離自己最近的參考節(jié)點通信，通過收集這些節(jié)點的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)送給網關，通過RS232串口延長線傳送給上位機軟件。

　　ZigBee網關：它是無線定位系統(tǒng)的網絡協(xié)調器，通過RS 232串口延長線與PC相連，其在整個系統(tǒng)中有著至關重要的作用。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(jié)點;其次還要接收各節(jié)點反饋的有效數據，并上傳至上位機軟件。

　　4.2 系統(tǒng)定位原理

　　定位系統(tǒng)由參考節(jié)點和盲節(jié)點組成。參考節(jié)點是一個位于已知位置的靜態(tài)節(jié)點，這個節(jié)點位置已知且可以將其位置參數通過發(fā)送數據包通知其他節(jié)點。盲節(jié)點與離自己最近的參考節(jié)點進行通信，獲得參考節(jié)點位置坐標及相應的RSSI值，并將其寫入定位引擎，然后讀出由定位引擎經計算得到的自身位置。通過收集參考節(jié)點的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)給網關。

　　網關節(jié)點通過建立網絡，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行計算校驗，最終將參考節(jié)點和定位節(jié)點坐標網絡地址正確地顯示出來。

　　5 系統(tǒng)實現

　　該系統(tǒng)通過安裝在各公交車上的盲節(jié)點、安裝在各站臺和路燈等固定設施上的參考節(jié)點和安裝在交通信號燈上的ZigBee網關將數據傳送給監(jiān)控中心。網關初始化后，首先選擇合適的信道建立網絡，監(jiān)聽該信道，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，網關節(jié)點便獲得了該設備的標識號(標識號代表該公交車)，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，最后通過串口向上位機軟件發(fā)出“某車在何時進站”的信息。當公交車駛離站臺后，使公交車與網關斷開連接，從登記表中刪除這個標識號，同時向監(jiān)控中心發(fā)送信息“某車已駛離站臺”。如果遇到堵車等特殊情況，公交司機可以通過車輛上的專用按鈕發(fā)送信號，網關可以接受反饋的數據，并傳輸給上位機軟件。

　　盲節(jié)點經過初始化后，監(jiān)聽信道尋找ZigBee網關，嘗試加入網絡。當它檢測到ZigBee網關并且信號強度大于定值時，便向該網關發(fā)出建立連接的請求。連接建立后，它便獲得了該網關的標識號，從而知道是哪一站，并發(fā)出報站信息，實現自動、準確的報站。當本車駛離站臺時，檢測到網關信號強度減弱到一定程度后，便向網關發(fā)出斷開連接的請求。網關節(jié)點和參考節(jié)點的流程圖如圖3，圖4所示。

　　6 結語

　　在本文中，通過對公共交通信息平臺的構建，重點對無線傳感器網絡定位機制進行研究，結合RSSI測距算法與三邊測量法，提出了基于ZigBee技術的城市公共交通信息平臺架構，并構建出實現模型。將該系統(tǒng)應用到城市公共交通系統(tǒng)中，可以實時了解車輛行車信息和車輛狀況，為乘客和調度提供極大的方便，具有一定的應用價值。

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