ZigBee用于城市公共交通信息系統(tǒng)

隨著中國經(jīng)濟(jì)實(shí)力和科技水平的提高，交通業(yè)發(fā)展迅速，汽車已越來越深入到人們的日常生活之中，車輛的驟增引發(fā)了一系列社會問題：交通堵塞、停車?yán)щy、交通事故頻發(fā)，因此，車輛的安全駕駛、交通管理和車輛問的信息交換(如自動剎車信息、危險告警、碰撞告警、位置信息、速度信息)等日益引起人們的關(guān)注?；诖?，智能交通及車輛無線通信網(wǎng)絡(luò)等概念應(yīng)運(yùn)而生。把道路、車輛等凡與交通有關(guān)的所有一切都?xì)w為一體。通過綜合運(yùn)用信息通信技術(shù)、電子技術(shù)以及其他的科學(xué)技術(shù)，把它們聯(lián)系起來提高交通運(yùn)輸?shù)男省７Q之為智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation System)，簡稱ITS。

隨著ITS的發(fā)展。開始出現(xiàn)了以GPS配合控制中心的智能公交系統(tǒng)：在公交車上安裝GPS。為控制中心提供車輛位置信息：控制中心再通過有線網(wǎng)絡(luò)或GPRS網(wǎng)絡(luò)反饋到電子站牌。顯示車輛到達(dá)的信息這樣的系統(tǒng)雖可以提供車輛位置信息，但是仍存在一些不足，如誤差較大、成本較高、系統(tǒng)復(fù)雜、易受破壞等。而采用ZigBee無線模塊傳感網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將在一定程度上解決以上問題。具有較強(qiáng)的可行性和優(yōu)越性。近年來ZigBee數(shù)傳在工業(yè)控制、工業(yè)無線定位、家庭網(wǎng)絡(luò)、汽車自動化、樓宇自動化、消費(fèi)電子、醫(yī)用設(shè)備控制等多個領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。相信在不遠(yuǎn)的將來，ZigBee數(shù)傳技術(shù)將越來越多地應(yīng)用于生活中。并將極大地改善人們的生活。

2 ZigBee技術(shù)簡介

2.1 ZigBee概述

ZigBee技術(shù)是由ZigBee聯(lián)盟(Allianee)所主導(dǎo)的，以國際電子電機(jī)工程協(xié)會(IEEE)無線個人區(qū)域網(wǎng)(LRWPAN)工作組的一項無線標(biāo)準(zhǔn)--IEEE 802.15.4為基礎(chǔ)的。滿足低速無線傳感器網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用需求的首個完整的標(biāo)準(zhǔn)化安全協(xié)議棧。ZigBee不僅具備IEEE 802.15.4關(guān)于無線物理層規(guī)定的全部優(yōu)點(diǎn)：低功耗、低成本、低復(fù)雜度，同時又增加了邏輯網(wǎng)絡(luò)、網(wǎng)絡(luò)安全性和應(yīng)用架構(gòu)。是一個全方位的、具備ZigBee聯(lián)盟提供的多種應(yīng)用的不同描述的協(xié)議。

ZigBee數(shù)傳模塊具有一些非常適合用于無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)有：

1.低功耗。在低耗電待機(jī)模式下。2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點(diǎn)工作6～24個月甚至更長。這是ZigBee數(shù)傳模塊的突出優(yōu)勢。

2.低速率ZigBee無線模塊工作在20～250kbps的較低速率，分別提供250kbps(工作于2.4GHz頻率)、40kbps(工作于915MHz頻率)、20kbps(工作于868MHz頻率)的原始數(shù)據(jù)吞吐率。完全可以滿足低速率傳輸數(shù)據(jù)的應(yīng)用需求。

3.近距離。傳輸范圍一般介于10～lOOm之間。在增加RF發(fā)射功率后，亦可增加到1-3km。如果通過路由和節(jié)點(diǎn)間通信的接力。傳輸距離可以更遠(yuǎn)，但將提高ZigBee無線模塊的功耗為代價。

4.短時延。ZigBee數(shù)傳模塊的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)人工作狀態(tài)只需15ms。節(jié)點(diǎn)連接進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)只需30ms。進(jìn)一步節(jié)省了能量消耗。

5.高容量。ZigBee無線模塊可采用星型、簇樹型和網(wǎng)狀型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。由一個主節(jié)點(diǎn)管理若干子節(jié)點(diǎn)。最多一個主節(jié)點(diǎn)可管理254個子節(jié)點(diǎn)：同時主節(jié)點(diǎn)還可由上一層網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)管理。最多可組成65000個節(jié)點(diǎn)的自組網(wǎng)。

6.高安全。ZigBee數(shù)傳模塊提供了三種級別的安全控制模式，包括無安全設(shè)定、使用接入控制清單。防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128bits)的對稱密碼，實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)應(yīng)用場合的安全屬性靈活采用安全模式。

7.免執(zhí)照頻段。采用直接序列擴(kuò)頻在工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，2.4GHz(全球)、915MHz(美國)。和868MHz(歐洲)。

2.2 ZigBee的結(jié)構(gòu)和協(xié)議棧模型

ZigBee支持多種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。最簡單的是星型網(wǎng)。只用1個網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。連接多個從屬設(shè)備;另一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是互聯(lián)的星型網(wǎng)，可以擴(kuò)展為單個星型網(wǎng)或互聯(lián)2個星型網(wǎng)絡(luò)：第3種是網(wǎng)狀網(wǎng)，網(wǎng)狀網(wǎng)的覆蓋范圍很大，可以容納上萬個節(jié)點(diǎn)。

相對于其他常見的無線通信標(biāo)準(zhǔn)。Zigbee協(xié)議棧具有緊湊而且簡單的特點(diǎn)。而且對環(huán)境配置要求不高。只要8bit處理器再配上4kbit ROM和64kbit RAM，就可以滿足其最低需要。完整的Zigbee協(xié)議由高層應(yīng)用規(guī)范、應(yīng)用匯聚層、網(wǎng)絡(luò)層、數(shù)據(jù)鏈路層組成。網(wǎng)絡(luò)層以上協(xié)議由Zigbee聯(lián)盟制定。IEEE負(fù)責(zé)物理層和鏈路層標(biāo)準(zhǔn)的制定。

2.3 ZigBee與其它技術(shù)的對比

ZigBee與其它幾種常用的無線傳輸方式性能對比如下：

2.4 ZigBee的應(yīng)用場景ZigBee主要應(yīng)用于距離短、數(shù)據(jù)傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之問的信息傳遞。其目標(biāo)市場主要有PC外設(shè)(鼠標(biāo)、鍵盤、游戲控制桿)、消費(fèi)類電子設(shè)備(TV、VCR、CD、VCD、DVD等設(shè)備的遙控裝置)、家庭內(nèi)智能控制(照明、煤氣計量和報警等)、玩具(電子寵物)、醫(yī)療護(hù)理(監(jiān)視器和傳感器)和工業(yè)控制(監(jiān)視器、傳感器和自動控制設(shè)備)等領(lǐng)域。通常，凡符合下列條件之一的應(yīng)用，都可以考慮采用ZigBee技術(shù)。

1)設(shè)備間距較小;

2)設(shè)備成本低，傳輸數(shù)據(jù)量很小;

3)設(shè)備體積小，不允許放置較大的電源模塊;

4)無法頻繁地更換電池或反復(fù)充電;

5)需要覆蓋的范圍較大。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)需要容納的設(shè)備較多。網(wǎng)絡(luò)主要用于監(jiān)測或控制。

可以看出。城市交通對無線傳輸?shù)男枰狭艘陨隙鄠€特點(diǎn)。ZigBee數(shù)據(jù)采集技術(shù)應(yīng)用于城市交通完全符合。

3智能交通控制的實(shí)現(xiàn)

3.1系統(tǒng)模塊智能城市公共交通信息系統(tǒng)由以下幾個系統(tǒng)模塊組成：

1、管理后臺(系統(tǒng)平臺)

2、路段交通狀況大顯示牌(可以采用部分城市已有的現(xiàn)成設(shè)備。非本系統(tǒng)重新設(shè)計)

3、路邊設(shè)施通信設(shè)備和顯示設(shè)備

4、車載ZigBee數(shù)據(jù)采集終端設(shè)備

5、市民手機(jī)終端應(yīng)用軟件

3.2關(guān)鍵技術(shù)

1、車輛與車輛間、車輛與路邊設(shè)施的無線通信方式：ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)，節(jié)省成本，降低流量。

2、路邊設(shè)施與管理后臺的連接方式：通過有線LAN連接內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)或者借助WiFi無線通信連接，提高數(shù)據(jù)發(fā)送量以及處理及時性。

3、位置定位技術(shù)：路邊設(shè)施可采用GPS設(shè)備，車輛使用ZigBee的RSSI無線定位功能。

3.3系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

目前交通信號控制系統(tǒng)的管理模式就是集中管理，分級控制，充分利用現(xiàn)有設(shè)施，按實(shí)際交通現(xiàn)狀先進(jìn)行單個交叉路口的自適應(yīng)協(xié)調(diào)。然后是主干線的協(xié)調(diào)控制。實(shí)現(xiàn)分布式協(xié)調(diào)的分級控制，最終達(dá)到區(qū)域控制的系統(tǒng)最優(yōu)。

在智能交通系統(tǒng)中，不同路段的交通燈、電子測試器、電子眼等交通指揮和監(jiān)控設(shè)備由ZigBee數(shù)據(jù)采集節(jié)點(diǎn)和ZigBee基站組了一個本地控制網(wǎng)絡(luò)。ZigBee基站通過以太網(wǎng)、光纖等有線鏈路與交通控制中心連接。從而實(shí)現(xiàn)了交通指揮設(shè)備的網(wǎng)絡(luò)一體化管理功能。通過制定不同的交通信號控制方案可實(shí)現(xiàn)交通控制機(jī)的多時段、多相位、感應(yīng)控制等功能。在應(yīng)急情況下交通控制中心可通過人工干預(yù)的方式實(shí)施交通管制。此外，交通控制中心還可以通過ZigBee數(shù)據(jù)采集無線網(wǎng)絡(luò)獲取電子測速器、電子眼等設(shè)備的信息以對違章車輛實(shí)施跟蹤和監(jiān)控。

要解決公交車運(yùn)行的監(jiān)測。首先要解決的是能夠及時地檢測到每一輛公交車到達(dá)各站臺的準(zhǔn)確時間并將這些信息發(fā)送到公司的監(jiān)控中心。據(jù)此對駕駛員進(jìn)行考核。以此達(dá)到提高各中間站點(diǎn)的準(zhǔn)確率提高服務(wù)質(zhì)量。我們利用ZigBee和GSM/GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)各自的特點(diǎn)建立網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部采用無線通信方式。ZigBee數(shù)據(jù)采集和處理網(wǎng)絡(luò)中的信息發(fā)送給監(jiān)測平臺。實(shí)現(xiàn)公交車到、離站時間的監(jiān)測和自動準(zhǔn)備報站問題。

具體方案是在各站臺初安裝一臺“站臺監(jiān)控器”。在各公交車內(nèi)安裝一只具有ZigBee功能的“無線識別器”站臺監(jiān)控器里包含ZigBee的網(wǎng)絡(luò)協(xié)凋器和GSM/GPRS模塊。一方面它接收車內(nèi)的無線識別器發(fā)送的信號檢測該車的“標(biāo)識號”識別到來的車輛并將該車到達(dá)的時間、車號等信息通過GSM/GPRS傳送到監(jiān)控中心，另一方面向該公交車發(fā)送自己的站臺標(biāo)識號。公交車根據(jù)該標(biāo)識號發(fā)出報站信息。此后。站臺監(jiān)控器不斷檢測該車發(fā)送的無線信號的強(qiáng)度。當(dāng)信號強(qiáng)度減弱到一定程度時即可認(rèn)為該車已駛離本站。隨即向監(jiān)控中心發(fā)出相關(guān)信息。這樣。監(jiān)控中心即可準(zhǔn)確地掌握每輛公交車的運(yùn)行情況考核其正點(diǎn)率。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)非常適用于該系統(tǒng)，每一臺公交車上的無線識別器就是一個ZigBee數(shù)據(jù)采集設(shè)備。而每一個站臺上的站臺監(jiān)控器則是ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。在這個系統(tǒng)中，每個站臺監(jiān)控器與到達(dá)的公交車形成一個ZigBee網(wǎng)絡(luò)。

4總結(jié)

采用基于ZigBee技術(shù)的微功率無線網(wǎng)絡(luò)。在擺脫繁雜冗余的線路的情況下，實(shí)現(xiàn)了對車輛和道路遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了交通信號系統(tǒng)的智能控制。在一定程度上緩解了城市的交通壓力。可以大膽地預(yù)測在不遠(yuǎn)的將來。城市街道、高速公路、交通路口、信號燈、車輛檢測設(shè)備等都會安裝大量成本低、耗電低、具有極強(qiáng)組網(wǎng)能力的ZigBee設(shè)備。機(jī)動車輛上也會安裝有ZigBee設(shè)備，也應(yīng)屬于有源RFID，從而組成智能ZigBee數(shù)據(jù)采集交通系統(tǒng)。這樣，車輛在行駛過程中的狀態(tài)、方位等都在有效的監(jiān)測之中也能夠?qū)?dǎo)航、地理信息傳送給車輛。還能夠?qū)煌ㄏ到y(tǒng)進(jìn)行調(diào)度。這不僅能夠提高行車安全減少事故的發(fā)生，還能夠有效地緩解交通壓力，減少擁擠的發(fā)生。

審核編輯黃宇