智能交通系統(tǒng)的ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

引言

借助于無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議在智能交通系統(tǒng)中對(duì)保證傳輸高效、穩(wěn)定有重要作用。然而，ZigBee協(xié)議支持的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是星型、樹狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，和交通系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不是很吻合。智能交通系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)自組織功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò),因此，本文根據(jù)智能交通系統(tǒng)本身的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)與之相符合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提出了其在智能報(bào)站和定位上的應(yīng)用。

1FFD和RFD相結(jié)合的鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，通常需要兩種不同類型的設(shè)備：FFD(具有完整功能的設(shè)備)和RFD(簡化功能的設(shè)備)。其中，F(xiàn)FD通常有三種工作狀態(tài):主協(xié)調(diào)器、路由器設(shè)備和終端設(shè)備。

為了能夠和交通管理中心取得聯(lián)系，通常需要在車輛上安裝RFD節(jié)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(shù)據(jù)處理技術(shù)(GPRS)相結(jié)合的FFD節(jié)點(diǎn)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，當(dāng)然，還必須要有FFD作為路由節(jié)點(diǎn)。所有的RFD和FFD相結(jié)合，將成為一種鏈狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1FFD鏈頭作為協(xié)調(diào)器

通常其在鏈中的位置設(shè)置為0，當(dāng)此FFD收到了組網(wǎng)的命令時(shí)，根據(jù)交通系統(tǒng)的要求設(shè)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(jié)用于表示節(jié)點(diǎn)的位置信息，該節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建立和遠(yuǎn)程控制部門的信息交換。

1.2鏈接節(jié)點(diǎn)RFD

當(dāng)接收到廣播后，會(huì)先把源節(jié)點(diǎn)的地址信息保存起來,并且通知源節(jié)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(jí)節(jié)點(diǎn)收到了應(yīng)答消息后，會(huì)把下一級(jí)節(jié)點(diǎn)的地址信息保存起來。RFD節(jié)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(diào)器節(jié)點(diǎn)規(guī)定的最大路由級(jí)數(shù)。

1.3路由器節(jié)點(diǎn)

一般可以安裝在兩個(gè)公交站點(diǎn)之間的電線桿上，主要負(fù)責(zé)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)車輛信息的交換。

2RFD與FFD節(jié)點(diǎn)的有效距離研究

我們是通過接收到的信號(hào)強(qiáng)度來確定節(jié)點(diǎn)之間距離的，天線接收到的無線電波，經(jīng)過反向通道基帶接收濾波器后，接收機(jī)測量電路可以得到接收機(jī)輸入的平均信號(hào)強(qiáng)度指示，這個(gè)信號(hào)強(qiáng)度指示值我們用RSSI(ReceivedSignalStrengthIndication)來表示，通過這個(gè)信號(hào)強(qiáng)度的值可以確定出移動(dòng)車輛與FFD的有效距離。

在基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI的定位中，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)的傳播模型，利用理論和經(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?；窘邮盏接脩艄?jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度和基站與節(jié)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節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度；P(d。)表示基站接收到在參考點(diǎn)；表示發(fā)送表示發(fā)信號(hào)的強(qiáng)度，假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度相同；表示路徑長度和路徑損耗之間的比例因子，依賴于建筑物的結(jié)構(gòu)和使用的材料；d表示需要計(jì)算的節(jié)點(diǎn)和基站間距離；nW表示節(jié)點(diǎn)和基站間墻壁個(gè)數(shù)；C表示信號(hào)穿過墻壁個(gè)數(shù)的閾值；WAF表示信號(hào)穿過墻壁的衰減因子，依賴于建筑物的結(jié)構(gòu)和使用的材料。

RSSI值和節(jié)點(diǎn)距離關(guān)系的測試：在測試和應(yīng)用中，相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離不同，節(jié)點(diǎn)設(shè)置的功率增益也不同。分別在功率增益為-9dBm和0dBm時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的距離，測量不同的RSSI值。將測試結(jié)果和式(1)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，RSSI值和距離之間的關(guān)系并不完全和式(1)計(jì)算的結(jié)果相吻合。這是由于采用RSSI值對(duì)距離的測量并不是非常精確，會(huì)受到周圍環(huán)境以及氣候的影響。但在本應(yīng)用中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)之間的距離只需要一個(gè)大致的評(píng)價(jià)，并不需要達(dá)到很高的精度，所以，RSSI值對(duì)判斷公交車與臨時(shí)?？空局g的距離是很有用的參數(shù)。

3公交車報(bào)站功能的實(shí)現(xiàn)

圖1中的小圈代表在道路上行駛的交通車輛，這些交通車輛上面也攜帶有ZigBee節(jié)點(diǎn)。當(dāng)攜帶有ZigBee節(jié)點(diǎn)的車輛接收到了來自站臺(tái)的ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的信息后，會(huì)對(duì)RSSI值進(jìn)行判斷。當(dāng)RSSI值達(dá)到了設(shè)定的閾值后，可以假設(shè)移動(dòng)的車輛已經(jīng)到達(dá)了臨時(shí)停靠點(diǎn)。公交車的ZigBee節(jié)點(diǎn)會(huì)向臨時(shí)?？空镜墓?jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)到站信息，其中攜帶有自己的車牌號(hào)碼、司機(jī)姓名等信息。臨時(shí)?？奎c(diǎn)的ZigBee節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)數(shù)據(jù)幀后，會(huì)根據(jù)車牌號(hào)碼去查詢數(shù)據(jù)庫，然后將站臺(tái)信息發(fā)給公交車的ZigBee節(jié)點(diǎn)。獲得了臨時(shí)?？奎c(diǎn)返回的數(shù)據(jù)幀后，ZigBee節(jié)點(diǎn)會(huì)提取出有用的信息，并通過語音系統(tǒng)在公交車上廣播站臺(tái)信息，提示乘客到站下車，下站乘客做好下車準(zhǔn)備。公交車廣播了站臺(tái)信息后，ZigBee節(jié)點(diǎn)會(huì)繼續(xù)給臨時(shí)?？空竟?jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)離站的數(shù)據(jù)幀，通知臨時(shí)?？空镜墓?jié)點(diǎn)車牌號(hào)碼為XXXX的公交車已經(jīng)離開了該臨時(shí)?？空尽ＥR時(shí)?？空镜腪igBee節(jié)點(diǎn)會(huì)在數(shù)據(jù)庫中記錄下車牌號(hào)碼為XXXX的公交車到站時(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所示為車輛報(bào)站數(shù)據(jù)幀格式圖。

圖2  車輛報(bào)站數(shù)據(jù)幀格式圖

4公交車輛定位的實(shí)現(xiàn)

假設(shè)現(xiàn)在交通局要查詢車牌號(hào)碼為閩B3H057的75路車的公交車的行駛位置。交通局通過GPRS發(fā)送給該路段的臨時(shí)?？空竟?jié)點(diǎn)需要查詢的信息，例如,PPYUEB3H057ROAD75,表示要查詢車牌號(hào)碼為閩B3H057的75路車的公交車所在位置。從農(nóng)林大學(xué)到火車站之間的臨時(shí)?？空径紩?huì)通過GPRS節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)查詢信息。臨時(shí)?？空镜墓?jié)點(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(nèi)，收到這個(gè)廣播信息的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)檢測自己的車牌號(hào)碼和路線號(hào)碼。當(dāng)自己的車牌號(hào)碼和路線號(hào)碼與查詢的號(hào)碼一致的時(shí)候，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送給臨時(shí)?？空竟?jié)點(diǎn)一個(gè)數(shù)據(jù)幀，以確認(rèn)自己在臨時(shí)?？空靖浇?。收到確認(rèn)信息的臨時(shí)?？空镜墓?jié)點(diǎn)會(huì)通過GPRS模塊將信息轉(zhuǎn)發(fā)到交通控制中心。

如果在這個(gè)短暫的時(shí)間內(nèi)，臨時(shí)停靠站節(jié)點(diǎn)沒有收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答消息，臨時(shí)?？空镜墓?jié)點(diǎn)會(huì)向它的下一站ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送詢問信息。下一站ZigBee節(jié)點(diǎn)會(huì)和臨時(shí)?？空镜墓?jié)點(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(jié)點(diǎn)的應(yīng)答。如果被詢問的移動(dòng)車輛就在這個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的附近，移動(dòng)車輛會(huì)給路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答消息。收到應(yīng)答消息的路由節(jié)點(diǎn)會(huì)將確認(rèn)消息轉(zhuǎn)發(fā)到上一級(jí)節(jié)點(diǎn)。臨時(shí)?？空竟?jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)路由的級(jí)數(shù)推算出移動(dòng)車輛距離臨時(shí)?？空镜木嚯x。如果臨時(shí)?？空镜南乱患?jí)路由節(jié)點(diǎn)依然沒有捜索到移動(dòng)車輛的位置，捜索信息會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)到下一級(jí)路由節(jié)點(diǎn)。任何一級(jí)路由節(jié)點(diǎn)收到信息的確認(rèn)幀后，都會(huì)將信息通過路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到臨時(shí)?？空竟?jié)點(diǎn)，最終由臨時(shí)停靠站節(jié)點(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(jié)點(diǎn)定位圖。

5結(jié)語

本文重點(diǎn)分析了交通系統(tǒng)的特點(diǎn)和一些重點(diǎn)需要解決的問題。根據(jù)這些信息，提出了采用ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)城市交通干線的覆蓋，從而實(shí)現(xiàn)了智能報(bào)站、重要交通信息發(fā)布等應(yīng)用。

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