基于ZigBee的公交信息系統(tǒng)研究與實現(xiàn)

摘要：提出利用ZigBee技術(shù)開發(fā)的城市公共交通信息平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案，通過采用自組織傳感器網(wǎng)絡(luò)，解決了目前公共交通信息實時傳送的問題。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(xiàn)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。
關(guān)鍵詞：ZigBee；傳感器網(wǎng)絡(luò)；公交系統(tǒng)；定住機制

0 引言
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送達調(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)，通過站點終端及時將車輛信息及行車信息發(fā)送到調(diào)度站，為科學合理調(diào)度車輛、為乘客提供車輛實時行駛信息，真正實現(xiàn)智能交通。

1 ZigBee技術(shù)優(yōu)點
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)傳輸速率相對較低，分布范圍較小，但對數(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)備維護方便；ZigBee設(shè)備具有網(wǎng)絡(luò)自組織的功能，能夠自動進行組網(wǎng)，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(wǎng)絡(luò)，保證網(wǎng)絡(luò)的正常通信；ZigBee設(shè)備采用了分級的安全性策略，保證了數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?、可靠?br />
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)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(xiàn)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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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(shè)施上，最終的數(shù)據(jù)將被匯聚到網(wǎng)關(guān)節(jié)點上。網(wǎng)關(guān)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(nèi)，通過信號控制器的專有網(wǎng)絡(luò)，將所采集到的數(shù)據(jù)發(fā)送到調(diào)度管理中心作進一步處理。如果需要人為進行操控，由調(diào)度管理中心根據(jù)當前的行車狀況，進行指令的發(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(jié)點自身位置是系統(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，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(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(jù)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?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)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?shù)膶?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(shù)(γ0=2)；γ表示實際的路徑損耗指數(shù)；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(wǎng)絡(luò)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(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(nèi)變化。因此采用多次測量取平均值的方法，將使計算結(jié)果不斷向?qū)嶋H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(jù)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(wǎng)絡(luò)構(gòu)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(wǎng)絡(luò)主要由ZigBee網(wǎng)關(guān)、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(wǎng)絡(luò)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(wǎng)絡(luò)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?shù)男畔l(fā)送給網(wǎng)關(guān)，通過RS232串口延長線傳送給上位機軟件。
ZigBee網(wǎng)關(guān)：它是無線定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)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(guān)重要的作用。首先它要接收由上位機軟件提供配置數(shù)據(jù)，并發(fā)送給相應(yīng)的節(jié)點；其次還要接收各節(jié)點反饋的有效數(shù)據(jù)，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(shù)通過發(fā)送數(shù)據(jù)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(yīng)的RSSI值，并將其寫入定位引擎，然后讀出由定位引擎經(jīng)計算得到的自身位置。通過收集參考節(jié)點的X，Y坐標和RSSI值，并與輸入?yún)?shù)(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(jié)點通過建立網(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行計算校驗，最終將參考節(jié)點和定位節(jié)點坐標網(wǎng)絡(luò)地址正確地顯示出來。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)
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(shè)施上的參考節(jié)點和安裝在交通信號燈上的ZigBee網(wǎng)關(guān)將數(shù)據(jù)傳送給監(jiān)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(jiān)聽該信道，等待其他ZigBee設(shè)備發(fā)出的連接請求。當接收到某設(shè)備的連接請求，經(jīng)認證確認是合法設(shè)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(jié)點便獲得了該設(shè)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(shù)據(jù)請求，如果有，則根據(jù)登記表中的信息依次采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)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(wǎng)關(guān)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(wǎng)關(guān)可以接受反饋的數(shù)據(jù)，并傳輸給上位機軟件。
盲節(jié)點經(jīng)過初始化后，監(jiān)聽信道尋找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，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，實現(xiàn)自動、準確的報站。當本車駛離站臺時，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)出斷開連接的請求。網(wǎng)關(guān)節(jié)點和參考節(jié)點的流程圖如圖3，圖4所示。

6 結(jié)語
由于ZigBee技術(shù)具有低成本、低功耗、低復(fù)雜度、低傳輸速率、長距離傳輸?shù)奶攸c，其通信可靠，自組織自愈能力強、網(wǎng)絡(luò)容量大等特點，使得將其應(yīng)用到智能公交系統(tǒng)上具有很大的優(yōu)勢。在本文中，通過對公共交通信息平臺的構(gòu)建，重點對無線傳感器網(wǎng)絡(luò)定位機制進行研究，結(jié)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(gòu)，并構(gòu)建出實現(xiàn)模型。將該系統(tǒng)應(yīng)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(diào)度提供極大的方便，具有一定的應(yīng)用價值。