摘要：提出利用ZigBee" title="ZigBee">ZigBee技術開發的城市公共交通信息平臺系統結構方案，通過采用自組織傳感器網絡，解決了目前公共交通信息實時傳送的問題。系統采用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、車輛狀況的智能監控與管理。
關鍵詞：ZigBee；傳感器網絡；公交系統；定住機制
0 引言
隨著城市發展的速度越來越快，交通工具越來越多，擁堵現象越發明顯，使得人們的出行受到了很大的制約。目前公交系統無法將行車信息與道路通行信息及時送達調度系統，一旦發生車輛故障、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，通過站點終端及時將車輛信息及行車信息發送到調度站，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，在終端節點電量較低、部分終端節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點組成一個自組織的網絡系統，交通信息采集傳感器終端節點CC2431與每個臨近的參考節點組成星型網絡進行通信，參考節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點上。網關節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，確定傳感器節點自身位置是系統中最重要的參考數據，定位原理是根據少數已知位置的節點，通過比照計算，按照某種定位機制來確定自身位置的，節點分為信標節點和未知節點。信標節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，在網絡節點中占的比例很小，不是信標節點的其他傳感器節點就是未知節點，他們通過信標節點來確定自身位置。具體步驟如下：
(1)首先確定未知節點到信標節點的距離或方位。采用基于接收信號強度指示的定位(RSSI)算法，已知發射節點的發射信號強度，接收節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(距離發射點d m處)；A0表示節點的發射功率；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，節點可以測量并記錄來自其他節點的型號強度，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，使得某個固定節點接收到另一個固定節點發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點的位置。三邊測量法如圖2所示。已知A，B，C三個節點的坐標分別為(Xa，Ya)，(Xb，Yb)，(X-c，Yc)，以及它們到未知節點D的距離分別為Da，Db，Dc，計算節點D的坐標為(X，Y)，節點D在三個圓的交點上。根據RSSI算法，求出待測節點X與已知節點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個已知節點的位置和他們與待測節點之間的距離求出待測節點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點的位置。
4 ZigBee無線定位系統
4．1 ZigBee無線定位系統組成
ZigBee無線定位系統是由上位機軟件進行定位監控和一個無線定位網絡構成的無線定位監控系統。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、參考節點和盲節點組成：
參考節點：無線定位系統中已知坐標節點，是ZigBee網絡中的路由器。由于其坐標是已知的，所以這個節點要正確地配置在定位區域中。它主要將一個包含自己位置的X，Y坐標和RSSI值的信息包發送至盲節點。
盲節點：無線定位系統中的移動節點，是ZigBee網絡中的路由器，主要通過已知參考節點的坐標來計算自身坐標值。移動節點和離自己最近的參考節點通信，通過收集這些節點的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：它是無線定位系統的網絡協調器，通過RS 232串口延長線與PC相連，其在整個系統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，并發送給相應的節點；其次還要接收各節點反饋的有效數據，并上傳至上位機軟件。
4．2 系統定位原理
定位系統由參考節點和盲節點組成。參考節點是一個位于已知位置的靜態節點，這個節點位置已知且可以將其位置參數通過發送數據包通知其他節點。盲節點與離自己最近的參考節點進行通信，獲得參考節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，然后將信息發給網關。
網關節點通過建立網絡，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，最終將參考節點和定位節點坐標網絡地址正確地顯示出來。
5 系統實現
該系統通過安裝在各公交車上的盲節點、安裝在各站臺和路燈等固定設施上的參考節點和安裝在交通信號燈上的ZigBee網關將數據傳送給監控中心。網關初始化后，首先選擇合適的信道建立網絡，監聽該信道，等待其他ZigBee設備發出的連接請求。當接收到某設備的連接請求，經認證確認是合法設備后，便發出允許連接的命令，建立連接。連接建立后，網關節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，同時向監控中心發送信息“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。
盲節點經過初始化后，監聽信道尋找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，便向網關發出斷開連接的請求。網關節點和參考節點的流程圖如圖3，圖4所示。
6 結語
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上具有很大的優勢。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。將該系統應用到城市公共交通系統中，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。