基于ZigBee的公共交通信息平臺(tái)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

趙紅毅，曹 梅

（1.西安理工大學(xué) 高等技術(shù)學(xué)院，陜西 西安710082；2.西安工業(yè)大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院，陜西 西安 710032）

近年來(lái)，隨著我國(guó)的城市發(fā)展速度越來(lái)越快，城市人口數(shù)量和市民擁有的私家車數(shù)量逐年遞增，使得城市交通擁堵現(xiàn)象日益惡化，交通擁堵?tīng)顩r嚴(yán)重成為我國(guó)大中型城市面臨的共同問(wèn)題，而擁堵?tīng)顩r造成的市民乘車難的問(wèn)題困擾著每個(gè)人，同時(shí)帶來(lái)的環(huán)境污染現(xiàn)象也十分嚴(yán)重。

根據(jù)國(guó)內(nèi)外對(duì)車輛定位技術(shù)的研究總體水平可以得出，目前現(xiàn)有的定位技術(shù)都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)目前對(duì)車輛定位技術(shù)的研究可得知，最佳的方案是選擇多種系統(tǒng)的數(shù)據(jù)信息融合之后根據(jù)適當(dāng)算法從而得到一定意義上的最佳解決方案。目前城市發(fā)展迅速，人們對(duì)公共交通的依賴越來(lái)越強(qiáng)，對(duì)交通服務(wù)質(zhì)量水平的要求越來(lái)越高，如果能將公交車的到站信息和車輛信息及時(shí)準(zhǔn)確的通知給候車的人們，將對(duì)緩解上下班高峰期時(shí)候車站人員擁堵的情況起著重要的作用。通過(guò)安裝在公交候車站牌上信息提示系統(tǒng)將會(huì)向候車的人們提供即將到站的車次到站時(shí)間和車上的人員情況，同時(shí)還可以知道下一班車的大概到站時(shí)間，這樣就能使要候車的乘客可以根據(jù)自己的需求提前的做好準(zhǔn)備，為乘客出行提供方便。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

該系統(tǒng)采用ZigBee無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，及時(shí)、準(zhǔn)確的將公交車輛的具體位置反映到公交調(diào)度站計(jì)算機(jī)系統(tǒng)并及時(shí)發(fā)布到行車路線站點(diǎn)，使乘客與調(diào)度人員能夠?qū)Ξ?dāng)前線路上的公交車的行駛狀況和分布情況有所掌握。乘客能夠了解當(dāng)前車輛的行駛信息；調(diào)度人員能夠根據(jù)車輛的實(shí)時(shí)運(yùn)行數(shù)據(jù)合理安排和調(diào)度。當(dāng)發(fā)生突發(fā)事件時(shí)（如堵車、車輛損壞等）調(diào)度中心可以做出更加合理的調(diào)度安排，并且能夠有效的避免公交司機(jī)出現(xiàn)早退的現(xiàn)象。

智能公交系統(tǒng)能夠根據(jù)車輛的位置與車輛的平均速度估算出到達(dá)下一站的時(shí)間。公交車輛的位置信息通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò)傳送至公交站牌并通過(guò)電子顯示屏展示給乘客，使乘客隨時(shí)了解所要乘坐的車輛信息；同時(shí)位置信息通過(guò)ZigBee節(jié)點(diǎn)間的轉(zhuǎn)發(fā)最終傳送至調(diào)度中心，供調(diào)度人員調(diào)度與分配車輛。本系統(tǒng)中應(yīng)用車輛定位跟蹤技術(shù)，能夠了解線路上的客流分布情況，為制定行車時(shí)刻表提供依據(jù)，同時(shí)，能夠有效解決公交車輛運(yùn)營(yíng)現(xiàn)狀，提高車輛管理水平。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

智能公交系統(tǒng)下位機(jī)硬件平臺(tái)由CC2430/2431芯片、網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)、無(wú)線參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)組成，并采用無(wú)線定位機(jī)制對(duì)正在行駛的車輛進(jìn)行定位并對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與轉(zhuǎn)發(fā)。

2.1 ZigBee無(wú)線定位單片機(jī)CC2430/CC2431

CC2430/CC2431芯片是在CC2420芯片架構(gòu)基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)完成的，在芯片上整合了微控制器、內(nèi)存和ZigBee射頻前端，如圖1所示。主要由1個(gè)8位MCU（8051）、32/64/128KB可編程閃存、8KB 的 RAM、模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）、定時(shí)器（Timer）、AES128 協(xié)同處理器、32 kHz晶振帶休眠模式定時(shí)器、看門(mén)狗定時(shí)器、掉電檢測(cè)電路、上電復(fù)位電路和21個(gè)可編程I/O引腳組成[1]。

圖1 CC2430/CC2431結(jié)構(gòu)示意Fig.1 CC2430/CC2431structure diagram

2.2 網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)

網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)包括底板和CC2430 ZigBee模塊。底板上具有圖形漢字LED液晶顯示器、ZigBee無(wú)線模塊接口、可調(diào)電阻、LED、小鍵盤(pán)、電源接口和RS-232接口。

2.3 無(wú)線參考節(jié)點(diǎn)和定位節(jié)點(diǎn)

該模塊中含有 CC2430/CC2431，是一款符合IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的ZigBee無(wú)線網(wǎng)絡(luò)模塊。CC2430/CC2431模塊具有ZigBee/802.15.4的物理層和硬件層，且可通過(guò)物理層和媒體訪問(wèn)控制子層實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的無(wú)線通信[2]。

2.4 ZigBee無(wú)線定位系統(tǒng)

ZigBee無(wú)線定位系統(tǒng)包括兩部分組成：無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)和上位機(jī)監(jiān)控軟件。本系統(tǒng)中無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)采用TI/Chipcon公司生產(chǎn)的帶有硬件定位引擎功能的CC2431芯片和帶有路由功能的CC2430芯片。無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)主要是由終端節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)組成[3]：

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 智能公交系統(tǒng)下位機(jī)設(shè)計(jì)

智能公交系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)如圖2所示，將帶有定位引擎功能的CC2431芯片部署到公交車輛上，這時(shí)，CC2431在整個(gè)無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)終端節(jié)點(diǎn)的角色。將CC2430芯片部署到公交線路沿線兩旁與公交站牌和路燈等固定交通設(shè)施上，CC2430在無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)參考節(jié)點(diǎn)的角色。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)部署在離調(diào)度中心里并通過(guò)RS232串口數(shù)據(jù)線與調(diào)度中心的服務(wù)器相連接。首先由參考節(jié)點(diǎn)自動(dòng)組成一個(gè)具有自組織特性的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，并開(kāi)始向終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送自己的位置坐標(biāo)信息及RSSI值。不斷移動(dòng)的終端節(jié)點(diǎn)接收到離自己最近的參考節(jié)點(diǎn)的信息后，通過(guò)自身的定位引擎計(jì)算出自己的坐標(biāo)并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中的網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后上傳至上位機(jī)作進(jìn)一步處理。如果需要對(duì)公交車輛進(jìn)行調(diào)度管理，可以由調(diào)度中心發(fā)出指令指揮車輛的調(diào)度工作[4]。

圖2 基于ZigBee技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of the system based on ZigBee technology

3.1.1 智能公交系統(tǒng)終端節(jié)點(diǎn)工作流程

智能公交系統(tǒng)中的節(jié)點(diǎn)包括終端節(jié)點(diǎn)、參考節(jié)點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。其中，終端節(jié)點(diǎn)[5]是一種定位節(jié)點(diǎn)，它通過(guò)接收定位區(qū)域內(nèi)的所有參考節(jié)點(diǎn)的RSSI值后，經(jīng)過(guò)定位算法計(jì)算出自身坐標(biāo)位置。參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)位置是固定值，但不參與定位計(jì)算。一個(gè)定位區(qū)域通常由8個(gè)參考節(jié)點(diǎn)組成。將CC2431作為定位節(jié)點(diǎn)，CC2430和網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)展板組合形成網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，最終通過(guò)擴(kuò)展板上的串口與計(jì)算機(jī)相連。終端節(jié)點(diǎn)根據(jù)所在定位區(qū)域內(nèi)的參考節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的RSSI值，利用RSSI定位算法計(jì)算出自身所在的坐標(biāo)位置。圖3為終端節(jié)點(diǎn)工作流程圖。

終端節(jié)點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送連接請(qǐng)求后，與離自己最近的參考節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信，通過(guò)參考節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)值和RSSI值并根據(jù)輸入?yún)?shù)（A、N）計(jì)算出自身的坐標(biāo)位置。將此坐標(biāo)信息發(fā)送至網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)并最終通過(guò)RS232串口數(shù)據(jù)線傳送至調(diào)度中心的服務(wù)器上。

3.1.2 智能公交系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層設(shè)計(jì)

智能公交系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)層主要負(fù)責(zé)組網(wǎng)以及路由等數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓δ?，在智能公交系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)中，主要存在3種數(shù)據(jù)類型：數(shù)據(jù)從公交車發(fā)往中心節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)從站臺(tái)節(jié)點(diǎn)發(fā)往中心節(jié)點(diǎn)、數(shù)據(jù)從中心節(jié)點(diǎn)發(fā)往站臺(tái)節(jié)點(diǎn)[6]。

網(wǎng)絡(luò)層最主要的功能就是完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)據(jù)服務(wù)實(shí)體服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)完成在對(duì)等應(yīng)用實(shí)體之間傳送應(yīng)用協(xié)議數(shù)據(jù)單元（APDU）；網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)實(shí)體服務(wù)訪問(wèn)點(diǎn)完成在上層和網(wǎng)絡(luò)層管理服務(wù)實(shí)體之間傳送命令幀。

3.2 系統(tǒng)上位機(jī)軟件的設(shè)計(jì)

智能公交系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用Visual C++6.0平臺(tái)開(kāi)發(fā)。上位機(jī)軟件分為串行通信模塊、數(shù)據(jù)接收模塊、數(shù)據(jù)處理模塊、數(shù)據(jù)顯示模塊和數(shù)據(jù)保存模塊，將數(shù)據(jù)通過(guò)RS232串口數(shù)據(jù)線傳至PC機(jī)上后上位機(jī)軟件完成對(duì)數(shù)據(jù)的顯示與處理。

圖3 終端節(jié)點(diǎn)工作流程圖Fig.3 Flow chart of the terminal node

智能公交系統(tǒng)由下位機(jī)與上位機(jī)兩部分組成。下位機(jī)主要包括硬件模塊CC2431與CC2430，通過(guò)無(wú)線定位網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)的傳輸，避免了布線的麻煩。上位機(jī)采用VC6.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具有友好的界面，是一個(gè)數(shù)據(jù)監(jiān)控與存儲(chǔ)中心。如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)圖Fig.4 System total structure diagram

4 測(cè) 試

人機(jī)界面主要用于完成與用戶的信息交互，通過(guò)界面的顯示，將串口接收到的車輛信息展示給用戶，用戶通過(guò)對(duì)信息的分析，從而有效地管理車輛的運(yùn)行與調(diào)度情況。因此在本系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程中友好和便捷的人機(jī)界面設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)就顯得非常重要。系統(tǒng)的整個(gè)框架和人機(jī)界面工作的完成使得后續(xù)開(kāi)發(fā)工作更加條理化。

圖5為智能公交系統(tǒng)的車輛信息查詢界面，從圖中可以看到車輛ID，目前在哪條線路，經(jīng)過(guò)了幾個(gè)站臺(tái)。

圖6為智能公交系統(tǒng)的線路信息查詢界面，從圖中可以看到線路名，站臺(tái)號(hào)和站臺(tái)的名字。

圖5 車輛信息查詢界面Fig.5 Vehicle information query interface

圖6 線路信息查詢界面Fig.6 Line information query interface

文中對(duì)上位機(jī)軟件進(jìn)行總體設(shè)計(jì)并對(duì)系統(tǒng)的整體功能進(jìn)行劃分，針對(duì)系統(tǒng)中用到的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)庫(kù)、各個(gè)模塊進(jìn)行分析與討論，設(shè)計(jì)出了一種較為可行的監(jiān)控系統(tǒng)并對(duì)系統(tǒng)中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明。最后在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)后進(jìn)行了上位機(jī)的功能測(cè)試與模擬測(cè)試。

5 結(jié) 論

ZigBee是一種低速率、低成本、高可靠性的無(wú)線通信技術(shù)。文中針對(duì)當(dāng)前擁堵的交通問(wèn)題，并對(duì)當(dāng)前公共交通系統(tǒng)的環(huán)境進(jìn)行分析，最終設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于ZigBee技術(shù)的智能公交系統(tǒng)平臺(tái)。該系統(tǒng)能夠?qū)⒐卉囕v的行車具體位置準(zhǔn)確的傳送到調(diào)度中心并通過(guò)調(diào)度中心將數(shù)據(jù)及時(shí)發(fā)布到站臺(tái)電子顯示屏上，使乘客與調(diào)度人員能夠及時(shí)掌握公交車輛當(dāng)前所在的具體位置。由調(diào)度中心進(jìn)行車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控，能夠有效完成對(duì)車輛的調(diào)度與安排。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效的運(yùn)行，具有一定的應(yīng)用價(jià)值。

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[2]王偉.無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)安全技術(shù)研究[D].太原：太原理工大學(xué)，2011.

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