ZigBee技術(shù)在智能交通系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

鄭 琛， 曹 斌

（貴州大學(xué) 計(jì)算機(jī)科學(xué)與信息學(xué)院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

當(dāng)前，智能交通正伴隨著作為新一代信息技術(shù)的重要組成部分[1]的物聯(lián)網(wǎng)在向“新一代智能交通”發(fā)展。物聯(lián)網(wǎng)作為一種融合短程無線通信技術(shù)、微電子傳感器、嵌入式系統(tǒng)的新技術(shù)，逐漸被用于新一代智能交通系統(tǒng)等需要數(shù)據(jù)采集與檢測的相關(guān)領(lǐng)域，從而給城市智能交通帶來一次全新的升級[2]。

近年來，無線通信技術(shù)運(yùn)用在城市交通領(lǐng)域，可以解決隨著現(xiàn)代城市和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及城市車輛的增加而產(chǎn)生的交通問題。

ZigBee是其中一種具有代表性的短距離無線通信技術(shù)，如在交通道路上分布式安裝ZigBee終端設(shè)備，車輛里的與之響應(yīng)的器件將會(huì)顯示行車路線，這樣就可解決迷路問題了。雖然全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)（GPS）也可提供類似的服務(wù)，但是運(yùn)用了 ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)較之更精確，可提供更多更具體的信息，即使是在GPS覆蓋不到的樓內(nèi)或隧道內(nèi)也能繼續(xù)使用。該系統(tǒng)還可以跟蹤監(jiān)測公共交通情況，讓人們準(zhǔn)確地了解班車到站信息，而不至于在車站等候或誤車。

由此可見，研究基于ZigBee技術(shù)的智能交通系統(tǒng)課題十分有意義。該文主要通過一種基于ZigBee和GSM/GPRS的公交車運(yùn)行監(jiān)測、管理系統(tǒng)來說明在智能交通控制系統(tǒng)中使用ZigBee技術(shù)具有可行性和一定優(yōu)越性的分析結(jié)論。

1 ZigBee技術(shù)簡介

ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)[3]，它是一種介于無線標(biāo)記技術(shù)和藍(lán)牙技術(shù)間的技術(shù)方案，主要用于距離短、功耗低且傳輸速率不高的各種電子設(shè)備之間進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸以及典型的有周期性數(shù)據(jù)、間歇性數(shù)據(jù)和低反應(yīng)時(shí)間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽?yīng)用[4]。作為一種無線通信技術(shù)，ZigBee技術(shù)具有功耗低、成本低、可靠性高、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性高等的特點(diǎn)。

ZigBee技術(shù)的應(yīng)用前景被非?？春?。近年來，ZigBee在工業(yè)控制、工業(yè)無線定位、家庭網(wǎng)絡(luò)、汽車自動(dòng)化、樓宇自動(dòng)化、消費(fèi)電子、醫(yī)用設(shè)備控制等多個(gè)領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在工業(yè)領(lǐng)域，利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡(luò)，使得數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集、分析和處理變得更加容易，可以作為決策輔助系統(tǒng)的重要組成部分。在汽車領(lǐng)域，主要是傳遞信息的通用傳感器。由于很多傳感器只能內(nèi)置在內(nèi)部，比如輪胎壓力監(jiān)測系統(tǒng)，這就要求內(nèi)置的無線通信設(shè)備使用的電池有較長的壽命，同時(shí)可以克服嘈雜的環(huán)境和金屬結(jié)構(gòu)對電磁波的屏蔽效應(yīng)。當(dāng)然，還有很多在其他領(lǐng)域內(nèi)的應(yīng)用。相信在不遠(yuǎn)的將來，ZigBee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在公交車運(yùn)行監(jiān)測系統(tǒng)中的應(yīng)用

公共交通是政府提供的一種公共服務(wù)，服務(wù)質(zhì)量直接決定了市民出行的方便，服務(wù)質(zhì)量的一條重要標(biāo)準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)各站和準(zhǔn)確地報(bào)站。目前在公交車的始發(fā)站和終點(diǎn)站由于有專人值班，準(zhǔn)點(diǎn)可以保證，但對于中間的眾多站點(diǎn)則無法保證，也難于考核。雖然有使用GPS系統(tǒng)對公交車的運(yùn)行進(jìn)行監(jiān)測的，但由于GPS系統(tǒng)成本較高，難以大面積推廣。目前的報(bào)站是依靠駕駛員按鍵操作的，難免會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤而誤導(dǎo)乘客。為此，開發(fā)一種基于 ZigBee和GSM/GPRS的公交車運(yùn)行監(jiān)測、管理系統(tǒng)，能夠較好地解決這些問題。

2.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)概述

要解決公交車運(yùn)行的監(jiān)測，首先要解決的是能夠及時(shí)地檢測到每一輛公交車到達(dá)各站臺(tái)的準(zhǔn)確時(shí)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)，建立一網(wǎng)絡(luò)，網(wǎng)絡(luò)內(nèi)部采用無線通信方式，采集和處理網(wǎng)絡(luò)中的信息，發(fā)送給監(jiān)測平臺(tái)[5]，實(shí)現(xiàn)公交車到、離站時(shí)間的監(jiān)測和自動(dòng)準(zhǔn)備報(bào)站問題。具體方案是，在各站臺(tái)初安裝一臺(tái)“站臺(tái)監(jiān)控器”，在各公交車內(nèi)安裝一只具有ZigBee功能的“無線識(shí)別器”。站臺(tái)監(jiān)控器里包含ZigBee的網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器和GSM/GPRS模塊。一方面，它接收車內(nèi)的無線識(shí)別器發(fā)送的信號(hào)，檢測該車的“標(biāo)識(shí)號(hào)”，識(shí)別到來的車輛，并將該車到達(dá)的時(shí)間、車號(hào)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(tái)標(biāo)識(shí)號(hào)，公交車根據(jù)該標(biāo)識(shí)號(hào)發(fā)出報(bào)站信息。由于每一站臺(tái)、每一輛車都有自己的標(biāo)識(shí)號(hào)，故絕對不會(huì)發(fā)生錯(cuò)誤。此后，站臺(tái)監(jiān)控器不斷檢測該車發(fā)送的無線信號(hào)的強(qiáng)度，當(dāng)信號(hào)強(qiáng)度減弱到一定程度時(shí)，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。根據(jù)具體情況，站臺(tái)監(jiān)控器里既可使用GSM或者GPRS，也可以使用電信網(wǎng)絡(luò)。由于ZigBee本身的特點(diǎn)之一是低成本，安裝在各公交車上的無線識(shí)別器成本非常低，而站臺(tái)監(jiān)控器相對數(shù)量要少得多，所以整個(gè)系統(tǒng)的成本就較低。

ZigBee網(wǎng)絡(luò)非常適用于該系統(tǒng)，每一臺(tái)公交車上的無線識(shí)別器就是一個(gè)ZigBee設(shè)備，而每一個(gè)站臺(tái)上的站臺(tái)監(jiān)控器則是ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器。在這個(gè)系統(tǒng)中，每個(gè)站臺(tái)監(jiān)控器與到達(dá)的公交車形成一個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)然，網(wǎng)絡(luò)中的成員是變化的。

2.2 硬件設(shè)計(jì)

前所述，本系統(tǒng)里由安裝在各站臺(tái)的站臺(tái)監(jiān)控器、安裝在各公交車上的無線標(biāo)識(shí)器和監(jiān)控中心組成，監(jiān)控中心可以通過 GSM/GPRS或者電信的基礎(chǔ)網(wǎng)絡(luò)接收站臺(tái)監(jiān)控器發(fā)送的各車到達(dá)、離開站臺(tái)的時(shí)間。主要介紹站臺(tái)監(jiān)控器和無線識(shí)別器的軟、硬件結(jié)構(gòu)。

站臺(tái)監(jiān)控器的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示，它由MCU、GSM/GPRS模塊、ZigBee收發(fā)器等組成，MCU和ZigBee收發(fā)器都采用飛思卡爾公司的產(chǎn)品，MCU采用MC9S08GB60，GSM/GPRS模塊采用摩托羅拉公司的 G20。雖然 ZigBee的協(xié)調(diào)器由于要支持多個(gè)ZigBee設(shè)備的連接需要的資源相對多一些，但這里由于需要同時(shí)與協(xié)調(diào)器建立連接的設(shè)備數(shù)量不會(huì)過多年，也無須支持網(wǎng)絡(luò)層的功能，故用8位的MCU是完全可以的。站臺(tái)監(jiān)控器安裝在站臺(tái)上，供電一般不是問題。但在停電時(shí)的工作需要蓄電池供給。盡管ZigBee有非常低的功耗，但GSM/GPRS模塊工作時(shí)需要較大的能量，故需要考慮蓄電池的容量。

無線識(shí)別器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由飛思卡爾公司的MC9S08GT60和MC13192組成一個(gè)基本的ZigBee設(shè)備。飛思卡爾單片機(jī)內(nèi)部的Flash存儲(chǔ)器，既可最為程序存儲(chǔ)器，也可用來保存數(shù)據(jù)，因此可以用來在初始化時(shí)寫入各自唯一的標(biāo)識(shí)號(hào)，省去外接非揮發(fā)存儲(chǔ)器，從而起到簡化結(jié)構(gòu)，降低成本的作用。從圖2中可以看出，其結(jié)構(gòu)非常簡單，加上電池的體積也僅火柴盒大小，如果將來使用MC13211，則只需一片芯片，結(jié)構(gòu)將更加簡單。

圖1 站臺(tái)監(jiān)控器結(jié)構(gòu)

圖2 無線識(shí)別器結(jié)構(gòu)

2.3 軟件設(shè)計(jì)

軟件設(shè)計(jì)包括使用軟件和ZigBee協(xié)議軟件。站臺(tái)監(jiān)控器本身是 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器，并有GSM/GPRS模塊。上電后，MCU首先分別進(jìn)行GSM/GPRS模塊和ZigBee協(xié)議棧的初始化工作，然后進(jìn)行信道掃描及空閑信道評估，選擇合適的工作信道，選擇合適的網(wǎng)絡(luò)標(biāo)識(shí)符，啟動(dòng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)發(fā)送超幀，等待ZigBee設(shè)備的連接請求。當(dāng)其接收到某設(shè)備的連接請求，并經(jīng)過認(rèn)證后，確認(rèn)是合法的設(shè)備，便發(fā)出允許連接的命令，實(shí)現(xiàn)該ZigBee設(shè)備與協(xié)調(diào)器的連接[6]。連接建立后，站臺(tái)監(jiān)控器便獲得了該設(shè)備的標(biāo)識(shí)號(hào)（這個(gè)標(biāo)識(shí)號(hào)就代表了這臺(tái)公交車），并將該標(biāo)識(shí)號(hào)登記，同時(shí)通過GSM/GPRS向監(jiān)控中心發(fā)出“某車在何時(shí)到達(dá)本站”的信息。站臺(tái)監(jiān)控器可以同時(shí)允許多臺(tái)設(shè)備的連接和信息登記。當(dāng)公交車駛離站臺(tái)后，LQI將會(huì)降低。降低到一定程度后，公交車與站臺(tái)監(jiān)控器斷開連接，從登記表中刪除這個(gè)標(biāo)識(shí)號(hào)，同時(shí)向監(jiān)控中心發(fā)送信息“某車已駛離本站”。站臺(tái)監(jiān)控器程序流程圖如圖3所示。

圖3 站臺(tái)監(jiān)控器程序流程

安裝在公交車上的無線識(shí)別器是ZigBee設(shè)備，上電后首先初始化ZigBee協(xié)議棧，然后開始進(jìn)行信道掃描，尋找 ZigBee協(xié)調(diào)器。當(dāng)它檢測到 ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器的超幀且信號(hào)的強(qiáng)度大于一定值時(shí)，便向該協(xié)調(diào)器發(fā)出建立連接的請求。連接建立后，它獲得了該協(xié)調(diào)器的標(biāo)識(shí)號(hào)，從而知道是哪一站，并發(fā)出報(bào)站信息，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)、準(zhǔn)確地報(bào)站。當(dāng)本車駛離站臺(tái)時(shí)，檢測到協(xié)調(diào)器的信號(hào)強(qiáng)度減弱到一定程度后，便向協(xié)調(diào)器發(fā)出斷開連接請求[7]。無線標(biāo)識(shí)器流程圖如圖4所示。

圖4 無線標(biāo)識(shí)器流程

3 結(jié)語

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(hào)燈、車輛檢測設(shè)備等都會(huì)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(dòng)車輛上也會(huì)安裝有 ZigBee設(shè)備（也應(yīng)屬于有源 RFID），從而組成智能交通系統(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、地理信息基石傳送給車輛，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[8]。

[1]周赪.物聯(lián)網(wǎng)概述[J].信息安全與通信保密,2011（10）:63-64.

[2]張學(xué).物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代帶給城市智能交通建設(shè)的變化[J].信息安全與通信保密,2011（04）:23.

[3]徐志，陳彬兵.自組織 ZigBee 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)通信研究[J].通信技術(shù)，2009，42(12):128-131.

[4]孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡(luò)[M].北京：清華大學(xué)，2005.

[5]俞仁來，譚明皓.基于ZigBee的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)路由分析[J].通信技術(shù)，2011，44（01）:129-131.

[6]趙阿群,陳少紅,趙直,等.計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)[M].北京：北京交通大學(xué)出版社，2003.

[7]呂治安.ZigBee網(wǎng)絡(luò)原理與應(yīng)用開發(fā)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2008.

[8]李文仲,段朝玉.ZigBee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)入門與實(shí)戰(zhàn)[M].北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2007.