融合ZigBee和WebGIS的城市公交運營監(jiān)控系統(tǒng)

王素珍,張德華,靳奉祥,溫紀(jì)慶,王庚善

1.青島理工大學(xué)自動化工程學(xué)院,山東青島2665202.山東科技大學(xué)測繪學(xué)院,山東青島266520

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融合ZigBee和WebGIS的城市公交運營監(jiān)控系統(tǒng)

王素珍1,2,張德華1,靳奉祥2*,溫紀(jì)慶1,王庚善1

1.青島理工大學(xué)自動化工程學(xué)院,山東青島266520
2.山東科技大學(xué)測繪學(xué)院,山東青島266520

摘要:融合ZigBee技術(shù)和WebGIS技術(shù)研發(fā)的城市公交運營監(jiān)控系統(tǒng)，采用ZigBee無線自組網(wǎng)技術(shù)，實現(xiàn)對車載用ZigBee移動終端、電子公交站牌用ZigBee路由器和公交子網(wǎng)絡(luò)末端用ZigBee協(xié)調(diào)器的硬件研發(fā)并組建城市公交運營監(jiān)控感知網(wǎng)，實現(xiàn)對各公交車輛到站信息的實時定位采集與電子播報，為出行者提供乘車便利；以WebGIS技術(shù)為核心并集成Oracle數(shù)據(jù)庫技術(shù)和GPRS無線通信技術(shù)研發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)用層，實現(xiàn)對各公交車輛的實時定位跟蹤與監(jiān)督調(diào)控以提高公交車輛的運營效率。系統(tǒng)的試運營，證明了ZigBee組網(wǎng)的高效性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃砸约跋到y(tǒng)功能的實用性。

關(guān)鍵詞:公交運營監(jiān)控系統(tǒng);紫蜂協(xié)議;網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng);通用分組無線服務(wù);數(shù)據(jù)庫

隨著我國城市化進(jìn)程的高速發(fā)展，交通擁擠狀況越來越嚴(yán)峻，急需對現(xiàn)有的交通運輸體系進(jìn)行高新技術(shù)改造，以著力發(fā)展載客量大、污染少、成本低、運輸效率高且低能耗等優(yōu)點的公共交通系統(tǒng)[1]。在城市公交系統(tǒng)建設(shè)上，美國城市公共交通管理局啟動了先進(jìn)的公共交通系統(tǒng)項目APTS，將通信系統(tǒng)、地理信息系統(tǒng)（GIS）、自動車輛定位系統(tǒng)(GPRS)、自動乘客計數(shù)、公交運營軟件和交通信號優(yōu)先等應(yīng)用于車隊管理中去，并為出行者提供最優(yōu)出行方式服務(wù)[2]。該項目有效的解決了交通擁擠、能源浪費和空氣污染等問題，提高了美國城市交通的工作效率和服務(wù)水平。日本東京交通局研發(fā)了城市公共交通綜合運輸控制系統(tǒng)，在運營中的公共汽車和控制室之間建立信息交換，并通過誘導(dǎo)和雙向通信的方式，將服務(wù)信息提供給公共汽車運營人員和駕駛?cè)藛T，同時這些信息也通過進(jìn)站汽車指示系統(tǒng)和公交與鐵路接駁信息系統(tǒng)提供給乘客。該系統(tǒng)實現(xiàn)對交通運營數(shù)據(jù)的累積、乘客的統(tǒng)計以及公交汽車運營狀況的實時監(jiān)控，更為乘客提供服務(wù)項目，包括進(jìn)站汽車指示、信息查詢和公共交通與鐵路信息提示等[3]。而歐洲一些國家則從城市的實際情況出發(fā)，大力發(fā)展公交優(yōu)先政策，設(shè)立公交優(yōu)先通行信號，并建立起完善的智能公交監(jiān)控與調(diào)度系統(tǒng)[4]。國內(nèi)，在北京、上海、杭州等多個城市也已經(jīng)開始了相關(guān)的規(guī)劃、建設(shè)和實踐。杭州是國內(nèi)率先將GPS應(yīng)用到公交車輛調(diào)度管理中的城市，其實現(xiàn)的功能主要包括車輛的監(jiān)控、定位、管理和查詢，實時的顯示車輛運行狀態(tài)等功能[5]。

綜上可見，該類系統(tǒng)的建設(shè)，均伴隨著初期的高成本技術(shù)投入和運營期的高維護(hù)費用，單就網(wǎng)絡(luò)流量費用而言，公交車輛越多，公交站點越多，公交區(qū)域面積越大，該項費用也就越高。因此，本文將采用不需要依附于任何外在網(wǎng)絡(luò)便能自組網(wǎng)成功的低成本ZigBee技術(shù)，并融合數(shù)據(jù)庫技術(shù)和地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)[6]，研發(fā)城市公交運營監(jiān)控系統(tǒng)（UBTMS），在實現(xiàn)系統(tǒng)建設(shè)前期的低成本投入與系統(tǒng)運營后期的低費用維護(hù)的基礎(chǔ)上，智能化輔助城市公交車輛的運營與調(diào)度管理，實現(xiàn)城市公交運營的高效率，并提高城市公交的服務(wù)水平。

1　系統(tǒng)架構(gòu)

UBTMS的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如圖1所示。其感知層是用于實時獲取各公交車輛運營信息的硬件網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，且根據(jù)城市區(qū)域的大小和公交線路的具體走向劃分為多個子系統(tǒng)，每個子系統(tǒng)均由安裝在各公交車輛上的ZigBee終端節(jié)點、集成電子公交站牌的ZigBee路由器節(jié)點和交通子網(wǎng)絡(luò)末端的ZigBee協(xié)調(diào)器節(jié)點組成，且采用樹簇狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)[7]并軟件實現(xiàn)自組網(wǎng)，實時采集、顯示并匯集該子系統(tǒng)內(nèi)的公交運營信息數(shù)據(jù)，一方面輔助乘車出行人員高效乘車，另一方面最終通過該子網(wǎng)絡(luò)末端的Zigbee協(xié)調(diào)器節(jié)點經(jīng)由GPRS無線通信模式發(fā)送至系統(tǒng)的應(yīng)用層。相鄰兩公交站點之間的無線通信距離，通過提高Zigbee通信模塊的發(fā)射功率和接收靈敏度來實現(xiàn)。其應(yīng)用層，采用網(wǎng)絡(luò)地理信息系統(tǒng)（WebGIS）技術(shù)并集成數(shù)據(jù)庫管理技術(shù)，實時采集并統(tǒng)計分析硬件感知層匯集而來的公交車輛運營信息，實現(xiàn)對各公交車輛的實時定位監(jiān)督與調(diào)控管理，以提高城市公交車輛的運營效率。

2　感知層研發(fā)

2.1各節(jié)點功能分析

2.1.1移動終端節(jié)點①安裝在公交車輛上的每一個移動終端節(jié)點，均設(shè)置唯一的節(jié)點編號，用于標(biāo)識所在車輛的基本信息，即車輛的路數(shù)、編號、車牌號、駕駛員信息；設(shè)定其通信距離為100 m；

②判定公交車輛的行駛方向并采集；

③搜尋車輛運行方向上離自身最近的路由器節(jié)點并發(fā)出入網(wǎng)請求，直到得到入網(wǎng)許可響應(yīng)；再將車輛的基本信息和運行方向信息，一同上傳給該路由器節(jié)點；

④判斷車輛是否駛離當(dāng)前站點。若移動節(jié)點依然能與該路由器節(jié)點通信，則判定車輛未駛離該站點，并不再傳遞信息給該站點的路由器節(jié)點；若移動節(jié)點不再能與該路由器節(jié)點通信，表示已超出移動節(jié)點的最大通訊距離并自動退出網(wǎng)絡(luò)，且釋放該路由器所在站點的基本信息。

⑤移動節(jié)點運行至車輛行駛方向上的下一個路由器節(jié)點，重復(fù)步驟②③④。

2.1.2路由器節(jié)點各路由器安放在公交車站上且與各路電子站牌集成。每個公交站點安放一個路由器節(jié)點。若兩個公交站點相離較遠(yuǎn)且已超出ZigBee最大通信距離，則在兩個公交站點之間的適當(dāng)位置增設(shè)一個路由器節(jié)點，但不集成任何電子公交站牌的相關(guān)功能。

圖1　系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浼軜?gòu)圖Fig.1 Network topology of UBTMS

圖2　ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點鋪設(shè)示意圖Fig.2 ZigBee net location and data transmission

如圖2的ZigBee節(jié)點鋪設(shè)與數(shù)據(jù)流向所示，通常情況下，公交車的運行方向是固定的，以M1為例，M1經(jīng)過站臺R15時，站臺R15記錄其到達(dá)時間，并將信號傳給下一站臺R16，R16接收到信號后，便會在站牌上顯示公交車的位置，并將信號逐級傳輸下去，傳輸流程為：R15-R16-R17，直至該線路的協(xié)調(diào)器節(jié)點為止。考慮到路口處的傳輸信號可能會被轉(zhuǎn)彎處的樓宇遮擋，因此在每個路口處放置了一個路由器，而路口處的路由器，通常會同時隸屬于多條公交線路，如圖中的R14、R13、R24和R25，因此該路由器中應(yīng)保存其隸屬線路的所有路由信息。M1途徑R15時，若此時R16節(jié)點發(fā)生故障，R15節(jié)點在多次發(fā)送數(shù)據(jù)未獲得回應(yīng)時，則途經(jīng)R15-R21-R17將位置和故障信息逐級傳遞下去，以有效降低系統(tǒng)的故障率。

集成電子公交站牌的路由器節(jié)點功能如下：

①標(biāo)識公交站點基本信息：每一個路由器節(jié)點，編號唯一，用于標(biāo)識公交站點信息，包括站點名稱、所在街道名稱、公交車輛的路數(shù)。

②接收前一站點路由器節(jié)點發(fā)來的數(shù)據(jù)并處理：沿車輛運行方向，接收來自前一個路由器節(jié)點的數(shù)據(jù)信息，包含公交車輛的路數(shù)、所達(dá)站點，并點亮自身所在站點上集成的電子站牌上該站點名稱的LED指示燈。

③接收新入網(wǎng)的移動終端節(jié)點的數(shù)據(jù)并處理：接收并判斷車輛運行方向上離自身50 m范圍內(nèi)的各移動終端節(jié)點的入網(wǎng)請求，并響應(yīng)允許入網(wǎng)。然后，采集新入網(wǎng)的各移動終端節(jié)點所發(fā)送的移動節(jié)點編號、車輛行駛方向、公交路數(shù)，并點亮該路站牌上此站點的LED指示燈。

④傳遞自身數(shù)據(jù)給下一個站點的路由器節(jié)點并處理：沿車輛行駛方向，將車輛路數(shù)及所在站點信息傳遞給下一個路由器節(jié)點，再按車輛路數(shù)點亮下一站點上相應(yīng)電子站牌的LED站點指示燈；

⑤判斷車輛是否離開：若路由器不再能掃描到某個移動節(jié)點，則表明該車輛已經(jīng)駛離該站點，則滅掉該站點上電子公交站牌的LED指示燈，以備即將開來的下一輛同路數(shù)的公交車使用。

2.1.3協(xié)調(diào)器節(jié)點每個協(xié)調(diào)器和所屬路由器節(jié)點組成一個ZigBee樹狀網(wǎng)絡(luò)，且通過GPRS通信功能板將相關(guān)信息傳輸給系統(tǒng)應(yīng)用層。系統(tǒng)上電后，協(xié)調(diào)器節(jié)點會首先對其所屬各節(jié)點的軟硬件進(jìn)行初始化，再掃描空信號道。若掃描到空信號道，則響應(yīng)路由器節(jié)點和移動終端節(jié)點的入網(wǎng)請求并允許它們?nèi)刖W(wǎng)，自動為它們分配網(wǎng)絡(luò)地址，從而完成所屬子網(wǎng)的自組網(wǎng)功能。

2.2硬件開發(fā)

2.2.1 ZigBee核心板ZigBee核心板是集成CC2530和CC2591的通信主板，是實現(xiàn)ZigBee自組網(wǎng)的核心。CC2530采用CMOS解決方案，內(nèi)部使用增強型8051內(nèi)核和頻率為2.4 GHz的射頻發(fā)射器，最大發(fā)射功率為4.5 dBm，適用于IEEE 802.15.4協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)下建立龐大的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，且成本低[8]。CC2530的數(shù)字內(nèi)核和外設(shè)由一個AMS117電壓模塊供電，并附有電源管理功能，以保證CC2530在不同供電模式下正常運行，實現(xiàn)降低功耗目的[8]。CC2591為射頻發(fā)射功率放大器，用于提高信號數(shù)據(jù)的傳輸距離。此外，增加排針P1實現(xiàn)對外圍電路的擴(kuò)展。該核心板的電路原理設(shè)計如圖3所示。

圖3　ZigBee核心板設(shè)計原理圖Fig.3 Schematic design of ZigBee core board

圖4　ZigBee移動終端設(shè)計原理圖Fig.4 Schematic design of ZigBee mobile terminal device

2.2.2移動終端節(jié)點該節(jié)點由ZigBee通信核心板和車輛行駛方向判別鍵功能板兩部分構(gòu)成。移動終端的原理如圖4所示。若車輛運行方向是從始發(fā)站到終點站，發(fā)車時駕駛員按下S1車輛上行鍵，同時點亮上行指示燈LED1；若車輛行駛方向是從終點站出發(fā)到始發(fā)站，發(fā)車時駕駛員則按下S2車輛下行鍵，同時點亮下行指示燈LED2。核心板負(fù)責(zé)把接收到的數(shù)據(jù)發(fā)送給車輛運行方向上鄰近的路由器節(jié)點。

2.2.3集成電子站牌的路由器節(jié)點集成電子站牌的路由器節(jié)點，由ZigBee通信核心板和站牌電子信息功能板構(gòu)成。其中，核心板負(fù)責(zé)采集各鄰近的移動終端以及上一級路由器節(jié)點所發(fā)送來的信息，并按車輛路數(shù)點亮站牌上相應(yīng)站點的LED燈，當(dāng)有屬于該站臺的公交車?？繒r，Zigbee核心通信板便會控制AP89170語音播放芯片，播放到站車輛的路數(shù)。然后將自身數(shù)據(jù)傳遞給下一個路由器節(jié)點。其功能結(jié)構(gòu)如圖5所示。

電子站牌上，采用了由PL2303芯片構(gòu)成的串口調(diào)試電路，用于對單個站點路由器進(jìn)行故障診斷與調(diào)試。接口采用通用型USB-B型接口，可以直接使用打印線連接電腦USB進(jìn)行調(diào)試。由于每個公交站臺會有多路公交車?？浚颐柯饭徽九粕蠒卸鄠€公交站點的名稱，因此使用多塊74HC138多路譯碼器芯片選通并驅(qū)動多個LED顯示燈。

2.2.4協(xié)調(diào)器節(jié)點協(xié)調(diào)器節(jié)點主要用于組網(wǎng)與信號匯總，然后由GPRS模塊將信息發(fā)送到系統(tǒng)應(yīng)用層。因此將協(xié)調(diào)器的硬件設(shè)計劃分為Zigbee通訊核心板、RS232串口和GPRS通信功能板三個部分。其功能結(jié)構(gòu)如圖6所示。

RS232串口是基于MAX232芯片進(jìn)行設(shè)計，GPRS通信功能版是華為GTM900C，其核心芯片為TC351，能夠支持標(biāo)準(zhǔn)的GSM命令。通過芯片啟動電路，SIM卡讀取模塊可通過MAX232串口讀取來自Zigbee協(xié)調(diào)器的數(shù)據(jù)并進(jìn)行GPRS傳輸。該模塊的供電和運行電壓分別為12 V和5 V。

2.3軟件組網(wǎng)

公交車輛運營系統(tǒng)的ZigBee無線組網(wǎng)通信的軟件開發(fā)，以Z-Stack協(xié)議棧為基礎(chǔ)，在IAR軟件環(huán)境下具體編寫，往各節(jié)點的CC2530中燒制程序時只需修改相應(yīng)的編譯選項就可實現(xiàn)不同的ZigBee節(jié)點類型[9]。該協(xié)議棧采用事件輪循機(jī)制，當(dāng)各層初始化后系統(tǒng)進(jìn)入低功耗模式，有事件發(fā)生時則喚醒系統(tǒng)并開始進(jìn)入中斷處理事件，結(jié)束后繼續(xù)進(jìn)入低功耗模式[10,11]。Z-Stack協(xié)議?？梢詫崿F(xiàn)復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)鏈接功能，并能極大的降低系統(tǒng)功耗，節(jié)約開發(fā)成本。

2.3.1協(xié)調(diào)器節(jié)點的自組網(wǎng)協(xié)調(diào)器上電后，首先對屬于該協(xié)調(diào)器的公交子網(wǎng)內(nèi)的軟硬件進(jìn)行初始化，隨后掃描各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的空信道并建立自己的網(wǎng)絡(luò)。處理系統(tǒng)事件時，頻帶會把幀BEACON_REQ發(fā)送給各節(jié)點信道。若在這個信道內(nèi)有對應(yīng)的幀BEACON_REQ進(jìn)行響應(yīng)，則表明該節(jié)點屬于另外一個協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器會自動切換信道并重復(fù)上述操作，直到掃描到?jīng)]有響應(yīng)的空信道為止并在該信道上建立新的網(wǎng)絡(luò)。

協(xié)調(diào)器組建好新的網(wǎng)絡(luò)后，便會一直處于工作狀態(tài)而不會休眠，不斷接收站臺路由器和車載終端設(shè)備發(fā)出的入網(wǎng)請求，并對符合入網(wǎng)條件的各節(jié)點發(fā)出入網(wǎng)響應(yīng)，再給每個節(jié)點分配一個唯一的網(wǎng)絡(luò)地址。當(dāng)移動節(jié)點離開網(wǎng)絡(luò)時，協(xié)調(diào)器分配給它的網(wǎng)絡(luò)地址也會被立即刪除。若節(jié)點收不到協(xié)調(diào)器的響應(yīng)，則會重復(fù)發(fā)出入網(wǎng)請求直到收到協(xié)調(diào)器的響應(yīng)為止。協(xié)調(diào)器的工作流程如圖7所示。

圖5　路由器節(jié)點設(shè)計原理圖Fig.5 Schematic design of ZigBee router device

圖6　協(xié)調(diào)器節(jié)點設(shè)計原理圖Fig.6 Schematic design of ZigBee coordinator device

2.3.2路由器節(jié)點與移動終端節(jié)點的通信實現(xiàn)①規(guī)則制定安裝在公交車輛上的各移動終端節(jié)點，發(fā)出唯一的16位標(biāo)識符，如表1所示：第0位為起始位；第1位，代表公交車行駛方向為上行（由始發(fā)站開往終點站）或下行（由終點站開往始發(fā)站）；其后6位，為公交車標(biāo)號，用于標(biāo)識公交車輛的路數(shù)和編號；第8位為奇偶校驗位；第9位為停止位，停止位后面是不定長的空閑位，停止位和空閑位都規(guī)定為高電平。安裝在公交站點并與電子站牌集成的各路由器節(jié)點，采用唯一的16位數(shù)據(jù)格式進(jìn)行標(biāo)識，如表2所示：第0位為起始位；第1位，標(biāo)識公交車輛的行駛方向，即用數(shù)字1表示上行（由始發(fā)站開往終點站），數(shù)字0表示下行（由終點站開往始發(fā)站）；其后6位，代表站臺標(biāo)號，用于唯一標(biāo)識某一確定站臺；第8位為奇偶校驗位；第9位為停止位，停止位后面是不定長的空閑位，停止位和空閑位都規(guī)定為高電平。該路由器，根據(jù)接收到的數(shù)據(jù)信息，點亮站牌上對應(yīng)線路的LED指示燈。

圖7　協(xié)調(diào)器組網(wǎng)工作流程圖Fig.7 Networking flowchart of ZigBee coordinator

圖8　路由器數(shù)據(jù)傳輸工作流程Fig.8 Data transmission flowchart of ZigBee router

表1　移動終端數(shù)據(jù)格式表Table 1 Data format of mobile terminal device

表2　路由器數(shù)據(jù)格式表Table 2 Data format of router device

②工作流程

路由器節(jié)點和移動終端節(jié)點工作流程如圖8所示。當(dāng)路由器接收到其他路由器廣播發(fā)來的數(shù)據(jù)時，先讀取前9位數(shù)據(jù)以判斷車輛行駛方向和車輛編號。若車輛行駛方向與公交站點路由器一致且該終端節(jié)點屬于該站臺路由器，則接收該終端的數(shù)據(jù)。反之，則不接收。然后，將接收到的數(shù)據(jù)與已經(jīng)存儲的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，若對比結(jié)果為不同，則路由器接收該數(shù)據(jù)，并存儲之后再向外廣播發(fā)送；若對比結(jié)果相同，路由器不做任何操作。根據(jù)路由器已存儲的數(shù)據(jù)中的中間五位確定公交車輛的路數(shù)，根據(jù)后五位確定公交站點名稱，再將路數(shù)和站點名稱發(fā)送給路由器集成的電子站牌以點亮對應(yīng)公交站點的LED指示燈，并以廣播的形式通知候車乘客幾路車將要到站。

當(dāng)路由器收到來自上一公交站牌的數(shù)據(jù)時，會首先判斷其前9位地址是否正確。若正確便開始接受數(shù)據(jù)并對數(shù)據(jù)信息做出相應(yīng)的顯示。然后將相應(yīng)的信息發(fā)送給下一路由器，如經(jīng)過多次發(fā)送不成功，則默認(rèn)為下一路由器故障，通過圖2所示的數(shù)據(jù)傳輸線路將故障信息轉(zhuǎn)發(fā)出去，以便工作人員及時排除故障。另外，邊界路由器安裝在兩個相鄰站點之間的適當(dāng)位置，不是真正的公交站點，因此，僅具有收發(fā)16位數(shù)據(jù)功能，不能識別來自公交車上的移動終端節(jié)點發(fā)出的16位數(shù)，并且接收到數(shù)據(jù)立即廣播不做任何操作。

2.4確定相鄰兩節(jié)點間的最大通信距離

一般情況下，城市兩相鄰公交站點的距離在400~500 m之間，城郊可能相距1000 m或更遠(yuǎn)距離[14]，而公交線路到站牌的距離一般不超過50 m。所以，在保證較低功耗的前提下，路由器節(jié)點間的傳輸距離越遠(yuǎn)越好。為了使終端節(jié)點能夠交替的接入不同站點路由器，并考慮到信號的干擾和衰減，終端節(jié)點的傳輸距離設(shè)為100 m。

因此，在布設(shè)ZigBee路由器節(jié)點時，只要適當(dāng)調(diào)整ZigBee核心板的相關(guān)參數(shù)讓其滿足兩相鄰公交站點之間的實際距離即可。若兩站點的距離超出兩路由器節(jié)點的設(shè)定距離，則在兩公交站點之間的適當(dāng)位置增加一個或一個以上的路由器節(jié)點用于數(shù)據(jù)傳輸即可。為了防止因街道轉(zhuǎn)彎造成的信號傳播受阻，在街道轉(zhuǎn)彎處同樣要配置一個路由器節(jié)點。

ZigBee組網(wǎng)中，兩節(jié)點間最大距離的測算公式如（1）所示[12,13]，

式中，oP為輸出功率，包括增益（dBm），rP為接收靈敏度（dBm），F(xiàn)m為衰減極限（dB），n

為路徑損耗因數(shù)，f為信號頻率（MHz），R為傳輸距離（m）。

在不考慮微波開關(guān)影響的情況下，設(shè)置各參數(shù)的值為oP=22 dBm，rP=-92 dBm，F(xiàn)m=10 dB，n=2，f=2450 MHz，此時R有最大值。將各參數(shù)帶入公式（1），得Rmax=1513.6 m（該距離未考慮天線增益)，滿足要求。考慮室外環(huán)境的信號影響，特設(shè)定rP=-90 dBm，其它參數(shù)值不變，得此時的通信距離R=1196 m，滿足一般情況下兩相鄰站點距離的通信要求。

根據(jù)之前移動終端節(jié)點與路由器之間的通信距離設(shè)在100 m，因此需要按照路由器的接收靈敏度和100 m的通信距離來確定移動終端節(jié)點的發(fā)射功率[15,16]：

R=100 m，rP=-90 dBm，n=2，f=2450 MHz，F(xiàn)m=10 dB時，變換公式（1），得公式（2）：

此時，計算得PO=0.223 dBm，即為移動終端的發(fā)射功率。令Pt=Po，即為移動終端（CC2530+CC2591）節(jié)點的輸出功率設(shè)定值。通過以上計算及最終的測試結(jié)果表明，路由器節(jié)點和終端節(jié)點的發(fā)射功率設(shè)定值分別為22 dBm和0.223 dBm時，節(jié)點間的通信完全滿足系統(tǒng)建設(shè)要求。若特殊狀況下，兩公交站點的距離很遠(yuǎn)，則需要提高ZigBee相鄰兩節(jié)點之間的傳輸距離，其方法有三種[14]：1.增加發(fā)射器輸出功率；2.提高接收器靈敏度；3.使用mesh網(wǎng)絡(luò)，增加中間節(jié)點（路由節(jié)點）數(shù)量。

3　系統(tǒng)應(yīng)用層研發(fā)

3.1研發(fā)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)應(yīng)用層，采用ArcGIS Server 10.0、Oracle11g和JavaScript分別作為系統(tǒng)的地理信息服務(wù)管理平臺、系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫服務(wù)管理平臺和應(yīng)用層功能開發(fā)工具，是集成海量數(shù)據(jù)管理與復(fù)雜應(yīng)用功能的WebGIS系統(tǒng)[17,18]。其海量數(shù)據(jù)是系統(tǒng)應(yīng)用層運行所需要的大量地理空間數(shù)據(jù)和其他相關(guān)的屬性數(shù)據(jù)，因此系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫劃分為道路交通網(wǎng)基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫、公交車輛基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫、公交運營綜合管理數(shù)據(jù)庫以及ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理綜合數(shù)據(jù)庫構(gòu)成，其中道路交通網(wǎng)基礎(chǔ)地理空間數(shù)據(jù)庫，主要實現(xiàn)對道路交通網(wǎng)的地域空間數(shù)據(jù)進(jìn)行管理與維護(hù)，根據(jù)市政規(guī)劃及道路的改擴(kuò)建，及時修正地理信息，實現(xiàn)對道路交通網(wǎng)及時有效的管理與維護(hù)；公交車輛基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)庫，主要實現(xiàn)對公交車牌號、車型、生產(chǎn)信息、購置信息、維修信息、常規(guī)運行路線的綜合管理與維護(hù)；公交運營綜合管理數(shù)據(jù)庫，主要負(fù)責(zé)各公交車輛運行過程中的所產(chǎn)生的實際運行路線、到站情況、運行故障等數(shù)據(jù)的管理與維護(hù)；ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理綜合數(shù)據(jù)庫，以每個子ZigBee網(wǎng)絡(luò)為單元，獨立存儲并維護(hù)各單元中的ZigBee移動終端節(jié)點、路由器節(jié)點以及協(xié)調(diào)器節(jié)點的地理信息、運行信息、故障信息以及故障恢復(fù)信息等。系統(tǒng)應(yīng)用層技術(shù)架構(gòu)如圖9所示。

圖9　系統(tǒng)應(yīng)用層技術(shù)架構(gòu)Fig.9 Application layer of the system

3.2功能實現(xiàn)

(1)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理：分為道路交通網(wǎng)和公交車輛基礎(chǔ)信息管理兩部分。道路交通網(wǎng)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)管理，是根據(jù)市政規(guī)劃及改擴(kuò)建，及時刪減、修正及完善各公交線路的地理信息數(shù)據(jù)，實現(xiàn)交通網(wǎng)絡(luò)地理信息的管理與維護(hù)。公交車輛基礎(chǔ)信息管理，是根據(jù)公交車輛的增減、故障維護(hù)以及路線調(diào)整等信息，對公交車輛的基礎(chǔ)信息進(jìn)行及時的管理與維護(hù)。

(2)ZigBee網(wǎng)絡(luò)管理：實現(xiàn)對ZigBee各網(wǎng)絡(luò)節(jié)點設(shè)備的實時定位監(jiān)測、故障診斷以及組網(wǎng)與離網(wǎng)等環(huán)節(jié)的管理與維護(hù)，及時排除設(shè)備故障點，以確保整個監(jiān)控系統(tǒng)的正確運行。ZigBee網(wǎng)絡(luò)節(jié)點管理如圖10（A）所示。

(3)公交運營管理：通過ZigBee網(wǎng)絡(luò)，實時獲取各公交車輛的的運行信息，并監(jiān)控各車輛的運行狀況，統(tǒng)計分析并評價公交車輛的運營與調(diào)度管理決策的符合程度。公交運行實時監(jiān)控如圖10（B）所示。

圖10　系統(tǒng)應(yīng)用層功能界面Fig.10 Function interface of UBTMS’applied layer

(4)公交調(diào)度和信息發(fā)布：根據(jù)專家知識，對采集到的數(shù)據(jù)信息進(jìn)行統(tǒng)計分析，獲得最優(yōu)的公交調(diào)度方法，并向市民提供實時的公交運行信息。

(5)出行查詢：以道路網(wǎng)和公交線路網(wǎng)為數(shù)據(jù)支持，為市民提供公交查詢和出行線路規(guī)劃等服務(wù)，根據(jù)用戶的需求進(jìn)行查詢分析，以電子地圖和文字描述的形式將信息直觀的展示給用戶。

4　結(jié)論

將ZigBee無線自組網(wǎng)技術(shù)和WebGIS技術(shù)應(yīng)用到城市公交運營監(jiān)控系統(tǒng)的研發(fā)中，既提高了公交系統(tǒng)的運營效率和管理水平，又方便了市民的乘車出行。采用ZigBee技術(shù)研發(fā)的車載移動終端、集成電子站牌的路由器和協(xié)調(diào)器，在不依賴于任何外網(wǎng)的條件下，既能夠按照街道走向?qū)崿F(xiàn)靈活的無線自組網(wǎng)運行模式，實時感知并獲取公交車輛的運營信息，為城市居民的出行和城市公交線路的運營管理提供信息參考和技術(shù)上的支持，又在很大程度上簡化了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的布設(shè)難度、降低了依附外網(wǎng)造成的網(wǎng)絡(luò)流量費用。采用WebGIS技術(shù)研發(fā)的系統(tǒng)應(yīng)用層，實現(xiàn)了對各道路交通網(wǎng)、公交線路網(wǎng)以及各公交車輛的運行數(shù)據(jù)在實時監(jiān)控與統(tǒng)計分析上的地域空間展布與專題渲染，更形象直觀服務(wù)于公交調(diào)度管理者并輔助管理者者根據(jù)市政規(guī)劃與改擴(kuò)建及時改善并完善公交運營調(diào)控決策。試運行過程中，該系統(tǒng)體現(xiàn)了網(wǎng)絡(luò)組建的可靠性、數(shù)據(jù)傳輸?shù)母咝砸约胺?wù)于出行者和調(diào)度管理者的實用性等特點，使得該系統(tǒng)獲得了相關(guān)單位的認(rèn)可，目前正在智能性上進(jìn)一步完善。

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Urban Bus Transportation Monitoring System Combining ZigBeeand WebGIS

WANGSu-zhen1,2,ZHANGDe-hua1,JINFeng-xiang2*,WENJi-qing1,WANGGeng-shan1

1. College of Automation Engineering/Qingdao Technological University, Qingdao 266520, China
2. College of Geomatics/Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266520, China

Abstract:This paper applied the technologies of ZigBee wireless communication and Web Geographic Information System (WebGIS) to develop Urban Bus Transportation Monitoring System (UBTMS). The information acquisition net hardware of UBTMS consists of ZigBee mobile terminals for each bus, the ZigBee routers with electronic bus station boards for every bus station and the ZigBee coordinator for the end node of bus transportation sub-net. The system was developed using ZigBee technology to collect and broadcast timely bus running information for the conveniences of passengers. UBTMS software applied layer was developed by the key technology of WebGIS integrating Oracle and GPRS to realize real-time location tracking, monitoring, and regulation management for urban bus system and this can improve bus operational efficiency greatly. In the test operation, UBTMS showed the feasibility of ZigBee networking, effectiveness of data transmission and practicability of system functions.

Keywords:Bus transportation monitoring system; ZigBee; WebGIS; GPRS; oracle

*通訊作者:Author for correspondence. E-mail:fxjin@sdjzu.edu.cn

作者簡介:王素珍(1975-),女,博士后,副教授,主要從事電氣自動化及智能技術(shù)系統(tǒng)的研究與開發(fā). E-mail:wangsuzhen2020@163.com

基金項目:中國博士后基金項目(2013M541939);國家科技部十二五規(guī)劃科技支撐項目(2013M541939)

收稿日期:2015-03-25修回日期: 2015-06-14

中圖法分類號:TM723

文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A

文章編號:1000-2324(2015)04-0588-08