基于ZigBee的智能公交系統(tǒng)設計

近年來，隨著我國的城市發(fā)展速度越來越快。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，交通擁堵狀況嚴重成為我國大中型城市面臨的共同問題，而擁堵狀況造成的市民乘車難的問題困擾著每個人，同時帶來的環(huán)境污染現(xiàn)象也十分嚴重。

根據(jù)國內(nèi)外對車輛定位技術的研究總體水平可以得出，目前現(xiàn)有的定位技術都有自身的優(yōu)缺點。通過目前對車輛定位技術的研究可得知，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，人們對公共交通的依賴越來越強，對交通服務質(zhì)量水平的要求越來越高，如果能將公交車的到站信息和車輛信息及時準確的通知給候車的人們，將對緩解上下班高峰期時候車站人員擁堵的情況起著重要的作用。通過安裝在公交候車站牌上信息提示系統(tǒng)將會向候車的人們提供即將到站的車次到站時間和車上的人員情況，同時還可以知道下一班車的大概到站時間，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備，為乘客出行提供方便。

1 系統(tǒng)設計方案

該系統(tǒng)采用ZigBee無線傳感器網(wǎng)絡技術，及時、準確的將公交車輛的具體位置反映到公交調(diào)度站計算機系統(tǒng)并及時發(fā)布到行車路線站點，使乘客與調(diào)度人員能夠?qū)Ξ斍熬€路上的公交車的行駛狀況和分布情況有所掌握。乘客能夠了解當前車輛的行駛信息;調(diào)度人員能夠根據(jù)車輛的實時運行數(shù)據(jù)合理安排和調(diào)度。當發(fā)生突發(fā)事件時(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下一站的時間。公交車輛的位置信息通過ZigBee網(wǎng)絡傳送至公交站牌并通過電子顯示屏展示給乘客，使乘客隨時了解所要乘坐的車輛信息;同時位置信息通過ZigBee節(jié)點問的轉(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)中應用車輛定位跟蹤技術，能夠了解線路上的客流分布情況，為制定行車時刻表提供依據(jù)，同時，能夠有效解決公交車輛運營現(xiàn)狀，提高車輛管理水平。

2 系統(tǒng)硬件設計

智能公交系統(tǒng)下位機硬件平臺由CC2430/2431芯片、網(wǎng)關系統(tǒng)、無線參考節(jié)點和定位節(jié)點組成，并采用無線定位機制對正在行駛的車輛進行定位并對定位數(shù)據(jù)進行采集與轉(zhuǎn)發(fā)。

2.1 ZigBee無線定位單片機CC2430/CC2431

CC2430/CC2431芯片是在CC2420芯片架構(gòu)基礎上開發(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)、定時器(Timer)、AES128協(xié)同處理器、32 kHz晶振帶休眠模式定時器、看門狗定時器、掉電檢測電路、上電復位電路和21個可編程I/O引腳組成。

2.2 網(wǎng)關系統(tǒng)

網(wǎng)關系統(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無線模塊接口、可調(diào)電阻、LED、小鍵盤、電源接口和RS-232接口。

2.3 無線參考節(jié)點和定位節(jié)點

該模塊中含有CC2430/CC2431，是一款符合IEEE802.15.4標準的ZigBee無線網(wǎng)絡模塊。CC2430/CC2431模塊具有ZigBee/802.15.4的物理層和硬件層，且可通過物理層和媒體訪問控制子層實現(xiàn)數(shù)據(jù)的無線通信。

2.4 ZigBee無線定位系統(tǒng)

ZigBee無線定位系統(tǒng)包括兩部分組成：無線定位網(wǎng)絡和上位機監(jiān)控軟件。本系統(tǒng)中無線定位網(wǎng)絡節(jié)點采用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。無線定位網(wǎng)絡主要是由終端節(jié)點、參考節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點組成;

3 系統(tǒng)軟件設計

3.1 智能公交系統(tǒng)下位機設計

智能公交系統(tǒng)結(jié)構(gòu)總體設計如圖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，CC2431在整個無線定位網(wǎng)絡中充當終端節(jié)點的角色。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施上，CC2430在無線定位網(wǎng)絡中充當參考節(jié)點的角色。網(wǎng)關節(jié)點部署在離調(diào)度中心里并通過RS232串口數(shù)據(jù)線與調(diào)度中心的服務器相連接。首先由參考節(jié)點自動組成一個具有自組織特性的網(wǎng)絡系統(tǒng)，并開始向終端節(jié)點發(fā)送自己的位置坐標信息及RSSI值。不斷移動的終端節(jié)點接收到離自己最近的參考節(jié)點的信息后，通過自身的定位引擎計算出自己的坐標并發(fā)送給網(wǎng)絡中的網(wǎng)關節(jié)點，網(wǎng)關節(jié)點接收到數(shù)據(jù)后上傳至上位機作進一步處理。如果需要對公交車輛進行調(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。

3.1.1 智能公交系統(tǒng)終端節(jié)點工作流程

智能公交系統(tǒng)中的節(jié)點包括終端節(jié)點、參考節(jié)點和網(wǎng)關節(jié)點。其中，終端節(jié)點是一種定位節(jié)點，它通過接收定位區(qū)域內(nèi)的所有參考節(jié)點的RSSI值后，經(jīng)過定位算法計算出自身坐標位置。參考節(jié)點的坐標位置是固定值，但不參與定位計算。一個定位區(qū)域通常由8個參考節(jié)點組成。將CC2431作為定位節(jié)點，CC2430和網(wǎng)絡擴展板組合形成網(wǎng)關系統(tǒng)，最終通過擴展板上的串口與計算機相連。終端節(jié)點根據(jù)所在定位區(qū)域內(nèi)的參考節(jié)點發(fā)送來的RSSI值，利用RSSI定位算法計算出自身所在的坐標位置。圖3為終端節(jié)點工作流程圖。

終端節(jié)點在網(wǎng)絡中發(fā)送連接請求后，與離自己最近的參考節(jié)點進行通信，通過參考節(jié)點的坐標值和RSSI值并根據(jù)輸入?yún)?shù)(A、N)計算出自身的坐標位置。將此坐標信息發(fā)送至網(wǎng)關節(jié)點并最終通過RS232串口數(shù)據(jù)線傳送至調(diào)度中心的服務器上。

3.1.2 智能公交系統(tǒng)網(wǎng)絡層設計

智能公交系統(tǒng)網(wǎng)絡層主要負責組網(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、數(shù)據(jù)從站臺節(jié)點發(fā)往中心節(jié)點、數(shù)據(jù)從中心節(jié)點發(fā)往站臺節(jié)點。

網(wǎng)絡層最主要的功能就是完成數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)發(fā)。網(wǎng)絡層數(shù)據(jù)服務實體服務訪問點完成在對等應用實體之間傳送應用協(xié)議數(shù)據(jù)單元(APDU);網(wǎng)絡層管理服務實體服務訪問點完成在上層和網(wǎng)絡層管理服務實體之間傳送命令幀。

3.2 系統(tǒng)上位機軟件的設計

智能公交系統(tǒng)上位機軟件采用Visual C++6.0平臺開發(fā)。上位機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RS232串口數(shù)據(jù)線傳至PC機上后上位機軟件完成對數(shù)據(jù)的顯示與處理。

智能公交系統(tǒng)由下位機與上位機兩部分組成。下位機主要包括硬件模塊CC2431與CC2430，通過無線定位網(wǎng)絡進行數(shù)據(jù)的傳輸，避免了布線的麻煩。上位機采用VC6.0進行開發(fā)，具有友好的界面，是一個數(shù)據(jù)監(jiān)控與存儲中心。如圖4所示。

4 測試

人機界面主要用于完成與用戶的信息交互，通過界面的顯示，將串口接收到的車輛信息展示給用戶，用戶通過對信息的分析，從而有效地管理車輛的運行與調(diào)度情況。因此在本系統(tǒng)的開發(fā)過程中友好和便捷的人機界面設計和實現(xiàn)就顯得非常重要。系統(tǒng)的整個框架和人機界面工作的完成使得后續(xù)開發(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)過了幾個站臺。

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，站臺號和站臺的名字。

文中對上位機軟件進行總體設計并對系統(tǒng)的整體功能進行劃分，針對系統(tǒng)中用到的通信協(xié)議、數(shù)據(jù)庫、各個模塊進行分析與討論，設計出了一種較為可行的監(jiān)控系統(tǒng)并對系統(tǒng)中的關鍵技術進行說明。最后在系統(tǒng)實現(xiàn)后進行了上位機的功能測試與模擬測試。

5 結(jié)論

ZigBee是一種低速率、低成本、高可靠性的無線通信技術。文中針對當前擁堵的交通問題，并對當前公共交通系統(tǒng)的環(huán)境進行分析，最終設計并實現(xiàn)了基于ZigBee技術的智能公交系統(tǒng)平臺。該系統(tǒng)能夠?qū)⒐卉囕v的行車具體位置準確的傳送到調(diào)度中心并通過調(diào)度中心將數(shù)據(jù)及時發(fā)布到站臺電子顯示屏上，使乘客與調(diào)度人員能夠及時掌握公交車輛當前所在的具體位置。由調(diào)度中心進行車輛的實時監(jiān)控，能夠有效完成對車輛的調(diào)度與安排。通過實驗驗證了本系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、高效的運行，具有一定的應用價值。