基于ZigBee的智能公交系統設計

　近年來(lái)，隨著(zhù)我國的城市發(fā)展速度越來(lái)越快。城市人口數量和市民擁有的私家車(chē)數量逐年遞增，使得城市交通擁堵現象日益惡化，交通擁堵?tīng)顩r嚴重成為我國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(chē)難的問(wèn)題困擾著(zhù)每個(gè)人，同時(shí)帶來(lái)的環(huán)境污染現象也十分嚴重。

　　根據國內外對車(chē)輛定位技術(shù)的研究總體水平可以得出，目前現有的定位技術(shù)都有自身的優(yōu)缺點(diǎn)。通過(guò)目前對車(chē)輛定位技術(shù)的研究可得知，最佳的方案是選擇多種系統的數據信息融合之后根據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(lài)越來(lái)越強，對交通服務(wù)質(zhì)量水平的要求越來(lái)越高，如果能將公交車(chē)的到站信息和車(chē)輛信息及時(shí)準確的通知給候車(chē)的人們，將對緩解上下班高峰期時(shí)候車(chē)站人員擁堵的情況起著(zhù)重要的作用。通過(guò)安裝在公交候車(chē)站牌上信息提示系統將會(huì )向候車(chē)的人們提供即將到站的車(chē)次到站時(shí)間和車(chē)上的人員情況，同時(shí)還可以知道下一班車(chē)的大概到站時(shí)間，這樣就能使要候車(chē)的乘客可以根據自己的需求提前的做好準備，為乘客出行提供方便。

　　1 系統設計方案

　　該系統采用ZigBee無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )技術(shù)，及時(shí)、準確的將公交車(chē)輛的具體位置反映到公交調度站計算機系統并及時(shí)發(fā)布到行車(chē)路線(xiàn)站點(diǎn)，使乘客與調度人員能夠對當前線(xiàn)路上的公交車(chē)的行駛狀況和分布情況有所掌握。乘客能夠了解當前車(chē)輛的行駛信息；調度人員能夠根據車(chē)輛的實(shí)時(shí)運行數據合理安排和調度。當發(fā)生突發(fā)事件時(shí)（如堵車(chē)、車(chē)輛損壞等）調度中心可以做出更加合理的調度安排，并且能夠有效的避免公交司機出現早退的現象。

　　智能公交系統能夠根據車(chē)輛的位置與車(chē)輛的平均速度估算出到達下一站的時(shí)間。公交車(chē)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(chē)輛信息；同時(shí)位置信息通過(guò)ZigBee節點(diǎn)問(wèn)的轉發(fā)最終傳送至調度中心，供調度人員調度與分配車(chē)輛。本系統中應用車(chē)輛定位跟蹤技術(shù)，能夠了解線(xiàn)路上的客流分布情況，為制定行車(chē)時(shí)刻表提供依據，同時(shí)，能夠有效解決公交車(chē)輛運營(yíng)現狀，提高車(chē)輛管理水平。

　　2 系統硬件設計

　　智能公交系統下位機硬件平臺由CC2430/2431芯片、網(wǎng)關(guān)系統、無(wú)線(xiàn)參考節點(diǎn)和定位節點(diǎn)組成，并采用無(wú)線(xiàn)定位機制對正在行駛的車(chē)輛進(jìn)行定位并對定位數據進(jìn)行采集與轉發(fā)。

　　2.1 ZigBee無(wú)線(xiàn)定位單片機CC2430/CC2431

　　CC2430/CC2431芯片是在CC2420芯片架構基礎上開(kāi)發(fā)完成的，在芯片上整合了微控制器、內存和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/數轉換器（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、掉電檢測電路、上電復位電路和21個(gè)可編程I/O引腳組成。 

　　2.2 網(wǎng)關(guān)系統

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

　　2.3 無(wú)線(xiàn)參考節點(diǎn)和定位節點(diǎn)

　　該模塊中含有CC2430/CC2431,是一款符合IEEE802.15.4標準的ZigBee無(wú)線(xiàn)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(fǎng)問(wèn)控制子層實(shí)現數據的無(wú)線(xiàn)通信。

　　2.4 ZigBee無(wú)線(xiàn)定位系統

　　ZigBee無(wú)線(xiàn)定位系統包括兩部分組成：無(wú)線(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò )和上位機監控軟件。本系統中無(wú)線(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò )節點(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(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò )主要是由終端節點(diǎn)、參考節點(diǎn)和網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)組成；

　　3 系統軟件設計

　　3.1 智能公交系統下位機設計

　　智能公交系統結構總體設計如圖2所示，將帶有定位引擎功能的CC2431芯片部署到公交車(chē)輛上，這時(shí)，CC2431在整個(gè)無(wú)線(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò )中充當終端節點(diǎn)的角色。將CC2430芯片部署到公交線(xiàn)路沿線(xiàn)兩旁與公交站牌和路燈等固定交通設施上，CC2430在無(wú)線(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò )中充當參考節點(diǎn)的角色。網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)部署在離調度中心里并通過(guò)RS232串口數據線(xiàn)與調度中心的服務(wù)器相連接。首先由參考節點(diǎn)自動(dòng)組成一個(gè)具有自組織特性的網(wǎng)絡(luò )系統，并開(kāi)始向終端節點(diǎn)發(fā)送自己的位置坐標信息及RSSI值。不斷移動(dòng)的終端節點(diǎn)接收到離自己最近的參考節點(diǎn)的信息后，通過(guò)自身的定位引擎計算出自己的坐標并發(fā)送給網(wǎng)絡(luò )中的網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)，網(wǎng)關(guān)節點(diǎn)接收到數據后上傳至上位機作進(jìn)一步處理。如果需要對公交車(chē)輛進(jìn)行調度管理，可以由調度中心發(fā)出指令指揮車(chē)輛的調度工作。 

　　3.1.1 智能公交系統終端節點(diǎn)工作流程

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

　　終端節點(diǎn)在網(wǎng)絡(luò )中發(fā)送連接請求后，與離自己最近的參考節點(diǎn)進(jìn)行通信，通過(guò)參考節點(diǎn)的坐標值和RSSI值并根據輸入參數（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(guān)節點(diǎn)并最終通過(guò)RS232串口數據線(xiàn)傳送至調度中心的服務(wù)器上。 

　　智能公交系統網(wǎng)絡(luò )層主要負責組網(wǎng)以及路由等數據傳輸的功能，在智能公交系統的網(wǎng)絡(luò )中，主要存在3種數據類(lèi)型：數據從公交車(chē)發(fā)往中心節點(diǎn)、數據從站臺節點(diǎn)發(fā)往中心節點(diǎn)、數據從中心節點(diǎn)發(fā)往站臺節點(diǎn)。

　　網(wǎng)絡(luò )層最主要的功能就是完成數據的轉發(fā)。網(wǎng)絡(luò )層數據服務(wù)實(shí)體服務(wù)訪(fǎng)問(wèn)點(diǎn)完成在對等應用實(shí)體之間傳送應用協(xié)議數據單元（APDU）；網(wǎng)絡(luò )層管理服務(wù)實(shí)體服務(wù)訪(fǎng)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 系統上位機軟件的設計

　　智能公交系統上位機軟件采用Visual C++6.0平臺開(kāi)發(fā)。上位機軟件分為串行通信模塊、數據接收模塊、數據處理模塊、數據顯示模塊和數據保存模塊，將數據通過(guò)RS232串口數據線(xiàn)傳至PC機上后上位機軟件完成對數據的顯示與處理。

　　智能公交系統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(guò)無(wú)線(xiàn)定位網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據的傳輸，避免了布線(xiàn)的麻煩。上位機采用VC6.0進(jìn)行開(kāi)發(fā)，具有友好的界面，是一個(gè)數據監控與存儲中心。如圖4所示。 

　　4 測試

　　人機界面主要用于完成與用戶(hù)的信息交互，通過(guò)界面的顯示，將串口接收到的車(chē)輛信息展示給用戶(hù)，用戶(hù)通過(guò)對信息的分析，從而有效地管理車(chē)輛的運行與調度情況。因此在本系統的開(kāi)發(fā)過(guò)程中友好和便捷的人機界面設計和實(shí)現就顯得非常重要。系統的整個(gè)框架和人機界面工作的完成使得后續開(kāi)發(fā)工作更加條理化。 

　　圖5為智能公交系統的車(chē)輛信息查詢(xún)界面，從圖中可以看到車(chē)輛ID,目前在哪條線(xiàn)路，經(jīng)過(guò)了幾個(gè)站臺。 

　　圖6為智能公交系統的線(xiàn)路信息查詢(xún)界面，從圖中可以看到線(xiàn)路名，站臺號和站臺的名字。

　　文中對上位機軟件進(jìn)行總體設計并對系統的整體功能進(jìn)行劃分，針對系統中用到的通信協(xié)議、數據庫、各個(gè)模塊進(jìn)行分析與討論，設計出了一種較為可行的監控系統并對系統中的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行說(shuō)明。最后在系統實(shí)現后進(jìn)行了上位機的功能測試與模擬測試。

　　5 結論

　　ZigBee是一種低速率、低成本、高可靠性的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)。文中針對當前擁堵的交通問(wèn)題，并對當前公共交通系統的環(huán)境進(jìn)行分析，最終設計并實(shí)現了基于ZigBee技術(shù)的智能公交系統平臺。該系統能夠將公交車(chē)輛的行車(chē)具體位置準確的傳送到調度中心并通過(guò)調度中心將數據及時(shí)發(fā)布到站臺電子顯示屏上，使乘客與調度人員能夠及時(shí)掌握公交車(chē)輛當前所在的具體位置。由調度中心進(jìn)行車(chē)輛的實(shí)時(shí)監控，能夠有效完成對車(chē)輛的調度與安排。通過(guò)實(shí)驗驗證了本系統能夠穩定、高效的運行，具有一定的應用價(jià)值。

基于ZigBee的智能公交系統設計