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智能交通系統(tǒng)的ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

作者: 時(shí)間:2014-11-18 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

  根據(jù)交通系統(tǒng)的具體特點(diǎn),提出了一種基于和GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)城市交通干線的覆蓋思路,給出了基于協(xié)議的鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法。該方法可通過計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的RSSI值來實(shí)現(xiàn)智能報(bào)站和智能定位功能。

本文引用地址:http://m.butianyuan.cn/article/265564.htm

  0引言

  借助于無線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議在系統(tǒng)中對(duì)保證傳輸高效、穩(wěn)定有重要作用。然而,協(xié)議支持的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是星型、樹狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),和交通系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不是很吻合。系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)自組織功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò),因此,本文根據(jù)系統(tǒng)本身的特點(diǎn)來設(shè)計(jì)與之相符合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),并提出了其在智能報(bào)站和定位上的應(yīng)用。

  1 FFD和RFD相結(jié)合的鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

  在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中,通常需要兩種不同類型的設(shè)備:FFD(具有完整功能的設(shè)備)和RFD(簡(jiǎn)化功能的設(shè)備)。其中,F(xiàn)FD通常有三種工作狀態(tài):主協(xié)調(diào)器、路由器設(shè)備和終端設(shè)備。

  為了能夠和交通管理中心取得聯(lián)系,通常需要在車輛上安裝RFD節(jié)點(diǎn);而要與交通管理中心取得聯(lián)系,就必須加入一種帶有高速數(shù)據(jù)處理技術(shù)(GPRS)相結(jié)合的FFD節(jié)點(diǎn)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器,當(dāng)然,還必須要有FFD作為路由節(jié)點(diǎn)。所有的RFD和FFD相結(jié)合,將成為一種鏈狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。



 1.1 FFD鏈頭作為協(xié)調(diào)器

  通常其在鏈中的位置設(shè)置為0,當(dāng)此FFD收到了組網(wǎng)的命令時(shí),根據(jù)交通系統(tǒng)的要求設(shè)置以廣播的方式發(fā)出組網(wǎng)幀。該幀中必須攜帶有一個(gè)字節(jié)用于表示節(jié)點(diǎn)的位置信息,該節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建立和遠(yuǎn)程控制部門的信息交換。

  1.2鏈接節(jié)點(diǎn)RFD

  當(dāng)接收到廣播后,會(huì)先把源節(jié)點(diǎn)的地址信息保存起來,并且通知源節(jié)點(diǎn)已經(jīng)收到了廣播,之后將攜帶有位置信息的組網(wǎng)幀廣播出去,網(wǎng)幀中攜帶的位置字段是被修改后的新的位置信息。上一級(jí)節(jié)點(diǎn)收到了應(yīng)答消息后,會(huì)把下一級(jí)節(jié)點(diǎn)的地址信息保存起來。RFD節(jié)點(diǎn)確定自己在鏈中位置的方法是將收到組網(wǎng)幀的位置字段的信息加1,廣播信息按照這種方式一直一環(huán)扣一環(huán)傳遞傳播下去,直到位置字段的信息到了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)規(guī)定的最大路由級(jí)數(shù)。

  1.3路由器節(jié)點(diǎn)

  一般可以安裝在兩個(gè)公交站點(diǎn)之間的電線桿上,主要負(fù)責(zé)上下行不同網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)信息的交換以及處理移動(dòng)車輛信息的交換。

 2 RFD與FFD節(jié)點(diǎn)的有效距離研究

  我們是通過接收到的信號(hào)強(qiáng)度來確定節(jié)點(diǎn)之間距離的,天線接收到的無線電波,經(jīng)過反向通道基帶接收濾波器后,接收機(jī)測(cè)量電路可以得到接收機(jī)輸入的平均信號(hào)強(qiáng)度指示,這個(gè)信號(hào)強(qiáng)度指示值我們用RSSI(Received Signal Strength Indication)來表示,通過這個(gè)信號(hào)強(qiáng)度的值可以確定出移動(dòng)車輛與FFD的有效距離。

  在基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI的定位中,已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度,接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到信號(hào)的強(qiáng)度,計(jì)算出信號(hào)的傳播模型,利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)P蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離,再利用已有的算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置?;窘邮盏接脩艄?jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度和基站與節(jié)點(diǎn)之間距離的關(guān)系式為:

  其中,P(d)表示基站接收到用戶節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度;P(d0)表示基站接收到在參考點(diǎn):d0表示發(fā)送表示發(fā)信號(hào)的強(qiáng)度,假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度相同:n表示路徑長(zhǎng)度和路徑損耗之間的比例因子,依賴于建筑物的結(jié)構(gòu)和使用的材料;d表示需要計(jì)算的節(jié)點(diǎn)和基站間距離;nW表示節(jié)點(diǎn)和基站間墻壁個(gè)數(shù);C表示信號(hào)穿過墻壁個(gè)數(shù)的閾值;WAF表示信號(hào)穿過墻壁的衰減因子,依賴于建筑物的結(jié)構(gòu)和使用的材料。

  RSSI值和節(jié)點(diǎn)距離關(guān)系的測(cè)試:在測(cè)試和應(yīng)用中,相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離不同,節(jié)點(diǎn)設(shè)置的功率增益也不同。分別在功率增益為-9 dBm和0 dBm時(shí),調(diào)節(jié)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的距離,測(cè)量不同的RSSI值。將測(cè)試結(jié)果和式(1)進(jìn)行比較,可以發(fā)現(xiàn),RSSI值和距離之間的關(guān)系并不完全和式(1)計(jì)算的結(jié)果相吻合。這是由于采用RSSI值對(duì)距離的測(cè)量并不是非常精確,會(huì)受到周圍環(huán)境以及氣候的影響。但在本應(yīng)用中,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)之間的距離只需要一個(gè)大致的評(píng)價(jià),并不需要達(dá)到很高的精度,所以,RSSI值對(duì)判斷公交車與臨時(shí)停靠站之間的距離是很有用的參數(shù)。

  3公交車報(bào)站功能的實(shí)現(xiàn)

  圖1中的小圈代表在道路上行駛的交通車輛,這些交通車輛上面也攜帶有ZigBee節(jié)點(diǎn)。當(dāng)攜帶有ZigBee節(jié)點(diǎn)的車輛接收到了來自站臺(tái)的ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送過來的信息后,會(huì)對(duì)RSSI值進(jìn)行判斷。當(dāng)RSSI值達(dá)到了設(shè)定的閾值后,可以假設(shè)移動(dòng)的車輛已經(jīng)到達(dá)了臨時(shí)??奎c(diǎn)。公交車的igBee節(jié)點(diǎn)會(huì)向臨時(shí)??空镜墓?jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)到站信息,其中攜帶有自己的車牌號(hào)碼、司機(jī)姓名等信息。臨時(shí)??奎c(diǎn)的ZigBee節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)數(shù)據(jù)幀后,會(huì)根據(jù)車牌號(hào)碼去查詢數(shù)據(jù)庫,然后將站臺(tái)信息發(fā)給公交車的ZigBee節(jié)點(diǎn)。獲得了臨時(shí)??奎c(diǎn)返回的數(shù)據(jù)幀后,ZigBee節(jié)點(diǎn)會(huì)提取出有用的信息,并通過語音系統(tǒng)在公交車上廣播站臺(tái)信息,提示乘客到站下車,下站乘客做好下車準(zhǔn)備。公交車廣播了站臺(tái)信息后,ZigBee節(jié)點(diǎn)會(huì)繼續(xù)給臨時(shí)??空竟?jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)離站的數(shù)據(jù)幀,通知臨時(shí)停靠站的節(jié)點(diǎn)車牌號(hào)碼為XXXX的公交車已經(jīng)離開了該臨時(shí)??空?。臨時(shí)??空镜腪igBee節(jié)點(diǎn)會(huì)在數(shù)據(jù)庫中記錄下車牌號(hào)碼為XXXX的公交車到站時(shí)間和離站時(shí)間,并且這個(gè)信息會(huì)在網(wǎng)絡(luò)空閑的時(shí)候發(fā)送到交通管理中心。圖2所示為車輛報(bào)站數(shù)據(jù)幀格式圖。



  4公交車輛定位的實(shí)現(xiàn)

  假設(shè)現(xiàn)在交通局要查詢車牌號(hào)碼為閩B3H057的75路車的公交車的行駛位置。交通局通過GPRS發(fā)送給該路段的臨時(shí)停靠站節(jié)點(diǎn)需要查詢的信息,例如,PPYUEB3H057ROAD75,表示要查詢車牌號(hào)碼為閩B3H057的75路車的公交車所在位置。從農(nóng)林大學(xué)到火車站之間的臨時(shí)??空径紩?huì)通過GPRS節(jié)點(diǎn)收到這個(gè)查詢信息。臨時(shí)停靠站的節(jié)點(diǎn)收到GPRS信息后,首先會(huì)把信息進(jìn)行廣播,然后等待一個(gè)短暫的時(shí)間。在這個(gè)短暫的時(shí)間內(nèi),收到這個(gè)廣播信息的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)檢測(cè)自己的車牌號(hào)碼和路線號(hào)碼。當(dāng)自己的車牌號(hào)碼和路線號(hào)碼與查詢的號(hào)碼一致的時(shí)候,移動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)發(fā)送給臨時(shí)??空竟?jié)點(diǎn)一個(gè)數(shù)據(jù)幀,以確認(rèn)自己在臨時(shí)??空靖浇?。收到確認(rèn)信息的臨時(shí)??空镜墓?jié)點(diǎn)會(huì)通過GPRS模塊將信息轉(zhuǎn)發(fā)到交通控制中心。

  如果在這個(gè)短暫的時(shí)間內(nèi),臨時(shí)停靠站節(jié)點(diǎn)沒有收到移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答消息,臨時(shí)??空镜墓?jié)點(diǎn)會(huì)向它的下一站ZigBee節(jié)點(diǎn)發(fā)送詢問信息。下一站ZigBee節(jié)點(diǎn)會(huì)和臨時(shí)??空镜墓?jié)點(diǎn)一樣,將信息進(jìn)行廣播,然后等待一個(gè)短暫的時(shí)間,直到ZigBee節(jié)點(diǎn)的應(yīng)答。如果被詢問的移動(dòng)車輛就在這個(gè)路由節(jié)點(diǎn)的附近,移動(dòng)車輛會(huì)給路由節(jié)點(diǎn)發(fā)送一個(gè)應(yīng)答消息。收到應(yīng)答消息的路由節(jié)點(diǎn)會(huì)將確認(rèn)消息轉(zhuǎn)發(fā)到上一級(jí)節(jié)點(diǎn)。臨時(shí)??空竟?jié)點(diǎn)會(huì)根據(jù)路由的級(jí)數(shù)推算出移動(dòng)車輛距離臨時(shí)停靠站的距離。如果臨時(shí)停靠站的下一級(jí)路由節(jié)點(diǎn)依然沒有搜索到移動(dòng)車輛的位置,搜索信息會(huì)繼續(xù)轉(zhuǎn)發(fā)到下一級(jí)路由節(jié)點(diǎn)。任何一級(jí)路由節(jié)點(diǎn)收到信息的確認(rèn)幀后,都會(huì)將信息通過路由節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)到臨時(shí)??空竟?jié)點(diǎn),最終由臨時(shí)??空竟?jié)點(diǎn)的GPRS模塊將信息發(fā)送到交通管理中心。圖3所示是其移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位圖。



  5結(jié)語

  本文重點(diǎn)分析了交通系統(tǒng)的特點(diǎn)和一些重點(diǎn)需要解決的題。根據(jù)這些信息,提出了采用ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法來實(shí)現(xiàn)城市交通干線的覆蓋,從而實(shí)現(xiàn)了智能報(bào)站、重要交通信息發(fā)布等應(yīng)用。

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