鄭 琛， 曹 斌

（貴州大學 計算機科學與信息學院，貴州 貴陽 550025）

0 引言

當前，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)運用在城市交通領(lǐng)域，可以解決隨著現(xiàn)代城市和經(jīng)濟的發(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，車輛里的與之響應的器件將會顯示行車路線，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，但是運用了 ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡系統(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記技術(shù)和藍牙技術(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)和低反應時間數(shù)據(jù)傳輸?shù)膽肹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、時延短、網(wǎng)絡容量大、安全性高等的特點。

ZigBee技術(shù)的應用前景被非?？春谩＝陙?，ZigBee在工業(yè)控制、工業(yè)無線定位、家庭網(wǎng)絡、汽車自動化、樓宇自動化、消費電子、醫(yī)用設(shè)備控制等多個領(lǐng)域具有廣泛的應用前景。在工業(yè)領(lǐng)域，利用傳感器和ZigBee網(wǎng)絡，使得數(shù)據(jù)的自動采集、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。當然，還有很多在其他領(lǐng)域內(nèi)的應用。相信在不遠的將來，ZigBee技術(shù)將越來越多地應用于生活中，并將極大地改善人們的生活。

2 ZigBee在公交車運行監(jiān)測系統(tǒng)中的應用

公共交通是政府提供的一種公共服務，服務質(zhì)量直接決定了市民出行的方便，服務質(zhì)量的一條重要標準時準點到達各站和準確地報站。目前在公交車的始發(fā)站和終點站由于有專人值班，準點可以保證，但對于中間的眾多站點則無法保證，也難于考核。雖然有使用GPS系統(tǒng)對公交車的運行進行監(jiān)測的，但由于GPS系統(tǒng)成本較高，難以大面積推廣。目前的報站是依靠駕駛員按鍵操作的，難免會出現(xiàn)錯誤而誤導乘客。為此，開發(fā)一種基于 ZigBee和GSM/GPRS的公交車運行監(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

要解決公交車運行的監(jiān)測，首先要解決的是能夠及時地檢測到每一輛公交車到達各站臺的準確時間，并將這些信息發(fā)送到公司的監(jiān)控中心，據(jù)此對駕駛員進行考核，以此達到提高各中間站點的準確率，提高服務質(zhì)量。我們利用ZigBee和GSM/GPRS網(wǎng)絡技術(shù)各自的特點，建立一網(wǎng)絡，網(wǎng)絡內(nèi)部采用無線通信方式，采集和處理網(wǎng)絡中的信息，發(fā)送給監(jiān)測平臺[5]，實現(xiàn)公交車到、離站時間的監(jiān)測和自動準備報站問題。具體方案是，在各站臺初安裝一臺“站臺監(jiān)控器”，在各公交車內(nèi)安裝一只具有ZigBee功能的“無線識別器”。站臺監(jiān)控器里包含ZigBee的網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器和GSM/GPRS模塊。一方面，它接收車內(nèi)的無線識別器發(fā)送的信號，檢測該車的“標識號”，識別到來的車輛，并將該車到達的時間、車號等信息通過GSM/GPRS傳送到監(jiān)控中心；另一方面，向該公交車發(fā)送自己的站臺標識號，公交車根據(jù)該標識號發(fā)出報站信息。由于每一站臺、每一輛車都有自己的標識號，故絕對不會發(fā)生錯誤。此后，站臺監(jiān)控器不斷檢測該車發(fā)送的無線信號的強度，當信號強度減弱到一定程度時，即可認為該車已駛離本站，隨即向監(jiān)控中心發(fā)出相關(guān)信息。這樣，監(jiān)控中心即可準確地掌握每輛公交車的運行情況，考核其正點率。根據(jù)具體情況，站臺監(jiān)控器里既可使用GSM或者GPRS，也可以使用電信網(wǎng)絡。由于ZigBee本身的特點之一是低成本，安裝在各公交車上的無線識別器成本非常低，而站臺監(jiān)控器相對數(shù)量要少得多，所以整個系統(tǒng)的成本就較低。

ZigBee網(wǎng)絡非常適用于該系統(tǒng)，每一臺公交車上的無線識別器就是一個ZigBee設(shè)備，而每一個站臺上的站臺監(jiān)控器則是ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器。在這個系統(tǒng)中，每個站臺監(jiān)控器與到達的公交車形成一個ZigBee網(wǎng)絡。當然，網(wǎng)絡中的成員是變化的。

2.2 硬件設(shè)計

前所述，本系統(tǒng)里由安裝在各站臺的站臺監(jiān)控器、安裝在各公交車上的無線標識器和監(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)絡接收站臺監(jiān)控器發(fā)送的各車到達、離開站臺的時間。主要介紹站臺監(jiān)控器和無線識別器的軟、硬件結(jié)構(gòu)。

站臺監(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與協(xié)調(diào)器建立連接的設(shè)備數(shù)量不會過多年，也無須支持網(wǎng)絡層的功能，故用8位的MCU是完全可以的。站臺監(jiān)控器安裝在站臺上，供電一般不是問題。但在停電時的工作需要蓄電池供給。盡管ZigBee有非常低的功耗，但GSM/GPRS模塊工作時需要較大的能量，故需要考慮蓄電池的容量。

無線識別器的結(jié)構(gòu)如圖2所示，它由飛思卡爾公司的MC9S08GT60和MC13192組成一個基本的ZigBee設(shè)備。飛思卡爾單片機內(nèi)部的Flash存儲器，既可最為程序存儲器，也可用來保存數(shù)據(jù)，因此可以用來在初始化時寫入各自唯一的標識號，省去外接非揮發(fā)存儲器，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 站臺監(jiān)控器結(jié)構(gòu)

圖2 無線識別器結(jié)構(gòu)

2.3 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計包括使用軟件和ZigBee協(xié)議軟件。站臺監(jiān)控器本身是 ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器，并有GSM/GPRS模塊。上電后，MCU首先分別進行GSM/GPRS模塊和ZigBee協(xié)議棧的初始化工作，然后進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)絡標識符，啟動ZigBee網(wǎng)絡發(fā)送超幀，等待ZigBee設(shè)備的連接請求。當其接收到某設(shè)備的連接請求，并經(jīng)過認證后，確認是合法的設(shè)備，便發(fā)出允許連接的命令，實現(xiàn)該ZigBee設(shè)備與協(xié)調(diào)器的連接[6]。連接建立后，站臺監(jiān)控器便獲得了該設(shè)備的標識號（這個標識號就代表了這臺公交車），并將該標識號登記，同時通過GSM/GPRS向監(jiān)控中心發(fā)出“某車在何時到達本站”的信息。站臺監(jiān)控器可以同時允許多臺設(shè)備的連接和信息登記。當公交車駛離站臺后，LQI將會降低。降低到一定程度后，公交車與站臺監(jiān)控器斷開連接，從登記表中刪除這個標識號，同時向監(jiān)控中心發(fā)送信息“某車已駛離本站”。站臺監(jiān)控器程序流程圖如圖3所示。

圖3 站臺監(jiān)控器程序流程

安裝在公交車上的無線識別器是ZigBee設(shè)備，上電后首先初始化ZigBee協(xié)議棧，然后開始進行信道掃描，尋找 ZigBee協(xié)調(diào)器。當它檢測到 ZigBee網(wǎng)絡協(xié)調(diào)器的超幀且信號的強度大于一定值時，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)器的標識號，從而知道是哪一站，并發(fā)出報站信息，實現(xiàn)自動、準確地報站。當本車駛離站臺時，檢測到協(xié)調(diào)器的信號強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]。無線標識器流程圖如圖4所示。

圖4 無線標識器流程

3 結(jié)語

可以大膽地預測在不遠的將來，城市街道、高速公路、交通路口、信號燈、車輛檢測設(shè)備等都會安裝大量成本低、耗電低、具有極強組網(wǎng)能力的ZigBee設(shè)備，機動車輛上也會安裝有 ZigBee設(shè)備（也應屬于有源 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)Ш?、地理信息基石傳送給車輛，還能夠?qū)煌ㄏ到y(tǒng)進行調(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.物聯(lián)網(wǎng)時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)絡節(jié)點通信研究[J].通信技術(shù)，2009，42(12):128-131.

[4]孫利民.無線傳感器網(wǎng)絡[M].北京：清華大學，2005.

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

[6]趙阿群,陳少紅,趙直,等.計算機網(wǎng)絡基礎(chǔ)[M].北京：北京交通大學出版社，2003.

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

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