邊晶，杜威

（長春大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春　130022）

基于ZigBee的智能公交系統(tǒng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)探究

邊晶，杜威

（長春大學(xué)計算機科學(xué)技術(shù)學(xué)院，長春130022）

介紹了智能公交系統(tǒng)中無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成及組織形式，同時圍繞ZigBee技術(shù)的特有性質(zhì)，闡述了無線網(wǎng)絡(luò)中常用的幾種拓撲結(jié)構(gòu)，并詳細描述了組網(wǎng)的具體實施辦法。通過對比最終甄選出網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)作為智能公交系統(tǒng)中最適合的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)類型，并進行了詳細的說明。

ZigBee；智能公交系統(tǒng)；網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)；FFD；RFD

近年來，隨著城市人口數(shù)量的逐年遞增和私家車的日益普及，城市交通擁堵日益嚴重，嚴重影響了市民的正常出行，乘車難已成為各大城市亟待解決的問題。作為市民最主要的出行交通工具，公交車具有不可或缺的重要地位。因此，公交系統(tǒng)是否能夠提供更加便利和完善的服務(wù)已經(jīng)直接影響到整個城市交通系統(tǒng)的運行狀況。ZigBee技術(shù)具有功耗低、成本低等特點。用該技術(shù)組建的無線網(wǎng)絡(luò)可將車載終端信息通過站點終端及時發(fā)送到調(diào)度中心；乘客可以通過安裝在公交站點的顯示屏查看當前即將到站車輛的到站信息以及下一班車的到站情況，以便根據(jù)車輛運行狀況選擇最適合的線路乘車；當車輛出現(xiàn)故障或處于嚴重擁堵等緊急狀況時，司機可通過按下緊急按鈕發(fā)送警報，經(jīng)無線網(wǎng)絡(luò)將信息發(fā)送至調(diào)度中心上位機；中心上位機也可直接將調(diào)度信息通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)向各個站點的終端設(shè)備發(fā)送，進而使車載終端設(shè)備最終獲取調(diào)度信息。由此可見，依托無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的智能公交系統(tǒng)可以為乘客乘車以及科學(xué)合理調(diào)度車輛提供極大的便利。

本文將闡述無線網(wǎng)絡(luò)中幾種常見的拓撲結(jié)構(gòu)類型，對比各種拓撲結(jié)構(gòu)的組網(wǎng)形式和適用條件。根據(jù)智能公交系統(tǒng)的實際需求，甄選出一種最適合的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，并詳細描述了該拓撲結(jié)構(gòu)在智能公交系統(tǒng)中的具體應(yīng)用。

1　智能公交系統(tǒng)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成

無線傳感器網(wǎng)絡(luò)是由分布在一定工作區(qū)間內(nèi)的大量的傳感器節(jié)點構(gòu)成。這些節(jié)點成本低、功耗低，可根據(jù)不同的需求提供一定的無線通信及數(shù)據(jù)處理功能。目前，在很多監(jiān)測系統(tǒng)及智能管理系統(tǒng)中，無線傳感器網(wǎng)絡(luò)都得到了廣泛應(yīng)用。

在智能公交系統(tǒng)中，無線網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點包括三種類型，分別為網(wǎng)關(guān)節(jié)點、參考節(jié)點和終端節(jié)點。其中：調(diào)度中心中安置的是網(wǎng)關(guān)節(jié)點，該節(jié)點設(shè)備直接與中心的服務(wù)器相連；終端節(jié)點被安置在公交車上；參考節(jié)點被安置在路燈、公交站點以及其他公交沿線的基礎(chǔ)設(shè)施上。首先由網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為父節(jié)點啟動整個網(wǎng)絡(luò)，作為子節(jié)點的參考節(jié)點通過傳感功能自組織成一個無線網(wǎng)絡(luò)，并主動向靠近自己的終端節(jié)點發(fā)送自己的位置坐標信息。終端節(jié)點根據(jù)接收到的信息算出自己的坐標位置，并通過無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給調(diào)度中心。

（1）網(wǎng)關(guān)節(jié)點

網(wǎng)關(guān)節(jié)點作為無線網(wǎng)絡(luò)中的協(xié)調(diào)器，通過串口數(shù)據(jù)線與調(diào)度中心的服務(wù)器直接相連。整個網(wǎng)絡(luò)首先由網(wǎng)關(guān)節(jié)點啟動，網(wǎng)關(guān)節(jié)點會選擇一個合適的信道進行網(wǎng)絡(luò)的建立及初始化，之后對該信道進行監(jiān)聽，監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)中是否有其它ZigBee設(shè)備向其發(fā)出連接請求，若有則回復(fù)應(yīng)答，建立連接。若調(diào)度中心需要對車輛進行調(diào)度，網(wǎng)關(guān)節(jié)點負責(zé)將上位機發(fā)出的調(diào)度指令通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)依次傳送給網(wǎng)絡(luò)中的所有參考節(jié)點，再由參考節(jié)點將信息發(fā)送至與它臨近的終端節(jié)點；若遇到緊急情況（如出現(xiàn)故障或堵車等），公交司機可通過車上的報警按鈕發(fā)送報警信息，該信息通過參考節(jié)點轉(zhuǎn)發(fā)至網(wǎng)關(guān)節(jié)點后最終上傳至調(diào)度中心服務(wù)器。

（2）參考節(jié)點

參考節(jié)點可提供路由轉(zhuǎn)換功能，負責(zé)為終端節(jié)點提供自己的位置信息及RSSI值，以便其定位，同時具有信息轉(zhuǎn)發(fā)功能，一般被安置在公交站牌、路燈以及公交沿線一些固定位置的設(shè)施上。參考節(jié)點進行設(shè)備初始化后可申請連接進當前網(wǎng)絡(luò)。若成功連入網(wǎng)絡(luò)，則主動將自身網(wǎng)絡(luò)地址發(fā)送給協(xié)調(diào)器，從而與當前網(wǎng)絡(luò)建立連接，否則將依次輪流詢問設(shè)備。

（3）終端節(jié)點

終端節(jié)點作為網(wǎng)絡(luò)中的定位節(jié)點，被安置在公交車上。終端節(jié)點在公交車運行過程中會接收到臨近參考節(jié)點主動發(fā)來的位置信息，然后根據(jù)RSSI測距算法和三邊定位法，運用自身的定位引擎計算出自己的坐標位置后發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)中臨近的參考節(jié)點，并由參考節(jié)點最終轉(zhuǎn)發(fā)給網(wǎng)關(guān)節(jié)點。

2　基于ZigBee的無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

在基于ZigBee技術(shù)的無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，經(jīng)常采用的是星型、樹型、網(wǎng)狀以及對等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)［2］。網(wǎng)絡(luò)中的子設(shè)備與協(xié)調(diào)器連接后，會自動獲取一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址。該地址由協(xié)調(diào)器分配，稱為短地址。該地址是一個相對地址，用于各設(shè)備在局域網(wǎng)中進行通信，而每個設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中唯一的64位IEEE地址是絕對地址。

（1）星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

星型拓撲結(jié)構(gòu)由協(xié)調(diào)器和若干子設(shè)備組成。協(xié)調(diào)器由FFD（全功能設(shè)備）充當，負責(zé)建立和維護網(wǎng)絡(luò)，要求由穩(wěn)定電源供電。子設(shè)備可由FFD或RFD（精簡功能設(shè)備）充當。子設(shè)備只能與協(xié)調(diào)器直接進行通信，也只有通過協(xié)調(diào)器的轉(zhuǎn)發(fā)才能與其他設(shè)備進行通信，一般采用電池供電即可。在一個網(wǎng)絡(luò)中，可通過最先給一個FFD設(shè)備供電將其設(shè)置為協(xié)調(diào)器。選擇好自己的信道后，協(xié)調(diào)器將確定一個PAN標識符并創(chuàng)建無線網(wǎng)絡(luò)，同時其他設(shè)備可申請加入該網(wǎng)絡(luò)。子設(shè)備可根據(jù)PAN標識符識別該網(wǎng)絡(luò)，獲得協(xié)調(diào)器批準后與其建立主從關(guān)系連接，最終可形成一個星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)，如圖1所示。星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)主要用于監(jiān)護系統(tǒng)以及家庭、工業(yè)自動化等各類場合。

圖1　星型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

（2）樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

在樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，網(wǎng)絡(luò)中的末端終端節(jié)點被稱為“葉子節(jié)點”，由RFD充當。作為“父節(jié)點”的協(xié)調(diào)器由FFD充當。FFD將多個終端設(shè)備連在一起，形成一個“簇”。多個這樣的“簇”互相連接最終形成“樹”。在整個樹型網(wǎng)絡(luò)中有一個主協(xié)調(diào)器，由它首先向鄰近設(shè)備發(fā)起數(shù)據(jù)傳輸，確定PAN并設(shè)置自己的短地址為0。主協(xié)調(diào)器與鄰近設(shè)備建立連接后，會將一個16位的短地址分配給與其相連的子設(shè)備，從而建立起與子設(shè)備的父子關(guān)系。

當一個充當路由器角色的設(shè)備在網(wǎng)絡(luò)中與其它設(shè)備相連接時，協(xié)調(diào)器會自動分配給它一個包含若干16位段地址的地址塊。路由器設(shè)備進行自身配置后將自己的信標發(fā)送出去，通知其它設(shè)備可以與其建立連接，這些與路由器相連的設(shè)備成為它的子設(shè)備。之后可以選擇子設(shè)備中的一個作為新的路由器設(shè)備又可連接它自己的子設(shè)備，最終形成一個多級的樹型拓撲結(jié)構(gòu)，如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)信息從主協(xié)調(diào)器出發(fā)，依照節(jié)點的父、子關(guān)系一層一層地進行傳輸。該網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)一般適用于需要較大傳輸范圍的場合。

圖2　樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

（3）對等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

在對等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)中，協(xié)調(diào)器可以與網(wǎng)絡(luò)中的任意設(shè)備通信，數(shù)據(jù)以路由器轉(zhuǎn)發(fā)的方式在網(wǎng)絡(luò)中傳輸，增加了數(shù)據(jù)的傳輸范圍，從而可以構(gòu)成更為復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，如圖3所示。用戶可以選取一種最適合的路由協(xié)議來適應(yīng)ZigBee網(wǎng)絡(luò)中不同場合的需求。

圖3　對等網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)圖

3　智能公交系統(tǒng)中的無線網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)

目前城市公交線路一般都是幾十公里的相對直行區(qū)域，理論上比較適合使用樹型網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。但由于樹型網(wǎng)絡(luò)的自愈性比較差，一旦某節(jié)點因斷電等突發(fā)事件脫離網(wǎng)絡(luò)就無法完成數(shù)據(jù)的傳輸，因此可見樹型拓撲結(jié)構(gòu)不能保證系統(tǒng)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾?，因此，在智能公交系統(tǒng)中應(yīng)該采用具有穩(wěn)定、可靠、高效等特點的網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，如圖4所示。

在智能公交系統(tǒng)中，由于車載終端設(shè)備不需要發(fā)送大量數(shù)據(jù)，可采用RFD設(shè)備以降低成本，也可降低數(shù)據(jù)傳輸中的復(fù)雜性；固定在公交線路沿線的參考節(jié)點設(shè)備主要用來接收車載終端設(shè)備傳送來的數(shù)據(jù)，并負責(zé)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給其它相鄰設(shè)備，要求具有路由功能，因此采用FFD設(shè)備；作為協(xié)調(diào)器的網(wǎng)關(guān)節(jié)點設(shè)備一般被安置在調(diào)度中心，負責(zé)接收傳感器網(wǎng)絡(luò)中傳來的數(shù)據(jù)并將其發(fā)送至調(diào)度中心的服務(wù)器，同時也可以將調(diào)度中心傳送來的數(shù)據(jù)發(fā)送到網(wǎng)絡(luò)中。

圖4　智能公交系統(tǒng)中的網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)圖

通常情況下，市內(nèi)公交車之間的距離大約為500m～1000m?？稍诠谎鼐€兩側(cè)的相對或斜對位置安放數(shù)量相等的參考節(jié)點FFD，并設(shè)置其發(fā)射頻率，使任一參考節(jié)點都在其它鄰近節(jié)點的通信范圍之內(nèi)，從而保證節(jié)點之間正常的數(shù)據(jù)傳輸；每個車載終端設(shè)備RFD都能與鄰近的參考節(jié)點設(shè)備進行通信，同時也可以與道路對面的參考節(jié)點設(shè)備進行通信；若車輛出現(xiàn)故障，司機按下的警報信息也可以通過鄰近的參考節(jié)點設(shè)備轉(zhuǎn)發(fā)至調(diào)度中心，從而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的交換與傳輸。

安裝在公交站點的FFD設(shè)備能夠接收車載終端及鄰近參考節(jié)點設(shè)備發(fā)送過來的數(shù)據(jù)，并通過電子站牌實時顯示在電子屏幕上，使乘客隨時了解所要乘坐的車輛信息；當網(wǎng)絡(luò)中某個傳感器節(jié)點突然斷電或發(fā)生損壞時，ZigBee網(wǎng)絡(luò)也能夠很快實現(xiàn)自動重組，不會影響整個ZigBee網(wǎng)絡(luò)中的數(shù)據(jù)傳輸。

4　結(jié)語

本文簡要介紹了基于ZigBee技術(shù)的無線傳感器網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)成以及幾種常用的網(wǎng)絡(luò)拓撲結(jié)構(gòu)。結(jié)合智能公交系統(tǒng)的技術(shù)要求及實際需求，甄選出最為適用的網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)，并闡述了系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的具體實施辦法，充分利用了網(wǎng)狀拓撲結(jié)構(gòu)較強的自愈能力以及穩(wěn)定、可靠、高效等特點，具有較強的實際應(yīng)用及推廣價值。

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Exploration on Wireless Sensor Network Topology in Intelligent Bus System Based on ZigBee Technology

BIAN Jing，DU Wei
（College of Computer Science and Technology，Changchun University，Changchun 130022）

A brief introduction for the wireless sensor network of intelligent bus system is taken out in the article，and the characteristics of ZigBee technology is focused on.Applications of several kinds of wireless network topologies are mainly introduced.By comparing，the mesh topology is selected to be the most suitable for the intelligent bus system and is elaborated.

ZigBee；intelligent bus system；network topology；FFD；RFD

TP391

A

1672-9870（2016）04-0135-03

2016-03-17

吉林省教育廳“十二五”科學(xué)技術(shù)研究項目（吉教科合字［2014］第287號）

邊晶（1977-），女，碩士，講師，E-mail：583745233@qq.com