智能交通系统的ZigBee拓扑结构设计与应用

摘要：根据交通系统的具体特点，提出了一种基于ZigBee和GPRS网络相结合的方法来实现城市交通干线的覆盖思路，给出了基于ZigBee协议的链状拓扑结构无线通信网络实现方法。该方法可通过计算节点之间的RSSI值来实现智能报站和智能定位功能。
关键词：ZigBee协议；智能交通；自动报站；定位

0 引言
    借助于无线传感网络实现的网络拓扑结构、网络层路由协议和应用层协议在智能交通系统中对保证传输高效、稳定有重要作用。然而，ZigBee协议支持的拓扑结构主要是星型、树状和网状结构，和交通系统中节点的拓扑结构不是很吻合。智能交通系统的网络是一个自组织功能很强的网络，因此，本文根据智能交通系统本身的特点来设计与之相符合的网络拓扑结构，并提出了其在智能报站和定位上的应用。

1 FFD和RFD相结合的链状拓扑结构的设计
    在ZigBee网络中，通常需要两种不同类型的设备：FFD(具有完整功能的设备)和RFD(简化功能的设备)。其中，FFD通常有三种工作状态：主协调器、路由器设备和终端设备。
    为了能够和交通管理中心取得联系，通常需要在车辆上安装RFD节点；而要与交通管理中心取得联系，就必须加入一种带有高速数据处理技术(GPRS)相结合的FFD节点作为ZigBee网络的协调器，当然，还必须要有FFD作为路由节点。所有的RFD和FFD相结合，将成为一种链状的网络结构。其结构如图1所示。

1．1 FFD链头作为协调器
    通常其在链中的位置设置为0，当此FFD收到了组网的命令时，根据交通系统的要求设置以广播的方式发出组网帧。该帧中必须携带有一个字节用于表示节点的位置信息，该节点主要负责网络的组建立和远程控制部门的信息交换。
1．2 链接节点RFD
    当接收到广播后，会先把源节点的地址信息保存起来，并且通知源节点已经收到了广播，之后将携带有位置信息的组网帧广播出去，网帧中携带的位置字段是被修改后的新的位置信息。上一级节点收到了应答消息后，会把下一级节点的地址信息保存起来。RFD节点确定自己在链中位置的方法是将收到组网帧的位置字段的信息加1，广播信息按照这种方式一直一环扣一环传递传播下去，直到位置字段的信息到了协调器节点规定的最大路由级数。
1．3 路由器节点
    一般可以安装在两个公交站点之间的电线杆上，主要负责上下行不同网关的网络信息的交换以及处理移动车辆信息的交换。

2 RFD与FFD节点的有效距离研究
    我们是通过接收到的信号强度来确定节点之间距离的，天线接收到的无线电波，经过反向通道基带接收滤波器后，接收机测量电路可以得到接收机输入的平均信号强度指示，这个信号强度指示值我们用RSSI(Received Signal Strength Indication)来表示，通过这个信号强度的值可以确定出移动车辆与FFD的有效距离。
    在基于接收信号强度指示RSSI的定位中，已知发射节点的发射信号强度，接收节点根据收到信号的强度，计算出信号的传播模型，利用理论和经验模型将传输损耗转化为距离，再利用已有的算法计算出节点的位置。基站接收到用户节点的信号强度和基站与节点之间距离的关系式为：
   
    其中，P(d)表示基站接收到用户节点的信号强度；P(d0)表示基站接收到在参考点：d0表示发送表示发信号的强度，假设所有节点的发送信号强度相同：n表示路径长度和路径损耗之间的比例因子，依赖于建筑物的结构和使用的材料；d表示需要计算的节点和基站间距离；nW表示节点和基站间墙壁个数；C表示信号穿过墙壁个数的阈值；WAF表示信号穿过墙壁的衰减因子，依赖于建筑物的结构和使用的材料。
    RSSI值和节点距离关系的测试：在测试和应用中，相邻节点之间的距离不同，节点设置的功率增益也不同。分别在功率增益为-9 dBm和0 dBm时，调节发送节点和接收节点之间的距离，测量不同的RSSI值。将测试结果和式(1)进行比较，可以发现，RSSI值和距离之间的关系并不完全和式(1)计算的结果相吻合。这是由于采用RSSI值对距离的测量并不是非常精确，会受到周围环境以及气候的影响。但在本应用中，移动节点和路由节点之间的距离只需要一个大致的评价，并不需要达到很高的精度，所以，RSSI值对判断公交车与临时停靠站之间的距离是很有用的参数。


3 公交车报站功能的实现
    图1中的小圈代表在道路上行驶的交通车辆，这些交通车辆上面也携带有ZigBee节点。当携带有ZigBee节点的车辆接收到了来自站台的ZigBee节点发送过来的信息后，会对RSSI值进行判断。当RSSI值达到了设定的阈值后，可以假设移动的车辆已经到达了临时停靠点。公交车的igBee节点会向临时停靠站的节点发送一个到站信息，其中携带有自己的车牌号码、司机姓名等信息。临时停靠点的ZigBee节点收到这个数据帧后，会根据车牌号码去查询数据库，然后将站台信息发给公交车的ZigBee节点。获得了临时停靠点返回的数据帧后，ZigBee节点会提取出有用的信息，并通过语音系统在公交车上广播站台信息，提示乘客到站下车，下站乘客做好下车准备。公交车广播了站台信息后，ZigBee节点会继续给临时停靠站节点发送一个离站的数据帧，通知临时停靠站的节点车牌号码为XXXX的公交车已经离开了该临时停靠站。临时停靠站的ZigBee节点会在数据库中记录下车牌号码为XXXX的公交车到站时间和离站时间，并且这个信息会在网络空闲的时候发送到交通管理中心。图2所示为车辆报站数据帧格式图。

4 公交车辆定位的实现
    假设现在交通局要查询车牌号码为闽B3H057的75路车的公交车的行驶位置。交通局通过GPRS发送给该路段的临时停靠站节点需要查询的信息，例如，PPYUEB3H057ROAD75，表示要查询车牌号码为闽B3H057的75路车的公交车所在位置。从农林大学到火车站之间的临时停靠站都会通过GPRS节点收到这个查询信息。临时停靠站的节点收到GPRS信息后，首先会把信息进行广播，然后等待一个短暂的时间。在这个短暂的时间内，收到这个广播信息的移动节点会检测自己的车牌号码和路线号码。当自己的车牌号码和路线号码与查询的号码一致的时候，移动节点会发送给临时停靠站节点一个数据帧，以确认自己在临时停靠站附近。收到确认信息的临时停靠站的节点会通过GPRS模块将信息转发到交通控制中心。
    如果在这个短暂的时间内，临时停靠站节点没有收到移动节点的应答消息，临时停靠站的节点会向它的下一站ZigBee节点发送询问信息。下一站ZigBee节点会和临时停靠站的节点一样，将信息进行广播，然后等待一个短暂的时间，直到ZigBee节点的应答。如果被询问的移动车辆就在这个路由节点的附近，移动车辆会给路由节点发送一个应答消息。收到应答消息的路由节点会将确认消息转发到上一级节点。临时停靠站节点会根据路由的级数推算出移动车辆距离临时停靠站的距离。如果临时停靠站的下一级路由节点依然没有搜索到移动车辆的位置，搜索信息会继续转发到下一级路由节点。任何一级路由节点收到信息的确认帧后，都会将信息通过路由节点转发到临时停靠站节点，最终由临时停靠站节点的GPRS模块将信息发送到交通管理中心。图3所示是其移动节点定位图。

5 结语
    本文重点分析了交通系统的特点和一些重点需要解决的题。根据这些信息，提出了采用ZigBee和GPRS网络相结合的方法来实现城市交通干线的覆盖，从而实现了智能报站、重要交通信息发布等应用。