ZigBee用于城市公共交通信息系統

來源：本站 2022-12-15 17:42:39

　　隨著中國經濟實力和科技水平的提高，交通業發展迅速，汽車已越來越深入到人們的日常生活之中，車輛的驟增引發了一系列社會問題：交通堵塞、停車困難、交通事故頻發，因此，車輛的安全駕駛、交通管理和車輛問的信息交換(如自動剎車信息、危險告警、碰撞告警、位置信息、速度信息)等日益引起人們的關注。基于此，智能交通及車輛無線通信網絡等概念應運而生。把道路、車輛等凡與交通有關的所有一切都歸為一體。通過綜合運用信息通信技術、電子技術以及其他的科學技術，把它們聯系起來提高交通運輸的效率。稱之為智能交通系統(Intelligent Transportation System)，簡稱ITS。

　　隨著ITS的發展。開始出現了以GPS配合控制中心的智能公交系統：在公交車上安裝GPS。為控制中心提供車輛位置信息：控制中心再通過有線網絡或GPRS網絡反饋到電子站牌。顯示車輛到達的信息這樣的系統雖可以提供車輛位置信息，但是仍存在一些不足，如誤差較大、成本較高、系統復雜、易受破壞等。而采用ZigBee無線模塊傳感網絡技術將在一定程度上解決以上問題。具有較強的可行性和優越性。近年來ZigBee數傳在工業控制、工業無線定位、家庭網絡、汽車自動化、樓宇自動化、消費電子、醫用設備控制等多個領域具有廣泛的應用前景。相信在不遠的將來，ZigBee數傳技術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技術簡介

　　2.1 ZigBee概述

　　ZigBee技術是由ZigBee聯盟(Allianee)所主導的，以國際電子電機工程協會(IEEE)無線個人區域網(LRWPAN)工作組的一項無線標準--IEEE 802.15.4為基礎的。滿足低速無線傳感器網絡應用需求的首個完整的標準化安全協議棧。ZigBee不僅具備IEEE 802.15.4關于無線物理層規定的全部優點：低功耗、低成本、低復雜度，同時又增加了邏輯網絡、網絡安全性和應用架構。是一個全方位的、具備ZigBee聯盟提供的多種應用的不同描述的協議。

　　ZigBee數傳模塊具有一些非常適合用于無線傳感器網絡的特點。其優點有：

　　1.低功耗。在低耗電待機模式下。2節5號干電池可支持1個節點工作6～24個月甚至更長。這是ZigBee數傳模塊的突出優勢。

　　2.低速率ZigBee無線模塊工作在20～250kbps的較低速率，分別提供250kbps(工作于2.4GHz頻率)、40kbps(工作于915MHz頻率)、20kbps(工作于868MHz頻率)的原始數據吞吐率。完全可以滿足低速率傳輸數據的應用需求。

　　3.近距離。傳輸范圍一般介于10～lOOm之間。在增加RF發射功率后，亦可增加到1-3km。如果通過路由和節點間通信的接力。傳輸距離可以更遠，但將提高ZigBee無線模塊的功耗為代價。

　　4.短時延。ZigBee數傳模塊的響應速度較快，一般從睡眠轉人工作狀態只需15ms。節點連接進入網絡只需30ms。進一步節省了能量消耗。

　　5.高容量。ZigBee無線模塊可采用星型、簇樹型和網狀型網絡結構。由一個主節點管理若干子節點。最多一個主節點可管理254個子節點：同時主節點還可由上一層網絡節點管理。最多可組成65000個節點的自組網。

　　6.高安全。ZigBee數傳模塊提供了三種級別的安全控制模式，包括無安全設定、使用接入控制清單。防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES128bits)的對稱密碼，實際應用中，可根據應用場合的安全屬性靈活采用安全模式。

　　7.免執照頻段。采用直接序列擴頻在工業科學醫療(ISM)頻段，2.4GHz(全球)、915MHz(美國)。和868MHz(歐洲)。

　　2.2 ZigBee的結構和協議棧模型

　　ZigBee支持多種網絡拓撲結構。最簡單的是星型網。只用1個網絡協調器。連接多個從屬設備;另一種網絡結構是互聯的星型網，可以擴展為單個星型網或互聯2個星型網絡：第3種是網狀網，網狀網的覆蓋范圍很大，可以容納上萬個節點。

　　相對于其他常見的無線通信標準。Zigbee協議棧具有緊湊而且簡單的特點。而且對環境配置要求不高。只要8bit處理器再配上4kbit ROM和64kbit RAM，就可以滿足其最低需要。完整的Zigbee協議由高層應用規范、應用匯聚層、網絡層、數據鏈路層組成。網絡層以上協議由Zigbee聯盟制定。IEEE負責物理層和鏈路層標準的制定。

　　2.3 ZigBee與其它技術的對比

　　ZigBee與其它幾種常用的無線傳輸方式性能對比如下：

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　　表1 Z igB ee與其它無線傳輸技術對比

　　2.4 ZigBee的應用場景ZigBee主要應用于距離短、數據傳輸速率不高的各種電子設備之問的信息傳遞。其目標市場主要有PC外設(鼠標、鍵盤、游戲控制桿)、消費類電子設備(TV、VCR、CD、VCD、DVD等設備的遙控裝置)、家庭內智能控制(照明、煤氣計量和報警等)、玩具(電子寵物)、醫療護理(監視器和傳感器)和工業控制(監視器、傳感器和自動控制設備)等領域。通常，凡符合下列條件之一的應用，都可以考慮采用ZigBee技術。

　　1)設備間距較小;

　　2)設備成本低，傳輸數據量很小;

　　3)設備體積小，不允許放置較大的電源模塊;

　　4)無法頻繁地更換電池或反復充電;

　　5)需要覆蓋的范圍較大。網絡內需要容納的設備較多。網絡主要用于監測或控制。

　　可以看出。城市交通對無線傳輸的需要符合了以上多個特點。ZigBee數據采集技術應用于城市交通完全符合。

　　3智能交通控制的實現

　　3.1系統模塊智能城市公共交通信息系統由以下幾個系統模塊組成：

　　1、管理后臺(系統平臺)

　　2、路段交通狀況大顯示牌(可以采用部分城市已有的現成設備。非本系統重新設計)

　　3、路邊設施通信設備和顯示設備

　　4、車載ZigBee數據采集終端設備

　　5、市民手機終端應用軟件

　　3.2關鍵技術

　　1、車輛與車輛間、車輛與路邊設施的無線通信方式：ZigBee自組網絡，節省成本，降低流量。

　　2、路邊設施與管理后臺的連接方式：通過有線LAN連接內部網絡或者借助WiFi無線通信連接，提高數據發送量以及處理及時性。

　　3、位置定位技術：路邊設施可采用GPS設備，車輛使用ZigBee的RSSI無線定位功能。

　　3.3系統實現

　　目前交通信號控制系統的管理模式就是集中管理，分級控制，充分利用現有設施，按實際交通現狀先進行單個交叉路口的自適應協調。然后是主干線的協調控制。實現分布式協調的分級控制，最終達到區域控制的系統最優。

　　在智能交通系統中，不同路段的交通燈、電子測試器、電子眼等交通指揮和監控設備由ZigBee數據采集節點和ZigBee基站組了一個本地控制網絡。ZigBee基站通過以太網、光纖等有線鏈路與交通控制中心連接。從而實現了交通指揮設備的網絡一體化管理功能。通過制定不同的交通信號控制方案可實現交通控制機的多時段、多相位、感應控制等功能。在應急情況下交通控制中心可通過人工干預的方式實施交通管制。此外，交通控制中心還可以通過ZigBee數據采集無線網絡獲取電子測速器、電子眼等設備的信息以對違章車輛實施跟蹤和監控。

　　要解決公交車運行的監測。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送到公司的監控中心。據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量。我們利用ZigBee和GSM/GPRS網絡技術各自的特點建立網絡。網絡內部采用無線通信方式。ZigBee數據采集和處理網絡中的信息發送給監測平臺。實現公交車到、離站時間的監測和自動準備報站問題。

　　具體方案是在各站臺初安裝一臺“站臺監控器”。在各公交車內安裝一只具有ZigBee功能的“無線識別器”站臺監控器里包含ZigBee的網絡協凋器和GSM/GPRS模塊。一方面它接收車內的無線識別器發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傳送到監控中心，另一方面向該公交車發送自己的站臺標識號。公交車根據該標識號發出報站信息。此后。站臺監控器不斷檢測該車發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。隨即向監控中心發出相關信息。這樣。監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。

　　ZigBee網絡非常適用于該系統，每一臺公交車上的無線識別器就是一個ZigBee數據采集設備。而每一個站臺上的站臺監控器則是ZigBee網絡協調器。在這個系統中，每個站臺監控器與到達的公交車形成一個ZigBee網絡。

　　4總結

　　采用基于ZigBee技術的微功率無線網絡。在擺脫繁雜冗余的線路的情況下，實現了對車輛和道路遠程數據采集與監控，實現了交通信號系統的智能控制。在一定程度上緩解了城市的交通壓力。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、車輛檢測設備等都會安裝大量成本低、耗電低、具有極強組網能力的ZigBee設備。機動車輛上也會安裝有ZigBee設備，也應屬于有源RFID，從而組成智能ZigBee數據采集交通系統。這樣，車輛在行駛過程中的狀態、方位等都在有效的監測之中也能夠將導航、地理信息傳送給車輛。還能夠對交通系統進行調度。這不僅能夠提高行車安全減少事故的發生，還能夠有效地緩解交通壓力，減少擁擠的發生。

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