ZigBee用于城市公共交通信息系统

1引言

     随着中国经济实力和科技水平的提高，交通业发展迅速，汽车已越来越深入到人们的日常生活之中，车辆的骤增引发了一系列社会问题：交通堵塞、停车困难、交通事故频发，因此，车辆的安全驾驶、交通管理和车辆问的信息交换（如自动刹车信息、危险告警、碰撞告警、位置信息、速度信息) 等日益引起人们的关注。基于此，智能交通及车辆无线通信网络等概念应运而生。把道路、车辆等凡与交通有关的所有一切都归为一体。通过综合运用信息通信技术、电子技术以及其他的科学技术，把它们联系起来提高交通运输的效率。称之为智能交通系统（Intelligent Transportation System)，简称ITS。

随着ITS的发展。开始出现了以GPS配合控制中心的智能公交系统：在公交车上安装GPS。为控制中心提供车辆位置信息：控制中心再通过有线网络或GPRS网络反馈到电子站牌。显示车辆到达的信息这样的系统虽可以提供车辆位置信息，但是仍存在一些不足，如误差较大、成本较高、系统复杂、易受破坏等。而采用ZigBee无线模块传感网络技术将在一定程度上解决以上问题。具有较强的可行性和优越性。近年来ZigBee数传在工业控制、工业无线定位、家庭网络、汽车自动化、楼宇自动化、消费电子、医用设备控制等多个领域具有广泛的应用前景。相信在不远的将来，ZigBee数传技术将越来越多地应用于生活中。并将极大地改善人们的生活。

2 ZigBee技术简介
2．1 ZigBee概述
ZigBee技术是由ZigBee联盟(Allianee)所主导的，以国际电子电机工程协会(IEEE)无线个人区域网(LRWPAN)工作组的一项无线标准--IEEE 802.15.4为基础的。满足低速无线传感器网络应用需求的首个完整的标准化安全协议栈。ZigBee不仅具备IEEE 802.15.4关于无线物理层规定的全部优点：低功耗、低成本、低复杂度，同时又增加了逻辑网络、网络安全性和应用架构。是一个全方位的、具备ZigBee联盟提供的多种应用的不同描述的协议。   
ZigBee数传模块具有一些非常适合用于无线传感器网络的特点。其优点有：
1.低功耗。在低耗电待机模式下。2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月甚至更长。这是ZigBee数传模块的突出优势。

2.低速率 ZigBee无线模块工作在20～250kbps的较低速率，分别提供250kbps(工作于2.4GHz频率)、40kbps(工作于915MHz频率)、20kbps(工作于868MHz频率)的原始数据吞吐率。完全可以满足低速率传输数据的应用需求。

3.近距离。传输范围一般介于10～lOOm之间。在增加RF发射功率后，亦可增加到1-3km。如果通过路由和节点间通信的接力。传输距离可以更远，但将提高ZigBee无线模块的功耗为代价。
4.短时延。ZigBee数传模块的响应速度较快，一般从睡眠转人工作状态只需15ms。节点连接进入网络只需30ms。进一步节省了能量消耗。
5.高容量。ZigBee无线模块可采用星型、簇树型和网状型网络结构。由一个主节点管理若干子节点。最多一个主节点可管理254个子节点：同时主节点还可由上一层网络节点管理。最多可组成65000个节点的自组网。
6.高安全。ZigBee数传模块提供了三种级别的安全控制模式，包括无安全设定、使用接入控制清单。防止非法获取数据以及采用高级加密标准（AES128bits）的对称密码，实际应用中，可根据应用场合的安全属性灵活采用安全模式。
7.免执照频段。采用直接序列扩频在工业科学医疗(ISM)频段，2.4GHz(全球)、915MHz(美国)。和868MHz(欧洲)。
2.2 ZigBee的结构和协议栈模型
ZigBee支持多种网络拓扑结构。最简单的是星型网。只用1个网络协调器。连接多个从属设备；另一种网络结构是互联的星型网，可以扩展为单个星型网或互联2个星型网络：第3种是网状网，网状网的覆盖范围很大，可以容纳上万个节点。
相对于其他常见的无线通信标准。Zigbee协议栈具有紧凑而且简单的特点。而且对环境配置要求不高。只要8bit处理器再配上4kbit ROM 和64kbit RAM，就可以满足其最低需要。完整的Zigbee协议由高层应用规范、应用汇聚层、网络层、数据链路层组成。网络层以上协议由Zigbee联盟制定。IEEE负责物理层和链路层标准的制定。
2.3 ZigBee与其它技术的对比
ZigBee与其它几种常用的无线传输方式性能对比如下：

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表 1  Z igB ee 与 其它无线 传输 技术对比

2.4 ZigBee的应用场景ZigBee主要应用于距离短、数据传输速率不高的各种电子设备之问的信息传递。其目标市场主要有PC外设(鼠标、键盘、游戏控制杆)、消费类电子设备(TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备的遥控装置)、家庭内智能控制(照明、煤气计量和报警等)、玩具(电子宠物)、医疗护理(监视器和传感器)和工业控制(监视器、传感器和自动控制设备)等领域。通常，凡符合下列条件之一的应用，都可以考虑采用ZigBee技术。
1)设备间距较小；
2)设备成本低，传输数据量很小；
3)设备体积小，不允许放置较大的电源模块；
4)无法频繁地更换电池或反复充电；
5)需要覆盖的范围较大。网络内需要容纳的设备较多。网络主要用于监测或控制。
可以看出。城市交通对无线传输的需要符合了以上多个特点。ZigBee数据采集技术应用于城市交通完全符合。
3 智能交通控制的实现
3．1系统模块智能城市公共交通信息系统由以下几个系统模块组成：
1、管理后台(系统平台)
2、路段交通状况大显示牌(可以采用部分城市已有的现成设备。非本系统重新设计)
3、路边设施通信设备和显示设备
4、车载ZigBee数据采集终端设备
5、市民手机终端应用软件
3．2关键技术
1、车辆与车辆间、车辆与路边设施的无线通信方式：ZigBee自组网络，节省成本，降低流量。
2、路边设施与管理后台的连接方式：通过有线LAN连接内部网络或者借助WiFi无线通信连接，提高数据发送量以及处理及时性。
3、位置定位技术：路边设施可采用GPS设备，车辆使用ZigBee的RSSI无线定位功能。
3．3系统实现
目前交通信号控制系统的管理模式就是集中管理，分级控制，充分利用现有设施，按实际交通现状先进行单个交叉路口的自适应协调。然后是主干线的协调控制。实现分布式协调的分级控制，最终达到区域控制的系统最优。
在智能交通系统中，不同路段的交通灯、电子测试器、电子眼等交通指挥和监控设备由ZigBee数据采集节点和ZigBee基站组了一个本地控制网络。ZigBee基站通过以太网、光纤等有线链路与交通控制中心连接。从而实现了交通指挥设备的网络一体化管理功能。通过制定不同的交通信号控制方案可实现交通控制机的多时段、多相位、感应控制等功能。在应急情况下交通控制中心可通过人工干预的方式实施交通管制。此外，交通控制中心还可以通过ZigBee数据采集无线网络获取电子测速器、电子眼等设备的信息以对违章车辆实施跟踪和监控。
要解决公交车运行的监测。首先要解决的是能够及时地检测到每一辆公交车到达各站台的准确时间并将这些信息发送到公司的监控中心。据此对驾驶员进行考核。以此达到提高各中间站点的准确率提高服务质量。我们利用ZigBee和GSM／GPRS网络技术各自的特点建立网络。网络内部采用无线通信方式。ZigBee数据采集和处理网络中的信息发送给监测平台。实现公交车到、离站时间的监测和自动准备报站问题。

具体方案是在各站台初安装一台“站台监控器”。在各公交车内安装一只具有ZigBee功能的“无线识别器”站台监控器里包含ZigBee的网络协凋器和GSM／GPRS模块。一方面它接收车内的无线识别器发送的信号检测该车的“标识号”识别到来的车辆并将该车到达的时间、车号等信息通过GSM／GPRS传送到监控中心，另一方面向该公交车发送自己的站台标识号。公交车根据该标识号发出报站信息。此后。站台监控器不断检测该车发送的无线信号的强度。当信号强度减弱到一定程度时即可认为该车已驶离本站。随即向监控中心发出相关信息。这样。监控中心即可准确地掌握每辆公交车的运行情况考核其正点率。

ZigBee网络非常适用于该系统，每一台公交车上的无线识别器就是一个ZigBee数据采集设备。而每一个站台上的站台监控器则是ZigBee网络协调器。在这个系统中，每个站台监控器与到达的公交车形成一个ZigBee网络。
4 总结
采用基于ZigBee技术的微功率无线网络。在摆脱繁杂冗余的线路的情况下，实现了对车辆和道路远程数据采集与监控，实现了交通信号系统的智能控制。在一定程度上缓解了城市的交通压力。可以大胆地预测在不远的将来。城市街道、高速公路、交通路口、信号灯、车辆检测设备等都会安装大量成本低、耗电低、具有极强组网能力的ZigBee设备。机动车辆上也会安装有ZigBee设备，也应属于有源RFID，从而组成智能ZigBee数据采集交通系统。这样，车辆在行驶过程中的状态、方位等都在有效的监测之中也能够将导航、地理信息传送给车辆。还能够对交通系统进行调度。这不仅能够提高行车安全减少事故的发生，还能够有效地缓解交通压力，减少拥挤的发生。