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(liao)一系列社(she)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(shi)、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(yi)引起(qi)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(yun)而生。把道路、车辆等凡与(yu)交通有关的所有一切都(du)归为一体。通过综合运(yun)用信息通信技术、电子技术以及其他(ta)的科学技术,把它(ta)们联系起(qi)来提高交通运(yun)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(liao)以GPS配合控制中心的智能公交系统:在公交车上安装(zhuang)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(xie)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(xing)和优越性(xing)。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(qu)域网(LRWPAN)工作组的一项无线标准(zhun)--IEEE 802.15.4为基础的。满足低速无线传感器网络应用需(xu)求的首个完整的标准(zhun)化安全协议(yi)栈。ZigBee不仅具备IEEE 802.15.4关于无线物理层规(gui)定的全部优点:低功耗、低成本、低复杂度,同(tong)时又(you)增加了(liao)逻辑网络、网络安全性(xing)和应用架(jia)构(gou)。是一个全方位的、具备ZigBee联盟提供的多种应用的不同(tong)描述的协议(yi)。
ZigBee数传模块具有一些(xie)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(gan)电池可支持1个节点工作6~24个月(yue)甚至更长。这是ZigBee数传模块的突出优势(shi)。
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(ju)吞(tun)吐(tu)率。完全可以满足低速率传输数据(ju)的应用需(xu)求。
3.近距离。传输范围一般(ban)介于10~lOOm之间。在增加RF发射功率后,亦可增加到1-3km。如果(guo)通过路由和节点间通信的接(jie)力。传输距离可以更远,但将提高ZigBee无线模块的功耗为代价(jia)。
4.短时延。ZigBee数传模块的响应速度较快,一般(ban)从睡(shui)眠转人工作状态只需(xu)15ms。节点连接(jie)进(jin)入网络只需(xu)30ms。进(jin)一步节省了(liao)能量消耗。
5.高容量。ZigBee无线模块可采用星型、簇(cu)树型和网状型网络结构(gou)。由一个主节点管理若干(gan)子节点。最多一个主节点可管理254个子节点:同(tong)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(liao)三(san)种级别的安全控制模式,包(bao)括无安全设定、使用接(jie)入控制清单。防止非法(fa)获(huo)取数据(ju)以及采用高级加密标准(zhun)(AES128bits)的对称密码,实际应用中,可根(gen)据(ju)应用场合的安全属(shu)性(xing)灵活采用安全模式。
7.免执照频段。采用直(zhi)接(jie)序列扩(kuo)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(gou)和协议(yi)栈模型
ZigBee支持多种网络拓(tuo)扑(pu)结构(gou)。最简单的是星型网。只用1个网络协调器。连接(jie)多个从属(shu)设备;另一种网络结构(gou)是互(hu)联的星型网,可以扩(kuo)展为单个星型网或互(hu)联2个星型网络:第3种是网状网,网状网的覆盖(gai)范围很大,可以容纳上万个节点。
相对于其他(ta)常见的无线通信标准(zhun)。Zigbee协议(yi)栈具有紧凑而且(qie)简单的特点。而且(qie)对环境配置要求不高。只要8bit处(chu)理器再配上4kbit ROM和64kbit RAM,就可以满足其最低需(xu)要。完整的Zigbee协议(yi)由高层应用规(gui)范、应用汇聚层、网络层、数据(ju)链路层组成。网络层以上协议(yi)由Zigbee联盟制定。IEEE负责物理层和链路层标准(zhun)的制定。
2.3 ZigBee与(yu)其它(ta)技术的对比
ZigBee与(yu)其它(ta)几种常用的无线传输方式性(xing)能对比如下:
2.4 ZigBee的应用场景ZigBee主要应用于距离短、数据(ju)传输速率不高的各种电子设备之问的信息传递。其目(mu)标市场主要有PC外设(鼠标、键盘、游戏控制杆)、消费类(lei)电子设备(TV、VCR、CD、VCD、DVD等设备的遥控装(zhuang)置)、家庭内智能控制(照明、煤(mei)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(fu)合下列条件之一的应用,都(du)可以考虑(lv)采用ZigBee技术。
1)设备间距较小;
2)设备成本低,传输数据(ju)量很小;
3)设备体积小,不允许(xu)放(fang)置较大的电源模块;
4)无法(fa)频繁(fan)地更换电池或反复充电;
5)需(xu)要覆盖(gai)的范围较大。网络内需(xu)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(xu)要符(fu)合了(liao)以上多个特点。ZigBee数据(ju)采集技术应用于城市交通完全符(fu)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(kuang)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(bian)设施(shi)通信设备和显示设备
4、车载ZigBee数据(ju)采集终(zhong)端设备
5、市民手机终(zhong)端应用软件
3.2关键技术
1、车辆与(yu)车辆间、车辆与(yu)路边(bian)设施(shi)的无线通信方式:ZigBee自组网络,节省成本,降低流量。
2、路边(bian)设施(shi)与(yu)管理后台的连接(jie)方式:通过有线LAN连接(jie)内部网络或者(zhe)借助WiFi无线通信连接(jie),提高数据(ju)发送(song)量以及处(chu)理及时性(xing)。
3、位置定位技术:路边(bian)设施(shi)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(mu)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(shi),按实际交通现状先(xian)进(jin)行单个交叉(cha)路口的自适应协调。然(ran)后是主干(gan)线的协调控制。实现分布式协调的分级控制,最终(zhong)达到区(qu)域控制的系统最优。
在智能交通系统中,不同(tong)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(ju)采集节点和ZigBee基站组了(liao)一个本地控制网络。ZigBee基站通过以太网、光纤等有线链路与(yu)交通控制中心连接(jie)。从而实现了(liao)交通指挥设备的网络一体化管理功能。通过制定不同(tong)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(qing)况(kuang)下交通控制中心可通过人工干(gan)预(yu)的方式实施(shi)交通管制。此外,交通控制中心还可以通过ZigBee数据(ju)采集无线网络获(huo)取电子测速器、电子眼等设备的信息以对违章车辆实施(shi)跟(gen)踪(zong)和监控。
要解决公交车运(yun)行的监测。首先(xian)要解决的是能够(gou)及时地检(jian)测到每(mei)一辆公交车到达各站台的准(zhun)确时间并将这些(xie)信息发送(song)到公司的监控中心。据(ju)此对驾驶(shi)员进(jin)行考核。以此达到提高各中间站点的准(zhun)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(ju)采集和处(chu)理网络中的信息发送(song)给监测平台。实现公交车到、离站时间的监测和自动准(zhun)备报站问题。
具体方案是在各站台初安装(zhuang)一台“站台监控器”。在各公交车内安装(zhuang)一只具有ZigBee功能的“无线识别器”站台监控器里包(bao)含ZigBee的网络协凋器和GSM/GPRS模块。一方面(mian)它(ta)接(jie)收车内的无线识别器发送(song)的信号检(jian)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(song)到监控中心,另一方面(mian)向该公交车发送(song)自己的站台标识号。公交车根(gen)据(ju)该标识号发出报站信息。此后。站台监控器不断检(jian)测该车发送(song)的无线信号的强度。当信号强度减(jian)弱到一定程度时即(ji)可认(ren)为该车已驶(shi)离本站。随即(ji)向监控中心发出相关信息。这样。监控中心即(ji)可准(zhun)确地掌握每(mei)辆公交车的运(yun)行情(qing)况(kuang)考核其正点率。
ZigBee网络非常适用于该系统,每(mei)一台公交车上的无线识别器就是一个ZigBee数据(ju)采集设备。而每(mei)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(mei)个站台监控器与(yu)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(bai)脱(tuo)繁(fan)杂冗余的线路的情(qing)况(kuang)下,实现了(liao)对车辆和道路远程数据(ju)采集与(yu)监控,实现了(liao)交通信号系统的智能控制。在一定程度上缓解了(liao)城市的交通压力。可以大胆(dan)地预(yu)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(jian)测设备等都(du)会安装(zhuang)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(ye)会安装(zhuang)有ZigBee设备,也(ye)应属(shu)于有源RFID,从而组成智能ZigBee数据(ju)采集交通系统。这样,车辆在行驶(shi)过程中的状态、方位等都(du)在有效的监测之中也(ye)能够(gou)将导航、地理信息传送(song)给车辆。还能够(gou)对交通系统进(jin)行调度。这不仅能够(gou)提高行车安全减(jian)少事故的发生,还能够(gou)有效地缓解交通压力,减(jian)少拥挤的发生。