ZigBee技术在智能交通系统中的应用研究

郑 琛， 曹 斌

（贵州大学 计算机科学与信息学院，贵州 贵阳 550025）

0 引言

当前，智能交通正伴随着作为新一代信息技术的重要组成部分[1]的物联网在向“新一代智能交通”发展。物联网作为一种融合短程无线通信技术、微电子传感器、嵌入式系统的新技术，逐渐被用于新一代智能交通系统等需要数据采集与检测的相关领域，从而给城市智能交通带来一次全新的升级[2]。

近年来，无线通信技术运用在城市交通领域，可以解决随着现代城市和经济的发展及城市车辆的增加而产生的交通问题。

ZigBee是其中一种具有代表性的短距离无线通信技术，如在交通道路上分布式安装ZigBee终端设备，车辆里的与之响应的器件将会显示行车路线，这样就可解决迷路问题了。虽然全球卫星定位系统（GPS）也可提供类似的服务，但是运用了 ZigBee技术的无线网络系统较之更精确，可提供更多更具体的信息，即使是在GPS覆盖不到的楼内或隧道内也能继续使用。该系统还可以跟踪监测公共交通情况，让人们准确地了解班车到站信息，而不至于在车站等候或误车。

由此可见，研究基于ZigBee技术的智能交通系统课题十分有意义。该文主要通过一种基于ZigBee和GSM/GPRS的公交车运行监测、管理系统来说明在智能交通控制系统中使用ZigBee技术具有可行性和一定优越性的分析结论。

1 ZigBee技术简介

ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的双向无线通信技术[3]，它是一种介于无线标记技术和蓝牙技术间的技术方案，主要用于距离短、功耗低且传输速率不高的各种电子设备之间进行数据传输以及典型的有周期性数据、间歇性数据和低反应时间数据传输的应用[4]。作为一种无线通信技术，ZigBee技术具有功耗低、成本低、可靠性高、时延短、网络容量大、安全性高等的特点。

ZigBee技术的应用前景被非常看好。近年来，ZigBee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。在工业领域，利用传感器和ZigBee网络，使得数据的自动采集、分析和处理变得更加容易，可以作为决策辅助系统的重要组成部分。在汽车领域，主要是传递信息的通用传感器。由于很多传感器只能内置在内部，比如轮胎压力监测系统，这就要求内置的无线通信设备使用的电池有较长的寿命，同时可以克服嘈杂的环境和金属结构对电磁波的屏蔽效应。当然，还有很多在其他领域内的应用。相信在不远的将来，ZigBee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在公交车运行监测系统中的应用

公共交通是政府提供的一种公共服务，服务质量直接决定了市民出行的方便，服务质量的一条重要标准时准点到达各站和准确地报站。目前在公交车的始发站和终点站由于有专人值班，准点可以保证，但对于中间的众多站点则无法保证，也难于考核。虽然有使用GPS系统对公交车的运行进行监测的，但由于GPS系统成本较高，难以大面积推广。目前的报站是依靠驾驶员按键操作的，难免会出现错误而误导乘客。为此，开发一种基于 ZigBee和GSM/GPRS的公交车运行监测、管理系统，能够较好地解决这些问题。

2.1 系统结构概述

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，建立一网络，网络内部采用无线通信方式，采集和处理网络中的信息，发送给监测平台[5]，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的网络协调器和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。由于每一站台、每一辆车都有自己的标识号，故绝对不会发生错误。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。根据具体情况，站台监控器里既可使用GSM或者GPRS，也可以使用电信网络。由于ZigBee本身的特点之一是低成本，安装在各公交车上的无线识别器成本非常低，而站台监控器相对数量要少得多，所以整个系统的成本就较低。

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。当然，网络中的成员是变化的。

2.2 硬件设计

前所述，本系统里由安装在各站台的站台监控器、安装在各公交车上的无线标识器和监控中心组成，监控中心可以通过 GSM/GPRS或者电信的基础网络接收站台监控器发送的各车到达、离开站台的时间。主要介绍站台监控器和无线识别器的软、硬件结构。

站台监控器的结构框图如图1所示，它由MCU、GSM/GPRS模块、ZigBee收发器等组成，MCU和ZigBee收发器都采用飞思卡尔公司的产品，MCU采用MC9S08GB60，GSM/GPRS模块采用摩托罗拉公司的 G20。虽然 ZigBee的协调器由于要支持多个ZigBee设备的连接需要的资源相对多一些，但这里由于需要同时与协调器建立连接的设备数量不会过多年，也无须支持网络层的功能，故用8位的MCU是完全可以的。站台监控器安装在站台上，供电一般不是问题。但在停电时的工作需要蓄电池供给。尽管ZigBee有非常低的功耗，但GSM/GPRS模块工作时需要较大的能量，故需要考虑蓄电池的容量。

无线识别器的结构如图2所示，它由飞思卡尔公司的MC9S08GT60和MC13192组成一个基本的ZigBee设备。飞思卡尔单片机内部的Flash存储器，既可最为程序存储器，也可用来保存数据，因此可以用来在初始化时写入各自唯一的标识号，省去外接非挥发存储器，从而起到简化结构，降低成本的作用。从图2中可以看出，其结构非常简单，加上电池的体积也仅火柴盒大小，如果将来使用MC13211，则只需一片芯片，结构将更加简单。

图1 站台监控器结构

图2 无线识别器结构

2.3 软件设计

软件设计包括使用软件和ZigBee协议软件。站台监控器本身是 ZigBee网络协调器，并有GSM/GPRS模块。上电后，MCU首先分别进行GSM/GPRS模块和ZigBee协议栈的初始化工作，然后进行信道扫描及空闲信道评估，选择合适的工作信道，选择合适的网络标识符，启动ZigBee网络发送超帧，等待ZigBee设备的连接请求。当其接收到某设备的连接请求，并经过认证后，确认是合法的设备，便发出允许连接的命令，实现该ZigBee设备与协调器的连接[6]。连接建立后，站台监控器便获得了该设备的标识号（这个标识号就代表了这台公交车），并将该标识号登记，同时通过GSM/GPRS向监控中心发出“某车在何时到达本站”的信息。站台监控器可以同时允许多台设备的连接和信息登记。当公交车驶离站台后，LQI将会降低。降低到一定程度后，公交车与站台监控器断开连接，从登记表中删除这个标识号，同时向监控中心发送信息“某车已驶离本站”。站台监控器程序流程图如图3所示。

图3 站台监控器程序流程

安装在公交车上的无线识别器是ZigBee设备，上电后首先初始化ZigBee协议栈，然后开始进行信道扫描，寻找 ZigBee协调器。当它检测到 ZigBee网络协调器的超帧且信号的强度大于一定值时，便向该协调器发出建立连接的请求。连接建立后，它获得了该协调器的标识号，从而知道是哪一站，并发出报站信息，实现自动、准确地报站。当本车驶离站台时，检测到协调器的信号强度减弱到一定程度后，便向协调器发出断开连接请求[7]。无线标识器流程图如图4所示。

图4 无线标识器流程

3 结语

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、地理信息基石传送给车辆，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[8]。

[1]周赪.物联网概述[J].信息安全与通信保密,2011（10）:63-64.

[2]张学.物联网时代带给城市智能交通建设的变化[J].信息安全与通信保密,2011（04）:23.

[3]徐志，陈彬兵.自组织 ZigBee 网络节点通信研究[J].通信技术，2009，42(12):128-131.

[4]孙利民.无线传感器网络[M].北京：清华大学，2005.

[5]俞仁来，谭明皓.基于ZigBee的无线传感器网络路由分析[J].通信技术，2011，44（01）:129-131.

[6]赵阿群,陈少红,赵直,等.计算机网络基础[M].北京：北京交通大学出版社，2003.

[7]吕治安.ZigBee网络原理与应用开发[M].北京：北京航空航天大学出版社，2008.

[8]李文仲,段朝玉.ZigBee无线网络技术入门与实战[M].北京：北京航空航天大学出版社，2007.