應用

技術

物聯(lián)網(wǎng)世界 >> 解決方案 >> 物聯(lián)網(wǎng)方案
企業(yè)注冊個人注冊登錄

基于ZigBee的城市公交車定位系統(tǒng)設計

  引言 

  城市現(xiàn)代化建設中,公交交通工具的管理和調(diào)度是其很重要的一個方面。管理中心可以隨時通過路況和乘客的需求調(diào)度車輛;另外一方面,通過公交站臺的顯示器,通告給乘客等待中的車輛離站還有多遠距離,這樣在堵車的情況下可以讓乘客自己選擇出行方式。本文設計一個基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡的定位系統(tǒng),本系統(tǒng)中,公交車被視為定位節(jié)點,在城市道路沿線廣布參考節(jié)點,通過參考節(jié)點計算出定位節(jié)點,在把定位信息上報給網(wǎng)關,通過網(wǎng)關傳至主干網(wǎng)絡,最后傳至控制中心。

  1 無線定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡原理和實現(xiàn)

  該網(wǎng)絡定位的原理如圖1 所示,從圖中可以看出,該網(wǎng)絡定位幾乎全部可以采用無線傳輸,這樣可以解決道路布線困難,且節(jié)約大量的硬件成本。

圖1 定位系統(tǒng)原理

 ?、僦鳈C:管理中心的計算機,在計算機上配備相關界面化軟件,便于觀察各條公交線路的公交車位置情況,這樣也便于管理和調(diào)度。

 ?、诰W(wǎng)關:采用CC2430 設計,能夠組建一個ZigBee 網(wǎng)絡,在每個區(qū)域中,即每條公交線路上,網(wǎng)關充當協(xié)調(diào)器的角色,把定位節(jié)點,即各輛公交車位置信息上報給管理中心。

 ?、蹍⒖脊?jié)點:參考節(jié)點也采用CC2430 設計,在網(wǎng)絡中充當路由器角色,在本系統(tǒng)定位過程中布置在公交線路上,由用戶指定固定坐標,并為定為節(jié)點提供該坐標和RSSI 平均值。另外,參考節(jié)點還可以擴展,通過視頻功能,可以獲取路況信息,進一步為管理中心提供數(shù)據(jù)。

 ?、芏ㄎ还?jié)點:定位節(jié)點采用CC2431 設計,其內(nèi)部具有定位引擎,能夠根據(jù)參考節(jié)點提供的固定坐標和RSSI 平均值計算出自身的精確坐標位置,并把該坐標協(xié)同定為節(jié)點標識號發(fā)送給網(wǎng)關。

  2 系統(tǒng)各節(jié)點具體設計

  2.1 定位節(jié)點

  定位節(jié)點采用CC2431 設計,利用內(nèi)部引擎計算自身的位置,然后傳至網(wǎng)關。其設計原理如圖2 所示。從圖可以看出,僅僅采用CC2431 和加上外部必要的無線器件,沒有其它外設,一方面簡化設計,另一方面利于節(jié)省能源。

圖2 定位節(jié)點設計原理

  定位節(jié)點通過接受定位區(qū)域內(nèi)所有參考節(jié)點的RSSI 值后,經(jīng)過定位算法來計算其坐標值。定位節(jié)點包含以下功能:

  ①加入網(wǎng)絡,無線收發(fā)數(shù)據(jù)功能。

 ?、诳刂茀⒖脊?jié)點多次收集與定位節(jié)點通信時信號強度值的功能。

 ?、劭刂茀⒖脊?jié)點計算多次手機定位節(jié)點信號強度值的平均值并發(fā)送給定為節(jié)點功能。

 ?、苣鼙粎f(xié)調(diào)器空中動態(tài)配置標準參數(shù)的功能。

 ?、莸酎c后標準參數(shù)信息不丟失的功能。

 ?、抻嬎?,發(fā)送XY 坐標。

  ⑦發(fā)送定位節(jié)點編號的功能。

  定位節(jié)點的基本功能包含了無線收發(fā)數(shù)據(jù)的功能,控制參考節(jié)點多次收集和定位節(jié)點通信時的信號強度值,并且控制參考節(jié)點計算多次收集定位節(jié)點信號強度值的平均值并發(fā)送給定位節(jié)點。定位節(jié)點還要接受網(wǎng)關進行空中動態(tài)配置標準參數(shù),并且保證掉電后標準參數(shù)信息不會丟失。

  定位節(jié)點上電以后,系統(tǒng)將給與它一個默認的標準參數(shù),包括A 值,N 值,模式,收集等待時間,自動模式下周期,最小參考節(jié)點數(shù)等信息,如果是第一次加入?yún)⒖季W(wǎng)絡,則系統(tǒng)將這些數(shù)據(jù)寫入flash;否則如果已存在于網(wǎng)絡中,就將存放在flash 中的標準參數(shù)讀出。

  2.2 參考節(jié)點

  參考節(jié)點是一種已知的靜態(tài)節(jié)點,其坐標(X,Y)值是固定的,不參與定位計算,由CC2430 實現(xiàn)。本設計過程中一個區(qū)域采用8 個參考節(jié)點組成。

  參考節(jié)點必須正確的配置在定位區(qū)域中的位置。它的任務是提供一個包含自己位置X,Y 坐標和RSSI 平均值[7 的信息包給定位節(jié)點。

  在參考節(jié)點部分共有4 個輸入串ID,分別是RSSI 請求,參考節(jié)點配置,參考節(jié)點的請求配置,多次收集RSSI 平均值。參考節(jié)點收集到信息后。根據(jù)串ID 對信息進行處理,并實現(xiàn)相應的功能。

  參考節(jié)點在上電以后,如果是第一次加入定位網(wǎng)絡,那么系統(tǒng)講給與它一個默認的X,Y 值,并將數(shù)據(jù)寫入flash;否則如果已經(jīng)存在于網(wǎng)絡中,則首先要將flash 中的X,Y 坐標值讀出,已確定自己的位置。

  2.3 網(wǎng)關的功能及設計

  網(wǎng)關應具有以下功能:

 ?、俳⒕W(wǎng)絡,無線收發(fā)數(shù)據(jù)的功能。

 ?、诶么诤陀嬎銠C通信的功能。

 ?、塾嬎阈r灥墓δ堋?

 ?、芡ㄟ^液晶顯示器顯示參考節(jié)點和定位節(jié)點坐標網(wǎng)絡地址的功能。

 ?、蒉D(zhuǎn)發(fā)計算機數(shù)據(jù)配置和請求配置參考節(jié)點和定位節(jié)點的功能。

 ?、揶D(zhuǎn)發(fā)計算機數(shù)據(jù)請求定位節(jié)點坐標的功能。

  網(wǎng)關節(jié)點模塊選擇CC2430,它是系統(tǒng)中至關重要的模塊。首先,網(wǎng)關要接收由監(jiān)控軟件提供的各個參考節(jié)點和定位節(jié)點的配置數(shù)據(jù),并根據(jù)不同的方式發(fā)送給相應的節(jié)點;其次還要接收個節(jié)點的反饋數(shù)據(jù),判斷數(shù)據(jù)的有效性,并傳輸給監(jiān)控中心。

  整個定位系統(tǒng)通過串命令控制整個流程,每1 個串命令都實現(xiàn)1 個相對應的功能。網(wǎng)關是一個中心控制站,自己涉及的串命令比較少。網(wǎng)關處理各個節(jié)點發(fā)送過來的有效數(shù)據(jù)進行處理。這些數(shù)據(jù)包含了操作系統(tǒng)值,節(jié)點網(wǎng)絡地址,有效數(shù)據(jù)長度,串ID,坐標數(shù)據(jù)長度和坐標數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被網(wǎng)關收集之后,首先通過串口發(fā)送給pc 機,然后對這些數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)校驗。系統(tǒng)中數(shù)據(jù)校驗的方法是取出數(shù)據(jù)操作系統(tǒng)值,即第1 位,對各位數(shù)據(jù)進行異或計算。

  PC 機通過串口接收到數(shù)據(jù)之后,首先判斷第1 位是否為操作系統(tǒng)值,然后根據(jù)數(shù)據(jù)長度分配空間裝載數(shù)據(jù)。在數(shù)據(jù)裝載完成之后,立即對數(shù)據(jù)進行校驗。

  3 實驗結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

  為模擬公交定位系統(tǒng)的實現(xiàn),采用了8 塊CC2430 模塊為參考節(jié)點,2 塊CC2431 模塊為定位節(jié)點,1 個網(wǎng)絡擴展卡和1 個CC2430 模塊組成網(wǎng)關,進行模擬公交車定位系統(tǒng),最后將網(wǎng)關的數(shù)據(jù)通過串口[11]與計算機相連。因為定位系統(tǒng)的控制源是控制中心的計算機,所有的流程都由計算機控制。在網(wǎng)關收到或發(fā)送數(shù)據(jù)的時候,總會計算1 個校驗值驗證或做數(shù)據(jù)的最后以一位,所以以下實驗數(shù)據(jù)中數(shù)據(jù)格式由數(shù)據(jù)幀[11]和校驗位[12]兩部分組成。

  通過串口讀到的數(shù)據(jù)為:02 10 18 0B CB B8 3C D2 1500 08 FF FF FF FF 83。各位數(shù)據(jù)含義如下:

表1 串口各位數(shù)據(jù)含義

  從表中可以看出,0B 是數(shù)據(jù)長度,為從這以為開始一直到校驗位的所有數(shù)據(jù)位,B8 3C 表示網(wǎng)絡地址,低位在前,高位在后,表示的網(wǎng)絡地址為0x3CB0。15 00 表示串ID 號,地位在前,高位在后,所以串ID 地址為0x0015。后面的是XY 坐標上電后的初始地址。

  在定位節(jié)點上電之后,首先把數(shù)據(jù)發(fā)送給網(wǎng)關。因為系統(tǒng)采用非自動模式,所以網(wǎng)關會一直等待,直到上位機需要節(jié)點數(shù)據(jù)時,發(fā)送如表2 所示的一條命令。

表2 上位機數(shù)據(jù)

  從命令的形式可以看出,該命令的發(fā)送形式為短地址形式。發(fā)送該命令以后,只有地址為0x5324 的節(jié)點會收到該信息。發(fā)送后上位機收到的數(shù)據(jù)為:02 10 18 14 CB 32 65D3 14 00 11 00 06 00 1F 00 04 B8 3C 00 00 28 00 28 CF31 32 33 34。

  從結(jié)果可以看出,上位機正常收到數(shù)據(jù),通過改變定位節(jié)點在網(wǎng)絡中的位置,就可以得到一組不同的數(shù)據(jù),在根據(jù)數(shù)據(jù)中特定的信息位可以得到坐標結(jié)果。在實際應用系統(tǒng)中,對應的坐標位都在地圖上進行顯示,可以直觀的看到各輛公交車在路線上的位置信息。

  4 結(jié)語

  Zigbee 的無線定位系統(tǒng)基于無線單片機CC2431,利用CC2431 自帶的RSSI 定位引擎,再運用無線自組網(wǎng)進行定位并向控制中心傳送定位信息。該系統(tǒng)設計簡單,定位精確度高,設備成本低廉,適合現(xiàn)代化城市的公交車系統(tǒng)智能管理。