智能交通系統(tǒng)的ZigBee拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與應(yīng)用

摘要：根據(jù)交通系統(tǒng)的具體特點(diǎn)，提出了一種基于ZigBee和GPRS網(wǎng)絡(luò)相結(jié)合的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)城市交通干線的覆蓋思路，給出了基于ZigBee協(xié)議的鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)方法。該方法可通過(guò)計(jì)算節(jié)點(diǎn)之間的RSSI值來(lái)實(shí)現(xiàn)智能報(bào)站和智能定位功能。
關(guān)鍵詞：ZigBee協(xié)議；智能交通；自動(dòng)報(bào)站；定位

0 引言
借助于無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、網(wǎng)絡(luò)層路由協(xié)議和應(yīng)用層協(xié)議在智能交通系統(tǒng)中對(duì)保證傳輸高效、穩(wěn)定有重要作用。然而，ZigBee協(xié)議支持的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)主要是星型、樹狀和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，和交通系統(tǒng)中節(jié)點(diǎn)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)不是很吻合。智能交通系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)是一個(gè)自組織功能很強(qiáng)的網(wǎng)絡(luò)，因此，本文根據(jù)智能交通系統(tǒng)本身的特點(diǎn)來(lái)設(shè)計(jì)與之相符合的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，并提出了其在智能報(bào)站和定位上的應(yīng)用。

1 FFD和RFD相結(jié)合的鏈狀拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)
在ZigBee網(wǎng)絡(luò)中，通常需要兩種不同類型的設(shè)備：FFD(具有完整功能的設(shè)備)和RFD(簡(jiǎn)化功能的設(shè)備)。其中，F(xiàn)FD通常有三種工作狀態(tài)：主協(xié)調(diào)器、路由器設(shè)備和終端設(shè)備。
為了能夠和交通管理中心取得聯(lián)系，通常需要在車輛上安裝RFD節(jié)點(diǎn)；而要與交通管理中心取得聯(lián)系，就必須加入一種帶有高速數(shù)據(jù)處理技術(shù)(GPRS)相結(jié)合的FFD節(jié)點(diǎn)作為ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，當(dāng)然，還必須要有FFD作為路由節(jié)點(diǎn)。所有的RFD和FFD相結(jié)合，將成為一種鏈狀的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．1 FFD鏈頭作為協(xié)調(diào)器
通常其在鏈中的位置設(shè)置為0，當(dāng)此FFD收到了組網(wǎng)的命令時(shí)，根據(jù)交通系統(tǒng)的要求設(shè)置以廣播的方式發(fā)出組網(wǎng)幀。該幀中必須攜帶有一個(gè)字節(jié)用于表示節(jié)點(diǎn)的位置信息，該節(jié)點(diǎn)主要負(fù)責(zé)網(wǎng)絡(luò)的組建立和遠(yuǎn)程控制部門的信息交換。
1．2 鏈接節(jié)點(diǎn)RFD
當(dāng)接收到廣播后，會(huì)先把源節(jié)點(diǎn)的地址信息保存起來(lái)，并且通知源節(jié)點(diǎn)已經(jīng)收到了廣播，之后將攜帶有位置信息的組網(wǎng)幀廣播出去，網(wǎng)幀中攜帶的位置字段是被修改后的新的位置信息。上一級(jí)節(jié)點(diǎn)收到了應(yīng)答消息后，會(huì)把下一級(jí)節(jié)點(diǎn)的地址信息保存起來(lái)。RFD節(jié)點(diǎn)確定自己在鏈中位置的方法是將收到組網(wǎng)幀的位置字段的信息加1，廣播信息按照這種方式一直一環(huán)扣一環(huán)傳遞傳播下去，直到位置字段的信息到了協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)規(guī)定的最大路由級(jí)數(shù)。
1．3 路由器節(jié)點(diǎn)
一般可以安裝在兩個(gè)公交站點(diǎn)之間的電線桿上，主要負(fù)責(zé)上下行不同網(wǎng)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)信息的交換以及處理移動(dòng)車輛信息的交換。

2 RFD與FFD節(jié)點(diǎn)的有效距離研究
我們是通過(guò)接收到的信號(hào)強(qiáng)度來(lái)確定節(jié)點(diǎn)之間距離的，天線接收到的無(wú)線電波，經(jīng)過(guò)反向通道基帶接收濾波器后，接收機(jī)測(cè)量電路可以得到接收機(jī)輸入的平均信號(hào)強(qiáng)度指示，這個(gè)信號(hào)強(qiáng)度指示值我們用RSSI(Received Signal Strength Indication)來(lái)表示，通過(guò)這個(gè)信號(hào)強(qiáng)度的值可以確定出移動(dòng)車輛與FFD的有效距離。
在基于接收信號(hào)強(qiáng)度指示RSSI的定位中，已知發(fā)射節(jié)點(diǎn)的發(fā)射信號(hào)強(qiáng)度，接收節(jié)點(diǎn)根據(jù)收到信號(hào)的強(qiáng)度，計(jì)算出信號(hào)的傳播模型，利用理論和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛯鬏敁p耗轉(zhuǎn)化為距離，再利用已有的算法計(jì)算出節(jié)點(diǎn)的位置。基站接收到用戶節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度和基站與節(jié)點(diǎn)之間距離的關(guān)系式為：

其中，P(d)表示基站接收到用戶節(jié)點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度；P(d0)表示基站接收到在參考點(diǎn)：d0表示發(fā)送表示發(fā)信號(hào)的強(qiáng)度，假設(shè)所有節(jié)點(diǎn)的發(fā)送信號(hào)強(qiáng)度相同：n表示路徑長(zhǎng)度和路徑損耗之間的比例因子，依賴于建筑物的結(jié)構(gòu)和使用的材料；d表示需要計(jì)算的節(jié)點(diǎn)和基站間距離；nW表示節(jié)點(diǎn)和基站間墻壁個(gè)數(shù)；C表示信號(hào)穿過(guò)墻壁個(gè)數(shù)的閾值；WAF表示信號(hào)穿過(guò)墻壁的衰減因子，依賴于建筑物的結(jié)構(gòu)和使用的材料。
RSSI值和節(jié)點(diǎn)距離關(guān)系的測(cè)試：在測(cè)試和應(yīng)用中，相鄰節(jié)點(diǎn)之間的距離不同，節(jié)點(diǎn)設(shè)置的功率增益也不同。分別在功率增益為-9 dBm和0 dBm時(shí)，調(diào)節(jié)發(fā)送節(jié)點(diǎn)和接收節(jié)點(diǎn)之間的距離，測(cè)量不同的RSSI值。將測(cè)試結(jié)果和式(1)進(jìn)行比較，可以發(fā)現(xiàn)，RSSI值和距離之間的關(guān)系并不完全和式(1)計(jì)算的結(jié)果相吻合。這是由于采用RSSI值對(duì)距離的測(cè)量并不是非常精確，會(huì)受到周圍環(huán)境以及氣候的影響。但在本應(yīng)用中，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)和路由節(jié)點(diǎn)之間的距離只需要一個(gè)大致的評(píng)價(jià)，并不需要達(dá)到很高的精度，所以，RSSI值對(duì)判斷公交車與臨時(shí)?？空局g的距離是很有用的參數(shù)。