嚴(yán)天宇　肖運(yùn)虹

【摘要】 本文設(shè)計(jì)的基于RFID和ZigBee的智能公交系統(tǒng)，通過智能車上RFID射頻識(shí)別檢測(cè)站臺(tái)信息，運(yùn)用無線傳感網(wǎng)絡(luò)車載路由器節(jié)點(diǎn)將車輛檢測(cè)數(shù)據(jù)傳送至控制中心協(xié)調(diào)器，由控制中心節(jié)點(diǎn)將車輛運(yùn)行狀態(tài)發(fā)送至各站臺(tái)路由器，控制公交站臺(tái)LCD顯示。在車輛運(yùn)行中，利用labview編寫的上位機(jī)，對(duì)車輛運(yùn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便做好公交車調(diào)度安排。

【關(guān)鍵詞】 ZigBee RFID 上位機(jī) 智能公交

一、引言

城市公交的發(fā)達(dá)水平是與一個(gè)城市的建設(shè)水平密切關(guān)聯(lián)的，城市公交發(fā)達(dá)水平不僅僅體現(xiàn)在乘車方便，還體現(xiàn)在乘車過程中是否舒適、候車過程中是不是愉快以及候車時(shí)間是否較短等各種因素上。而對(duì)于當(dāng)前城市公交系統(tǒng)，存在以下主要不足之處：首先，當(dāng)前公交車到站信息系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方便了候車乘客服務(wù)，但沒有考慮到運(yùn)行車輛內(nèi)乘客數(shù)量的預(yù)告，不能讓乘客針對(duì)即將到站的公交車內(nèi)乘客數(shù)量情況進(jìn)行有選擇性的乘車。其次，當(dāng)公交運(yùn)行線路上一段時(shí)間內(nèi)乘客流量增加導(dǎo)致公交車運(yùn)行數(shù)量不足時(shí)，調(diào)度人員無法根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)動(dòng)公交車輛，因而往往會(huì)導(dǎo)致運(yùn)營(yíng)中的公交車內(nèi)擁擠、候車乘客擠不上車的狀況。而且，在現(xiàn)行的公交車到站電子預(yù)報(bào)系統(tǒng)中采用的是“GPS+GSM”定位系統(tǒng)報(bào)站。這種報(bào)站方式雖然非常精確但制作、安裝及運(yùn)營(yíng)成本很高，維護(hù)比較困難[1]。而在我們的設(shè)計(jì)中通過RFID射頻識(shí)別來檢測(cè)車站信息，加上壓力傳感器來檢測(cè)車內(nèi)乘客擁擠程度，然后通過ZigBee來進(jìn)行無線傳輸最后加上上位機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)控，不僅彌補(bǔ)了上述方案的不足，而且實(shí)施簡(jiǎn)單價(jià)格低廉且便于維護(hù)。

二、RFID技術(shù)和ZigBee技術(shù)

2.1 RFID技術(shù)簡(jiǎn)介

RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識(shí)別，它是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)， 基本都由電子標(biāo)簽（Tag）、閱讀器（Reader）和數(shù)據(jù)交換與管理系統(tǒng)（Processor）三大部分組成。

它通過射頻信號(hào)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)對(duì)象并獲取相關(guān)數(shù)據(jù)，識(shí)別工作無須人工干預(yù)，可工作于各種惡劣環(huán)境，此外，RFID 技術(shù)可識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)物體并可同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽。

RFID設(shè)備工作原理是：當(dāng)裝有無源電子標(biāo)簽的物體在距離0～10 米范圍內(nèi)接近讀寫器時(shí)，讀寫器受控發(fā)出微波查詢信號(hào)；安裝在物體表面的電子標(biāo)簽收到讀寫器的查詢信號(hào)后，將此信號(hào)與標(biāo)簽中的數(shù)據(jù)信息合成一體反射回電子標(biāo)簽讀出裝置，反射回的微波合成信號(hào)已攜帶有電子標(biāo)簽數(shù)據(jù)信息，讀寫器接收到電子標(biāo)簽反射回的微波合成信號(hào)后，經(jīng)讀寫器內(nèi)部微處理器處理后即可將電子標(biāo)簽貯存的識(shí)別代碼等信息分離讀取出。

其優(yōu)點(diǎn)在于讀取方便快捷：數(shù)據(jù)的讀取無需光源，甚至可以透過外包裝來進(jìn)行。有效識(shí)別距離更大，采用自帶電池的主動(dòng)標(biāo)簽時(shí)，有效識(shí)別距離可達(dá)到30米以上；動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)通信數(shù)據(jù)容量大使用壽命長(zhǎng)，應(yīng)用范圍廣。

2.1 ZigBee術(shù)簡(jiǎn)介

ZigBee 技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù) ， 在2.4GHz波段射頻可以提供250kb/s 的數(shù)據(jù)速率和16個(gè)不同的信道 。 ZigBee設(shè)備包括IEEE 802.15.4（該標(biāo)準(zhǔn)定義了RF射頻，及其與相鄰設(shè)備之間的通信）的PH Y和M AC 層，以及ZigBee 堆棧層———網(wǎng)絡(luò)層（ NWK ）、應(yīng)用層和安全服務(wù)提供層IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)采用 CSMA- CA的介質(zhì)訪問方式，可以為網(wǎng)絡(luò)層提供一個(gè)良好的通信環(huán)境，從而無需考慮信號(hào)沖突的問題。

其優(yōu)點(diǎn)在于規(guī)模大： 一個(gè)星型結(jié)構(gòu)的Zigbee網(wǎng)絡(luò)最多可以容納254個(gè)從設(shè)備和一個(gè)主設(shè)備，一個(gè)區(qū)域內(nèi)可以同時(shí)存在最多100個(gè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)， 而且網(wǎng)絡(luò)組成靈活可通過不同空間視角獲得信息提高檢測(cè)精度，使系統(tǒng)具有很強(qiáng)的容錯(cuò)性，大量節(jié)點(diǎn)能夠增大覆蓋檢測(cè)區(qū)域，減少盲區(qū)。 自組織：在網(wǎng)絡(luò)中部分傳感器節(jié)點(diǎn)可能由于能量耗盡或環(huán)境因素造成失效，也會(huì)有一些節(jié)點(diǎn)自動(dòng)彌補(bǔ)失效節(jié)點(diǎn)補(bǔ)充到網(wǎng)絡(luò)中，使傳感網(wǎng)絡(luò)中節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)能夠動(dòng)態(tài)增加或減少，使網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)能夠隨之動(dòng)態(tài)改變。價(jià)格低廉： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計(jì)很快就能降到1.5—2.5美元， 并且ZigBee協(xié)議是免專利費(fèi)的。低成本對(duì)于ZigBee也是一個(gè)關(guān)鍵的因素。

三、系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

3.1. 信息采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

信息采集系統(tǒng)由RFID射頻識(shí)別模塊，HX711Ad重力傳感器及ZigBee通訊模塊組成， 具體框圖如圖1。

在我們?cè)O(shè)計(jì)的系統(tǒng)中具體工作方式如下：RFID識(shí)別模塊發(fā)出一定頻率的電磁波，當(dāng)我們的公交車來到站點(diǎn)后，RFID所發(fā)出的電磁波喚醒電子標(biāo)簽，電子標(biāo)簽開始應(yīng)答，RFID識(shí)別模塊收到應(yīng)答后讀取車站里電子標(biāo)簽自身唯一的序列號(hào)，然后RFID識(shí)別模塊將所識(shí)別到的序列號(hào)，即站點(diǎn)信息傳給車輛上的ZigBee模塊，同時(shí)ZigBee模塊采集壓力傳感器HX711Ad的信息，然后將車輛所在站點(diǎn)號(hào)和車上的載重信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)給中心節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器。其中，HX711Ad壓力傳感器通過檢測(cè)車輛的載重情況來判斷車內(nèi)人流擁擠程度。

3.2.信息反饋網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

信息反饋網(wǎng)絡(luò)主要由中心節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)器模塊、labview上位機(jī)部分和車站處的ZigBee接收模塊，液晶顯示模塊構(gòu)成，具體框圖如圖2。

在此網(wǎng)絡(luò)中，車站除了電子標(biāo)簽外還包含ZigBee接收模塊，以及液晶顯示屏。中心節(jié)點(diǎn)除了反饋信息給各個(gè)車站還需要與上位機(jī)連接。其傳輸方式采用ZigBee無線通訊。如圖2所示在我們的信息反饋網(wǎng)絡(luò)中，中心節(jié)點(diǎn)接收到由RFID和HX711Ad壓力傳感器所傳來的站點(diǎn)信息后，將這些信息通過ZigBee無線傳輸傳給各個(gè)站點(diǎn)，各個(gè)站點(diǎn)處的ZigBee接收模塊接收中心節(jié)點(diǎn)所傳來的信息，將此時(shí)車輛的位置車輛號(hào)和車上人流擁擠程度在液晶屏上顯示。同時(shí)中心節(jié)點(diǎn)也將上訴信息傳給上位機(jī)，便于控制調(diào)度公交班次。

3.3上位機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

我們采用Labview編程以實(shí)現(xiàn)上位機(jī)界面制作以及這種自動(dòng)接收控制。其具體程序流程圖如圖3所示。

具體工作方式如下，中心節(jié)點(diǎn)發(fā)送到上位機(jī)，上位機(jī)打開COM口，接收數(shù)據(jù)后校驗(yàn)數(shù)據(jù)是否正確，如果數(shù)據(jù)正確則開始進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，否則繼續(xù)正確等待數(shù)據(jù)傳入。數(shù)據(jù)分析后將車輛號(hào)站點(diǎn)信息及擁擠程度三者顯示在Labview的主界面，顯示如圖4所示。對(duì)擁擠程度進(jìn)行分析，若顯示的是不用擠則將信息反饋給起始站點(diǎn)，起始站點(diǎn)延長(zhǎng)發(fā)車時(shí)間，若顯示為擁擠則起始站點(diǎn)開始增派車輛以減緩交通壓力。即方便了人們的出行，又合理的分配了公交車資源，實(shí)現(xiàn)智能交通。

四、總結(jié)

在該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中通過RFID射頻識(shí)別來檢測(cè)車站信息利用壓力傳感器數(shù)值模擬公交車內(nèi)乘客數(shù)量，通過無線傳感網(wǎng)絡(luò)Zigbee無線數(shù)據(jù)傳輸能夠方便候車乘客預(yù)先知曉即將到站車輛內(nèi)乘客狀況，通過上位機(jī)監(jiān)控，便于調(diào)度人員根據(jù)車輛內(nèi)乘客數(shù)量及時(shí)調(diào)動(dòng)車次，對(duì)車輛行進(jìn)路線運(yùn)行狀況進(jìn)行分析。隨著后期對(duì)Zigbee技術(shù)的不斷深入。將該設(shè)計(jì)接入到互聯(lián)網(wǎng)中，并運(yùn)用到整個(gè)城市的公交體系中，在公交運(yùn)行狀態(tài)分析、車內(nèi)乘客數(shù)量監(jiān)測(cè)、車輛定位等方面具有一定的應(yīng)用價(jià)值。Zigbee技術(shù)低成本、數(shù)據(jù)可靠、網(wǎng)絡(luò)容量大的優(yōu)勢(shì)結(jié)合在智能公交使用的GPS系統(tǒng)中，將使城市智能公交系統(tǒng)更加完善。