中國(guó)電信股份有限公司宿遷分公司 何 賽

城市智能公交車輛定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

中國(guó)電信股份有限公司宿遷分公司 何 賽

為了實(shí)現(xiàn)城市公交車輛的實(shí)時(shí)定位，根據(jù)接收信號(hào)強(qiáng)度指示（RSSI）定位和極大似然估計(jì)定位算法原理，采用LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）4G、ZigBee（基于IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議）及GIS（地理信息系統(tǒng)）技術(shù)組建成公交車輛定位系統(tǒng)。系統(tǒng)4G模塊采用華為生產(chǎn)的ME906V，ZigBee模塊采用TI（德州儀器）生產(chǎn)的CC2530。該系統(tǒng)可以為車輛調(diào)度，乘客等車等帶來(lái)方便，具有功耗低、成本低、實(shí)用價(jià)值高等優(yōu)點(diǎn)。

車輛定位； 接收信號(hào)強(qiáng)度指示； 長(zhǎng)期演進(jìn)； 地理信息系統(tǒng)

0 引言

近些年我國(guó)城市化速度加快，城市車輛越來(lái)越多，擁堵現(xiàn)象也日益明顯，極大程度上制約了人們的出行。目前國(guó)內(nèi)大多的公交系統(tǒng)無(wú)法將行車信息與道路通行信息及時(shí)送達(dá)調(diào)度系統(tǒng)。致使用戶無(wú)法得知公交車輛何時(shí)到達(dá)的具體信息，為乘客等車帶來(lái)不便，一旦發(fā)生車輛故障、交通堵塞或交通事故時(shí)，也會(huì)給公交中心進(jìn)行車輛實(shí)時(shí)調(diào)度帶來(lái)不便。

本文提出將公交車節(jié)點(diǎn)的位置信息與電子地圖結(jié)合起來(lái)，建立LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）4G[1]、ZigBee（ZigBee是基于IEEE 802.15.4標(biāo)準(zhǔn)的低功耗局域網(wǎng)協(xié)議）[2]與GIS（地理信息系統(tǒng)）[3]相結(jié)合的無(wú)線公交車輛定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)公交車上安裝的終端節(jié)點(diǎn)及時(shí)將車輛信息及行車信息發(fā)送到調(diào)度中心，為科學(xué)合理調(diào)度車輛，為乘客提供車輛實(shí)時(shí)行駛信息，真正實(shí)現(xiàn)智能交通。

1 無(wú)線定位系統(tǒng)架構(gòu)

基于ZigBee的公交車輛無(wú)線定位系統(tǒng)采用“信標(biāo)節(jié)點(diǎn)—終端節(jié)點(diǎn)—后臺(tái)定位系統(tǒng)”的三層結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

圖1中的安裝在路段兩邊的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)1至信標(biāo)節(jié)點(diǎn)N通過(guò)網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實(shí)現(xiàn)了無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)。盲節(jié)點(diǎn)可以接收相鄰節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)腞SSI（接收信號(hào)強(qiáng)度指示）[4]值。通過(guò)LTE 4G技術(shù)和ZigBee技術(shù)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)可以將信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與盲節(jié)點(diǎn)間的RSSI值及信標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息上傳到中心服務(wù)器，并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。后臺(tái)定位系統(tǒng)通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)行定位計(jì)算得到公交車的實(shí)時(shí)位置，而后通過(guò)GIS將公交車的位置在電子地圖上顯示。

2 定位算法

基于RSSI的定位技術(shù)利用電磁波信號(hào)在傳播過(guò)程中的功率衰減與傳輸距離存在某種關(guān)系，得到盲節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離，再通過(guò)位置估計(jì)得到盲節(jié)點(diǎn)的位置。利用RSSI定位不需要增加額外的硬件設(shè)備，不需要時(shí)間同步，只需較小的通信開(kāi)銷，且實(shí)現(xiàn)起來(lái)也比較簡(jiǎn)單，因此得到了十分廣泛的應(yīng)用[5]。本設(shè)計(jì)亦采用此種方法進(jìn)行定位。該算法分為兩個(gè)部分：距離計(jì)算和位置計(jì)算。

2.1 距離計(jì)算

接收信號(hào)強(qiáng)度是傳輸功率衰減和傳輸距離（收發(fā)者之間的距離）的函數(shù)。接收信號(hào)強(qiáng)度隨著距離的增加按如下等式遞減：

其中n指具體的傳播環(huán)境下信號(hào)能量隨收發(fā)節(jié)點(diǎn)之間的距離增加而衰減的速率，d指發(fā)射節(jié)點(diǎn)與接收節(jié)點(diǎn)之間的距離，a指天線在全向模式下距發(fā)射節(jié)點(diǎn)1 m處接收信號(hào)的RSSI絕對(duì)值，與信號(hào)發(fā)射的強(qiáng)度有關(guān)。則由上式可以計(jì)算得到信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)間的距離值d。

2.2 位置計(jì)算

位置估算一般采用極大似然估計(jì)法，其極大似然估計(jì)法的基本原理如圖2所示，已知n個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)1,2,…, n。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)分別為(x1, y1), (x2,y2), …, (xn, yn)。n個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)到盲節(jié)點(diǎn)D的距離分別為d1, d2,…, dn，假設(shè)盲節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)為(x, y)。

則有如下公式：

從第一個(gè)方程開(kāi)始依次減去最后一個(gè)方程，可得：

式(3)的線性方程可以表示為：AX＝b，其中X＝[x y]T，且

對(duì)于節(jié)點(diǎn)D的坐標(biāo)可以采用多種方法來(lái)求解，最常用的最小二乘估計(jì)法，采用此種方法計(jì)算得到的D的坐標(biāo)為：

3 硬件設(shè)計(jì)

3.1 硬件架構(gòu)

本設(shè)計(jì)硬件包括終端節(jié)點(diǎn)和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。其中信標(biāo)節(jié)點(diǎn)主要采用CC2530設(shè)備，終端節(jié)點(diǎn)包括網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)和盲節(jié)點(diǎn)，主要包括CC2530，LPC2378的32位處理器及LTE 4G模塊GTM900C。硬件架構(gòu)如圖3所示。

3.2 信標(biāo)節(jié)點(diǎn)及盲節(jié)點(diǎn)

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)及盲節(jié)點(diǎn)的ZigBee模塊均采用TI生產(chǎn)的2.4 GHz 射頻芯片CC2530，具有高度集成、低成本、低電壓、低功耗的特點(diǎn)，它結(jié)合了業(yè)內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的增強(qiáng)型8051CPU內(nèi)核，內(nèi)置一個(gè)數(shù)字直接序列擴(kuò)頻調(diào)制解調(diào)模塊，可編程輸出功率高達(dá)4.5 dBm。 CC2530支持專用點(diǎn)到點(diǎn)，簡(jiǎn)單星形以及樹(shù)型及網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)。其最小系統(tǒng)如圖4所示。

3.3 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主控芯片

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)主控芯片采用了Philips推出的一款支持實(shí)時(shí)仿真的32位／16位的具有ARM7TDMI-S內(nèi)核的微控制器LPC2378，該芯片不僅僅有UART（通用異步收發(fā)器）、IIC（集成電路總線）、SPI（串行外設(shè)接口）、USB（通用串行總線）接口，還有AD（模數(shù)轉(zhuǎn)換）接口、定時(shí)器接口等，具有穩(wěn)定性好、可靠性高、接口豐富等優(yōu)點(diǎn)，可大大簡(jiǎn)化外圍硬件電路設(shè)計(jì)，降低設(shè)計(jì)成本與復(fù)雜度。它主要用轉(zhuǎn)發(fā)CC2530盲節(jié)點(diǎn)接收到的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)與盲節(jié)點(diǎn)間的RSSI值及信標(biāo)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)信息，將其通過(guò)LTE 4G模塊上傳至后臺(tái)服務(wù)器。

3.4 LTE 4G模塊

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)采用中國(guó)電信的天翼4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。中國(guó)電信4G網(wǎng)速更快、體驗(yàn)更好，F(xiàn)DD（頻分雙工）下載峰值速度150 Mb/s、TD上行峰值速度50 Mb/s，完全可以滿足網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)傳輸需求。4G模塊采用華為生產(chǎn)的ME906V模塊，它是一款高度集成的CDMA/CDMA2000/LTE FDD/LTE TD模塊，內(nèi)嵌TCP/IP（傳輸控制協(xié)議/網(wǎng)際協(xié)議）模塊，易于集成，可以順利接入電信4G網(wǎng)絡(luò)。此外，該模塊擁有2路模擬音頻輸入輸出接口，電源輸入接口和充電管理，ADC（模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器）輸入，全雙工串行接口，TTL（晶體管—晶體管邏輯）電平，支持TCP/IP擴(kuò)展AT（attention）指令集。完全可以滿足本設(shè)計(jì)的要求，并且很大程度上降低了成本。

3.5 EEPROM（電可擦除只讀存儲(chǔ)器）模塊

AT24C256是Atmel生產(chǎn)的256 kb串行電可擦的可編程只讀存儲(chǔ)器，它采用8引腳雙排式封裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲(chǔ)容量大等特點(diǎn)。特別適用于具有大容量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本設(shè)計(jì)方案中需要存儲(chǔ)大量的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳遞上來(lái)的RSSI信息，需要通過(guò)IIC與AT24C256進(jìn)行通信將RSSI信息存儲(chǔ)于其中。

4 實(shí)時(shí)定位

4.1 定位過(guò)程

確定定位算法后，利用搭建好的智能公交車定位系統(tǒng)即可對(duì)公交車進(jìn)行定位。其定位過(guò)程主要分為如下幾個(gè)階段：

1） RSSI的采集階段，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周期發(fā)送自身信息：節(jié)點(diǎn)ID（標(biāo)識(shí)），自身位置信息等。

2） 通過(guò)盲節(jié)點(diǎn)和多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的相互通信，盲節(jié)點(diǎn)接收到多個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的RSSI值和信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的自身信息。

3） 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)通過(guò)LTE 4G將收到的RSSI數(shù)據(jù)包信息上傳至后臺(tái)服務(wù)器，并存至后臺(tái)服務(wù)器數(shù)據(jù)庫(kù)中。

4） 上位機(jī)軟件對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，測(cè)算公交車節(jié)點(diǎn)和各個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)之間的距離估計(jì)值，并利用極大似然估計(jì)法求得公交車節(jié)點(diǎn)的估計(jì)位置

5） 保存數(shù)據(jù)結(jié)果并利用GIS顯示公交車定位結(jié)果。

4.2 定位實(shí)現(xiàn)

信標(biāo)節(jié)點(diǎn)安裝在公交車行駛路段的兩邊，它是無(wú)線定位系統(tǒng)中已知坐標(biāo)的節(jié)點(diǎn)。該節(jié)點(diǎn)要正確地配置在定位區(qū)域中。它主要將一個(gè)包含自己位置的坐標(biāo)（x, y）和與公交節(jié)點(diǎn)間通信的RSSI值的信息包發(fā)送至盲節(jié)點(diǎn)。

盲節(jié)點(diǎn)安裝在公交車上。它向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送連接命令，接收來(lái)自信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的RSSI數(shù)據(jù)包。盲節(jié)點(diǎn)和離自己最近的參考節(jié)點(diǎn)通信，收集這些節(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)（x, y）和RSSI值并將這些信息通過(guò)串口發(fā)送給網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)安裝在公交車上，其主要功能是接收盲節(jié)點(diǎn)傳送過(guò)來(lái)的RSSI數(shù)據(jù)包，并將其通過(guò)LTE 4G發(fā)送至后臺(tái)服務(wù)器。其中與盲節(jié)點(diǎn)及LTE 4G模塊的通信均是通過(guò)串口進(jìn)行。

4.3 結(jié)果顯示

本設(shè)計(jì)GIS實(shí)時(shí)地圖采用北京慧圖信息科技公司的TopMap地理信息設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)平臺(tái)。該平臺(tái)提供了豐富的地理信息設(shè)計(jì)功能，包括地圖的圖層管理、GIS交換格式導(dǎo)入導(dǎo)出、地圖編輯、圖層編輯、實(shí)體編輯、屬性數(shù)據(jù)操作、圖像輸出等功能。通過(guò)采用上述方法，提出的本設(shè)計(jì)方案能夠?qū)崿F(xiàn)電子地圖上的公交車輛的實(shí)時(shí)定位。

5 定位結(jié)果

本系統(tǒng)CC2530模塊無(wú)線通信的距離是180 m，設(shè)定在盲節(jié)點(diǎn)可通信范圍內(nèi)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為3、5、7、9、11時(shí)所測(cè)得的定位誤差分別如圖5所示。

從圖5中可以看出，本系統(tǒng)在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)大于6個(gè)時(shí)歸一化的定位誤差將穩(wěn)定在15%左右，基本符合公交車定位精度要求，說(shuō)明該系統(tǒng)的定位是有效的，但信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的數(shù)目要多點(diǎn)較好。

6 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)得到路邊信標(biāo)節(jié)點(diǎn)傳送給公交車終端節(jié)點(diǎn)的RSSI信息，通過(guò)LTE 4G將其上傳到后臺(tái)服務(wù)器并存入數(shù)據(jù)庫(kù)中。通過(guò)上位機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行定位處理，而后通過(guò)GIS技術(shù)將公交車的地理位置實(shí)時(shí)顯示出來(lái)。經(jīng)實(shí)際測(cè)試，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，可以實(shí)時(shí)了解公交車輛行車信息和車輛狀況，為乘客和調(diào)度提供極大的方便，也符合目前智慧城市的需求。同時(shí)，雖然該定位系統(tǒng)是以公交車輛定位為依托的，但為類似的定位系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也可以參考。

[1]陳勇，楊明輝. 基于LTE 4G模塊的無(wú)線通信系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 軟件導(dǎo)刊，2010,9(12): 135-136.

[2]CUI Guangzhao, JIN Song, HU Zhihong. Design of ZigBee network test and control system based on S3C2410[J], Advanced Materials Research ,2010,637-641.

[3]張智, 張?zhí)A. GIS和ZigBee在煤礦井下人員實(shí)時(shí)定位的應(yīng)用[J]. 企業(yè)技術(shù)開(kāi)發(fā)(技術(shù)版), 2010,29(3): 47-48.

[4]BENKIC K, MALAJNER M, PLANINSIC P. Using RSSI value for distance estimation in wireless sensor networks based on ZigBee//[C]. Proc of 15th International Conference on Systems, Signals and Image Processing. Bratislava: IWSSIP , 2008, 303-306.

[5]PRAVEEN K, LOHITH R, SHIRSHU V. Distance measurement and error estimation scheme for RSSI based localization in wireless sensor networks//[C]. Proc of the 5th International Conference on Wireless Communication and Sensor Networks. Jalpāiguri Area:WCSN,2009, 80-83.

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