摘 要：利用無線傳感器單片機CC2431 和CC2430 設(shè)計了一個基于ZigBee 的公交車無線定位系統(tǒng)。傳統(tǒng)的定位都是采用GPS 或者GPRS 的定位。GPS 定位系統(tǒng)設(shè)計簡單，可以使用免費的定位衛(wèi)星資源，但是移動臺到控制中心的數(shù)據(jù)傳送需要借助其它網(wǎng)絡(luò)資源；GPRS 定位是基于移動蜂窩式通信的定位，使用現(xiàn)有的移動網(wǎng)絡(luò)，但是帶寬低，不利于突發(fā)事件的快速處理。本文設(shè)計的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(shè)計簡單，定位精確度高，設(shè)備成本低廉，適合現(xiàn)代化城市的公交車系統(tǒng)智能管理。
0 引言
城市現(xiàn)代化建設(shè)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(shè)計一個基于ZigBee 無線傳感器網(wǎng)絡(luò)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(guān)，通過網(wǎng)關(guān)傳至主干網(wǎng)絡(luò)，最后傳至控制中心。
1 無線定位系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)原理和實現(xiàn)
該網(wǎng)絡(luò)定位的原理如圖1 所示，從圖中可以看出，該網(wǎng)絡(luò)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(guān)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(guān)：采用CC2430 設(shè)計，能夠組建一個ZigBee 網(wǎng)絡(luò)，在每個區(qū)域中，即每條公交線路上，網(wǎng)關(guān)充當(dāng)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。
③參考節(jié)點：參考節(jié)點也采用CC2430 設(shè)計，在網(wǎng)絡(luò)中充當(dāng)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(biāo)，并為定為節(jié)點提供該坐標(biāo)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(shè)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(biāo)和RSSI 平均值計算出自身的精確坐標(biāo)位置，并把該坐標(biāo)協(xié)同定為節(jié)點標(biāo)識號發(fā)送給網(wǎng)關(guān)。
2 系統(tǒng)各節(jié)點具體設(shè)計
2.1 定位節(jié)點
定位節(jié)點采用CC2431 設(shè)計，利用內(nèi)部引擎計算自身的位置，然后傳至網(wǎng)關(guān)。其設(shè)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(shè)，一方面簡化設(shè)計，另一方面利于節(jié)省能源。
圖2 定位節(jié)點設(shè)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(biāo)值。定位節(jié)點包含以下功能：
①加入網(wǎng)絡(luò)，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(biāo)準(zhǔn)參數(shù)的功能。
?、莸酎c后標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)信息不丟失的功能。
⑥計算，發(fā)送XY 坐標(biāo)。
?、甙l(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(guān)進行空中動態(tài)配置標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)，并且保證掉電后標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(luò)，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(luò)中，就將存放在flash 中的標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)（X,Y）值是固定的，不參與定位計算，由CC2430 實現(xiàn)。本設(shè)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(wù)是提供一個包含自己位置X,Y 坐標(biāo)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(yīng)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(luò)，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(luò)中，則首先要將flash 中的X,Y 坐標(biāo)值讀出，已確定自己的位置。
2.3 網(wǎng)關(guān)的功能及設(shè)計
網(wǎng)關(guān)應(yīng)具有以下功能：
?、俳⒕W(wǎng)絡(luò)，無線收發(fā)數(shù)據(jù)的功能。
②利用串口和計算機通信的功能。
?、塾嬎阈ｒ灥墓δ堋?/p>
?、芡ㄟ^液晶顯示器顯示參考節(jié)點和定位節(jié)點坐標(biāo)網(wǎng)絡(luò)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(biāo)的功能。
網(wǎng)關(guān)節(jié)點模塊選擇CC2430，它是系統(tǒng)中至關(guān)重要的模塊。首先，網(wǎng)關(guān)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(yīng)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(yīng)的功能。網(wǎng)關(guān)是一個中心控制站，自己涉及的串命令比較少。網(wǎng)關(guān)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(luò)地址，有效數(shù)據(jù)長度，串ID，坐標(biāo)數(shù)據(jù)長度和坐標(biāo)數(shù)據(jù)。這些數(shù)據(jù)被網(wǎng)關(guān)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(luò)擴展卡和1 個CC2430 模塊組成網(wǎng)關(guān)，進行模擬公交車定位系統(tǒng)，最后將網(wǎng)關(guān)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(guān)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(luò)地址，低位在前，高位在后，表示的網(wǎng)絡(luò)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(biāo)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(guān)。因為系統(tǒng)采用非自動模式，所以網(wǎng)關(guān)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(luò)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(biāo)結(jié)果。在實際應(yīng)用系統(tǒng)中，對應(yīng)的坐標(biāo)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(shè)計簡單，定位精確度高，設(shè)備成本低廉，適合現(xiàn)代化城市的公交車系統(tǒng)智能管理。