智能交通系統的ZigBee拓撲結構設計與應用

摘要：根據交通系統的具體特點，提出了一種基于ZigBee和GPRS網絡相結合的方法來實現城市交通干線的覆蓋思路，給出了基于ZigBee協議的鏈狀拓撲結構無線通信網絡實現方法。該方法可通過計算節點之間的RSSI值來實現智能報站和智能定位功能。
關鍵詞：ZigBee協議；智能交通；自動報站；定位

0 引言
借助于無線傳感網絡實現的網絡拓撲結構、網絡層路由協議和應用層協議在智能交通系統中對保證傳輸高效、穩定有重要作用。然而，ZigBee協議支持的拓撲結構主要是星型、樹狀和網狀結構，和交通系統中節點的拓撲結構不是很吻合。智能交通系統的網絡是一個自組織功能很強的網絡，因此，本文根據智能交通系統本身的特點來設計與之相符合的網絡拓撲結構，并提出了其在智能報站和定位上的應用。

1 FFD和RFD相結合的鏈狀拓撲結構的設計
在ZigBee網絡中，通常需要兩種不同類型的設備：FFD(具有完整功能的設備)和RFD(簡化功能的設備)。其中，FFD通常有三種工作狀態：主協調器、路由器設備和終端設備。
為了能夠和交通管理中心取得聯系，通常需要在車輛上安裝RFD節點；而要與交通管理中心取得聯系，就必須加入一種帶有高速數據處理技術(GPRS)相結合的FFD節點作為ZigBee網絡的協調器，當然，還必須要有FFD作為路由節點。所有的RFD和FFD相結合，將成為一種鏈狀的網絡結構。其結構如圖1所示。

1．1 FFD鏈頭作為協調器
通常其在鏈中的位置設置為0，當此FFD收到了組網的命令時，根據交通系統的要求設置以廣播的方式發出組網幀。該幀中必須攜帶有一個字節用于表示節點的位置信息，該節點主要負責網絡的組建立和遠程控制部門的信息交換。
1．2 鏈接節點RFD
當接收到廣播后，會先把源節點的地址信息保存起來，并且通知源節點已經收到了廣播，之后將攜帶有位置信息的組網幀廣播出去，網幀中攜帶的位置字段是被修改后的新的位置信息。上一級節點收到了應答消息后，會把下一級節點的地址信息保存起來。RFD節點確定自己在鏈中位置的方法是將收到組網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扣一環傳遞傳播下去，直到位置字段的信息到了協調器節點規定的最大路由級數。
1．3 路由器節點
一般可以安裝在兩個公交站點之間的電線桿上，主要負責上下行不同網關的網絡信息的交換以及處理移動車輛信息的交換。

2 RFD與FFD節點的有效距離研究
我們是通過接收到的信號強度來確定節點之間距離的，天線接收到的無線電波，經過反向通道基帶接收濾波器后，接收機測量電路可以得到接收機輸入的平均信號強度指示，這個信號強度指示值我們用RSSI(Received Signal Strength Indication)來表示，通過這個信號強度的值可以確定出移動車輛與FFD的有效距離。
在基于接收信號強度指示RSSI的定位中，已知發射節點的發射信號強度，接收節點根據收到信號的強度，計算出信號的傳播模型，利用理論和經驗模型將傳輸損耗轉化為距離，再利用已有的算法計算出節點的位置。基站接收到用戶節點的信號強度和基站與節點之間距離的關系式為：

其中，P(d)表示基站接收到用戶節點的信號強度；P(d0)表示基站接收到在參考點：d0表示發送表示發信號的強度，假設所有節點的發送信號強度相同：n表示路徑長度和路徑損耗之間的比例因子，依賴于建筑物的結構和使用的材料；d表示需要計算的節點和基站間距離；nW表示節點和基站間墻壁個數；C表示信號穿過墻壁個數的閾值；WAF表示信號穿過墻壁的衰減因子，依賴于建筑物的結構和使用的材料。
RSSI值和節點距離關系的測試：在測試和應用中，相鄰節點之間的距離不同，節點設置的功率增益也不同。分別在功率增益為-9 dBm和0 dBm時，調節發送節點和接收節點之間的距離，測量不同的RSSI值。將測試結果和式(1)進行比較，可以發現，RSSI值和距離之間的關系并不完全和式(1)計算的結果相吻合。這是由于采用RSSI值對距離的測量并不是非常精確，會受到周圍環境以及氣候的影響。但在本應用中，移動節點和路由節點之間的距離只需要一個大致的評價，并不需要達到很高的精度，所以，RSSI值對判斷公交車與臨時停靠站之間的距離是很有用的參數。