基于RFID和ZigBee的城市智能公交系統設計

嚴天宇　肖運虹

【摘要】 本文設計的基于RFID和ZigBee的智能公交系統，通過智能車上RFID射頻識別檢測站臺信息，運用無線傳感網絡車載路由器節點將車輛檢測數據傳送至控制中心協調器，由控制中心節點將車輛運行狀態發送至各站臺路由器，控制公交站臺LCD顯示。在車輛運行中，利用labview編寫的上位機，對車輛運行數據實時監測，以便做好公交車調度安排。

【關鍵詞】 ZigBee RFID 上位機 智能公交

一、引言

城市公交的發達水平是與一個城市的建設水平密切關聯的，城市公交發達水平不僅僅體現在乘車方便，還體現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間是否較短等各種因素上。而對于當前城市公交系統，存在以下主要不足之處：首先，當前公交車到站信息系統的設計方便了候車乘客服務，但沒有考慮到運行車輛內乘客數量的預告，不能讓乘客針對即將到站的公交車內乘客數量情況進行有選擇性的乘車。其次，當公交運行線路上一段時間內乘客流量增加導致公交車運行數量不足時，調度人員無法根據實際情況及時調動公交車輛，因而往往會導致運營中的公交車內擁擠、候車乘客擠不上車的狀況。而且，在現行的公交車到站電子預報系統中采用的是“GPS+GSM”定位系統報站。這種報站方式雖然非常精確但制作、安裝及運營成本很高，維護比較困難[1]。而在我們的設計中通過RFID射頻識別來檢測車站信息，加上壓力傳感器來檢測車內乘客擁擠程度，然后通過ZigBee來進行無線傳輸最后加上上位機實時監控，不僅彌補了上述方案的不足，而且實施簡單價格低廉且便于維護。

二、RFID技術和ZigBee技術

2.1 RFID技術簡介

RFID是Radio Frequency Identification的縮寫，即射頻識別，它是一種非接觸式的自動識別技術， 基本都由電子標簽（Tag）、閱讀器（Reader）和數據交換與管理系統（Processor）三大部分組成。

它通過射頻信號自動識別目標對象并獲取相關數據，識別工作無須人工干預，可工作于各種惡劣環境，此外，RFID 技術可識別高速運動物體并可同時識別多個標簽。

RFID設備工作原理是：當裝有無源電子標簽的物體在距離0～10 米范圍內接近讀寫器時，讀寫器受控發出微波查詢信號；安裝在物體表面的電子標簽收到讀寫器的查詢信號后，將此信號與標簽中的數據信息合成一體反射回電子標簽讀出裝置，反射回的微波合成信號已攜帶有電子標簽數據信息，讀寫器接收到電子標簽反射回的微波合成信號后，經讀寫器內部微處理器處理后即可將電子標簽貯存的識別代碼等信息分離讀取出。

其優點在于讀取方便快捷：數據的讀取無需光源，甚至可以透過外包裝來進行。有效識別距離更大，采用自帶電池的主動標簽時，有效識別距離可達到30米以上；動態實時通信數據容量大使用壽命長，應用范圍廣。

2.1 ZigBee術簡介

ZigBee 技術是一種近距離、低復雜度、低功耗、低數據速率、低成本的無線網絡技術 ， 在2.4GHz波段射頻可以提供250kb/s 的數據速率和16個不同的信道 。 ZigBee設備包括IEEE 802.15.4（該標準定義了RF射頻，及其與相鄰設備之間的通信）的PH Y和M AC 層，以及ZigBee 堆棧層———網絡層（ NWK ）、應用層和安全服務提供層IEEE802.15.4標準采用 CSMA- CA的介質訪問方式，可以為網絡層提供一個良好的通信環境，從而無需考慮信號沖突的問題。

其優點在于規模大： 一個星型結構的Zigbee網絡最多可以容納254個從設備和一個主設備，一個區域內可以同時存在最多100個ZigBee網絡， 而且網絡組成靈活可通過不同空間視角獲得信息提高檢測精度，使系統具有很強的容錯性，大量節點能夠增大覆蓋檢測區域，減少盲區。 自組織：在網絡中部分傳感器節點可能由于能量耗盡或環境因素造成失效，也會有一些節點自動彌補失效節點補充到網絡中，使傳感網絡中節點個數能夠動態增加或減少，使網絡拓撲結構能夠隨之動態改變。價格低廉： ZigBee模塊的初始成本在6美元左右，估計很快就能降到1.5—2.5美元， 并且ZigBee協議是免專利費的。低成本對于ZigBee也是一個關鍵的因素。

三、系統方案設計

3.1. 信息采集系統設計

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

在我們設計的系統中具體工作方式如下：RFID識別模塊發出一定頻率的電磁波，當我們的公交車來到站點后，RFID所發出的電磁波喚醒電子標簽，電子標簽開始應答，RFID識別模塊收到應答后讀取車站里電子標簽自身唯一的序列號，然后RFID識別模塊將所識別到的序列號，即站點信息傳給車輛上的ZigBee模塊，同時ZigBee模塊采集壓力傳感器HX711Ad的信息，然后將車輛所在站點號和車上的載重信號轉發給中心節點協調器。其中，HX711Ad壓力傳感器通過檢測車輛的載重情況來判斷車內人流擁擠程度。

3.2.信息反饋網絡設計

信息反饋網絡主要由中心節點協調器模塊、labview上位機部分和車站處的ZigBee接收模塊，液晶顯示模塊構成，具體框圖如圖2。

在此網絡中，車站除了電子標簽外還包含ZigBee接收模塊，以及液晶顯示屏。中心節點除了反饋信息給各個車站還需要與上位機連接。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絡中，中心節點接收到由RFID和HX711Ad壓力傳感器所傳來的站點信息后，將這些信息通過ZigBee無線傳輸傳給各個站點，各個站點處的ZigBee接收模塊接收中心節點所傳來的信息，將此時車輛的位置車輛號和車上人流擁擠程度在液晶屏上顯示。同時中心節點也將上訴信息傳給上位機，便于控制調度公交班次。

3.3上位機監控系統設計

我們采用Labview編程以實現上位機界面制作以及這種自動接收控制。其具體程序流程圖如圖3所示。

具體工作方式如下，中心節點發送到上位機，上位機打開COM口，接收數據后校驗數據是否正確，如果數據正確則開始進行數據分析，否則繼續正確等待數據傳入。數據分析后將車輛號站點信息及擁擠程度三者顯示在Labview的主界面，顯示如圖4所示。對擁擠程度進行分析，若顯示的是不用擠則將信息反饋給起始站點，起始站點延長發車時間，若顯示為擁擠則起始站點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，實現智能交通。

四、總結

在該系統的設計中通過RFID射頻識別來檢測車站信息利用壓力傳感器數值模擬公交車內乘客數量，通過無線傳感網絡Zigbee無線數據傳輸能夠方便候車乘客預先知曉即將到站車輛內乘客狀況，通過上位機監控，便于調度人員根據車輛內乘客數量及時調動車次，對車輛行進路線運行狀況進行分析。隨著后期對Zigbee技術的不斷深入。將該設計接入到互聯網中，并運用到整個城市的公交體系中，在公交運行狀態分析、車內乘客數量監測、車輛定位等方面具有一定的應用價值。Zigbee技術低成本、數據可靠、網絡容量大的優勢結合在智能公交使用的GPS系統中，將使城市智能公交系統更加完善。