基于ZigBee的智能公交系統無線傳感器網絡拓撲結構探究

邊晶，杜威

（長春大學計算機科學技術學院，長春　130022）

基于ZigBee的智能公交系統無線傳感器網絡拓撲結構探究

邊晶，杜威

（長春大學計算機科學技術學院，長春130022）

介紹了智能公交系統中無線傳感器網絡的構成及組織形式，同時圍繞ZigBee技術的特有性質，闡述了無線網絡中常用的幾種拓撲結構，并詳細描述了組網的具體實施辦法。通過對比最終甄選出網狀拓撲結構作為智能公交系統中最適合的網絡拓撲結構類型，并進行了詳細的說明。

ZigBee；智能公交系統；網絡拓撲結構；FFD；RFD

近年來，隨著城市人口數量的逐年遞增和私家車的日益普及，城市交通擁堵日益嚴重，嚴重影響了市民的正常出行，乘車難已成為各大城市亟待解決的問題。作為市民最主要的出行交通工具，公交車具有不可或缺的重要地位。因此，公交系統是否能夠提供更加便利和完善的服務已經直接影響到整個城市交通系統的運行狀況。ZigBee技術具有功耗低、成本低等特點。用該技術組建的無線網絡可將車載終端信息通過站點終端及時發送到調度中心；乘客可以通過安裝在公交站點的顯示屏查看當前即將到站車輛的到站信息以及下一班車的到站情況，以便根據車輛運行狀況選擇最適合的線路乘車；當車輛出現故障或處于嚴重擁堵等緊急狀況時，司機可通過按下緊急按鈕發送警報，經無線網絡將信息發送至調度中心上位機；中心上位機也可直接將調度信息通過無線傳感器網絡向各個站點的終端設備發送，進而使車載終端設備最終獲取調度信息。由此可見，依托無線傳感器網絡的智能公交系統可以為乘客乘車以及科學合理調度車輛提供極大的便利。

本文將闡述無線網絡中幾種常見的拓撲結構類型，對比各種拓撲結構的組網形式和適用條件。根據智能公交系統的實際需求，甄選出一種最適合的網絡拓撲結構，并詳細描述了該拓撲結構在智能公交系統中的具體應用。

1　智能公交系統的無線傳感器網絡構成

無線傳感器網絡是由分布在一定工作區間內的大量的傳感器節點構成。這些節點成本低、功耗低，可根據不同的需求提供一定的無線通信及數據處理功能。目前，在很多監測系統及智能管理系統中，無線傳感器網絡都得到了廣泛應用。

在智能公交系統中，無線網絡中的節點包括三種類型，分別為網關節點、參考節點和終端節點。其中：調度中心中安置的是網關節點，該節點設備直接與中心的服務器相連；終端節點被安置在公交車上；參考節點被安置在路燈、公交站點以及其他公交沿線的基礎設施上。首先由網關節點作為父節點啟動整個網絡，作為子節點的參考節點通過傳感功能自組織成一個無線網絡，并主動向靠近自己的終端節點發送自己的位置坐標信息。終端節點根據接收到的信息算出自己的坐標位置，并通過無線網絡發送給調度中心。

（1）網關節點

網關節點作為無線網絡中的協調器，通過串口數據線與調度中心的服務器直接相連。整個網絡首先由網關節點啟動，網關節點會選擇一個合適的信道進行網絡的建立及初始化，之后對該信道進行監聽，監測網絡中是否有其它ZigBee設備向其發出連接請求，若有則回復應答，建立連接。若調度中心需要對車輛進行調度，網關節點負責將上位機發出的調度指令通過無線傳感器網絡依次傳送給網絡中的所有參考節點，再由參考節點將信息發送至與它臨近的終端節點；若遇到緊急情況（如出現故障或堵車等），公交司機可通過車上的報警按鈕發送報警信息，該信息通過參考節點轉發至網關節點后最終上傳至調度中心服務器。

（2）參考節點

參考節點可提供路由轉換功能，負責為終端節點提供自己的位置信息及RSSI值，以便其定位，同時具有信息轉發功能，一般被安置在公交站牌、路燈以及公交沿線一些固定位置的設施上。參考節點進行設備初始化后可申請連接進當前網絡。若成功連入網絡，則主動將自身網絡地址發送給協調器，從而與當前網絡建立連接，否則將依次輪流詢問設備。

（3）終端節點

終端節點作為網絡中的定位節點，被安置在公交車上。終端節點在公交車運行過程中會接收到臨近參考節點主動發來的位置信息，然后根據RSSI測距算法和三邊定位法，運用自身的定位引擎計算出自己的坐標位置后發送給網絡中臨近的參考節點，并由參考節點最終轉發給網關節點。

2　基于ZigBee的無線網絡拓撲結構

在基于ZigBee技術的無線網絡拓撲結構中，經常采用的是星型、樹型、網狀以及對等網絡拓撲結構［2］。網絡中的子設備與協調器連接后，會自動獲取一個16位的網絡地址。該地址由協調器分配，稱為短地址。該地址是一個相對地址，用于各設備在局域網中進行通信，而每個設備在網絡中唯一的64位IEEE地址是絕對地址。

（1）星型網絡拓撲結構

星型拓撲結構由協調器和若干子設備組成。協調器由FFD（全功能設備）充當，負責建立和維護網絡，要求由穩定電源供電。子設備可由FFD或RFD（精簡功能設備）充當。子設備只能與協調器直接進行通信，也只有通過協調器的轉發才能與其他設備進行通信，一般采用電池供電即可。在一個網絡中，可通過最先給一個FFD設備供電將其設置為協調器。選擇好自己的信道后，協調器將確定一個PAN標識符并創建無線網絡，同時其他設備可申請加入該網絡。子設備可根據PAN標識符識別該網絡，獲得協調器批準后與其建立主從關系連接，最終可形成一個星型網絡拓撲結構，如圖1所示。星型網絡拓撲結構主要用于監護系統以及家庭、工業自動化等各類場合。

圖1　星型網絡拓撲結構圖

（2）樹型網絡拓撲結構

在樹型網絡拓撲結構中，網絡中的末端終端節點被稱為“葉子節點”，由RFD充當。作為“父節點”的協調器由FFD充當。FFD將多個終端設備連在一起，形成一個“簇”。多個這樣的“簇”互相連接最終形成“樹”。在整個樹型網絡中有一個主協調器，由它首先向鄰近設備發起數據傳輸，確定PAN并設置自己的短地址為0。主協調器與鄰近設備建立連接后，會將一個16位的短地址分配給與其相連的子設備，從而建立起與子設備的父子關系。

當一個充當路由器角色的設備在網絡中與其它設備相連接時，協調器會自動分配給它一個包含若干16位段地址的地址塊。路由器設備進行自身配置后將自己的信標發送出去，通知其它設備可以與其建立連接，這些與路由器相連的設備成為它的子設備。之后可以選擇子設備中的一個作為新的路由器設備又可連接它自己的子設備，最終形成一個多級的樹型拓撲結構，如圖2所示。網絡中的數據信息從主協調器出發，依照節點的父、子關系一層一層地進行傳輸。該網絡拓撲結構一般適用于需要較大傳輸范圍的場合。

圖2　樹型網絡拓撲結構圖

（3）對等網絡拓撲結構

在對等網絡拓撲結構中，協調器可以與網絡中的任意設備通信，數據以路由器轉發的方式在網絡中傳輸，增加了數據的傳輸范圍，從而可以構成更為復雜的網絡結構，如圖3所示。用戶可以選取一種最適合的路由協議來適應ZigBee網絡中不同場合的需求。

圖3　對等網絡拓撲結構圖

3　智能公交系統中的無線網絡拓撲結構

目前城市公交線路一般都是幾十公里的相對直行區域，理論上比較適合使用樹型網絡拓撲結構。但由于樹型網絡的自愈性比較差，一旦某節點因斷電等突發事件脫離網絡就無法完成數據的傳輸，因此可見樹型拓撲結構不能保證系統中數據傳輸的完整性，因此，在智能公交系統中應該采用具有穩定、可靠、高效等特點的網狀拓撲結構，如圖4所示。

在智能公交系統中，由于車載終端設備不需要發送大量數據，可采用RFD設備以降低成本，也可降低數據傳輸中的復雜性；固定在公交線路沿線的參考節點設備主要用來接收車載終端設備傳送來的數據，并負責將數據轉發給其它相鄰設備，要求具有路由功能，因此采用FFD設備；作為協調器的網關節點設備一般被安置在調度中心，負責接收傳感器網絡中傳來的數據并將其發送至調度中心的服務器，同時也可以將調度中心傳送來的數據發送到網絡中。

圖4　智能公交系統中的網狀拓撲結構圖

通常情況下，市內公交車之間的距離大約為500m～1000m。可在公交沿線兩側的相對或斜對位置安放數量相等的參考節點FFD，并設置其發射頻率，使任一參考節點都在其它鄰近節點的通信范圍之內，從而保證節點之間正常的數據傳輸；每個車載終端設備RFD都能與鄰近的參考節點設備進行通信，同時也可以與道路對面的參考節點設備進行通信；若車輛出現故障，司機按下的警報信息也可以通過鄰近的參考節點設備轉發至調度中心，從而實現數據的交換與傳輸。

安裝在公交站點的FFD設備能夠接收車載終端及鄰近參考節點設備發送過來的數據，并通過電子站牌實時顯示在電子屏幕上，使乘客隨時了解所要乘坐的車輛信息；當網絡中某個傳感器節點突然斷電或發生損壞時，ZigBee網絡也能夠很快實現自動重組，不會影響整個ZigBee網絡中的數據傳輸。

4　結語

本文簡要介紹了基于ZigBee技術的無線傳感器網絡的構成以及幾種常用的網絡拓撲結構。結合智能公交系統的技術要求及實際需求，甄選出最為適用的網狀拓撲結構，并闡述了系統網絡的具體實施辦法，充分利用了網狀拓撲結構較強的自愈能力以及穩定、可靠、高效等特點，具有較強的實際應用及推廣價值。

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Exploration on Wireless Sensor Network Topology in Intelligent Bus System Based on ZigBee Technology

BIAN Jing，DU Wei
（College of Computer Science and Technology，Changchun University，Changchun 130022）

A brief introduction for the wireless sensor network of intelligent bus system is taken out in the article，and the characteristics of ZigBee technology is focused on.Applications of several kinds of wireless network topologies are mainly introduced.By comparing，the mesh topology is selected to be the most suitable for the intelligent bus system and is elaborated.

ZigBee；intelligent bus system；network topology；FFD；RFD

TP391

A

1672-9870（2016）04-0135-03

2016-03-17

吉林省教育廳“十二五”科學技術研究項目（吉教科合字［2014］第287號）

邊晶（1977-），女，碩士，講師，E-mail：583745233@qq.com