中國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

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為了實現(xiàn)城市公交車輛的實時定位，根據(jù)接收信號強(qiáng)度指示（RSSI）定位和極大似然估計定位算法原理，采用LTE（長期演進(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，乘客等車等帶來方便，具有功耗低、成本低、實用價值高等優(yōu)點。

車輛定位； 接收信號強(qiáng)度指示； 長期演進(jìn)； 地理信息系統(tǒng)

0 引言

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

本文提出將公交車節(jié)點的位置信息與電子地圖結(jié)合起來，建立LTE（長期演進(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)合的無線公交車輛定位系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過公交車上安裝的終端節(jié)點及時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，為乘客提供車輛實時行駛信息，真正實現(xiàn)智能交通。

1 無線定位系統(tǒng)架構(gòu)

基于ZigBee的公交車輛無線定位系統(tǒng)采用“信標(biāo)節(jié)點—終端節(jié)點—后臺定位系統(tǒng)”的三層結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1中的安裝在路段兩邊的信標(biāo)節(jié)點1至信標(biāo)節(jié)點N通過網(wǎng)絡(luò)協(xié)議實現(xiàn)了無線傳感器網(wǎng)絡(luò)。盲節(jié)點可以接收相鄰節(jié)點傳輸?shù)腞SSI（接收信號強(qiáng)度指示）[4]值。通過LTE 4G技術(shù)和ZigBee技術(shù)，網(wǎng)關(guān)節(jié)點可以將信標(biāo)節(jié)點與盲節(jié)點間的RSSI值及信標(biāo)節(jié)點坐標(biāo)信息上傳到中心服務(wù)器，并存入數(shù)據(jù)庫中。后臺定位系統(tǒng)通過對數(shù)據(jù)庫中的信息進(jìn)行定位計算得到公交車的實時位置，而后通過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)利用電磁波信號在傳播過程中的功率衰減與傳輸距離存在某種關(guān)系，得到盲節(jié)點和信標(biāo)節(jié)點之間的距離，再通過位置估計得到盲節(jié)點的位置。利用RSSI定位不需要增加額外的硬件設(shè)備，不需要時間同步，只需較小的通信開銷，且實現(xiàn)起來也比較簡單，因此得到了十分廣泛的應(yīng)用[5]。本設(shè)計亦采用此種方法進(jìn)行定位。該算法分為兩個部分：距離計算和位置計算。

2.1 距離計算

接收信號強(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)境下信號能量隨收發(fā)節(jié)點之間的距離增加而衰減的速率，d指發(fā)射節(jié)點與接收節(jié)點之間的距離，a指天線在全向模式下距發(fā)射節(jié)點1 m處接收信號的RSSI絕對值，與信號發(fā)射的強(qiáng)度有關(guān)。則由上式可以計算得到信標(biāo)節(jié)點和盲節(jié)點間的距離值d。

2.2 位置計算

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

則有如下公式：

從第一個方程開始依次減去最后一個方程，可得：

式(3)的線性方程可以表示為：AX＝b，其中X＝[x y]T，且

對于節(jié)點D的坐標(biāo)可以采用多種方法來求解，最常用的最小二乘估計法，采用此種方法計算得到的D的坐標(biāo)為：

3 硬件設(shè)計

3.1 硬件架構(gòu)

本設(shè)計硬件包括終端節(jié)點和信標(biāo)節(jié)點。其中信標(biāo)節(jié)點主要采用CC2530設(shè)備，終端節(jié)點包括網(wǎng)關(guān)節(jié)點和盲節(jié)點，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)點及盲節(jié)點

信標(biāo)節(jié)點及盲節(jié)點的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，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支持專用點到點，簡單星形以及樹型及網(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)點主控芯片

網(wǎng)關(guān)節(jié)點主控芯片采用了Philips推出的一款支持實時仿真的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、定時器接口等，具有穩(wěn)定性好、可靠性高、接口豐富等優(yōu)點，可大大簡化外圍硬件電路設(shè)計，降低設(shè)計成本與復(fù)雜度。它主要用轉(zhuǎn)發(fā)CC2530盲節(jié)點接收到的信標(biāo)節(jié)點與盲節(jié)點間的RSSI值及信標(biāo)節(jié)點坐標(biāo)信息，將其通過LTE 4G模塊上傳至后臺服務(wù)器。

3.4 LTE 4G模塊

網(wǎng)關(guān)節(jié)點數(shù)據(jù)采用中國電信的天翼4G網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行傳輸。中國電信4G網(wǎng)速更快、體驗更好，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器，它采用8引腳雙排式封裝，具有結(jié)構(gòu)緊湊、存儲容量大等特點。特別適用于具有大容量數(shù)據(jù)存儲要求的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。本設(shè)計方案中需要存儲大量的信標(biāo)節(jié)點傳遞上來的RSSI信息，需要通過IIC與AT24C256進(jìn)行通信將RSSI信息存儲于其中。

4 實時定位

4.1 定位過程

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

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

2） 通過盲節(jié)點和多個信標(biāo)節(jié)點之間的相互通信，盲節(jié)點接收到多個信標(biāo)節(jié)點的RSSI值和信標(biāo)節(jié)點的自身信息。

3） 網(wǎng)關(guān)節(jié)點通過LTE 4G將收到的RSSI數(shù)據(jù)包信息上傳至后臺服務(wù)器，并存至后臺服務(wù)器數(shù)據(jù)庫中。

4） 上位機(jī)軟件對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行操作，測算公交車節(jié)點和各個信標(biāo)節(jié)點之間的距離估計值，并利用極大似然估計法求得公交車節(jié)點的估計位置

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 定位實現(xiàn)

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

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

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

4.3 結(jié)果顯示

本設(shè)計GIS實時地圖采用北京慧圖信息科技公司的TopMap地理信息設(shè)計開發(fā)平臺。該平臺提供了豐富的地理信息設(shè)計功能，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、實體編輯、屬性數(shù)據(jù)操作、圖像輸出等功能。通過采用上述方法，提出的本設(shè)計方案能夠?qū)崿F(xiàn)電子地圖上的公交車輛的實時定位。

5 定位結(jié)果

本系統(tǒng)CC2530模塊無線通信的距離是180 m，設(shè)定在盲節(jié)點可通信范圍內(nèi)信標(biāo)節(jié)點個數(shù)分別為3、5、7、9、11時所測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)點大于6個時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，說明該系統(tǒng)的定位是有效的，但信標(biāo)節(jié)點的數(shù)目要多點較好。

6 結(jié)語

本設(shè)計利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)得到路邊信標(biāo)節(jié)點傳送給公交車終端節(jié)點的RSSI信息，通過LTE 4G將其上傳到后臺服務(wù)器并存入數(shù)據(jù)庫中。通過上位機(jī)對數(shù)據(jù)庫進(jìn)行定位處理，而后通過GIS技術(shù)將公交車的地理位置實時顯示出來。經(jīng)實際測試，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，可以實時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，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)計也可以參考。

[1]陳勇，楊明輝. 基于LTE 4G模塊的無線通信系統(tǒng)的設(shè)計[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在煤礦井下人員實時定位的應(yīng)用[J]. 企業(yè)技術(shù)開發(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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