公交車輛定位無線網(wǎng)絡(luò)傳感器來幫忙-技術(shù)方案

精品文檔-下載后可編輯公交車輛定位，無線網(wǎng)絡(luò)傳感器來幫忙-技術(shù)方案引言

對公交車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)的定位、監(jiān)控和實(shí)時(shí)的調(diào)度管理，不但是提高道路利用率、緩解交通壓力的一種行之有效的方法，而且還可以保證公交車輛營運(yùn)安全、高質(zhì)量的服務(wù)以及科學(xué)的調(diào)度管理，把目前的城市公交車輛營運(yùn)提高到一個(gè)新的水平，目前車輛定位技術(shù)主要有：

（1）無線電定位法根據(jù)若干無線電基站所發(fā)出信號(hào)的強(qiáng)弱、相位、數(shù)字信號(hào)等來推算被測物體位置的技術(shù)，無線電定位根據(jù)無線電發(fā)射基站所在位置的不同可以分為地基定位和天基定位，天基定位又稱衛(wèi)星定位。目前對民用用戶而言，可供選擇的衛(wèi)星定位系統(tǒng)主要有：GPS（定位系統(tǒng)）、GLONASS（導(dǎo)航衛(wèi)星系統(tǒng)）和“北斗一號(hào)”衛(wèi)星定位系統(tǒng)。而GPS，GLONASS在某些特定的環(huán)境下，GPS接收機(jī)定位不限制了它的廣泛使用如陰影，即城市中高樓與高樓之間形成的“峽谷”內(nèi)、濃密的植被下，信號(hào)接收效果較差，但重要的原因是這種方法價(jià)格昂。

（2）航位推算法（又稱慣性導(dǎo)航法），利用車輛本身所裝置的距離感測元件與方向感測元件，得出車輛行進(jìn)的距離與方向的改變，即可算出車輛位移的向量。但此方法開機(jī)時(shí)需由外部提供初始位置信息，后續(xù)的數(shù)據(jù)經(jīng)由折算距離與角度再加到初始數(shù)據(jù)上，而得出目前的位置。但推算定位法通常存有距離和相位跡差，而且誤差會(huì)隨著距離與時(shí)間而累積加大，需要經(jīng)常修整誤差。

（3）信標(biāo)法是在一定區(qū)域均勻地設(shè)置固定自動(dòng)車輛識(shí)別標(biāo)桿，依據(jù)車輛與標(biāo)桿的關(guān)系，求出車輛的相對位置。本方法適用于固定路線，當(dāng)裝有感應(yīng)器的車輛經(jīng)過信號(hào)標(biāo)桿時(shí)，標(biāo)桿上的發(fā)報(bào)器立刻將信號(hào)傳回調(diào)度中心，此種系統(tǒng)的定位度依信號(hào)桿設(shè)置的疏密而定，且車輛需按固定路線行駛時(shí)方能定位。

（4）地圖匹配是一種基于軟件技術(shù)的定位誤差修正，方法，其基本思想是將車輛定位信息與數(shù)字地圖中的道路網(wǎng)信息聯(lián)系起來，并由此確定車輛在地圖中的位置。本文設(shè)計(jì)了一種在無線傳感器網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下的定位方法，網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點(diǎn)均為無線收發(fā)模塊，具有部署簡單，成本低等特點(diǎn)可以彌補(bǔ)上述方法中的一些不足。

1網(wǎng)絡(luò)的組成和結(jié)構(gòu)

網(wǎng)絡(luò)中由兩類節(jié)點(diǎn)組成：信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，這兩類節(jié)電都是無線收發(fā)模塊，其它還有相關(guān)的微處理器，數(shù)據(jù)采集和控制相關(guān)操作的軟件，中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)是與帶有監(jiān)控的軟件平臺(tái)的PC計(jì)算機(jī)相連提供定位數(shù)據(jù)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)。

本文介紹的算法是基于比較簡單網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)造的，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)（信標(biāo)節(jié)點(diǎn)）成線性或非閉合曲線的排布，這樣符合城市街道布局，可以把信標(biāo)節(jié)點(diǎn)沿城市干道排布，把移動(dòng)節(jié)點(diǎn)安裝在路徑上述干道的公交車輛上，公交車輛在散布信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的道路行駛。

2定位算法和相關(guān)問題處理

2.1系統(tǒng)幀的結(jié)構(gòu)

仿照802.15.4協(xié)議MAC數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)構(gòu)造下列幀結(jié)構(gòu)，圖2給出了數(shù)據(jù)幀的結(jié)構(gòu)，確認(rèn)幀的結(jié)構(gòu)與數(shù)據(jù)格式相同。數(shù)據(jù)幀類型，是區(qū)分?jǐn)?shù)據(jù)幀和確認(rèn)幀或其他功能信號(hào)，路由信息是防止數(shù)據(jù)反復(fù)重發(fā)設(shè)置的，發(fā)過同一數(shù)據(jù)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)把自己的編號(hào)加入到相應(yīng)的路由位，傳感信息用于公交車輛的位置，時(shí)間戳，路況等一些傳感數(shù)據(jù)，或者具體應(yīng)用的擴(kuò)展。

在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)，由中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間同步信號(hào)，接收到的節(jié)點(diǎn)的時(shí)間片清零，未收到同步信號(hào)的節(jié)點(diǎn)可通過擴(kuò)散的方式由相鄰的上節(jié)點(diǎn)傳輸同步信號(hào)（同步信號(hào)為零號(hào)數(shù)據(jù)幀），在接收到同步信號(hào)向中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)返回確認(rèn)信號(hào)，否則重發(fā)。以后在每時(shí)間輪片的過程的時(shí)間有中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)發(fā)送時(shí)間同步信號(hào)，各個(gè)節(jié)點(diǎn)自動(dòng)以該信號(hào)或接收到的其它節(jié)點(diǎn)的信號(hào)自動(dòng)同步，或修正同步時(shí)間誤差。

2.2數(shù)據(jù)傳輸過程

整個(gè)系統(tǒng)以根據(jù)節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)設(shè)置時(shí)間片大小和個(gè)數(shù)。每個(gè)時(shí)間片對應(yīng)一個(gè)號(hào)碼，每個(gè)節(jié)點(diǎn)（除中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)）一個(gè)號(hào)碼。節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)信息，只能在特定時(shí)間（屬于自己的時(shí)間片）內(nèi)發(fā)送。每個(gè)節(jié)點(diǎn)都有編號(hào)。信標(biāo)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后開始向周圍鄰近信標(biāo)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)幀，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)不負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，當(dāng)臨近信標(biāo)節(jié)點(diǎn)獲得自己的時(shí)間片后，再向其臨近節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，把數(shù)據(jù)傳送到中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)獲得數(shù)據(jù)。

為了闡述數(shù)據(jù)的傳輸過程，我們截取一段目標(biāo)監(jiān)控區(qū)域，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)A對相鄰的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)在自己的時(shí)間片發(fā)出請求信號(hào)，請求成功后，將定位信息向鄰近節(jié)B發(fā)送，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)B，接收到了數(shù)據(jù)后，首先對數(shù)據(jù)進(jìn)行校驗(yàn)，由于B節(jié)點(diǎn)是次轉(zhuǎn)發(fā)此數(shù)據(jù)，因此在路由位1中加入自己的節(jié)點(diǎn)編號(hào)，數(shù)據(jù)幀如下：

這樣就防止同樣的數(shù)據(jù)地在B點(diǎn)重復(fù)傳輸，B點(diǎn)在自己的時(shí)間片下向鄰近節(jié)點(diǎn)C轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，而C節(jié)點(diǎn)在接收到數(shù)據(jù)以后，把自己的節(jié)點(diǎn)編號(hào)加入到路由位2，數(shù)據(jù)幀如下：

然后向鄰近的B，D轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，由于前面路由位1的設(shè)置，使得數(shù)據(jù)能不能回傳，同樣數(shù)據(jù)到達(dá)D點(diǎn)后由于路由位2的作用也不會(huì)回傳，這樣數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至F，空路由位只剩一個(gè)，然后下個(gè)節(jié)點(diǎn)接收到數(shù)據(jù)后，把路由位2清空（原來為0CH替換位0FH），添加自己的編號(hào)，數(shù)據(jù)幀如下：

下個(gè)節(jié)點(diǎn)在路由位3添加，添加至第四個(gè)路由位，下個(gè)節(jié)點(diǎn)在替換第二個(gè)路由位，如此反復(fù)循環(huán)，這樣就可以使數(shù)據(jù)減少重復(fù)傳送，提高傳輸效率，直至到達(dá)中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)，再由中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)傳輸至基站PC。

2.3車輛定位中相關(guān)問題的處理

針對公路交通中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)如交通堵塞或交通事故等緊急情況，在這種緊急情況發(fā)生下，就需要及時(shí)地通知監(jiān)控臺(tái)，再由監(jiān)控臺(tái)通知相關(guān)部門做好疏散等相關(guān)處理工作，以免事態(tài)擴(kuò)大，此時(shí)就需要信標(biāo)節(jié)點(diǎn)優(yōu)先處理這樣的報(bào)警信息，無需再等待時(shí)間片，使報(bào)警信息及時(shí)到達(dá)監(jiān)控臺(tái)。由于公交車輛存在上行和下行問題，在數(shù)據(jù)傳輸上必須區(qū)別對待，在傳感信息位中加入一個(gè)比特位1表示上行，0表示下行。

在節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)用此來表示是上行還是下行，同時(shí)在車站牌的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)安裝顯示屏，在每一路牌下都有按鈕，按下按鈕表示等待該路公交車的乘客請求該路公交車到達(dá)時(shí)間，同時(shí)候車乘客也可以通過車站信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的按鍵向?qū)⒁竭_(dá)的公交車輛發(fā)送信息（設(shè)置數(shù)據(jù)幀類型）以防止誤車。在公交車輛里的前門（上車門）和后門（下車門）安裝光敏器件記錄上車和下車的客流量信息，通過車載移動(dòng)節(jié)點(diǎn)發(fā)送回監(jiān)控臺(tái)，監(jiān)控臺(tái)通過數(shù)據(jù)分析，來及時(shí)對交通進(jìn)行調(diào)度。

例如，8路公交車（編號(hào)為8）以普通50-60人的上行公交車為例，在A站臺(tái)候車的乘客想知道8路車什么時(shí)候到達(dá)A站臺(tái)，按下8路站牌下按鈕，在此站牌的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)掃描按鍵，產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀如下：

數(shù)據(jù)幀類型為1表示非數(shù)據(jù)幀，信息位08H代表公交標(biāo)識(shí)，01H表示上行，則下行8路車不對此數(shù)據(jù)作出回應(yīng)，上行的8路車移動(dòng)節(jié)點(diǎn)接受到以后，分析數(shù)據(jù)幀類型和信息位，產(chǎn)生數(shù)據(jù)幀如下：

上行站點(diǎn)A接收到數(shù)據(jù)分析后，把前方來車的位置顯示在顯示屏上，候車人可根據(jù)時(shí)間來決定是否改乘其它路車輛。

8路車到A站后，通過上車們和下車門的設(shè)備統(tǒng)計(jì)了上車（15人），下車人數(shù)（10人）后設(shè)置數(shù)據(jù)幀如下：

基站接收到類似的數(shù)據(jù)幀（類型為0）后首先對路由位1統(tǒng)計(jì)，對于路由位1相同的下車人數(shù)字段進(jìn)行疊加，當(dāng)超過某一數(shù)值時(shí)對路由位1地址的路段進(jìn)行交通調(diào)度緩解這一路段的交通壓力。

2.3定位過程和網(wǎng)絡(luò)速度

移動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)定時(shí)的向基站發(fā)送信息，使基站能夠?qū)崟r(shí)的監(jiān)控到各個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的位置和傳感信息，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)定位是通過其附近的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)來確定的，移動(dòng)節(jié)點(diǎn)封裝好數(shù)據(jù)幀向信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，信標(biāo)節(jié)點(diǎn)通過地址匹配和校驗(yàn)后，向上轉(zhuǎn)發(fā)，這樣終到達(dá)基站，因此，對網(wǎng)絡(luò)速度就有一定的要求，否則無法體現(xiàn)定位的實(shí)時(shí)性，假如，某條道路中有256節(jié)點(diǎn)，通常在井下對于信標(biāo)節(jié)點(diǎn)密度不需要太大，以56個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)和200個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)。目前，一般的無線收發(fā)模塊的發(fā)送速率為100k~1Mbps，本文數(shù)據(jù)幀為21字節(jié)，168位數(shù)據(jù)裝配成發(fā)送數(shù)據(jù)為336位數(shù)據(jù)以100kbps發(fā)送時(shí)間為0.00336s，時(shí)間片的長短要視收發(fā)模塊緩存大小而定，如使用nrf905，則可把時(shí)間片設(shè)為0.02s，可以讓節(jié)點(diǎn)把盡可能多地?cái)?shù)據(jù)在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)把移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的請求都發(fā)送出去，那么輪轉(zhuǎn)一周時(shí)間為5.12s，考慮壞的情況，當(dāng)全部移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都集中到離中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的遠(yuǎn)的信標(biāo)節(jié)點(diǎn)進(jìn)行信息的發(fā)送，那么數(shù)據(jù)每個(gè)數(shù)據(jù)將經(jīng)過55個(gè)節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)，即至少要55×0.02=0.11s。

2.4節(jié)點(diǎn)功耗

對于公交定位中，對于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)的功耗的要求不需要很嚴(yán)格，因?yàn)橐苿?dòng)節(jié)點(diǎn)安裝在公交車上可以通過公交車輛的電源對其供電，而信標(biāo)節(jié)點(diǎn)相對于移動(dòng)節(jié)點(diǎn)就需要較高的要求，因?yàn)樗巧⒉荚诘缆飞系臎]有穩(wěn)定的供電，截取網(wǎng)絡(luò)中一段，選用nrf905作為無線信號(hào)的收發(fā)，其發(fā)射功率為11mA，接收功率為12.5mA，它在感應(yīng)到信號(hào)后首先進(jìn)行地址匹配，匹配成功后，會(huì)從省電模式轉(zhuǎn)換為接收模式，無需一直處在接收模式，這樣可以節(jié)省能源，在實(shí)際中，在網(wǎng)絡(luò)中不同的節(jié)點(diǎn)工作量也不同，主要是信標(biāo)節(jié)點(diǎn)要大量接收和轉(zhuǎn)發(fā)，因此信標(biāo)節(jié)點(diǎn)的功率會(huì)比移動(dòng)節(jié)點(diǎn)更大些，在壞的情況下，設(shè)置時(shí)間片0.2s，時(shí)間輪片輪轉(zhuǎn)一周為5.12s，如果所有移動(dòng)節(jié)點(diǎn)都集中到一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送，這時(shí)的中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)功率為[12.5×56×5.12ms+2.5μA×（51200-5.12×56）]/51200=0.0725mA。但中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)通常有較好的供電條件，如對電池的體積沒有很嚴(yán)格的限制，或可以用線路供電而用電池作為備份。因此，中轉(zhuǎn)節(jié)點(diǎn)的功耗不成為問題。

2.5對于數(shù)據(jù)傳輸?shù)热舾蓡栴}處理

由于是時(shí)間偏機(jī)制，經(jīng)常會(huì)有一下得情況發(fā)生：

（1）在同一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)附近的移動(dòng)節(jié)點(diǎn)會(huì)不停的向這個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)來發(fā)送數(shù)據(jù)，這樣的數(shù)據(jù)（除次發(fā)送的數(shù)據(jù)）就沒有必要讓信標(biāo)節(jié)點(diǎn)反復(fù)傳輸造成時(shí)間片的浪費(fèi)。

（2）在一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)周圍有多個(gè)移動(dòng)節(jié)點(diǎn)，都向同一個(gè)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)，這時(shí)信標(biāo)節(jié)點(diǎn)就會(huì)無法在一個(gè)時(shí)間片內(nèi)完成全部數(shù)據(jù)的發(fā)送。

為了解決以上的傳輸問題，在信標(biāo)節(jié)點(diǎn)中設(shè)置一個(gè)暫存鏈表，鏈表中每一項(xiàng)都不是重復(fù)的，每次加