（电子科学与技术专业论文）zigbee技术在智能公交通信网络中的应用.pdf

硕+ 学位论文 a b s t r a c t u r b a np u b l i ct r a f f i ci sa ni m p o n a n tp a r to fc i t yt r 蛆s p o r ta n dab a s i sf a c t o ro ft h e g f e a ta i r t e d ro fc i t y n o w a d a y s ，t h ec o n s t l l j c t i o no ft h ei n t e l l i g e n t 仃a 硒cs y s t e mh a s b e e np u to nt h ea g e n d ai nm a n yl a r g e 锄dm e d i u m s i z e dc i t i e si nc h i n a b a s e do nt h e 觚a l y s i so ft h em e r i t sa n dd e m e r i t so fe x i s t i n gi n t e l l i g e n tt r a 瓶cs y s t e m ，t h ep a p e r f o c u s e so nt h er e s e a r c ha n dd e v e l o p m e n to ft h ei n t e l l i g e n tt r a f 行cc o m m u n i c a t i o n s y s t e mb a s e do nz i g b e e t h ei n t e l l i g e n tt r a f f i cc o m m u n i c a t i o nn e t w o r ki n c l u d e si n t e m e ta n dz i g b e e n e t w o r k t h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb e t w e e nt r a f f i cl i n ec e n t e r sa n dt r a f n cd i s p a t c h c e n t e r sb e l o n g st ot h ei n t e m e t ，t om a k eu pf o rt h et r a n s m i s s i o nd i s t 跹c el i m i to f z i g b e e t h er e s to ft h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r kb e l o n gt ot h ez i g b e en e t w o r k ，t o m a k ef u l lu s eo ft h e p o i n t - b l a n kt r a n s m i s s i o no fz i g b e e t h ec o m m u n i c a t i o n m e c h a n i s m 锄df u n c t i o n a l i t yo ft h et h r e e l a y e rn e t w o r ka 托r e s e a r c h e d f i r s t l y ， t h ep a p e rd e e p l ya n a l y z e ds e v e r a lv e h i c l e so r i e n t a t i o nt e c l l n o l o g i e s ， c o m b i n e dw i t hp o s i t i o n i n gr e q u i r e m e n ta n do p e r a t i o nm o d eo fp u b l i ct n f n c ，a d o p t e d a np o s i t i o n i n ga l g o r i t h mb a s e do nz i g b e ea n dr s s i ，s t u d i e dt h er e a l i z a t i o no ft h eb u s n o d el o c a l i z a t i o na n di t s a p p l i c a t i o n s e c o n d l y ， t h ep a p e ra n a l y s e dt h eb a s i c r e q u i r e m e n t sa n dc h a r a c t e r i s t i c so fr o u t i n gi ni n t e u i g e n tt r a m cz i g b e en e t w o r k ，p u t f o r w a r da nd i r e c t i o n a lr o u t i n ga l g o r i t h m ，a n dt h e nd e s i g n e dt h er o u t i n gc o m b i n i n g w i t hm i n i m u mp a t h w a yc o s t f i n a l l y ，t h ep a p e rm a d ea 咖d yo ft h ec o m m u n i c a t i o n m e c h a n i s ma n di n f o r m a t i o np r o c e s so fp e r m i t t i n gb u sn o d et ojo i nan e t w o r k ，b u s n o d ejo i n i n gan e t w o r k 粕dl e a v i n gan e t w o r k b ym e a n so fc o m p a u r i n gt h es i g n a l i n t e n s i t yb e t w e e nt h ef 0 肌e rr o u t e ra n dt h el a t t e rr o u t e r ， t h ep a p e rd e s i g n e dt h e h a n d o v e ra l g o r i t h mo ft h eb u sn o d e m a k i n gz i g b e et e c h n o l o g ya p p l i e dt ot h ei n t e l i i g e n tt r 瓶cc o m m u n i c a t i o n n e t w o r kp r o v i d e dan e wd i r e c t i o no fd e v e l o p i n gt h e i n t e l l i g e n t t r a f f i cs y s t e m ， e x p a n d e dt h es c o p eo fa p p l i c a t i o no fz i g b e et e c h n o l o g ya n dp r o m o t e dt h et h e o r e t i c a l s t u d yo fz i g b e et e c h n o l o g y k 9 yw o r d s ：z i g b e e ；a p t s ；p 0 s i t i o n i n g ；r o u t i n g ；h a n d o v e r i u 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 讯列龟 1 日期：a 呷年j 月z 7 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“寸) 作者签名： 导师签名： 日期：呷年f 月叩日 日期：知砰年月7 日 |1 硕士学位论文 1 1 智能公交系统概述 第1 章绪论 随着社会经济的发展，交通拥挤、线路阻塞和交通事故频繁发生正越来越严 重的困扰着世界各大城市。为了在不扩张路网规模的前提下提高交通路网的通行 能力，近年来，把道路、车辆等与交通有关的所有一切都归于一体，将先进的信 息技术、数据通信技术、电子技术、控制技术、计算机处理技术以及其他的科学 技术综合应用于地面交通管理体系，从而建立起一种大范围、全方位、高效率的 交通运输管理系统，我们称之为智能交通系统( i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ， i t s ) 【1 】【引。i t s 的实质是运用当代的高新技术综合解决交通运输问题，目的是建 立一种在大范围内、全方位发挥作用的、实时、准确、高效、安全、便捷和舒适 的综合交通运输体系，以保证社会经济可持续发展，建立与人类生存环境相协调 的、良好的交通运输系统【3 】。 城市公共交通是城市社会经济活动的动脉，是城市社会和经济活动的重要组 成部分，是城市赖以生存的必要公用基础设施，也是城市投资环境和社会化生产 的基础物质条件。迅捷、高效的交通系统是社会经济发展的有力保障。城市交通 的科学化、现代化管理是综合解决城市道路交通问题的主要环节，而交通管理的 科学化是使现代化的交通管理设施和手段发挥最大效益的基本前提【4 j 。 解决城市交通的有效途径就是发展公共交通。我国的国情决定了我国只能采 用密集型城市的发展模式，注重城市内涵式发展，以公共交通系统促进城市紧凑 发展和节约土地资源，以合理的土地开发形成和保持公共交通的主导地位1 5 j 。 国家建设部于2 0 0 4 年3 月以城建( 2 0 0 4 ) 3 8 号文件公布了国家优先发展城 市公交的意见，对优先发展城市公交的重大意义、主要任务和目标等重大问题进 行了阐述，并对一些具体的实施内容提出了明确的要求。文件明确指出：各地要 增加科研资金投入，要利用高新科技对传统城市公共交通系统进行改造，以现代 通讯、信息技术为依托，促进出行者、交通工具、交通设施以及交通环境各要素 问的良性互动，形成信息化、智能化和社会化的新型城市公共交通系统【6 】。 智能公交系统( a d v a n c e dp u b l i ct r a m cs v s t e m ，a p t s ) 是i t s 的重要研究 内容。它运用系统工程理论将交通流诱导技术、车辆定位技术、地理信息系统技 术、公交运营优化与评价技术、计算机网络技术、数据库技术、通信技术、电子 技术、智能卡技术等先进技术集成，形成集智能化调度、公交电子收费、信息服 务、网络通信于一体的先进的公交管理系统【j 7 1 。智能公交系统主要以出行者和公 z i g b e e 技术在智能公交通信网络中的应用 交车辆为服务对象。对于出行者而言，智能公交系统通过采集与处理动态和静态 交通信息，并通过多种媒体为出行者提供公交信息( 发车时刻表，换乘路线，出 行者最佳路径等) ，从而达到选择最优路线、避免交通拥挤、节约出行时间的目的。 对于公交车辆而言，智能公交系统主要实现对其动态监控、实时调度、科学管理 等功能，从而达到提高公交服务水平的目的。 智能公交系统具有公交车辆的定位跟踪、辅助导航、车辆调度指挥、动态发 布公交信息以及出行者最佳路径查询等功能。通过建设智能公交系统可以大大提 高城市公交车辆的综合管理和调度的智能化，从而有效缓解城市交通的压力。 智能公交系统可以分解为以下四个子系统【8 儿9 】： ( 1 ) 优化与设计子系统。该系统的功能是对公交线网布局、线路配置方式、 站点布置、发车间隔的确定、票价的制定等进行优化和设计，从规划方面提高公 交的服务水平。 ( 2 ) 调度子系统。该系统由调度中心、车载设备、电子站牌等几部分组成， 其主要功能是实现公交车辆的自动调度和指挥，以保证车辆的准时运行，并使出 行者能够通过电子站牌了解车辆的到达时刻，从而节约出行者的候车时间，提高 公交运行的准点率。 ( 3 ) 信息服务子系统。该子系统通过多媒体的方式将公交信息发布出去，使 出行者在出行前和出行过程中可以方便地获得即时、详细的出行和换乘信息，使 出行者可以更加合理地安排出行，避免交通出现高峰。同时，也可以有效地缓解 公交出行高峰时段内过于拥挤和换乘不便的现象，提高城市公交系统的服务水平。 ( 4 ) 评价子系统。通过建立一套科学的公交系统评价体系，对智能公交系统 实施前后的经济效益、社会效益和服务水平等方面进行评价，对交通管理部门和 规划部门就整个城市的公交系统和公交网络布局提出优化建议，提高公共交通在 城市交通系统中的竞争力。 1 2 智能公交系统的发展 二十世纪八十年代后期，美国、日本、加拿大、英国、法国、韩国等发达国 家投入了大量的人力和物力从事智能公交系统，以减少交通阻塞、增加车辆机动 性和路面运输效率、增强安全性、节约能源以及保护环境等，其主要途径是应用 先进的信息与通信技术进行公交车辆定位、车辆监控、自动驾驶、计算机辅助调 度及提供各种公交信息以提高公交服务水平，同时将整个公交系统的车辆流量进 行优化以增强交通容量，提高车辆的运行安全系数，改变传统的公交状况。我国 也对智能公交系统进行了全面的开发和研究。 硕士学位论文 1 2 1 智能公交系统在国外的发展 2 0 0 1 年2 月美国在智能交通十年发展规划中提出：智能交通的发展要求各级 政府部门和有关私营企业的专业职能从大规模的基础设施建设与维护转向为道路 交通设施的使用者提供更优质的服务，智能公交将促使交通管理部门从建设维护 基础设施到改善基础设施使用性能的职责转换。这种职责转换将导致交通管理机 构的重新组合和机构运行方式的改变，需要重新认识机构之间、机构与出行者之 间相互关系。在新的职责范围内，要重新设立交通运输项目的优先开发机制，要 重新调整对交通运输专业技术人员的教育、培训和雇佣方式，要改变交通规则的 模式，甚至要重新组合交通设施规划、管理和执法的区域。在整体规划发展的前 提下，美国的公交管理模式主要表现在三个方面：第一，交通管理机构职责转换， 即建设服务性的交通管理机构和协调机构，在管理机构上保障政府和企业进一步 协调管理。第二，委托代理型管理。在这种模式下，管理机构和运营企业分离开 来，双方通过缔结委托代理合同，共同管理和运营城市公交事务。管理方主要负 责政策的制定、公交网络的规划及维护，以及对代理方所提供的服务进行评估， 即监管合同的履行情况；而运营方获得运营授权合同后，自主组织经营，还可以 指定独立的票价体系，开发特色服务种类。第三，企业是运营组织的单位。通过 建立智能公交系统和提高企业从业人员的技术水平，变革企业的组织结构和雇佣一 模式，使企业的基本运营组织与智能公交系统相适应，达到重新规划公共交通的 目的。 经过六年的发展，美国在智能公交领域取得了一定得发展。目前美国在智能 公交管理方面的研究主要体现在车队管理上，包括车队的通讯管理、地理信息系 统的建设、车辆自动定位系统、乘客自动计数系统和运营管理软件系统。其研究 的成果主要包括两个方面：第一，将企业管理技术化，其核心是将企业管理的全 部过程融入技术元素，主要的研究成果是远程调度系统，为公交企业管理规模的 扩大提供技术支撑；第二，管理模式化，用简单的管理组织机构代替原有的大型 公共交通企业机构，并出现了综合管理机构。其主要成果是a d a r t ( a u t o m a t i c d i s p a t c h a r i d et r a n s i t ) 管理模式和a p t s 管理模式。a d a r t 管理模式又称自 动顺序进出站管理调度模式，是运用远程调度系统安排公交运营的一种自动化管 理模式：a p t s 又称智能公交系统，主要研究基于动态公共交通信息的实时调度 理论和实时信息发布理论，以及使用先进的电子、通讯技术提高公交效率和服务 水平的实施技术，具体包括车队管理、出行者信息、电子收费和交通需求管理等 几方面的研究。其中车队管理主要研究通信系统、地理信息系统、自动车辆定位 系统、自动乘客计数、公交运营软件和交通信号优先。出行者信息主要研究出行 前、在途信息服务系统和多种出行方式接驳信息服务系统【l o 】。美国城市公共交通 管理局( u m t a ) 通过对其智能公共交通系统项目( a p t s ) 进行现场试验后，做 出如下评价：“a p t s 可以显著提高公共交通服务水平，吸引更多乘客采用公交和 合伙的出行模式，从而带来了减少交通拥挤，空气污染和能源消耗等一系列社会 效益 。 日本城市公共交通智能化的发展经历了三个阶段【1 1 】：7 0 年代末开始应用公共 汽车定位系统、公共汽车显示系统；8 0 年代初开始应用公共交通运行管理系统， 其中包括乘客自动统计、运行监视和运行控制；进入9 0 年代，由于机动车数量的 增长和严重交通拥挤的影响，要保持正常的行车速度是十分困难的，由此引起的 公共交通的不变性和不可靠性导致乘客数量的急剧减少【l2 1 。东京都交通局开发了 城市公共交通综合运输控制系统( c t c s ) ，旨在改进公共汽车服务，重新赢得乘 客。在c t c s 中，公共交通运营管理系统是一个基本的框架，其目的是通过掌握 运行情况以及乘客数据实现精确平稳的公共交通运营服务。它将运营中的公共汽 车和控制室之间建立信息交换，并利用诱导和双向通讯的方法，将服务信息提供 给公共汽车运营人员和驾驶入员，同时这些信息也通过进站汽车指示系统和公交 与铁路接驳信息系统提供给乘客【1 3 】。公共交通综合管理系统包括累积运营数据、 乘客计数、监视和控制公共汽车运营和乘客服务等功能，其中乘客服务功能中包 括进站汽车指示、信息查询和公共交通信息提示。公共交通综合管理系统的硬件 包括公交中控中心、区域中心以及路边、车库和车载设备等。可见日本的公交管 理模式更加统一、细化和具体，表现在：第一、政府直接管理规划，通过政府干 预推动智能公交的整体变革。第二、管理过程技术化。通过收集车辆运营的各个 过程数据，由管理系统进行加工分析后，辅助调度过程。第三、管理职责服务化。 政府管理的目的最终是为了从新赢得乘客的信任，满足出行者的信息、快速和准 时等多方面要求。 近年，日本在公交管理方面的研究成果包括两个方面：第一、中心管理模式。 在某个区域设置区域管理控制中心，运用区域积累数据和区域设备强大的文件处 理能力将信息集中处理，实现对公共交通运营的监控、管理和服务等功能。在城 市设置中央总部，将所有的区域中心的数据进行累积和处理，并形成指令，进而 实现在总体上的监督和控制。第二、信息化管理模式。如车辆动态信息系统( v e h i c l e i n f o m a t i o na n dc o m m u n i c a t i o ns y s t e m ，v i c s ) 和城市交通管理系统( u n i v e r s a l t r a m cm a n a g e m e n ts y s t e m ，u t m s ) ，力求在城市交通管理、车辆运营监督和乘 客出行服务等方面实现全方位的信息采集、信息传递和信息处理，利用信息化的 模式提高城市交通的运行效率和管理质量。 欧洲许多国家同中国一样，具有悠久的历史，城市街道一般都比较狭窄。但 是，他们通过实施公交优先政策，设立公交专用车道，为公交提供优先通行信号， 布设智能公交监控与调度系统等措施，提高公交车辆运行速度和公交服务质量以 硕上学位论文 吸引公众乘坐公交车出行，从而有效地缓解了城市交通压力，解决了城市交通问 题，并取得了明显的社会经济效益【l 引。 1 2 2 智能公交系统在国内的发展 近年来，由于科学技术的进步和政府对公交投入力度的加大，我国智能公交 系统已初现端倪。如上海的地铁安装了自动检票系统，可实现乘客的自动计数、 统计客流变化情况。还有一些城市正在着手实施公交“一卡通”，实现公交电子收 费。杭州、上海、北京、大连等几座大城市已在部分公交线路上建成了公交车辆 跟踪调度系统，并安装了电子站牌、车载g p s 定位设备，实现了对车辆的实时跟 踪和定位、公交车与调度室的双向通讯、以及电子站牌上实时显示下班车辆位置 信息等功能。由于上述功能，使得调度过程有据可依，并实现了计算机辅助管理， 节约了劳动力，减轻了劳动负担，提高了车辆运行正点率和服务水平，吸引了大 量客流【1 5 儿16 1 。 这些系统虽然使得中国迈入了公交智能化时代，但由于他们缺乏对许多基础 理论的深入研究，一般没有将动态交通状态信息与车辆定位信息有效融合，而且 某些系统的开发和研制又缺乏交通领域专家的直接参与，使目前的系统具有以下 缺陷【1 7 j ： ( 1 ) 不是以公交线网优化为基础的，致使调度效果欠佳； ( 2 ) 大多数系统线路与线路间缺乏联系，未能实现网络上的整体协调调度； ( 3 ) 缺少信息服务系统，使系统智能化程度大大降低； ( 4 车辆在站点间的运行时间通过距离与车辆运行速度的比值求得，没有先 进的算法作保证，致使在电子站牌上显示的下班车到达时间不准确。 1 3 课题的研究背景与意义 1 3 1 课题的研究背景 在这个国泰民安的时代，人人都在追求更加美好的生活。风驰电掣般拔地而 起的城市高楼群和春运涌动如潮的农民大军都见证了城市的急剧膨胀。时至今日， 这个世界上最大的城市化运动仍在进行，我们参与或经历了这些过程，目睹了因 城市化而带来的巨大变化，同时也承载着因城市化而带来的阵痛，交通拥挤、道 路拥塞、交通事故频繁发生等等正越来越严重地困扰着世界各国的大中城市。 智能公交系统由此应运而生，并在城市交通中发挥着越来越重要的作用，也 受到了越来越广泛的关注。目前市场上技术最成熟和运用最广泛的智能公交系统 是基于g p s g p r s g i s 的智能公交系统，通过g p s ( g l o b a lp o s i t i t i o n i n gs y s t e m ) 进行全球卫星定位，提供精确的车辆位置经纬度、方向和时间；通过g p r s ( g e n a r a l p a c k e tr a d i os e n ，i c e ) 通用无线分组业务，提供实时的数据无线分组发送和接收； z i g b e e 技术在智能公交通信网络中的应用 通过g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ) 地理信息系统，对信息进行互动的获 取、分析及显示i l 引。 本课题是在基于g p s 的智能公交管理仪的研发项目的基础上提出来的，旨在 为智能公交系统的发展寻找一个新的出口，进行更深一层的探索，为目前公共交 通存在的问题提出一个新的解决方案。当前基于z i g b e e 的智能公交系统主要有三 种模式：一是采用有线和无线相结合的方式，公交车辆和站台之间利用z i g b e e 模块进行短距离的无线传输，类似于射频通信，站台之间及站台和调度中心之间 则是通过有线网络进行通信【1 9 】；二是采用z i g b e e 和g s m g p r s 相结合的方式， 公交车辆与站台之间的数据传输同第一种模式，站台之间及站台与调度中心之间 通过g s m g p r s 网络传输1 2 0 】；三是以划分区域和边界路由的方式，采用分布式 的z i g b e e 网络组建城市公交通信网络【2 1 1 。第一种方法只能实现自动报站，无法 实现实时调度及定位等功能。第二种方法依旧没有摆脱g s m g p r s 在公交系统应 用上的弊端。第三种方法不仅要布设繁多的z i g b e e 节点，而且难以保证数据传输 的实时性和可靠性。 经过短暂而快速的发展，z i g b e e 技术已被广泛应用于智能家居、工业应用、 智能交通、智能建筑、医疗护理等领域。z i g b e e 技术在智能公交中的应用还处于 研究和实验阶段，但是，它将具有广阔的应用前景和极大的研究价值。 1 3 2 课题的研究意义 公交是城市发展的必然产物，也是城市赖以生存的重要基础设施之一。它作 为城市动脉的一个重要组成部分，是城市整体发展中不可缺少的物质条件和基础 产业，也是联系社会生产、流通和人民生活的纽带。公交系统具有运载量大、运 送效率高、能源消耗低、相对污染少、运输成本低等优点，具有巨大的社会、经 济和生态效益。智能公交在改变落后的运营管理和调度模式、实现公交资源的最 优配置、提高公交企业效率、提升公交的服务水平、吸引乘客等方面成效显著。 公交智能化可以为企业提供更好的服务水平，具体表现在：提高公交服务的 准时性和预见性，提高调度适应客流的水平，增强公交服务的灵活性，使换乘衔 接更为高效、换乘方案可预见性增强，便于乘客更有效地利用候车时间和乘车时 间，扩展服务内容。公交智能化可以为乘客提供完善的信息服务，例如及时地维 护和更新信息，可多种方式访问。公交智能化为运营者提供高度的智能化运营管 理，如实时掌握公交车辆运行状况，进行灵活的调度管理，实时掌握客流数据， 便于公交公司进行线路调整和规划，及时解决许多问题等。 本课题旨在解决目前公交系统存在的问题，提高智能公交服务水平。本课题 研究的意义主要体现在以下几个方面： 硕士学位论文 ( 1 ) 建立智能公交通信专用网络。无论是传统的公交系统还是最近盛行的基 于g p s g p r s g i s 的公交系统都是借助于已有的通信网络来实现通信的，这些通 信网络既不是公交系统的专用网络，也没有为公交系统提供专用资源，这样就不 可避免地会出现因通信系统繁忙或则发生了某种故障等原因而使得智能公交系统 无法有效工作的问题。建立专用于智能公交系统的z i g b e e 网络，可有效避免此类 问题。 ( 2 ) 降低系统成本。相对于g p s 、g p r s 等设备成本，z i g b e e 设备成本极 其低廉。由z i g b e e 构建的通信网络无需运营成本，而使用g p r s 通信，则需要支 付一笔可观的使用费。另外z i g b e e 设备的维护成本也相对较小。 ( 3 ) 拥有专权。众所周知，g p s 的主权属于美国，无论是在功能上还是使 用权上我们都受到一定的限制，而使用z i g b e e 技术则无需担心国际形势有变。 ( 4 ) 提高了资源利用率。其它的公交系统往往要借助于多种技术才能满足公 交服务的需要，比如基于g p s g p r s g i s 的智能公交系统，需要g p s 定位、g p r s 通信和g i s 显示。而z i g b e e 网络可完成定位和通信任务，无需其他设备，有效 地利用了网络资源。 ( 5 ) 有利于z i g b e e 技术和智能公交系统的发展。将z i g b e e 技术应用于公交 系统中，不仅拓展了z i g b e e 技术应用范围，推动了对z i g b e e 技术的理论研究， 而且为智能公交的发展提供了一个新的方向。 1 4 论文的主要内容 论文综述了智能公交系统的发展，阐述了z i g b e e 技术基础，给出了基于 z i g b e e 技术的智能公交通信网络的总体设计方案，并针对该智能公交通信网络的 车载节点定位、路由算法和车载节点的切换机制进行了深入的研究。论文各章内 容安排如下： 第l 章：对智能公交系统进行概要描述，分析课题的研究背景与意义，概括 智能公交系统在国内外的发展。 第2 章：详细介绍z i g b e e 的主要特征及z i g b e e 协议的各层规范；然后阐述 z i g b e e 网络基础，包括网络设备、拓扑结构、地址分配机制和寻址模式。 第3 章：首先进行智能公交系统总体设计需求分析；在此基础上提出基于 z i g b e e 的智能公交通信网络的总体设计方案，并将网络分为三级，详细阐述各级 网络的通信机制和功能实现；最后分析了实现该网络功能需要的几项关键技术。 第4 章：首先研究现有的五种车辆定位技术，并对其优缺点进行分析；然后 提出基于r s s i 的z i g b e e 车载节点定位算法，针对车载节点不同的移动情况和不 同的定位要求，提出车载节点在站间节点之间移动时的快速定位算法和车载节点 即将到达站台节点时的精确定位算法；最后研究了车载节点定位的实现以及应用。 z i g b e e 技术在智能公交通信网络中的应用 第5 章：首先详细介绍z i g b e e 三种基本路由算法，并进行比较分析；然后分 析概括智能公交z i g b e e 网络路由算法的基本要求及路由特点，提出智能公交 z i g b e e 网络自适应定向路由算法，对智能公交z i g b e e 网络路由进行设计。 第6 章：首先研究路由节点允许车载节点入网、车载节点入网和车载节点离 网的过程，然后以车载节点的下一路由节点信号强度大于车载节点原父节点信号 强度为标准，提出车载节点的切换机制。 总结与展望：指出本文的创新点、研究价值和本课题研究的局限性，并指出 对今后进一步在本研究方向进行研究工作的展望和设想。 硕士学位论文 第2 章z i g b e e 技术基础 2 1z i g b e e 技术概述 随着信息技术的不断发展，无线通信网络在我们的生活中发挥着越来越重要 的作用。近年来，无线通信技术的发展日新月异，新技术层出不穷。根据通信距 离的不同，目前的无线网络大致分为卫星通信网、无线广域网、无线局域网和无 线个域网四类，其中，无线个域网是最新发展起来并且发展最快的技术，目前实 现无线个域网的技术有很多，如蓝牙( b l u e t 0 0 t h ) 、z i g b e e 、超宽带( u w b ) 等。 这些技术各有特点，在不同的应用场合下各有优势。 z i g b e e 一词源自蜜蜂群在发现花粉位置时，通过跳“z i g z a g 形舞蹈来告知 同伴，传递所发现新食物源的位置、距离和方向等信息。蜜蜂自身体积小，所需 要的能量小，又能传送所收集的花粉，因此，人们用z i g b e e 技术来代表具有成本 低、体积小、能量消耗小和传输速率低的无线通信技术，中文译名通常称为“紫 蜂 技术【2 2 j 。早期也曾被称为“h o m er fl i t e 、“r f e a s yl i n k 或“f i r e f l y 无线通信技术，现统称为“z i g b e e 技术 。 z i g b e e 技术从诞生到现在只有几年的时间。2 0 0 0 年1 2 月，i e e e 专门成立了 无线个域网工作组，致力于定义无线个域网的无线通信协议，并于2 0 0 3 年1 0 月 发布了针对低成本、低功耗、低数据速率应用的i e e e 8 0 2 1 5 4 标准【2 3 1 。2 0 0 1 年8 厅，z i g b e e 联盟成立。2 0 0 2 年下半年，英国i n v e n s y s 公司、日本三菱电气公司、 美国摩托罗拉公司以及荷兰飞利浦半导体公司共同宣布加入z i g b e e 联盟。2 0 0 4 年1 2 月，z i g b e e 联盟推出了z i g b e es p e c i f i c a t i o n 【2 4 】【2 ”，为工业界统一了基于 i e e e 8 0 2 1 5 4 标准之上的网络层和应用层规范。2 0 0 6 年底，z i g b e e 联盟又推出了 全新一代的技术规范一一z i g b e e 2 0 0 6 。2 0 0 7 年1 0 月，z i g b e e 联盟又推出了一套 名为z i g b e ep r o 的功能组，将z i g b e e 的所有功能发挥到极致，更易于较大型网 络使用，并提供更先进的资源，这些功能提供制造商更多的产品开发选择。 z i g b e e 显著的特征有以下几个方面【2 6 l ： ( 1 ) 低速率 z i g b e e 根据不同的工作频段，其数据传输速率会有所不同，但都处于较低的 速率。在2 4 g h z 频段，有1 6 个速率为2 5 0 k b p s 的信道；在9 1 5 m h z 频段，有1 0 个4 0 k b p s 的信道；在8 6 8 m h z 频段，有1 个2 0 k b p s 的信道。 z i g b e e 技术在智能公交通信网络中的应用 ( 2 ) 低功耗 在工作模式下，由于z i g b e e 技术的传输速率低，传输数据量小，因此信号的 收发时间短；而在非工作模式时，z i g b e e 节点又处于休眠模式。设备的搜索、休 眠激活和信道接入时延都很短，使得z i g b e e 节点非常省电。一般z i g b e e 节点的 电池工作时间可以长达6 2 4 个月。 ( 3 ) 低成本 相对于蓝牙和w i f i ，z i g b e e 协议栈非常简单，因此可以采用8 位单片机和 规模很小的存储器，大大降低了器件成本。预计z i g b e e 模块广泛使用后成本可降 低到1 0 2 0 元。而且z i g b e e 协议免专利费用，可进一步降低软件的应用费用。 ( 4 ) 短时延 z i g b e e 典型的搜索设备时延为5 0 m s ，休眠激活的时延是1 5 m s ，活动设备信 道接入的时延为1 5 m s ，因此z i g b e e 技术使用于对时延要求苛刻的无线控制场合。 ( 5 ) 免许可无线通信频段 z i g b e e 采用的物理层协议和m a c 层协议是l e e e 8 0 2 1 5 4 ，它是工作在 2 4 g h z ( 全球) 或8 6 8 m h z ( 欧洲) 9 1 5 m h z ( 北美) 的工业科学医疗( i s m ) 频段。 这样不仅免除了z i g b e e 器件的频率使用限制，而且为许多公司提供了开发可以工 作在世界任何地方的标准化产品的难得机会。 ( 6 ) 多种组网方式 z i g b e e 网络可以通过网络协调点组成星状、树状、网状等多种组网方式。组 网方式灵活，并可通过节点设备的加入和退出使网路呈现动态变化的特点。 ( 7 ) 近距离通信 一般z i g b e e 邻近节点间的通信距离在l o l o o m 内，加大无线发射功率后， 可增加到l 3 l 【m ；通过相邻节点的接续通信传输，建立起z i g b e e 设备的多跳通信 链路，还可使z i g b e e 的实际通信距离大幅度增加。 ( 8 ) 可靠数据传输 z i g b e e 的m a c 层采用c s m c a 接入算法，同时为需要固定带宽的通信业 务预留的专用时隙，避开了发送数据的竞争和冲突。 ( 9 ) 大容量网路 z i g b e e 设备可按3 种方式工作：协调点、路由节点和终端设备。一个z i g b e e 的网络最多可包括2 5 5 个z i g b e e 网络节点，其中一个为主控设备，其余为从属设 备。若通过网络协调点，整个网络最多可以支持超过6 4 0 0 个z i g b e e 网络节点， 另外各个网络协调点可以互相连接，整个z i g b e e 网络节点的数目将非常庞大。 ( 1 0 ) 自配置 z i g b e e 通过网络协调点自动建立网络，采用c s m c a 方式进行信道接入； 对节点设备可随时加入和退出。 顿学位论文 ( 1 1 ) 三级安全模式 z i g b e e 提供了基于循环冗余校验( c r c ) 的数据包完整性校验，支持鉴权和 认证，并在数据传输中提供三级安全处理。第一级是无安全方式；第二级安全处 理：设备可以使用接入控制列表来防止非法设备获取数据，不采取加密措施；第 三级安全处理：在数据传输中采用属于高级加密标准( a e s 1 2 8 ) 的对称密码。 不同的应用可以灵活确定其安全属性。 2 2z i g b e e 协议基础 2 2 1z i g b e e 协议栈概述 匡雪i e e e 8 0 2 1 54 定义 圈z - g b e e 联盟定义旺皿终端厂商定义 层接口 层功能 田2 1 z i g b e c 协议结构 z i g b e e 的协议架构是建立在i e e e 8 0 2 1 5 4 标准基础上的，i e e e 8 0 2 1 5 4 标准 定义了z i g b e e 的物理层( p h y ) 和媒体访问控制层( m a c ) ；z i g b e e 联盟则定义 z i g b e e 技术在智能公交通信网络中的应用 了z i g b e e 协议的网络层( n w k ) 、应用层( a p l ) 和安全服务规范。z i g b e e 协议 以o s i 七层参考模型为基础，只定义了其中与l r w p a n 应用相关的协议层。 如图2 1 【2 刀，完整的z i g b e e 协议栈自上而下由应用层( a p p l i c a t i o nl a y e r ， a p l ) 、网络层( n e t w o r kl a y e r ，n w k ) 、媒体访问控制层( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 l a y e r ，m a c ) 和物理层( p h y s i c a ll a y e r ，p h y ) 组成，其中应用层由应用目标 ( a p p l i c a t i o no b j e c t ，最多可有2 4 0 个) 、z i g b e e 设备目标( z i g b e ed e v i c eo b j e c t ， z d o ) 和应用支持子层( a p p l i c a t i o ns u p p o r ts u b l a y e r ，a p s ) 组成。此外， i e e e 8 0 2 1 5 4 小组还制定了安全服务层，为应用支持子层和网络层提供安全服务， 实现密钥管理、存取等功能。 s a p 是层与层之间的唯一接口，而具体的服务是以通信原语的形式供上层调 用的。在调用下层服务时，只需要遵循同样的原语规则。这样就做到了层与层之 间数据的透明传输。服务原语仅仅制定了实现特定的服务需要传递的信息，与实 现服务的具体方式无关。一种服务包括一个或多个服务原语，原语中的参数用来 传递提供服务所要求的信息。o s i 瓜m 规定了4 种类型的服务原语：r e q u e s t 、 i n d i c a t i o n 、r e s p o n s e 和c o n n m 。其工作关系如图2 2 。 r e q u e s t ：请求原语，用于上层向本层请求指定的服务。 i n d i c a t i o n ：指示原语，用于告知与其相关的服务提供层事件信息。该事件可 能与远端服务请求逻辑相关，也可能是服务提供层内部事件 r e s p o n s e ：响应原语，用于上层响应本曾发出的指示原语 c o n f i m ：证实原语，用于本层响应上层发出的请求原语。 服务使用者服务提供者服务使用者 上层本层上层 r e q u e s t c o n f i 瑚 图2 2z i g b e e 服务原语工作关系 2 2 2 物理层规范 i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层主要完成以下几项任务：开启和关闭无线收发信机、能 量检测( e d ) 、链路质量指示( l q i ) 、空闲信道评估( c c a ) 、信道选择、数据发 送和接收。 硕士学位论文 i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层定义了8 6 8 m h z 、9 1 5 m h z 和2 4 g h z 三个频段。这些频 段上采用的调制和扩频技术参数见表2 1 【2 6 1 。 i e e e8 0 2 1 5 4 物理层在三个频段上共划分了2 7 个信道，信道编号k 为o 2 6 。 2 4 5 0m h z 频段上共划分了1 6 个信道，9 1 5m h z 信道上有1 0 个信道，8 6 8 信道上 只有一个信道。2 7 个信道的中心频率和对应的信道编号定义如下【2 8 】： f 。= 8 6 8 3 朋勉 七= o f 。= 9 0 6 + 2 ( 七一1 ) 胞后= 1 ，2 ，1 0 f 。= 2 4 0 5 + 5 ( 后一1 ) 胞七= l l ，1 2 ，2 6 表2 1i e e e8 0 2 1 5 4 的扩频和调制参数 物理层通过射频固件和硬件提供m a c 层与物理无线信道之间的接口。从概 念上说，物理层还包括物理层管理实体( p l m e ) ，以提供调用物理层管理功能的 管理服务接口；同时p l m e 还负责维护物理层p a n 信息库( p h yp i b ) 。i e e e 8 0 2 1 5 4 物理层参考模型见图2 3 【2 6 1 。 图2 3 物理层参考模型 2 2 3m a c 层规范 i e e e8 0 2 1 5 4 标准m a c 子层主要负责以下几项任务：协调点产生网络信标； 信标同步；支持p a n 关联和解关联；c s m a c a 信道访问机制；处理和维护保证 时隙( g t s ) 机制；在两个对等m a c 实体间提供可靠链路。 z i g b e e 技术在智能公交通信网络中的麻用 m a c 层提供了特定服务会聚子层( s s c s ) 和物理层之间的接口。从概念上 说，m a c 层还包括m a c 层管理实体( m l m e ) ，以提供调用m a c 层管理功能的 管理服务接口；同时m l m e 还负责维护m a c 心信息库( m a cp i b ) 。m a c 层 参考模型见图2 4 【2 6 1 。m a c 层通过m a c 公