融合ZigBee和WebGIS的城市公交运营监控系统

王素珍,张德华,靳奉祥,温纪庆,王庚善

1.青岛理工大学自动化工程学院,山东青岛2665202.山东科技大学测绘学院,山东青岛266520



融合ZigBee和WebGIS的城市公交运营监控系统

王素珍1,2,张德华1,靳奉祥2*,温纪庆1,王庚善1

1.青岛理工大学自动化工程学院,山东青岛266520
2.山东科技大学测绘学院,山东青岛266520

摘要:融合ZigBee技术和WebGIS技术研发的城市公交运营监控系统，采用ZigBee无线自组网技术，实现对车载用ZigBee移动终端、电子公交站牌用ZigBee路由器和公交子网络末端用ZigBee协调器的硬件研发并组建城市公交运营监控感知网，实现对各公交车辆到站信息的实时定位采集与电子播报，为出行者提供乘车便利；以WebGIS技术为核心并集成Oracle数据库技术和GPRS无线通信技术研发的系统应用层，实现对各公交车辆的实时定位跟踪与监督调控以提高公交车辆的运营效率。系统的试运营，证明了ZigBee组网的高效性、数据传输的可靠性以及系统功能的实用性。

关键词:公交运营监控系统;紫蜂协议;网络地理信息系统;通用分组无线服务;数据库

随着我国城市化进程的高速发展，交通拥挤状况越来越严峻，急需对现有的交通运输体系进行高新技术改造，以着力发展载客量大、污染少、成本低、运输效率高且低能耗等优点的公共交通系统[1]。在城市公交系统建设上，美国城市公共交通管理局启动了先进的公共交通系统项目APTS，将通信系统、地理信息系统（GIS）、自动车辆定位系统(GPRS)、自动乘客计数、公交运营软件和交通信号优先等应用于车队管理中去，并为出行者提供最优出行方式服务[2]。该项目有效的解决了交通拥挤、能源浪费和空气污染等问题，提高了美国城市交通的工作效率和服务水平。日本东京交通局研发了城市公共交通综合运输控制系统，在运营中的公共汽车和控制室之间建立信息交换，并通过诱导和双向通信的方式，将服务信息提供给公共汽车运营人员和驾驶人员，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。该系统实现对交通运营数据的累积、乘客的统计以及公交汽车运营状况的实时监控，更为乘客提供服务项目，包括进站汽车指示、信息查询和公共交通与铁路信息提示等[3]。而欧洲一些国家则从城市的实际情况出发，大力发展公交优先政策，设立公交优先通行信号，并建立起完善的智能公交监控与调度系统[4]。国内，在北京、上海、杭州等多个城市也已经开始了相关的规划、建设和实践。杭州是国内率先将GPS应用到公交车辆调度管理中的城市，其实现的功能主要包括车辆的监控、定位、管理和查询，实时的显示车辆运行状态等功能[5]。

综上可见，该类系统的建设，均伴随着初期的高成本技术投入和运营期的高维护费用，单就网络流量费用而言，公交车辆越多，公交站点越多，公交区域面积越大，该项费用也就越高。因此，本文将采用不需要依附于任何外在网络便能自组网成功的低成本ZigBee技术，并融合数据库技术和地理信息系统（GIS）技术[6]，研发城市公交运营监控系统（UBTMS），在实现系统建设前期的低成本投入与系统运营后期的低费用维护的基础上，智能化辅助城市公交车辆的运营与调度管理，实现城市公交运营的高效率，并提高城市公交的服务水平。

1　系统架构

UBTMS的网络架构如图1所示。其感知层是用于实时获取各公交车辆运营信息的硬件网络系统，且根据城市区域的大小和公交线路的具体走向划分为多个子系统，每个子系统均由安装在各公交车辆上的ZigBee终端节点、集成电子公交站牌的ZigBee路由器节点和交通子网络末端的ZigBee协调器节点组成，且采用树簇状网络结构[7]并软件实现自组网，实时采集、显示并汇集该子系统内的公交运营信息数据，一方面辅助乘车出行人员高效乘车，另一方面最终通过该子网络末端的Zigbee协调器节点经由GPRS无线通信模式发送至系统的应用层。相邻两公交站点之间的无线通信距离，通过提高Zigbee通信模块的发射功率和接收灵敏度来实现。其应用层，采用网络地理信息系统（WebGIS）技术并集成数据库管理技术，实时采集并统计分析硬件感知层汇集而来的公交车辆运营信息，实现对各公交车辆的实时定位监督与调控管理，以提高城市公交车辆的运营效率。

2　感知层研发

2.1各节点功能分析

2.1.1移动终端节点①安装在公交车辆上的每一个移动终端节点，均设置唯一的节点编号，用于标识所在车辆的基本信息，即车辆的路数、编号、车牌号、驾驶员信息；设定其通信距离为100 m；

②判定公交车辆的行驶方向并采集；

③搜寻车辆运行方向上离自身最近的路由器节点并发出入网请求，直到得到入网许可响应；再将车辆的基本信息和运行方向信息，一同上传给该路由器节点；

④判断车辆是否驶离当前站点。若移动节点依然能与该路由器节点通信，则判定车辆未驶离该站点，并不再传递信息给该站点的路由器节点；若移动节点不再能与该路由器节点通信，表示已超出移动节点的最大通讯距离并自动退出网络，且释放该路由器所在站点的基本信息。

⑤移动节点运行至车辆行驶方向上的下一个路由器节点，重复步骤②③④。

2.1.2路由器节点各路由器安放在公交车站上且与各路电子站牌集成。每个公交站点安放一个路由器节点。若两个公交站点相离较远且已超出ZigBee最大通信距离，则在两个公交站点之间的适当位置增设一个路由器节点，但不集成任何电子公交站牌的相关功能。

图1　系统网络拓扑架构图Fig.1 Network topology of UBTMS

图2　ZigBee网络节点铺设示意图Fig.2 ZigBee net location and data transmission

如图2的ZigBee节点铺设与数据流向所示，通常情况下，公交车的运行方向是固定的，以M1为例，M1经过站台R15时，站台R15记录其到达时间，并将信号传给下一站台R16，R16接收到信号后，便会在站牌上显示公交车的位置，并将信号逐级传输下去，传输流程为：R15-R16-R17，直至该线路的协调器节点为止。考虑到路口处的传输信号可能会被转弯处的楼宇遮挡，因此在每个路口处放置了一个路由器，而路口处的路由器，通常会同时隶属于多条公交线路，如图中的R14、R13、R24和R25，因此该路由器中应保存其隶属线路的所有路由信息。M1途径R15时，若此时R16节点发生故障，R15节点在多次发送数据未获得回应时，则途经R15-R21-R17将位置和故障信息逐级传递下去，以有效降低系统的故障率。

集成电子公交站牌的路由器节点功能如下：

①标识公交站点基本信息：每一个路由器节点，编号唯一，用于标识公交站点信息，包括站点名称、所在街道名称、公交车辆的路数。

②接收前一站点路由器节点发来的数据并处理：沿车辆运行方向，接收来自前一个路由器节点的数据信息，包含公交车辆的路数、所达站点，并点亮自身所在站点上集成的电子站牌上该站点名称的LED指示灯。

③接收新入网的移动终端节点的数据并处理：接收并判断车辆运行方向上离自身50 m范围内的各移动终端节点的入网请求，并响应允许入网。然后，采集新入网的各移动终端节点所发送的移动节点编号、车辆行驶方向、公交路数，并点亮该路站牌上此站点的LED指示灯。

④传递自身数据给下一个站点的路由器节点并处理：沿车辆行驶方向，将车辆路数及所在站点信息传递给下一个路由器节点，再按车辆路数点亮下一站点上相应电子站牌的LED站点指示灯；

⑤判断车辆是否离开：若路由器不再能扫描到某个移动节点，则表明该车辆已经驶离该站点，则灭掉该站点上电子公交站牌的LED指示灯，以备即将开来的下一辆同路数的公交车使用。

2.1.3协调器节点每个协调器和所属路由器节点组成一个ZigBee树状网络，且通过GPRS通信功能板将相关信息传输给系统应用层。系统上电后，协调器节点会首先对其所属各节点的软硬件进行初始化，再扫描空信号道。若扫描到空信号道，则响应路由器节点和移动终端节点的入网请求并允许它们入网，自动为它们分配网络地址，从而完成所属子网的自组网功能。

2.2硬件开发

2.2.1 ZigBee核心板ZigBee核心板是集成CC2530和CC2591的通信主板，是实现ZigBee自组网的核心。CC2530采用CMOS解决方案，内部使用增强型8051内核和频率为2.4 GHz的射频发射器，最大发射功率为4.5 dBm，适用于IEEE 802.15.4协议标准下建立庞大的网络节点，且成本低[8]。CC2530的数字内核和外设由一个AMS117电压模块供电，并附有电源管理功能，以保证CC2530在不同供电模式下正常运行，实现降低功耗目的[8]。CC2591为射频发射功率放大器，用于提高信号数据的传输距离。此外，增加排针P1实现对外围电路的扩展。该核心板的电路原理设计如图3所示。

图3　ZigBee核心板设计原理图Fig.3 Schematic design of ZigBee core board

图4　ZigBee移动终端设计原理图Fig.4 Schematic design of ZigBee mobile terminal device

2.2.2移动终端节点该节点由ZigBee通信核心板和车辆行驶方向判别键功能板两部分构成。移动终端的原理如图4所示。若车辆运行方向是从始发站到终点站，发车时驾驶员按下S1车辆上行键，同时点亮上行指示灯LED1；若车辆行驶方向是从终点站出发到始发站，发车时驾驶员则按下S2车辆下行键，同时点亮下行指示灯LED2。核心板负责把接收到的数据发送给车辆运行方向上邻近的路由器节点。

2.2.3集成电子站牌的路由器节点集成电子站牌的路由器节点，由ZigBee通信核心板和站牌电子信息功能板构成。其中，核心板负责采集各邻近的移动终端以及上一级路由器节点所发送来的信息，并按车辆路数点亮站牌上相应站点的LED灯，当有属于该站台的公交车停靠时，Zigbee核心通信板便会控制AP89170语音播放芯片，播放到站车辆的路数。然后将自身数据传递给下一个路由器节点。其功能结构如图5所示。

电子站牌上，采用了由PL2303芯片构成的串口调试电路，用于对单个站点路由器进行故障诊断与调试。接口采用通用型USB-B型接口，可以直接使用打印线连接电脑USB进行调试。由于每个公交站台会有多路公交车停靠，且每路公交站牌上会有多个公交站点的名称，因此使用多块74HC138多路译码器芯片选通并驱动多个LED显示灯。

2.2.4协调器节点协调器节点主要用于组网与信号汇总，然后由GPRS模块将信息发送到系统应用层。因此将协调器的硬件设计划分为Zigbee通讯核心板、RS232串口和GPRS通信功能板三个部分。其功能结构如图6所示。

RS232串口是基于MAX232芯片进行设计，GPRS通信功能版是华为GTM900C，其核心芯片为TC351，能够支持标准的GSM命令。通过芯片启动电路，SIM卡读取模块可通过MAX232串口读取来自Zigbee协调器的数据并进行GPRS传输。该模块的供电和运行电压分别为12 V和5 V。

2.3软件组网

公交车辆运营系统的ZigBee无线组网通信的软件开发，以Z-Stack协议栈为基础，在IAR软件环境下具体编写，往各节点的CC2530中烧制程序时只需修改相应的编译选项就可实现不同的ZigBee节点类型[9]。该协议栈采用事件轮循机制，当各层初始化后系统进入低功耗模式，有事件发生时则唤醒系统并开始进入中断处理事件，结束后继续进入低功耗模式[10,11]。Z-Stack协议栈可以实现复杂的网络链接功能，并能极大的降低系统功耗，节约开发成本。

2.3.1协调器节点的自组网协调器上电后，首先对属于该协调器的公交子网内的软硬件进行初始化，随后扫描各网络节点的空信道并建立自己的网络。处理系统事件时，频带会把帧BEACON_REQ发送给各节点信道。若在这个信道内有对应的帧BEACON_REQ进行响应，则表明该节点属于另外一个协调器，协调器会自动切换信道并重复上述操作，直到扫描到没有响应的空信道为止并在该信道上建立新的网络。

协调器组建好新的网络后，便会一直处于工作状态而不会休眠，不断接收站台路由器和车载终端设备发出的入网请求，并对符合入网条件的各节点发出入网响应，再给每个节点分配一个唯一的网络地址。当移动节点离开网络时，协调器分配给它的网络地址也会被立即删除。若节点收不到协调器的响应，则会重复发出入网请求直到收到协调器的响应为止。协调器的工作流程如图7所示。

图5　路由器节点设计原理图Fig.5 Schematic design of ZigBee router device

图6　协调器节点设计原理图Fig.6 Schematic design of ZigBee coordinator device

2.3.2路由器节点与移动终端节点的通信实现①规则制定安装在公交车辆上的各移动终端节点，发出唯一的16位标识符，如表1所示：第0位为起始位；第1位，代表公交车行驶方向为上行（由始发站开往终点站）或下行（由终点站开往始发站）；其后6位，为公交车标号，用于标识公交车辆的路数和编号；第8位为奇偶校验位；第9位为停止位，停止位后面是不定长的空闲位，停止位和空闲位都规定为高电平。安装在公交站点并与电子站牌集成的各路由器节点，采用唯一的16位数据格式进行标识，如表2所示：第0位为起始位；第1位，标识公交车辆的行驶方向，即用数字1表示上行（由始发站开往终点站），数字0表示下行（由终点站开往始发站）；其后6位，代表站台标号，用于唯一标识某一确定站台；第8位为奇偶校验位；第9位为停止位，停止位后面是不定长的空闲位，停止位和空闲位都规定为高电平。该路由器，根据接收到的数据信息，点亮站牌上对应线路的LED指示灯。

图7　协调器组网工作流程图Fig.7 Networking flowchart of ZigBee coordinator

图8　路由器数据传输工作流程Fig.8 Data transmission flowchart of ZigBee router

表1　移动终端数据格式表Table 1 Data format of mobile terminal device

表2　路由器数据格式表Table 2 Data format of router device

②工作流程

路由器节点和移动终端节点工作流程如图8所示。当路由器接收到其他路由器广播发来的数据时，先读取前9位数据以判断车辆行驶方向和车辆编号。若车辆行驶方向与公交站点路由器一致且该终端节点属于该站台路由器，则接收该终端的数据。反之，则不接收。然后，将接收到的数据与已经存储的数据进行对比，若对比结果为不同，则路由器接收该数据，并存储之后再向外广播发送；若对比结果相同，路由器不做任何操作。根据路由器已存储的数据中的中间五位确定公交车辆的路数，根据后五位确定公交站点名称，再将路数和站点名称发送给路由器集成的电子站牌以点亮对应公交站点的LED指示灯，并以广播的形式通知候车乘客几路车将要到站。

当路由器收到来自上一公交站牌的数据时，会首先判断其前9位地址是否正确。若正确便开始接受数据并对数据信息做出相应的显示。然后将相应的信息发送给下一路由器，如经过多次发送不成功，则默认为下一路由器故障，通过图2所示的数据传输线路将故障信息转发出去，以便工作人员及时排除故障。另外，边界路由器安装在两个相邻站点之间的适当位置，不是真正的公交站点，因此，仅具有收发16位数据功能，不能识别来自公交车上的移动终端节点发出的16位数，并且接收到数据立即广播不做任何操作。

2.4确定相邻两节点间的最大通信距离

一般情况下，城市两相邻公交站点的距离在400~500 m之间，城郊可能相距1000 m或更远距离[14]，而公交线路到站牌的距离一般不超过50 m。所以，在保证较低功耗的前提下，路由器节点间的传输距离越远越好。为了使终端节点能够交替的接入不同站点路由器，并考虑到信号的干扰和衰减，终端节点的传输距离设为100 m。

因此，在布设ZigBee路由器节点时，只要适当调整ZigBee核心板的相关参数让其满足两相邻公交站点之间的实际距离即可。若两站点的距离超出两路由器节点的设定距离，则在两公交站点之间的适当位置增加一个或一个以上的路由器节点用于数据传输即可。为了防止因街道转弯造成的信号传播受阻，在街道转弯处同样要配置一个路由器节点。

ZigBee组网中，两节点间最大距离的测算公式如（1）所示[12,13]，

式中，oP为输出功率，包括增益（dBm），rP为接收灵敏度（dBm），Fm为衰减极限（dB），n

为路径损耗因数，f为信号频率（MHz），R为传输距离（m）。

在不考虑微波开关影响的情况下，设置各参数的值为oP=22 dBm，rP=-92 dBm，Fm=10 dB，n=2，f=2450 MHz，此时R有最大值。将各参数带入公式（1），得Rmax=1513.6 m（该距离未考虑天线增益)，满足要求。考虑室外环境的信号影响，特设定rP=-90 dBm，其它参数值不变，得此时的通信距离R=1196 m，满足一般情况下两相邻站点距离的通信要求。

根据之前移动终端节点与路由器之间的通信距离设在100 m，因此需要按照路由器的接收灵敏度和100 m的通信距离来确定移动终端节点的发射功率[15,16]：

R=100 m，rP=-90 dBm，n=2，f=2450 MHz，Fm=10 dB时，变换公式（1），得公式（2）：

此时，计算得PO=0.223 dBm，即为移动终端的发射功率。令Pt=Po，即为移动终端（CC2530+CC2591）节点的输出功率设定值。通过以上计算及最终的测试结果表明，路由器节点和终端节点的发射功率设定值分别为22 dBm和0.223 dBm时，节点间的通信完全满足系统建设要求。若特殊状况下，两公交站点的距离很远，则需要提高ZigBee相邻两节点之间的传输距离，其方法有三种[14]：1.增加发射器输出功率；2.提高接收器灵敏度；3.使用mesh网络，增加中间节点（路由节点）数量。

3　系统应用层研发

3.1研发技术架构

系统应用层，采用ArcGIS Server 10.0、Oracle11g和JavaScript分别作为系统的地理信息服务管理平台、系统数据库服务管理平台和应用层功能开发工具，是集成海量数据管理与复杂应用功能的WebGIS系统[17,18]。其海量数据是系统应用层运行所需要的大量地理空间数据和其他相关的属性数据，因此系统数据库划分为道路交通网基础地理空间数据库、公交车辆基础信息数据库、公交运营综合管理数据库以及ZigBee网络管理综合数据库构成，其中道路交通网基础地理空间数据库，主要实现对道路交通网的地域空间数据进行管理与维护，根据市政规划及道路的改扩建，及时修正地理信息，实现对道路交通网及时有效的管理与维护；公交车辆基础信息数据库，主要实现对公交车牌号、车型、生产信息、购置信息、维修信息、常规运行路线的综合管理与维护；公交运营综合管理数据库，主要负责各公交车辆运行过程中的所产生的实际运行路线、到站情况、运行故障等数据的管理与维护；ZigBee网络管理综合数据库，以每个子ZigBee网络为单元，独立存储并维护各单元中的ZigBee移动终端节点、路由器节点以及协调器节点的地理信息、运行信息、故障信息以及故障恢复信息等。系统应用层技术架构如图9所示。

图9　系统应用层技术架构Fig.9 Application layer of the system

3.2功能实现

(1)基础数据管理：分为道路交通网和公交车辆基础信息管理两部分。道路交通网基础数据管理，是根据市政规划及改扩建，及时删减、修正及完善各公交线路的地理信息数据，实现交通网络地理信息的管理与维护。公交车辆基础信息管理，是根据公交车辆的增减、故障维护以及路线调整等信息，对公交车辆的基础信息进行及时的管理与维护。

(2)ZigBee网络管理：实现对ZigBee各网络节点设备的实时定位监测、故障诊断以及组网与离网等环节的管理与维护，及时排除设备故障点，以确保整个监控系统的正确运行。ZigBee网络节点管理如图10（A）所示。

(3)公交运营管理：通过ZigBee网络，实时获取各公交车辆的的运行信息，并监控各车辆的运行状况，统计分析并评价公交车辆的运营与调度管理决策的符合程度。公交运行实时监控如图10（B）所示。

图10　系统应用层功能界面Fig.10 Function interface of UBTMS’applied layer

(4)公交调度和信息发布：根据专家知识，对采集到的数据信息进行统计分析，获得最优的公交调度方法，并向市民提供实时的公交运行信息。

(5)出行查询：以道路网和公交线路网为数据支持，为市民提供公交查询和出行线路规划等服务，根据用户的需求进行查询分析，以电子地图和文字描述的形式将信息直观的展示给用户。

4　结论

将ZigBee无线自组网技术和WebGIS技术应用到城市公交运营监控系统的研发中，既提高了公交系统的运营效率和管理水平，又方便了市民的乘车出行。采用ZigBee技术研发的车载移动终端、集成电子站牌的路由器和协调器，在不依赖于任何外网的条件下，既能够按照街道走向实现灵活的无线自组网运行模式，实时感知并获取公交车辆的运营信息，为城市居民的出行和城市公交线路的运营管理提供信息参考和技术上的支持，又在很大程度上简化了系统网络的布设难度、降低了依附外网造成的网络流量费用。采用WebGIS技术研发的系统应用层，实现了对各道路交通网、公交线路网以及各公交车辆的运行数据在实时监控与统计分析上的地域空间展布与专题渲染，更形象直观服务于公交调度管理者并辅助管理者者根据市政规划与改扩建及时改善并完善公交运营调控决策。试运行过程中，该系统体现了网络组建的可靠性、数据传输的高效性以及服务于出行者和调度管理者的实用性等特点，使得该系统获得了相关单位的认可，目前正在智能性上进一步完善。

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Urban Bus Transportation Monitoring System Combining ZigBeeand WebGIS

WANGSu-zhen1,2,ZHANGDe-hua1,JINFeng-xiang2*,WENJi-qing1,WANGGeng-shan1

1. College of Automation Engineering/Qingdao Technological University, Qingdao 266520, China
2. College of Geomatics/Shandong University of Science and Technology, Qingdao 266520, China

Abstract:This paper applied the technologies of ZigBee wireless communication and Web Geographic Information System (WebGIS) to develop Urban Bus Transportation Monitoring System (UBTMS). The information acquisition net hardware of UBTMS consists of ZigBee mobile terminals for each bus, the ZigBee routers with electronic bus station boards for every bus station and the ZigBee coordinator for the end node of bus transportation sub-net. The system was developed using ZigBee technology to collect and broadcast timely bus running information for the conveniences of passengers. UBTMS software applied layer was developed by the key technology of WebGIS integrating Oracle and GPRS to realize real-time location tracking, monitoring, and regulation management for urban bus system and this can improve bus operational efficiency greatly. In the test operation, UBTMS showed the feasibility of ZigBee networking, effectiveness of data transmission and practicability of system functions.

Keywords:Bus transportation monitoring system; ZigBee; WebGIS; GPRS; oracle

*通讯作者:Author for correspondence. E-mail:fxjin@sdjzu.edu.cn

作者简介:王素珍(1975-),女,博士后,副教授,主要从事电气自动化及智能技术系统的研究与开发. E-mail:wangsuzhen2020@163.com

基金项目:中国博士后基金项目(2013M541939);国家科技部十二五规划科技支撑项目(2013M541939)

收稿日期:2015-03-25修回日期: 2015-06-14

中图法分类号:TM723

文献标识码:A

文章编号:1000-2324(2015)04-0588-08