基于ZigBee的智能公交系统无线传感器网络拓扑结构探究

边晶，杜威

（长春大学计算机科学技术学院，长春　130022）

基于ZigBee的智能公交系统无线传感器网络拓扑结构探究

边晶，杜威

（长春大学计算机科学技术学院，长春130022）

介绍了智能公交系统中无线传感器网络的构成及组织形式，同时围绕ZigBee技术的特有性质，阐述了无线网络中常用的几种拓扑结构，并详细描述了组网的具体实施办法。通过对比最终甄选出网状拓扑结构作为智能公交系统中最适合的网络拓扑结构类型，并进行了详细的说明。

ZigBee；智能公交系统；网络拓扑结构；FFD；RFD

近年来，随着城市人口数量的逐年递增和私家车的日益普及，城市交通拥堵日益严重，严重影响了市民的正常出行，乘车难已成为各大城市亟待解决的问题。作为市民最主要的出行交通工具，公交车具有不可或缺的重要地位。因此，公交系统是否能够提供更加便利和完善的服务已经直接影响到整个城市交通系统的运行状况。ZigBee技术具有功耗低、成本低等特点。用该技术组建的无线网络可将车载终端信息通过站点终端及时发送到调度中心；乘客可以通过安装在公交站点的显示屏查看当前即将到站车辆的到站信息以及下一班车的到站情况，以便根据车辆运行状况选择最适合的线路乘车；当车辆出现故障或处于严重拥堵等紧急状况时，司机可通过按下紧急按钮发送警报，经无线网络将信息发送至调度中心上位机；中心上位机也可直接将调度信息通过无线传感器网络向各个站点的终端设备发送，进而使车载终端设备最终获取调度信息。由此可见，依托无线传感器网络的智能公交系统可以为乘客乘车以及科学合理调度车辆提供极大的便利。

本文将阐述无线网络中几种常见的拓扑结构类型，对比各种拓扑结构的组网形式和适用条件。根据智能公交系统的实际需求，甄选出一种最适合的网络拓扑结构，并详细描述了该拓扑结构在智能公交系统中的具体应用。

1　智能公交系统的无线传感器网络构成

无线传感器网络是由分布在一定工作区间内的大量的传感器节点构成。这些节点成本低、功耗低，可根据不同的需求提供一定的无线通信及数据处理功能。目前，在很多监测系统及智能管理系统中，无线传感器网络都得到了广泛应用。

在智能公交系统中，无线网络中的节点包括三种类型，分别为网关节点、参考节点和终端节点。其中：调度中心中安置的是网关节点，该节点设备直接与中心的服务器相连；终端节点被安置在公交车上；参考节点被安置在路灯、公交站点以及其他公交沿线的基础设施上。首先由网关节点作为父节点启动整个网络，作为子节点的参考节点通过传感功能自组织成一个无线网络，并主动向靠近自己的终端节点发送自己的位置坐标信息。终端节点根据接收到的信息算出自己的坐标位置，并通过无线网络发送给调度中心。

（1）网关节点

网关节点作为无线网络中的协调器，通过串口数据线与调度中心的服务器直接相连。整个网络首先由网关节点启动，网关节点会选择一个合适的信道进行网络的建立及初始化，之后对该信道进行监听，监测网络中是否有其它ZigBee设备向其发出连接请求，若有则回复应答，建立连接。若调度中心需要对车辆进行调度，网关节点负责将上位机发出的调度指令通过无线传感器网络依次传送给网络中的所有参考节点，再由参考节点将信息发送至与它临近的终端节点；若遇到紧急情况（如出现故障或堵车等），公交司机可通过车上的报警按钮发送报警信息，该信息通过参考节点转发至网关节点后最终上传至调度中心服务器。

（2）参考节点

参考节点可提供路由转换功能，负责为终端节点提供自己的位置信息及RSSI值，以便其定位，同时具有信息转发功能，一般被安置在公交站牌、路灯以及公交沿线一些固定位置的设施上。参考节点进行设备初始化后可申请连接进当前网络。若成功连入网络，则主动将自身网络地址发送给协调器，从而与当前网络建立连接，否则将依次轮流询问设备。

（3）终端节点

终端节点作为网络中的定位节点，被安置在公交车上。终端节点在公交车运行过程中会接收到临近参考节点主动发来的位置信息，然后根据RSSI测距算法和三边定位法，运用自身的定位引擎计算出自己的坐标位置后发送给网络中临近的参考节点，并由参考节点最终转发给网关节点。

2　基于ZigBee的无线网络拓扑结构

在基于ZigBee技术的无线网络拓扑结构中，经常采用的是星型、树型、网状以及对等网络拓扑结构［2］。网络中的子设备与协调器连接后，会自动获取一个16位的网络地址。该地址由协调器分配，称为短地址。该地址是一个相对地址，用于各设备在局域网中进行通信，而每个设备在网络中唯一的64位IEEE地址是绝对地址。

（1）星型网络拓扑结构

星型拓扑结构由协调器和若干子设备组成。协调器由FFD（全功能设备）充当，负责建立和维护网络，要求由稳定电源供电。子设备可由FFD或RFD（精简功能设备）充当。子设备只能与协调器直接进行通信，也只有通过协调器的转发才能与其他设备进行通信，一般采用电池供电即可。在一个网络中，可通过最先给一个FFD设备供电将其设置为协调器。选择好自己的信道后，协调器将确定一个PAN标识符并创建无线网络，同时其他设备可申请加入该网络。子设备可根据PAN标识符识别该网络，获得协调器批准后与其建立主从关系连接，最终可形成一个星型网络拓扑结构，如图1所示。星型网络拓扑结构主要用于监护系统以及家庭、工业自动化等各类场合。

图1　星型网络拓扑结构图

（2）树型网络拓扑结构

在树型网络拓扑结构中，网络中的末端终端节点被称为“叶子节点”，由RFD充当。作为“父节点”的协调器由FFD充当。FFD将多个终端设备连在一起，形成一个“簇”。多个这样的“簇”互相连接最终形成“树”。在整个树型网络中有一个主协调器，由它首先向邻近设备发起数据传输，确定PAN并设置自己的短地址为0。主协调器与邻近设备建立连接后，会将一个16位的短地址分配给与其相连的子设备，从而建立起与子设备的父子关系。

当一个充当路由器角色的设备在网络中与其它设备相连接时，协调器会自动分配给它一个包含若干16位段地址的地址块。路由器设备进行自身配置后将自己的信标发送出去，通知其它设备可以与其建立连接，这些与路由器相连的设备成为它的子设备。之后可以选择子设备中的一个作为新的路由器设备又可连接它自己的子设备，最终形成一个多级的树型拓扑结构，如图2所示。网络中的数据信息从主协调器出发，依照节点的父、子关系一层一层地进行传输。该网络拓扑结构一般适用于需要较大传输范围的场合。

图2　树型网络拓扑结构图

（3）对等网络拓扑结构

在对等网络拓扑结构中，协调器可以与网络中的任意设备通信，数据以路由器转发的方式在网络中传输，增加了数据的传输范围，从而可以构成更为复杂的网络结构，如图3所示。用户可以选取一种最适合的路由协议来适应ZigBee网络中不同场合的需求。

图3　对等网络拓扑结构图

3　智能公交系统中的无线网络拓扑结构

目前城市公交线路一般都是几十公里的相对直行区域，理论上比较适合使用树型网络拓扑结构。但由于树型网络的自愈性比较差，一旦某节点因断电等突发事件脱离网络就无法完成数据的传输，因此可见树型拓扑结构不能保证系统中数据传输的完整性，因此，在智能公交系统中应该采用具有稳定、可靠、高效等特点的网状拓扑结构，如图4所示。

在智能公交系统中，由于车载终端设备不需要发送大量数据，可采用RFD设备以降低成本，也可降低数据传输中的复杂性；固定在公交线路沿线的参考节点设备主要用来接收车载终端设备传送来的数据，并负责将数据转发给其它相邻设备，要求具有路由功能，因此采用FFD设备；作为协调器的网关节点设备一般被安置在调度中心，负责接收传感器网络中传来的数据并将其发送至调度中心的服务器，同时也可以将调度中心传送来的数据发送到网络中。

图4　智能公交系统中的网状拓扑结构图

通常情况下，市内公交车之间的距离大约为500m～1000m。可在公交沿线两侧的相对或斜对位置安放数量相等的参考节点FFD，并设置其发射频率，使任一参考节点都在其它邻近节点的通信范围之内，从而保证节点之间正常的数据传输；每个车载终端设备RFD都能与邻近的参考节点设备进行通信，同时也可以与道路对面的参考节点设备进行通信；若车辆出现故障，司机按下的警报信息也可以通过邻近的参考节点设备转发至调度中心，从而实现数据的交换与传输。

安装在公交站点的FFD设备能够接收车载终端及邻近参考节点设备发送过来的数据，并通过电子站牌实时显示在电子屏幕上，使乘客随时了解所要乘坐的车辆信息；当网络中某个传感器节点突然断电或发生损坏时，ZigBee网络也能够很快实现自动重组，不会影响整个ZigBee网络中的数据传输。

4　结语

本文简要介绍了基于ZigBee技术的无线传感器网络的构成以及几种常用的网络拓扑结构。结合智能公交系统的技术要求及实际需求，甄选出最为适用的网状拓扑结构，并阐述了系统网络的具体实施办法，充分利用了网状拓扑结构较强的自愈能力以及稳定、可靠、高效等特点，具有较强的实际应用及推广价值。

［1］杨烈君.基于RFID的智能公交报站系统［J］.长春理工大学学报：自然科学版，2011（3）：191-192.

［2］K Benkic，M Malajner，P Planinsic，Z Cucej.Using RSSI value for distance estimation in wireless sensor networks based on ZigBee［C］.IWSSIP，2008：303-306.

［3］HM Tsai，OK Tonguz，C Saraydar，T Talty.Zigbee-basedintra-carwirelesssensornetworks：a case study［J］.IEEE Wireless Communications，2007，14（6）：67-77.

［4］詹杰，周仁龙，吴伶锡.基于ZigBee的公交自动报站系统的设计［J］.矿业工程研究，2007，29（4）：76-79.

［5］郑琛，曹斌.ZigBee技术在智能交通系统中的应用研究［J］.通讯技术，2012，45（5）：86-88.

［6］瞿雷，胡咸斌.ZigBee技术及应用［M］.北京：北京航空航天大学出版社，2007：21-26.

［7］朱开宇，刘佳宇，安永丽等.基于ZigBee的城市智能公交网络系统［J］.单片机与嵌入式系统应用，2008（3）：17-20.

［8］料应成，贺浪.一种低成本的公交智能化技术方案［J］.中国交通信息产业，2005（8）：108-110.

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

吉林省教育厅“十二五”科学技术研究项目（吉教科合字［2014］第287号）

边晶（1977-），女，硕士，讲师，E-mail：583745233@qq.com