基于RFID和ZigBee的城市智能公交系统设计

基于RFID和ZigBee的城市智能公交系统设计【摘要】本文设计的基于RFID和ZigBee的智能公交系统，通过智能车上RFID射频识别检测站台信息，运用无线传感网络车载路由器节点将车辆检测数据传送至控制中心协调器，由控制中心节点将车辆运行状态发送至各站台路由器，控制公交站台LCD显示。在车辆运行中，利用labview编写的上位机，对车辆运行数据实时监测，以便做好公交车调度安排。【关键词】ZigBeeRFID上位机智能公交一、引言城市公交的发达水平是与一个城市的建设水平密切关联的，城市公交发达水平不仅仅体现在乘车方便，还体现在乘车过程中是否舒适、候车过程中是不是愉快以及候车时间是否较短等各种因素上。而对于当前城市公交系统，存在以下主要不足之处：首先，当前公交车到站信息系统的设计方便了候车乘客服务，但没有考虑到运行车辆内乘客数量的预告，不能让乘客针对即将到站的公交车内乘客数量情况进行有选择性的乘车。其次，当公交运行线路上一段时间内乘客流量增加导致公交车运行数量不足时，调度人员无法根据实际情况及时调动公交车辆，因而往往会导致运营中的公交车内拥挤、候车乘客挤不上车的状况。而且，在现行的公交车到站电子预报系统中采用的是“GPS+GSM”定位系统报站。这种报站方式虽然非常精确但制作、安装及运营成本很高，维护比较困难[1]。而在我们的设计中通过RFID射频识别来检测车站信息，加上压力传感器来检测车内乘客拥挤程度，然后通过ZigBee来进行无线传输最后加上上位机实时监控，不仅弥补了上述方案的不足，而且实施简单价格低廉且便于维护。二、RFID技术和ZigBee技术2.1RFID技术简介RFID是RadioFrequencyIdentification的缩写，即射频识别，它是一种非接触式的自动识别技术，基本都由电子标签（Tag）、阅读器（Reader）和数据交换与管理系统（Processor）三大部分组成。它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据，识别工作无须人工干预，可工作于各种恶劣环境，此外，RFID技术可识别高速运动物体并可同时识别多个标签。RFID设备工作原理是：当装有无源电子标签的物体在距离0～10米范围内接近读写器时，读写器受控发出微波查询信号；安装在物体表面的电子标签收到读写器的查询信号后，将此信号与标签中的数据信息合成一体反射回电子标签读出装置，反射回的微波合成信号已携带有电子标签数据信息，读写器接收到电子标签反射回的微波合成信号后，经读写器内部微处理器处理后即可将电子标签贮存的识别代码等信息分离读取出。其优点在于读取方便快捷：数据的读取无需光源，甚至可以透过外包装来进行。有效识别距离更大，采用自带电池的主动标签时，有效识别距离可达到30米以上；动态实时通信数据容量大使用寿命长，应用范围广。2.1ZigBee术简介ZigBee技术是一种近距离、低复杂度、低功耗、低数据速率、低成本的无线网络技术，在2.4GHz波段射频可以提供250kb/s的数据速率和16个不同的信道。ZigBee设备包括IEEE802.15.4（该标准定义了RF射频，及其与相邻设备之间的通信）的PHY和MAC层，以及ZigBee堆栈层―――网络层（NWK）、应用层和安全服务提供层IEEE802.15.4标准采用CSMA-CA的介质访问方式，可以为网络层提供一个良好的通信环境，从而无需考虑信号冲突的问题。其优点在于规模大：一个星型结构的Zigbee网络最多可以容纳254个从设备和一个主设备，一个区域内可以同时存在最多100个ZigBee网络，而且网络组成灵活可通过不同空间视角获得信息提高检测精度，使系统具有很强的容错性，大量节点能够增大覆盖检测区域，减少盲区。自组织：在网络中部分传感器节点可能由于能量耗尽或环境因素造成失效，也会有一些节点自动弥补失效节点补充到网络中，使传感网络中节点个数能够动态增加或减少，使网络拓扑结构能够随之动态改变。价格低廉：ZigBee模块的初始成本在6美元左右，估计很快就能降到1.5―2.5美元，并且ZigBee协议是免专利费的。低成本对于ZigBee也是一个关键的因素。三、系统方案设计3.1.信息采集系统设计信息采集系统由RFID射频识别模块，HX711Ad重力传感器及ZigBee通讯模块组成，具体框图如图1。在我们设计的系统中具体工作方式如下：RFID识别模块发出一定频率的电磁波，当我们的公交车来到站点后，RFID所发出的电磁波唤醒电子标签，电子标签开始应答，RFID识别模块收到应答后读取车站里电子标签自身唯一的序列号，然后RFID识别模块将所识别到的序列号，即站点信息传给车辆上的ZigBee模块，同时ZigBee模块采集压力传感器HX711Ad的信息，然后将车辆所在站点号和车上的载重信号转发给中心节点协调器。其中，HX711Ad压力传感器通过检测车辆的载重情况来判断车内人流拥挤程度。3.2.信息反馈网络设计信息反馈网络主要由中心节点协调器模块、labview上位机部分和车站处的ZigBee接收模块，液晶显示模块构成，具体框图如图2。在此网络中，车站除了电子标签外还包含ZigBee接收模块，以及液晶显示屏。中心节点除了反馈信息给各个车站还需要与上位机连接。其传输方式采用ZigBee无线通讯。如图2所示在我们的信息反馈网络中，中心节点接收到由RFID和HX711Ad压力传感器所传来的站点信息后，将这些信息通过ZigBee无线传输传给各个站点，各个站点处的ZigBee接收模块接收中心节点所传来的信息，将此时车辆的位置车辆号和车上人流拥挤程度在液晶屏上显示。同时中心节点也将上诉信息传给上位机，便于控制调度公交班次。3.3上位机监控系统设计我们采用Labview编程以实现上位机界面制作以及这种自动接收控制。其具体程序流程图如图3所示。具体工作方式如下，中心节点发送到上位机，上位机打开COM口，接收数据后校验数据是否正确，如果数据正确则开始进行数据分析，否则继续正确等待数据传入。数据分析后将车辆号站点信息及拥挤程度三者显示在Labview的主界面，显示如图4所示。对拥挤程度进行分析，若显示的是不用挤则将信息反馈给起始站点，起始站点延长发车时间，若显示为拥挤则起始站点开始增派车辆以减缓交通压力。即方便了人们的出行，又合理的分配了公交车资源，实现智能交通。四、总结在该系统的设计中通过RFID射频识别来检测车站信息利用压力传感器数值模拟公交车内乘客数量，通过无线传感网络Zigbee无线数据传输能够方便候车乘客预先知晓即将到站车辆内乘客状况，通过上位机监控，便于调度人员根据车辆内乘客数量及时调动车次，对车辆行进