基于无线传感器网络的公交车辆定位方法

基于无线传感器网络的公交车辆定位方法0．引言对公交车辆进行实时的定位、监控和实时的调度管理，不但是提高道路利用率、缓解交通压力的一种行之有效的方法，而且还可以保证公交车辆营运安全、高质量的服务以及科学的调度管理，把目前的城市公交车辆营运提高到一个新的水平[1]，目前车辆定位技术主要有：(1)无线电定位法根据若干无线电基站所发出信号的强弱、相位、数字信号等来推算被测物体位置的技术，无线电定位根据无线电发射基站所在位置的不同可以分为地基定位和天基定位，天基定位又称卫星定位。目前对民用用户而言,可供选择的卫星定位系统主要有：GPS(全球定位系统)、GLONASS(全球导航卫星系统)和“北斗一号”卫星定位系统[4]。而GPS，GLONASS在某些特定的环境下，GPS接收机定位不精确限制了它的广泛使用如阴影，即城市中高楼与高楼之间形成的“峡谷”内、浓密的植被下，信号接收效果较差[2]，但最重要的原因是这种方法价格昂。（2）航位推算法(又称惯性导航法)，利用车辆本身所装置的距离感测元件与方向感测元件，得出车辆行进的距离与方向的改变，即可算出车辆位移的向量。但此方法开机时需由外部提供初始位置信息，后续的数据经由折算距离与角度再加到初始数据上，而得出目前的位置。但推算定位法通常存有距离和相位迹差，而且误差会随着距离与时间而累积加大，需要经常修整误差。（3）信标法是在一定区域均匀地设置固定自动车辆识别标杆,依据车辆与标杆的关系，求出车辆的相对位置。本方法适用于固定路线,当装有感应器的车辆经过信号标杆时，标杆上的发报器立刻将信号传回调度中心，此种系统的定位精确度依信号杆设置的疏密而定，且车辆需按固定路线行驶时方能定位。（4）地图匹配是一种基于软件技术的定位误差修正，方法，其基本思想是将车辆定位信息与数字地图中的道路网信息联系起来，并由此确定车辆在地图中的位置[3]。本文设计了一种在无线传感器网络环境下的定位方法，网络中的节点均为无线收发模块，具有部署简单，成本低等特点可以弥补上述方法中的一些不足。1．网络的组成和结构网络中由两类节点组成：信标节点和移动节点，这两类节电都是无线收发模块，其它还有相关的微处理器，数据采集和控制相关操作的软件，中转节点是与带有监控的软件平台的PC计算机相连提供定位数据的信标节点。本文介绍的算法是基于比较简单网络结构构造的，网络结构是信标节点（信标节点）成线性或非闭合曲线的排布，这样符合城市街道布局，可以把信标节点沿城市干道排布，把移动节点安装在路径上述干道的公交车辆上，公交车辆在散布信标节点的道路行驶。图1网络拓扑结构Fig.1Networktopology2．定位算法和相关问题处理2.1系统帧的结构仿照802.15.4协议MAC数据帧结构构造下列帧结构，图2和图3分别给出了数据帧的结构，确认帧的结构与数据格式相同。数据帧类型，是区分数据帧和确认帧或其他功能信号，路由信息是防止数据反复重发设置的，发过同一数据的信标节点把自己的编号加入到相应的路由位，传感信息用于公交车辆的位置，时间戳，路况等一些传感数据，或者具体应用的扩展。图2数据帧结构Fig.2DataFrame在系统启动时，由中转节点发送时间同步信号，接收到的节点的时间片清零，未收到同步信号的节点可通过扩散的方式由相邻的上一级节点传输同步信号（同步信号为零号数据帧），在接收到同步信号向中转节点返回确认信号，否则重发。以后在每一次时间轮片的过1字节1字节1字节1字节1字节1字节1字节1字节11字节2字节源地址数据帧类型数据帧长度路由位1路由位2路由位3路由位4路由位5传感信息（含报警、上行下行等信息）数据帧尾（FCS校验位）帧头负载帧尾监控站中转节点信标节点移动节点BDCEFGA程的第一时间有中转节点发送时间同步信号，各个节点自动以该信号或接收到的其它节点的信号自动同步，或修正同步时间误差。2.2数据传输过程整个系统以根据节点个数设置时间片大小和个数。每个时间片对应一个号码，每个节点（除中转节点）一个号码。节点发送数据信息，只能在特定时间（属于自己的时间片）内发送。每个节点都有编号。信标节点接收到数据后开始向周围邻近信标节点转发数据帧，移动节点不负责转发数据，当临近信标节点获得自己的时间片后，再向其临近节点转发，最后把数据传送到中转节点，中转节点获得数据。为了阐述数据的传输过程，我们截取一段目标监控区域，移动节点A对相邻的信标节点在自己的时间片发出请求信号，请求成功后，将定位信息向邻近节B发送，信标节点B，接收到了数据后，首先对数据进行校验，由于B节点是第一次转发此数据，因此在路由位1中加入自己的节点编号，数据帧如下：这样就防止同样的数据地在B点重复传输，B点在自己的时间片下向邻近节点C转发数据，而C节点在接收到数据以后，把自己的节点编号加入到路由位2，数据帧如下：然后向邻近的B，D转发数据，由于前面路由位1的设置，使得数据能不能回传，同样数据到达D点后由于路由位2的作用也不会回传，这样数据转发至F，空路由位只剩一个，然后下个节点接收到数据后，把路由位2清空（原来为0CH替换位0FH），添加自己的编号，数据帧如下：下个节点在路由位3添加，添加至第四个路由位，下个节点在替换第二个路由位，如此反复循环，这样就可以使数据减少重复传送，提高传输效率，直至到达中转节点，再由中转节点传输至基站PC。2.3车辆定位中相关问题的处理针对公路交通中经常会出现如交通堵塞或交通事故等紧急情况，在这种紧急情况发生下，就需要及时地通知监控台，再由监控台通知相关部门做好疏散等相关处理工作，以免事态扩大，此时就需要信标节点优先处理这样的报警信息，无需再等待时间片，使报警信息及时到达监控台。由于公交车辆存在上行和下行问题，在数据传输上必须区别对待，在传感信息位中加入一个比特位1表示上行，0表示下行。在节点发送数据用此来表示是上行还是下行，同时在车站牌的信标节点安装显示屏，在每一路牌下都有按钮，按下按钮表示等待该路公交车的乘客请求该路公交车到达时间，同时候车乘客也可以通过车站信标节点的按键向将要到达的公交车辆发送信息（设置数据帧类型）以防止误车。在公交车辆里的前门（上车门）和后门（下车门）安装光敏器件记录上车和下车的客流量信息，通过车载移动节点发送回监控台，监控台通过数据分析，来及时对交通进行调度。例如，8路公交车（编号为8）以普通50-60人的上行公交车为例，在A站台候车的乘客想知道8路车什么时候到达A站台，按下8路站牌下按钮，在此站牌的信标节点扫描按键，产生数据帧如下：0AH00H12H0B00H00H00H00H0H80H0AH00H12H0B0CH00H00H00H0H80H0AH00H12H0B0FH0DH0EH00H0H80H0AH01H0612H00H00H00H00H00H08H01H80H帧头信息位校验位数据帧类型为1表示非数据帧，信息位08H代表公交标识，01H表示上行，则下行8路车不对此数据作出回应，上行的8路车移动节点接受到以后，分析数据帧类型和信息位，产生数据帧如下：上行站点A接收到数据分析后，把前方来车的位置显示在显示屏上，候车人可根据时间来决定是否改乘其它路车辆。图5定位系统流程图Fig.5LocationSystemFlowChart8路车到A站后，通过上车们和下车门的设备统计了上车（15人），下车人数（10人）后设置数据帧如下：基站接收到类似的数据帧（类型为0）后首先对路由位1统计，对于路由位1相同的下车人数字段进行叠加，当超过某一数值时对路由位1地址的路段进行交通调度缓解这一路段的交通压力。08H01H06H00H00H00H00H00H08H01H时间80H帧头信息位（其余为0）校验位08H00H06H00H00H00H00H0FH0AH01H00H80H帧头信息位（其余位为0）校验位A（a）移动节点流程图N移动节点有定位请求或获得时间片？发送数据收到数据NY初始化Y出现紧急情况？N设置报警位Y请求信号？设置信息位YN（b）普通信标节点流程图替换相应路由位初始化加入路由信息位等待数据缓冲有数据？时间片到？NYYN向其它节点转发数据链表中有数据Y数据帧路由位有空？N进入监听状态报警信息？NYNY（c）车站信标节点乘客发送数据流程图图5定位系统流程图Fig.5LocationSystemFlowChart2.3定位过程和网络速度移动节点会定时的向基站发送信息，使基站能够实时的监控到各个移动节点的位置和传感信息，移动节点定位是通过其附近的信标节点来确定的，移动节点封装好数据帧向信标节点发送数据，信标节点通过地址匹配和校验后，向上一级转发，这样最终到达基站，因此，对网络速度就有一定的要求，否则无法体现定位的实时性，假如，某条道路中有256节点，通常在井下对于信标节点密度不需要太大，以56个信标节点和200个移动节点。目前，一般的无线收发模块的发送速率为100k~1Mbps，本文数据帧为21字节，168位数据装配成发送数据为336位数据以100kbps发送时间为0.00336s，时间片的长短要视收发模块缓存大小而定，如使用nrf905，则可把时间片设为0.02s，可以让节点把尽可能多地数据在一个时间片内把移动节点的请求都发送出去，那么轮转一周时间为5.12s，考虑最坏的情况，当全部移动节点都集中到离中转节点的最远的信标节点进行信息的发送，那么数据每个数据将经过55个节点转发，即至少要55×0.02=0.11s。2.4节点功耗对于公交定位中，对于移动节点的功耗的要求不需要很严格，因为移动节点安装在公交车上可以通过公交车辆的电源对其供电，而信标节点相对于移动节点就需要较高的要求，因为它是散布在道路上的没有稳定的供电来源，截取网络中一段，选用nrf905作为无线信号的收发，其发射功率为11mA，接收功率为12.5mA，它在感应到信号后首先进行地址匹配，匹配成功后，会从省电模式转换为接收模式，无需一直处在接收模式，这样可以节省能源，在实际中，在网络中不同的节点工作量也不同，主要是信标节点要大量接收和转发，因此信标节点的功率会比移动节点更大些，在最坏的情况下，设置时间片0.2s，时间轮片轮转一周为5.12s，如果所有移动节点都集中到一个信标节点发送，这时的中转节点功率为[12.5×56×5.12ms+2.5μA×（51200-5.12×56）]/51200=0.0725mA。但中转节点通常有较好的供电初始化有按键按下？设置信息生成请求数据暂存数据时间片到？N从暂存中提取数据发送Y条件，如对电池的体积没有很严格的限制，或可以用线路供电而用电池作为备份。因此，中转节点的功耗不成为问题。2.5对于数据传输等若干问题处理由于是时间偏机制，经常会有一下得情况发生：（1）在同一个信标节点附近的移动节点会不停的向这个信标节点来发送数据，这样的数据（除第一次发送的数据）就没有必要让信标节点反复传输造成时间片的浪费。（2）在一个信标节点周围有多个移动节点，都向同一个信标节点发送数据，这时信标节点就会无法在一个时间片内完成全部数据的发送。为了解决以上的传输问题，在信标节点中设置一个暂存链表，链表中每一项都不是重复的，每次加入表中项要经过校验，这样同一移动节点的数据就会过滤掉，对于不同移动节点发送的数据就会加入链表中，待信标节点时间片到时把表中的一项取出发送，可以解决以上的问题。图6数据传输问题Fig.6DataCongestionTrouble3.结论公交车辆定位是公交车辆管理的核心问题，本文给出的基于无线传感器网络的公交车辆定位解决方案的定位精度不是很高，但简单易行，成本低，对这一类的应用有很高的价值，也可以推广到其他的一些类似的应用，同时也对无线传感器网络在智能公交有一定的启示作用。参考文献[1]王雨清.组合式定位技术在公交车辆中的应用研究[D]黑龙江：哈尔滨工业大学，2004.6.1WangYuqing,ReseachoncompoundlocationtechniqueinlocatingthemotorbusHeiLongJiang：HarbinInstituteofTec