CN104954435A - 融合ZigBee和WebGIS的城市公交运营监控系统 - Google Patents

Abstract

针对城市公交车辆运营监控系统的研发，本文采用Zigbee无线自组网技术研发了车载用Zigbee移动终端、电子公交站牌用zigbee路由器和公交网络末端用zigbee协调器构成的硬件系统，实现对各公交车辆到站信息的实时定位采集与电子播报，辅助候车人员及时乘车或换乘车辆；以WEBGIS技术为核心，集成Oracle数据库技术、WebGIS技术和GPRS无线通信技术，并结合计算机网络，研发了公交车辆运营监控用软件系统，实现对各公交车辆到站情况的实时定位跟踪与监督管理，为城市公交车辆的调度管理和市民的出行提供技术支持。

Description

融合ZigBee和WebGIS的城市公交运营监控系统

技术领域

本发明是针对城市公交运营系统，研发的一种实时动态公交运营监控系统。主要用于实现对城市各公交车辆到站信息的实时定位采集与电子播报，辅助候车人员及时乘车或换乘车辆。

背景技术

据统计2000年我国城市人口达到4.67亿,到2009年城市人口约占全国总人口的46.6％；到2015年,我国人口超过百万的城市将达到126个,其中达到200万以上人口的超大城市将有50多个。以上数据充分说明,我国的城市化进程已经进入了高速发展阶段。为了解决城市交通拥挤现状，利用高新技术改造现有的城市交通运输体系,大力发展具有载客量大、污染少、成本低、运输效率高、低能耗等优点的公共交通系统,是解决城市交通拥挤问题的必由之路。

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，该项目通过使用先进的电子通信技术以提高城市交通的工作效率和服务水平。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。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，提高了美国的公交服务水平。日本东京交通局开始研发城市公共交通综合运输控制系统，它将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，公交综合管理系统包括累计运营数据、乘客统计、监控公交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与铁路信息提示。而欧洲一些国家则从城市实际情况出发，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。

在城市智能公交系统建设方面,国内的北京、上海等多个城市已经开始了相关的建设和实践。如杭州市是国内率先将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、查询和实时的显示车辆运行状态等功能。

上述各类系统功能的实现均是以高成本的投入为前提，且系统投入运行后，每个月还要面临庞大的数据流量费用的支出，公交车辆越多，公交站点越多，公交区域面积越大，所产生的后期运行成本也就越高。这是阻碍此类智能化公交系统大面积推广应用的主要因素。因此，为了实现城市公交智能化运营系统的大面积推广，在实现上述功能的前提下，迫切的需要一种前期投入少、后期运营成本低的城市公交组网运营技术。

在现有的技术手段中，“201210296075.X智能公交站牌及公交车辆行驶信息指示系统”、“201210312027.5能够提供公交车行驶信息的服务器及公交车站牌”、“201210432915.0一种可在公交站牌显示公交车运行状况的系统”、“201210499999.X一种城市公交车实时管理系统”、“201210571735.0一种智能公交系统”和“201310100258.4智能公交站牌系统”使用GPS进行车辆定位，成本较高。

“201110402823.3基于RFID和GPRS技术的公交子系统”、“20102096312.1一种利用射频识别技术的城市公交管理系统”、“201210216877.5带WIFI接收系统的电子公交站牌”和“201310158144.5智能公交服务系统及控制方法”使用Wifi和RFID射频技术对公交车辆进行定位，系统的可靠性和智能化水平较低。

我国城市公交站点设立上，国家建设部有关文件规定：市内相邻公交站点的距离应在500～800m，市郊在1000m以上。我国各城市公交站点的建设均以此为标准并根据各自实际情况进行相应调整。在无线自组网技术上，美国MaxStream公司的XBee—PRO系列Zigbee模块，其有效通信距离可以达到1600m，即，在满足国家无线电管理条例的条件下，通过适当提高Zigbee模块的发射功率和接收灵敏度，便能有效的满足城市公交系统的通信要求。

发明内容

针对以上问题，本发明主要用于实现对城市公交车辆的位置进行采集和可靠高效传输，并在智能公交站牌上，显示公交车辆的所在位置。在公交总站对下位采集到的数据进行数据分析，结合WebGIS技术对采集和分析结果进行实时的显示。并开发配套的服务器和手机软件，为城市交通管理提供技术支持，为普通市民提供交通信息查询服务。

为了实现上述功能，系统包括多个车载用Zigbee移动终端、多个电子公交站牌用zigbee路由器、多个公交子网末端用zigbee协调器、一个数据监测中心和一个在线服务系统。

为了实现公交车辆的定位，在整个城市铺设了多条Zigbee子网，每个子网相互独立，每个子网又根据城市公交车辆运行线路走向进行铺设，采用了基于树簇型的拓扑结构。车辆的位置等信息通过Zigbee网络传输至公交中心。

设计了智能公交站牌，可以实时的显示该站台入站车辆的动态位置，及到站的大致时间，便于候车人员及时掌握候车时间。

公交总站的数据监测中心是基于B/S架构的城市公交运营实时动态监控WebGIS系统，该系统又可划分为网络管理系统、数据管理系统和查询系统三个子系统。网络管理子系统用于实现对各网络节点的状态监测和管理，数据管理子系统主要用于对城市公交运营中产生的数据进行合理的存储和高效的管理，查询子系统用于为市民提供公交查询和出行线路规划等服务。

本发明的优点：1、采用Zigbee作为组网设备，具有自组网功能，易于添加和删除各采集节点，易于实现对整个网络的管理。2、采用Oracle11g对采集到的数据进行管理，数据可以共享、独立性高、冗余小，易移植，便于统一管理和控制。3、采用数据挖掘技术，能够通过对数据库中知识规则和数据的推理，模拟专家进行启发式推理、判断，并评估城市公交运行现状。4、将WebGIS系统应用到城市公交监测，实现了对城市公交现状的图形化展示和远程访问。5、本发明开发了手机软件，为普通用户提供了一种便捷的访问方法。6、服务于候车人员的乘车出行和公交系统管理为最终目的，既能为站牌下候车人员及时提供车辆运行信息以辅助候车人员及时乘车或换乘车辆，以减少候车时间并能缓解长时间候车导致的焦虑情绪，又能提高公交车辆的运营效率和管理水平。7、该系统的自组网、低功耗、易布设、易维护等特点，使得其前期投入成本较集成GPS、GIS、GSM/GPRS/3G以及ARM嵌入式开发等技术的公交系统要低很多，更利于推广应用。

附图说明

图1是本发明的系统网络拓扑结构示意图

图2是本发明路由器和协调器节点铺设示意图

图3是本发明核心板设计结构示意图

图4是本发明终端节点设计结构示意图

图5是本发明路由器节点设计结构示意图

图6是本发明协调器节点设计结构示意图

图7是本发明协调器工作流程图

图8是本发明的终端数据格式表和路由器数据格式表

图9是本发明路由器工作流程图

图10是本发明Zigbee系统应用层技术架构图

图11是本发明网络节点管理界面

图12是本发明公交状态监测界面

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

如图1所示，系统由感知层和应用层两部分构成，并通过GPRS实现数据的双向通信。

系统感知层，主要实现Zigbee网络节点的铺设和公交信息的采集，采用基于Zigbee的无线自组网技术和GPRS技术，实时的监测城市公交系统的运行情况。城市公交系统具有明显的地域性，因此，根据城市公交区域的大小和城市公交线路的走向，将其划分为多个互相独立的子系统，每个子系统又根据城市公交车辆运行线路进行铺设，采用了基于树簇型的拓扑结构。各节点功能如下：

(1)移动终端节点：

移动终端节点放置在公交车辆上，由于每一个站台可能不会使用同一个信道，若终端节点使用信道扫描的方法加入站台上的路由节点，将会有最多8s左右的延时，考虑到公交车的车速，这是不能满足要求的。为解决延迟问题，在终端节点的软件设计时，将该终端节点将会经过站台的信道信息写入该终端节点，节点经过一个站台后，便会停留在下一个站台的信道等待标帧，便可有效降低申请接入时的延迟。考虑到经过一个站点的车可能并不是该站的进站车，所以站台只是选择性的接入属于该站台的终端节点。终端节点的功能主要是：

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100m；

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)路由器节点：

如图2所示，为了解决网络节点过多造成的信号传输延迟，将整个网络划分为多个Zigbee网络区域，每个区域采用树状拓扑结构。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(因不是安装在公交站点上)。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，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，便会根据最小路径原则，利用街道对面站台的路由器，途径：R15-R21-R17,将位置和故障信息逐级传递下去。通过该方法可有效的降低系统的故障率。

以集成电子公交站牌的路由器节点为例，其功能如下：

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50m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所用。

(3)协调器节点

每一个公交分站配备有一个Zigbee协调器，各协调器之间相互独立，没有主次之分。每个协调器和所属路由器节点组成一个Zigbee树状网络。各公交分站协调器可通过GPRS通信功能板将该子网信息传输给公交总站，由公交总站对整个城市公交网络的信息进行汇总。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，从而完成最终的组网功能。

如图3所示，本系统各节点的研发，均以CC2530与CC2591构成的核心板作为ZIGBEE各节点的通信主板，以实现无线通信组网。CC2530采用CMOS解决方案、内部使用增强型8051内核和频率为2.4GHz的射频发射器、发射功率为4.5dBm；CC2530适用于IEEE 802.15.4协议标准下的应用，可以建立庞大的网络节点，而且具有非常低的总成本；CC2530的数字内核和外设由一个AMS117电压模块供电，还包括一个电源管理功能，可以保证CC2530在不同供电模式下正常运行，实现降低功耗目的。加装CC2591射频发射功率放大器，可大大提高信号数据的传输距离，其P1和P2为与外界通信的排阵，用于对外围电路的扩展。

如图4所示，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。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，同时点亮上行指示灯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。

如图5所示，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。电子站牌硬件研发上，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。

如图6所示，协调器节点主要用于组网，信号汇总，并通过RS232串口将信号传输给公交分站的GPRS模块，然后由GPRS模块将信息发送到公交总站。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。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12V和5V。

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。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。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。

如图7所示，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，则表明在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。

如图8所示，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，如图8(A)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，如图8(B)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。

如图9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3所示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11位数功能，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。

如图10所示，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。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。其实现的主要功能如下:

(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zibgee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11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12所示。

(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。

本发明未公开涉及到该系统设计的某些具体技术细节及参数，但对系统的实施方案进行了详细的描述。凡是利用本发明的思想且在权利要求范围内的任何创造均在保护之列。

Claims (13)

1.该系统用于城市公交车辆实时动态监控，并以WebGIS的地图为背景进行显示；系统包括多个车载用Zigbee移动终端、多个电子公交站牌用zigbee路由器、多个公交子网末端用zigbee协调器、一个数据监测中心、一个在线服务系统和数据库；其工作流程如下：

(1)每个子网协调器建立起整个通信子网；

(2)车载路由器节点通过站台，申请加入该站台所属子网；

(3)若该车载路由器属于该子网，则允许入网，否则不允许入网；

(4)车载路由器入网后，将车辆信息发送给站台路由器；

(5)站台路由器将此次信息转发给车辆行驶方向的下一站台路由器，直至公交分站的子网协调器为止；

(6)每个公交站收到来自车载路由器和上一站台路由器的数据后，便会在该站台站牌上显示车辆位置信息。

(7)公交分站的协调器接收到信息后，通过GPRS模块将信息传输给交通管理中心。

(8)交通管理中心对数据进行分析和挖掘，并将分析结果反馈给WebGIS服务器，实现与WebGIS的信息交互；

(9)WebGIS服务器将各种处理结果，显示在以基本地图为背景的界面上；

(10)用户和管理人员可以通过Web浏览器和手机移动终端访问WebGIS服务器，获得需要的信息；

(11)当车辆驶离该公交站台一定距离时，便会自动断开与该子网的连接，等待下一次接入，重复(2)、(3)、(4)、(5)、(6)步。

2.如权利要求以所述，将Zigbee技术应用到城市公交监控系统。

3.将Zigbee局域网和GPRS模块结合起来，由Zigbee网络对数据进行采集和汇总，由GPRS模块对汇总后的数据进行发送。

4.每一个车载路由器、站台路由器和协调器均有一个唯一的识别号，它通过通信网络发给公交监控中心的信息包括该唯一识别号，实时时间、设备故障信息和公交监测数据。

5.智能公交站牌，可以显示该站台的所有进站车辆的当下位置。

6.其特征在于信息采集和传输部分，以无线的形式进行传输，并接入到移动通信网络。监管中心和用户端通过TCP/IP网络协议接入Internet，实现数据的管理和访问。

7.如权利要求1所述，在基本地图背景上，以图元和文本的形式将被监测到的内容显示在地图的对应位置上，系统提供的工程信息查询等功能是以图标以及卫星地图的方式实现的。

8.基本信息的管理，对安装在城市各处的网络节点设备进行新建、修改、添加和删除等操作。

9.历史数据查询和分析，对数据库内某时间范围内的基本信息、故障信息以及维修信息进行数据查询、统计和报表。

10.故障信息的管理，对设备的故障信息数据进行新建和删除，并将故障信息显示在WebGIS页面上。

11.维修信息管理，对备用设备的剩余数量和储存位置、维修历史记录等进行统一管理。

12.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，各数据库分别实现其特有功能。

13.当Zigbee网络故障时，会以最小路径的原则，建立起新的信号传输路径。