基于无线传感器网络的公交车辆定位系统

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3.0 牛悦 2024-11-19 4 4 4.02MB 57 页 15积分
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摘 要
大力发展智能公共交通系统是减少交通行业温室气体排放量，解决城市交通
拥挤等问题的有效途径之一。而公交车辆定位技术是智能公共交通系统实现各种
功能的前提和基础。目前的车辆定位技术以 GPS 的定位精度最高、应用最广泛。
但是 GPS 应用在公交车辆定位中存在一些问题，主要是设备成本高、运营过程中
不断产生网络使用费、“城市峡谷”引起信号丢失等问题。因此需要寻找新的公交
车辆定位技术来解决这些问题。
无线传感器网络定位技术作为一种新兴的定位技术，具有硬件成本低、运营
费用低、系统维护简单的特点，前景十分广阔。本论文通过对无线传感器网络的
研究，提出了将无线传感器网络技术应用到公交车辆定位系统中的方案，并对方
案中涉及的网络路由协议、节点定位算法等关键技术和传感器节点软硬件的实现
做了深入的研究。论文研究的主要内容如下：
首先对比较经典的无线传感器网络路由协议作了分析和比较，结合公交车辆
定位系统的业务特点，在分层网络模型能量多路径路由协议的基础上设计了本文
采用的加权自适应路由协议；接着分析了现有的无线传感器网络节点自定位算法，
讨论了将它们应用在公交车辆定位系统中的可能性，提出了基于无线传感器网络
的公交车辆定位算法；最后，采用 Nordic 公司 nRF905 作为射频收发芯片，Atmel
公司的 ATmega16L 作为微处理器，完成了无线传感器网络内各类节点的软硬件设
计。
关键词：无线传感器网络 公交定位 路由 nRF905
ABSTRACT
The developing of Intelligent Public Transportation System(IPTS) is one of the
most efficient methods to solve the problems of greenhouse gas emissions and urban
traffic congestion. And the buses positoning technology is the premise and the base for
IPTS achieving its functions. Nowadays, among all the vehicle positioning technologies,
GPS is the most accurate and the most widely used. But, there are some problems with
GPS in using it in buses positioning system, such as the very high costs of equipments,
the network usage fees that incurres in Operating procedure and the of “city canyon”.
Therefore a new buses positoning technology is needed to solve all these problems.
As a Emerging positioning technology, Wireless sensor network(WSN) positioning
technology has the features of lower equipment costs ,lower operating costs and easy
after-sale service, which make it become a more and more popular topic. A programme
of using WSN technology in buses positioning system has been provided through the
research of WSN. The key technologies such as the network routing protocol ,the
positioning algorithm and the implement of software and hardware of the sensor nodes,
that concerned in this programme have been studied deeply in this work. The main work
is as follows:
First, the typical protocols in wireless sensor networks are been studied and
compared, combined with the business features of buses positioning system, an adaptive
weighted WSN routing protocol is provided. Then, I studied the existing WSN
positioning algorithms, and analysis the possibility of using them in buses positioning
system. At last, design the software and hardware of various sensor nodes in WSN,
using Nordic’s nRF905 as wireless transceiver chip and Atmel’s ATmega16L as MCU.
Keywords: WSN, Buses positioning, Route, nRF905
目 录
中文摘要
ABSTRACT
摘 要 .................................................................................................................................................... 5
ABSTRACT ........................................................................................................................................... 6
目 录 .................................................................................................................................................... 7
第一章 绪 论 ........................................................................................................................................ 1
§1．1研究背景 ............................................................................................................................ 1
§1．1．1节能减排与公共交通 ..........................................................................................1
§1．1．2智能公交系统的提出 ..........................................................................................1
§1．1．3车辆定位技术在智能公交系统中的作用 ......................................................... 2
§1．2公交车辆定位系统的现状 ................................................................................................2
§1．3意义与目的 ........................................................................................................................4
§1．4研究内容 ............................................................................................................................ 5
第二章 无线传感器网络路由协议设计 ..............................................................................................7
§2．1无线传感器网络路由协议的特点 ....................................................................................7
§2．2目前常见的无线传感器网络路由技术 ............................................................................8
§2．2．1洪泛路由（Flooding）和闲聊（Gssiping）协议 .............................................8
§2．2．2 SPIN（Sensor Protocol for Information via Negotiation）协议 ........................ 9
§2．2．3定向扩散（Directed Diffusion）协议 ............................................................. 10
§2．2．4谣传（Rumor）协议 .........................................................................................11
§2．2．5低功耗自适应分簇（LEACH）协议 .............................................................. 12
§2．2．6有序分配路由（Sequential Assignment Routing，SAR）.............................13
§2．3公交车辆定位系统路由协议的设计 ..............................................................................13
§2．3．1分层网络模型能量多路径路由协议 ............................................................... 14
§2.．3．2公交车辆定位系统路由协议应用分析 .......................................................... 14
§2．3．3公交车辆定位系统路由协议的实现 ............................................................... 16
§2．3．4数据的收发与路由维护过程 ............................................................................19
§2．4本章小节 ..........................................................................................................................20
第三章 无线传感器网络车辆定位技术 ............................................................................................21
§3．1无线传感器网络节点定位技术 ......................................................................................21
§3．1．1距离相关（Range-Based）定位算法 .............................................................. 21
§3．1．2距离无关（Range-Free）定位算法 .................................................................22
§3．2车辆定位技术 ..................................................................................................................22
§3．3本章小节 ...........................................................................................................................24
第四章 公交车辆定位系统的总体设计 ............................................................................................25
§4．1公交车辆定位系统的整体结构 ......................................................................................25
§4．2公交车量定位系统的硬件组成 ......................................................................................26
§4．2．1公交车辆定位系统中的车载移动节点 ........................................................... 26
§4．2．2公交车辆定位系统中的固定节点 ................................................................... 26
§4．2．3公交车辆定位系统的服务器平台 ................................................................... 27
§4．3公交车量定位系统的软件架构 ......................................................................................27
§4．4本章小节 ..........................................................................................................................30
第五章 公交车辆定位系统的节点设计 ............................................................................................31
§5．1硬件的选型 ......................................................................................................................31
§5．1．1微处理器的选型 ................................................................................................31
§5．1．2无线通信模块的选型 ........................................................................................32
§5．2车载移动节点的设计 ......................................................................................................35
§5．2．1无线收发模块设计 ............................................................................................35
§5．2．2无线收发模块与微处理器的连接 ................................................................... 37
§5．2．3车载移动节点的软件设计 ................................................................................39
§5．3车站固定节点的设计 ......................................................................................................45
§5．3．1 LCD 显示模块的选型 ........................................................................................46
§5．3．2微处理器与 LCD 显示模块的连接 ................................................................. 47
§5．3．3车站固定节点软件设计 ....................................................................................48
§5．4中继固定节点的设计 ......................................................................................................49
§5．5本章小节 ..........................................................................................................................49
第六章 结论与展望 ............................................................................................................................ 49
§6．1结论 .................................................................................................................................. 50
§6．2展望 .................................................................................................................................. 50
参考文献 .............................................................................................................................................. 51
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 ................................................................. 54
致 谢 .................................................................................................................................................... 55
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1．1研究背景
§1．1．1节能减排与公共交通
全球气候变暖已经成为威胁人类生存，亟待人类共同努力来解决的严重问题。
为响应中国政府在联合国气候变化峰会上的原则和承诺，2009 年11 月25 日，温
家宝总理主持召开国务院常务会议，提出 2020 年我国控制温室气体排放的行动目
标为单位国内生产总值二氧化碳排放比 2005 年下降 40%~45%，并明确指出要加
快建设以低碳为特征的工业、建筑和交通体系。
表面上看，低碳仅是一个气候、环境问题，但实质上，低碳是一种新的可持
续发展方式和能源消费方式。交通作为社会发展的重要载体和工具，是温室气体
的重要排放源。交通运输实现节能减排的核心战略是公交导向、公交优先和绿色
交通。
但是目前中国城市公交的发展情况并不理想，服务水平低，还难于担当小汽
车出行的替代方式。特大城市公交分担率不超过 30%，大城市公交分担率不超过
20%，而东京、伦敦、香港等高达 40-60%。
以上海为例，2009 年，上海汽车保有量达到 146 万辆，机动车碳排放已占到
全社会碳排放的相当比重。而在上海客运行业能源消耗结构中，社会客车占 65%，
出租汽车占 17%，公共汽车占 10%，轨道交通占 7%，轮渡占 1%，个体机动方式
作为城市交通运输行业能源消耗的主体，是最大的碳排放源。
由此可见，要落实和实现中国的减排承诺，必须全力推进公共交通优先发展，
形成高效、便捷、舒适、安全、经济的公交供应与服务体系，“让老百姓愿意乘公
交，更多的乘公交”。
§1．1．2智能公交系统的提出
近年来，各国对交通管理系统的研究方向都是致力于用通信技术、自动化技
术及计算机技术等现代高新技术来系统地解决道路交通问题，并称之为：智能交
通系统（Intelligent Transportation System，ITS）。ITS 的主要思想是将传统的交通
系统看成是人、车、路的统一体，运用计算机、通信、人工智能、传感器等领域
的先进成果来彻底改变目前被动式的交通局面，使人在驾驶过程中可以随时通过
GPS∕GIS、广播、信息发布板等手段了解目前的交通状况，而交通管理部门则可
基于无线传感器网络的公交车辆定位系统
2
通过道路上的车辆传感器、视频摄像机等设备随时了解各个路段的交通情况，并
随时对各个交通路口的交通信号进行调整以及对外界进行信息发布，从而建立起
一种大范围、全方位、高效的交通运输管理系统，形成“人—车—路”三位一体
的系统。
城市智能公共交通系统是 ITS 的一部分，是集计算机控制技术、无线通信技
术、全球卫星定位技术、地理信息技术为一体的公共交通管理系统。该系统具有
公交车辆的定位跟踪、辅助导航、车辆调度指挥、动态发布公交信息以及出行者
最佳路径查询等功能。通过建设智能公交调度系统，可以显著提高公共交通服务
水平，通过掌握运行情况以及乘客数据实现精确平稳的公共交通运营服务，吸引
更多乘客采用公共交通的出行模式。
§1．1．3车辆定位技术在智能公交系统中的作用
智能公交系统是以提高道路的通行能力、利用效率与安全性为主要研究目标
的交通运输系统。因此车辆定位技术是智能公交系统的关键技术。它实时地对车
辆进行全程定位跟踪，自动确定车辆在特定时间的位置，将调度、服务信息及时
传递到车队、显示牌及公交车辆，为管理系统和车辆提供足够的和及时的信息，
通过客流量分布、高峰空闲期及交通路况等信息资料，对全线进行最优化和最有
效的实时监控、及时调度和全方位服务，有效地提高车辆的运营效率。对乘客而
言，可通过电子站牌，了解车辆行驶情况，选择乘坐车次，提高候车的可知性，
为出行提供更大的便利，提高公共交通运输的吸引力、方便性和可靠性。因此，
车辆定位是出行引导、车辆交通管理和车辆调度等的基础。
公交车辆定位技术是智能公交系统的重要组成部分，是智能公共交通系统的
关键技术，是实现智能公交系统的前提和基础。
§1．2公交车辆定位系统的现状
车辆定位系统的概念[1]最早出现于二十世纪七年代末，当时最早用于车辆的
定位与导航是航迹推算和地图匹配技术。但是这种系统定位精度很差，并没得到
广泛的接受。进入到九十年代，计算机和通信技术得到了很大的发展，车辆定位
导航系统才开始真正的进入实用阶段。美国全球定位系统（GPS）的出现，使得
车辆定位导航系统的发展进入了高潮。
车辆定位技术发展到今天，已经有了非常多的种类，其中比较常用的有四种：
无线电定位法、航迹推算法、信号标杆法、地图匹配法。下面主要介绍其在公交
摘要：

摘要大力发展智能公共交通系统是减少交通行业温室气体排放量，解决城市交通拥挤等问题的有效途径之一。而公交车辆定位技术是智能公共交通系统实现各种功能的前提和基础。目前的车辆定位技术以GPS的定位精度最高、应用最广泛。但是GPS应用在公交车辆定位中存在一些问题，主要是设备成本高、运营过程中不断产生网络使用费、“城市峡谷”引起信号丢失等问题。因此需要寻找新的公交车辆定位技术来解决这些问题。无线传感器网络定位技术作为一种新兴的定位技术，具有硬件成本低、运营费用低、系统维护简单的特点，前景十分广阔。本论文通过对无线传感器网络的研究，提出了将无线传感器网络技术应用到公交车辆定位系统中的方案，并对方案中涉及的...

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