0 引言
一直以來(lái)，我國(guó)低壓電網(wǎng)用電側(cè)處于無(wú)法遠(yuǎn)程監(jiān)控狀態(tài)，無(wú)法獲知漏電流越限信息及故障跳閘原因，更無(wú)法對(duì)故障進(jìn)行定位和自動(dòng)隔離，增加一線員工的工作量。若要解決此問(wèn)題，必須裝設(shè)帶通信型漏電流動(dòng)作保護(hù)器(下稱智能斷路器)，并把信息實(shí)時(shí)上傳到主站系統(tǒng)進(jìn)行分析管理。目前常規(guī)的智能斷路器是通過(guò)RS-485總線或GPRS模塊無(wú)線公網(wǎng)直接與主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，但RS-485總線傳輸距離短、布線不方便且維護(hù)量大，GPRS模塊無(wú)線公網(wǎng)由于智能斷路器的GPRS模塊節(jié)點(diǎn)多，通信費(fèi)用高且與主站連接造成多并發(fā)問(wèn)題。
本文設(shè)計(jì)一種用于低壓配網(wǎng)負(fù)荷及漏電流監(jiān)控的通信管理機(jī)，可與分散在一定區(qū)域范圍內(nèi)的智能斷路器通過(guò)自組網(wǎng)的ZigBee模塊無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，統(tǒng)一管理各個(gè)分散的智能斷路器數(shù)據(jù)，并可通過(guò)GPRS模塊無(wú)線公網(wǎng)與監(jiān)控主站進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，實(shí)現(xiàn)對(duì)智能斷路器的遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)、分合控制以及運(yùn)行參數(shù)的設(shè)置。
通信管理機(jī)擔(dān)負(fù)ZigBee數(shù)據(jù)采集、命令轉(zhuǎn)發(fā)、數(shù)據(jù)及狀態(tài)量存儲(chǔ)等工作，其具體功能包括：定時(shí)采集并存儲(chǔ)低壓線路智能斷路器的電壓、電流、漏電流數(shù)據(jù)，并定時(shí)上傳主站；接收主站命令，向智能斷路器發(fā)遙控命令實(shí)現(xiàn)智能斷路器的參數(shù)設(shè)置、手自動(dòng)設(shè)置及開(kāi)關(guān)分合控制；存儲(chǔ)告警事件并立即上傳主站。
1 通信結(jié)構(gòu)與智能斷路器
1.1 通信結(jié)構(gòu)
通信管理機(jī)通信結(jié)構(gòu)如圖1所示。與智能斷路器間為ZigBee模塊無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，各個(gè)智能斷路器作為ZigBee無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)，通信管理機(jī)為ZigBee無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器，數(shù)據(jù)傳輸遵循智能斷路器廠家提供的通信協(xié)議。與主站間為GPRS模塊無(wú)線公網(wǎng)，主站擁有固定的IP地址，通信管理機(jī)上電即自動(dòng)向特定IP的主站申請(qǐng)連接，待主站對(duì)連接響應(yīng)后，主站和通信管理機(jī)便建立起透明的數(shù)據(jù)連接。
圖1 通信管理機(jī)通信結(jié)構(gòu)圖
1.2 智能斷路器
智能斷路器是具有數(shù)字化接口，能接收分合閘命令并能將位置信息、狀態(tài)信息等與其它設(shè)備進(jìn)行傳輸?shù)脑O(shè)備，集保護(hù)、測(cè)量、監(jiān)控于一體，具備人機(jī)對(duì)話顯示、存儲(chǔ)和記憶等功能。本文使用的三相和單相智能斷路器選擇適用于低壓電網(wǎng)的通信型剩余電流斷路器，可運(yùn)行在手動(dòng)或自動(dòng)控制方式下，自動(dòng)控制方式下突變漏電流、緩變漏電流、電流或電壓越限智能斷路器自動(dòng)跳閘，并在實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)幀的數(shù)據(jù)位最后一位表示自動(dòng)跳閘原因，手動(dòng)控制方式下不跳閘；其主要外設(shè)包括低壓線路的輸入口和輸出口、狀態(tài)指示燈、分合閘按鈕、RS-485接口和交流電源；該系列斷路器的功能如表1所示(只列出主要功能)，包括讀數(shù)據(jù)、讀參數(shù)、設(shè)置參數(shù)、智能斷路器分合閘及設(shè)置手自動(dòng)運(yùn)行方式。智能斷路器通過(guò)RS-485接口外擴(kuò)ZigBee模塊實(shí)現(xiàn)與通信管理機(jī)的ZigBee無(wú)線通信，外擴(kuò)的ZigBee模塊包括RS-485接口、RS-485轉(zhuǎn)UART芯片。ZigBee模塊無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)通信具有自組網(wǎng)、低功耗和抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，方便通信管理機(jī)對(duì)智能斷路器進(jìn)行數(shù)據(jù)查詢及控制。
表1 智能斷路器主要功能
2 通信協(xié)議設(shè)計(jì)
通信管理機(jī)與智能斷路器數(shù)據(jù)傳輸遵循智能斷路器廠家提供的通信協(xié)議(具體參見(jiàn)標(biāo)準(zhǔn)DL/T 645-2007)，下稱“終端規(guī)約”。主要介紹通信管理機(jī)與主站的通信協(xié)議，下稱“主站協(xié)議”。
通信管理機(jī)與主站數(shù)據(jù)傳輸規(guī)則采用應(yīng)答方式，主站主動(dòng)召喚數(shù)據(jù)或者通信管理機(jī)在正常工作狀態(tài)下每隔N 分鐘(時(shí)間間隔可設(shè)置)主動(dòng)上報(bào)一次數(shù)據(jù)，當(dāng)產(chǎn)生告警信息時(shí)，通信管理機(jī)即時(shí)上報(bào)告警事件。
每幀由幀起始符、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、地址域、數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)域、數(shù)據(jù)單元域、校驗(yàn)域等組成，如表2所示。
表2 主站協(xié)議通信幀格式
數(shù)據(jù)傳送，低字節(jié)在前，高字節(jié)在后。起始符值為68H，標(biāo)識(shí)一幀數(shù)據(jù)的開(kāi)始；數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為原始數(shù)據(jù)除開(kāi)始碼、數(shù)據(jù)長(zhǎng)度、校驗(yàn)和及結(jié)束碼外的所有數(shù)據(jù)的字節(jié)數(shù)；地址域?yàn)橥ㄐ殴芾頇C(jī)地址，數(shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)為傳輸數(shù)據(jù)的類型；數(shù)據(jù)單元為傳輸?shù)臄?shù)據(jù)；校驗(yàn)和為數(shù)據(jù)長(zhǎng)度開(kāi)始到校驗(yàn)和之前所有字節(jié)的累加和，不計(jì)溢出位；結(jié)束符為16H，標(biāo)識(shí)一幀數(shù)據(jù)的結(jié)束。對(duì)啟動(dòng)站發(fā)送的無(wú)需數(shù)據(jù)返回的命令，從動(dòng)站校驗(yàn)通過(guò)后一律返回接收正確命令，即系統(tǒng)應(yīng)答報(bào)文。對(duì)SOE事件的確認(rèn)必須加上當(dāng)前上報(bào)的事件計(jì)數(shù)器。主站協(xié)議部分?jǐn)?shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)如表3所示。
表3 主站協(xié)議部分?jǐn)?shù)據(jù)單元標(biāo)識(shí)
3 硬件設(shè)計(jì)、
3.1 系統(tǒng)部分
系統(tǒng)部分主要包括中央處理器、存儲(chǔ)系統(tǒng)及其外圍電路。
3.1.1 中央處理器
中央處理器選用digi公司工業(yè)級(jí)RCM6710模塊，工作頻率可達(dá)162.5 MHz。相對(duì)于C51、DSP芯片，該模塊具有數(shù)據(jù)處理能力強(qiáng)、串口多、外設(shè)豐富、抗干擾能力強(qiáng)及較高性價(jià)比等優(yōu)點(diǎn)，滿足配電網(wǎng)通信規(guī)約轉(zhuǎn)換器要求。
RCM6710模塊擁有一個(gè)USB接口、一個(gè)以太網(wǎng)口及6個(gè)高速UART接口。主要硬件資源及外設(shè)如圖2所示。6個(gè)高速UART接口的設(shè)計(jì)分別為：串口A通過(guò)SP3232芯片提供RS-232通信接口，作為調(diào)試及程序下載口；串口B和D不作開(kāi)發(fā)；串口C接ZigBee模塊，實(shí)現(xiàn)與智能斷路器通信；串口E與中興ME3000GPRS模塊模塊連接，實(shí)現(xiàn)與主站間的數(shù)據(jù)交換；串口F通過(guò)RSM3485CT芯片提供隔離RS-485通信接口，作為預(yù)留。預(yù)留接口是考慮到系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)的通用性及可擴(kuò)展性，調(diào)試成功后可用于其它項(xiàng)目。該模塊外設(shè)的串口狀態(tài)指示燈顯示各串口是否處于工作狀態(tài)，板載實(shí)時(shí)時(shí)鐘確保上傳數(shù)據(jù)附帶精確時(shí)間。
圖2 通信管理機(jī)硬件框圖
3.1.2 存儲(chǔ)系統(tǒng)
存儲(chǔ)系統(tǒng)包括芯片內(nèi)置存儲(chǔ)器SRAM和板載存儲(chǔ)器。內(nèi)置的SRAM空間1 MB，用于程序運(yùn)行；模塊板載1 MB Serial Flash和4 MB Serial Flash，分別作為程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器存儲(chǔ)的內(nèi)容包括：通信管理機(jī)地址、IP和主動(dòng)上傳時(shí)間間隔及智能斷路器的歷史數(shù)據(jù)、實(shí)時(shí)上傳數(shù)據(jù)、運(yùn)行狀態(tài)和設(shè)置參數(shù)等。所存儲(chǔ)的設(shè)置參數(shù)控制著通信管理機(jī)的運(yùn)行，通信管理機(jī)啟動(dòng)時(shí)，將設(shè)置參數(shù)加載到RAM中進(jìn)行參數(shù)配置，一旦主站對(duì)參數(shù)進(jìn)行更改，參數(shù)區(qū)數(shù)據(jù)立即進(jìn)行更新并保存其最新?tīng)顟B(tài)到Flash中。主站查詢智能斷路器的數(shù)據(jù)、設(shè)置參數(shù)及運(yùn)行狀態(tài)只需訪問(wèn)通信管理機(jī)的存儲(chǔ)系統(tǒng)，無(wú)需再下發(fā)智能斷路器。
3.2 接口部分
接口電路包括主要包括GPRS模塊模塊、RS-485通信電路和ZigBee模塊等。
這里主要介紹GPRS模塊模塊。
通信管理機(jī)GPRS模塊模塊選用中興ME3000模塊，該模塊擁有高速UART接口、Audio接口、SIM卡接口、天線接口和RTC接口。與RCM6710的接口電路如圖3所示。RCM6710串口E與該模塊高速UART連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交換，RCM6710的GPRS模塊_RST和GPRS模塊_IGT分別實(shí)現(xiàn)中興ME3000模塊的復(fù)位和上下電，其中GPRS模塊_IGT引腳低電平持續(xù)時(shí)間超過(guò)1 500 ms時(shí)模塊開(kāi)啟，低電平持續(xù)時(shí)間超過(guò)2 s時(shí)模塊關(guān)閉。該模塊與RCM6710采用雙線模式通信，故使中興ME3000模塊的UART控制引腳/RTS和/DTR處于低電平。
中興ME3000模塊可通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)AT命令進(jìn)行控制和數(shù)據(jù)傳送，支持內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，用戶可以直接進(jìn)行透明的數(shù)據(jù)傳輸，不用再考慮復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。
圖3 中興ME3000模塊硬件原理圖
4 程序設(shè)計(jì)
通信管理機(jī)實(shí)現(xiàn)的功能包括ZigBee數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、規(guī)約轉(zhuǎn)換、參數(shù)設(shè)置和數(shù)據(jù)傳輸?shù)龋虼瞬捎媚芴幚矶嗳蝿?wù)的μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)。設(shè)計(jì)時(shí)，按照功能劃分任務(wù)，并根據(jù)任務(wù)的實(shí)時(shí)性要求確定任務(wù)優(yōu)先級(jí)，還要按照每個(gè)任務(wù)所處理的數(shù)據(jù)量的大小，給每個(gè)任務(wù)分配大小合適的堆棧。
按功能將任務(wù)劃分為定時(shí)管理、GPRS模塊通信、數(shù)據(jù)解析和ZigBee通信任務(wù)。任務(wù)創(chuàng)建程序如下：OSInit()；OSTaskCreate(TimeDeal，(void*)0，2048，10)；OSTaskCreate(GPRS模塊，(void*)0，2048，11)；OSTaskCreate(DataCom，(void*)0，4096，15)；OSTaskCreate(ZBDeal，(void*)0，4096，20)；OSStart()；定時(shí)管理任務(wù)是最需保證準(zhǔn)時(shí)運(yùn)行的任務(wù)，所以優(yōu)先級(jí)最高。其次為GPRS模塊通信任務(wù)、數(shù)據(jù)解析任務(wù)，最后為ZigBee通信任務(wù)。當(dāng)多個(gè)任務(wù)同時(shí)要執(zhí)行時(shí)，優(yōu)先級(jí)高的先運(yùn)行。
各任務(wù)分別編寫(xiě)，不僅能夠提高開(kāi)發(fā)效率，更有助于日后的升級(jí)維護(hù)。任務(wù)操作對(duì)象為緩沖區(qū)及全局變量，程序在RAM中開(kāi)辟了8個(gè)GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)和1個(gè)GPRS模塊接收緩沖區(qū)，數(shù)據(jù)順序?yàn)?span lang="EN-US">FIFO(First InFirst Out)結(jié)構(gòu)，采用環(huán)形隊(duì)列實(shí)現(xiàn)。數(shù)據(jù)發(fā)送時(shí)必須先申請(qǐng)一個(gè)空閑的緩沖區(qū)，故要對(duì)緩沖區(qū)進(jìn)行忙校驗(yàn)，申請(qǐng)緩沖區(qū)時(shí)也需要對(duì)緩沖區(qū)的大小進(jìn)行合理設(shè)定。
任務(wù)創(chuàng)建后，根據(jù)各任務(wù)要求執(zhí)行的頻率，在每個(gè)任務(wù)建立的循環(huán)中寫(xiě)入延遲執(zhí)行命令：OSTimeDlyHMSM(h，m，s，ms)。各任務(wù)間的關(guān)系如圖4所示。
圖4 通信管理機(jī)任務(wù)
定時(shí)管理任務(wù)主要負(fù)責(zé)計(jì)時(shí)和延遲，包括GPRS模塊重發(fā)延遲、GPRS模塊發(fā)送延遲和心跳包發(fā)送延遲功能，主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)和心跳包上傳時(shí)間間隔分別默認(rèn)為5 min和2 min。下面主要介紹數(shù)據(jù)解析任務(wù)、ZigBee通信任務(wù)和GPRS模塊通信任務(wù)。
4.1 數(shù)據(jù)解析任務(wù)
數(shù)據(jù)解析任務(wù)主要負(fù)責(zé)與主站服務(wù)器間的數(shù)據(jù)交換，操作的對(duì)象為全局變量、GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)和GPRS模塊接收緩沖區(qū)，物理層按照GPRS模塊協(xié)議進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，協(xié)議層根據(jù)主站規(guī)約進(jìn)行解析和打包。如圖4所示。
數(shù)據(jù)解析任務(wù)首先對(duì)GPRS模塊接收緩沖區(qū)數(shù)據(jù)根據(jù)主站規(guī)約進(jìn)行解析，可分為應(yīng)答、上行和下行三類處理。應(yīng)答幀主要為主站對(duì)通信管理機(jī)主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)、心跳包和告警事件回復(fù)的確認(rèn)幀。上行部分主要為查詢數(shù)據(jù)，含通信管理機(jī)的地址、時(shí)間、定時(shí)上傳時(shí)間間隔、低壓線路的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)以及智能斷路器參數(shù)、開(kāi)關(guān)狀態(tài)和控制方式。將上行的回復(fù)數(shù)據(jù)按主站規(guī)約處理形成回復(fù)報(bào)文存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。下行部分主要為智能斷路器的參數(shù)設(shè)置、手自動(dòng)設(shè)置及分合閘命令，更改對(duì)應(yīng)的變更標(biāo)志，即全局變量，按規(guī)約形成回復(fù)確認(rèn)幀存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。
接著處理通信管理機(jī)主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)和心跳包，主動(dòng)上傳數(shù)據(jù)包括三相智能斷路器的三相相電流和三相漏電流以及單相智能斷路器的相電壓和單相漏電流，上傳數(shù)據(jù)根據(jù)主站規(guī)約打包，定時(shí)存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。
4.2 ZigBee通信任務(wù)
ZigBee通信任務(wù)負(fù)責(zé)與智能斷路器的數(shù)據(jù)交換。通信協(xié)議為智能斷路器廠家提供的通信協(xié)議，ZigBee通信任務(wù)的操作對(duì)象為全局變量、ZigBee模塊數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)和ZigBee模塊數(shù)據(jù)發(fā)送緩沖區(qū)，如圖4所示。
ZigBee通信任務(wù)分為下發(fā)數(shù)據(jù)和接收數(shù)據(jù)兩部分。下發(fā)數(shù)據(jù)又分為兩類：第一類為每10 s主動(dòng)下發(fā)一次的ZigBee數(shù)據(jù)采集任務(wù)；第二類為變更任務(wù)，智能斷路器無(wú)手動(dòng)模式參數(shù)設(shè)置，手動(dòng)模式數(shù)據(jù)越限不上傳告警事件，故在ZigBee通信任務(wù)設(shè)計(jì)手動(dòng)模式下的參數(shù)設(shè)置，若為手動(dòng)模式的參數(shù)設(shè)置變更標(biāo)志，則立即保存新的越限告警參數(shù)并上傳手動(dòng)模式參數(shù)設(shè)置成功告警事件，若為其它變更標(biāo)志則將變更數(shù)據(jù)按終端規(guī)約打包存入ZigBee發(fā)送緩沖區(qū)，若通信管理機(jī)重發(fā)三次變更命令幀至智能斷路器未收到確認(rèn)幀，則立即上傳變更失敗告警事件。該部分變更內(nèi)容包括自動(dòng)跳閘動(dòng)作值設(shè)置、手自動(dòng)設(shè)置和分合閘。接收數(shù)據(jù)處理流程：從ZigBee數(shù)據(jù)接收緩沖區(qū)接收一有效幀，根據(jù)終端規(guī)約解析，分為采集數(shù)據(jù)應(yīng)答幀和變更設(shè)置應(yīng)答幀。采集數(shù)據(jù)應(yīng)答幀中數(shù)據(jù)位的最后一位為自動(dòng)跳閘原因，首先對(duì)該位進(jìn)行判斷，若有跳閘則將帶自動(dòng)跳閘原因告警事件存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)，并把采集的其它數(shù)據(jù)位進(jìn)行存儲(chǔ)。變更設(shè)置應(yīng)答幀代表參數(shù)設(shè)置成功，將相應(yīng)的變更設(shè)置重發(fā)次數(shù)清零，并把相應(yīng)的設(shè)置成功告警幀存入GPRS模塊發(fā)送緩沖區(qū)。由于智能斷路器無(wú)運(yùn)行狀態(tài)查詢功能，ZigBee通信任務(wù)對(duì)設(shè)置成功告警事件進(jìn)行存儲(chǔ)，主站可以通過(guò)訪問(wèn)通信管理機(jī)的存儲(chǔ)區(qū)數(shù)據(jù)以得到智能斷路器的運(yùn)行狀態(tài)及參數(shù)。
4.3 GPRS通信任務(wù)
GPRS模塊通信任務(wù)主要為GPRS模塊的登陸和退出連接。首先判斷是否因?yàn)橥ㄐ殴芾頇C(jī)地址或主站服務(wù)器地址及端口更改而需要重連網(wǎng)絡(luò)。如果需要重連網(wǎng)絡(luò)，必須向主站發(fā)送退出登錄包后關(guān)斷連接，同時(shí)清除發(fā)送和接收緩沖區(qū)，清除GPRS模塊登錄過(guò)程中的錯(cuò)誤記錄。重連后便可進(jìn)行GPRS模塊數(shù)據(jù)的接收和發(fā)送。
各狀態(tài)變更的流程圖如圖5所示。在GPRS模塊通信中，將通信管理機(jī)與主站之間的連接分為四種狀態(tài)：GPRS模塊_OFF(代表模塊沒(méi)有正常工作)、GPRS模塊_WORK(代表AT指令正常)、GPRS模塊_GW(代表GPRS模塊網(wǎng)關(guān)連接正常)、GPRS模塊_SOCK(代表SOCK鏈接正常)。每一次執(zhí)行GPRS模塊通信任務(wù)時(shí)都會(huì)進(jìn)行連接狀態(tài)的判斷，當(dāng)連接狀態(tài)為GPRS模塊_SOCK才可以正常收發(fā)數(shù)據(jù)。
圖5 GPRS通信狀態(tài)流程
5 結(jié)語(yǔ)
本文提出一種可實(shí)現(xiàn)低壓電網(wǎng)負(fù)荷及漏電流綜合管理的ZigBee模塊通信管理機(jī)設(shè)計(jì)方案，該通信管理機(jī)可與主站及多臺(tái)帶通信功能的智能斷路器組建成漏電監(jiān)控系統(tǒng)，實(shí)時(shí)監(jiān)控多條低壓線路，保障低壓電網(wǎng)更加安全、可靠的運(yùn)行。通信管理機(jī)系統(tǒng)程序設(shè)計(jì)采用多任務(wù)的設(shè)計(jì)思路，提高開(kāi)發(fā)效率，也有助于日后的升級(jí)維護(hù)。本文所設(shè)計(jì)的ZigBee模塊通信管理機(jī)在現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)過(guò)數(shù)月的運(yùn)行，通信穩(wěn)定，數(shù)據(jù)及命令轉(zhuǎn)發(fā)準(zhǔn)確，具有很高的可靠性。
1 引言
ZigBee無(wú)線模塊出租車調(diào)度系統(tǒng)一定程度上解決了“人找車，車找人”的現(xiàn)象，降低了城市出租車空載率。目前的出租車調(diào)度系統(tǒng)主要有：電話調(diào)度、GPS調(diào)度、站牌調(diào)度等。出租車電話調(diào)度具有可隨時(shí)隨地叫車的優(yōu)點(diǎn)，但需乘客撥打出租車調(diào)度中心電話與話務(wù)員座席溝通確認(rèn)乘客位置，方能人工調(diào)度附近的出租車前往搭載乘客，交互過(guò)程長(zhǎng)、調(diào)度效率低，不適于快節(jié)奏的打車需求。GPS調(diào)度是根據(jù)乘客實(shí)時(shí)的GPS位置信息進(jìn)行調(diào)度的出租車調(diào)度系統(tǒng)，乘客可以通過(guò)短信和手機(jī)軟件發(fā)送GPS位置信息至調(diào)度中心，調(diào)度中心采用Dijkstra算法，自動(dòng)調(diào)度附近的出租車搭載乘客。該方法采取自動(dòng)調(diào)度，節(jié)省了人工座席服務(wù)的支出。但是，由于乘客位置是GPS信息，需要出租車安裝有電子導(dǎo)航儀。電子導(dǎo)航儀價(jià)格貴，有升級(jí)費(fèi)用，出租車司機(jī)消費(fèi)高，難以普及。站牌調(diào)度系統(tǒng)通過(guò)站牌和出租車車載應(yīng)答子系統(tǒng)進(jìn)行無(wú)線通信，實(shí)現(xiàn)城市出租車預(yù)約功能。該系統(tǒng)中乘客和出租車司機(jī)直接交互，無(wú)需調(diào)度中心等第三方平臺(tái)。站牌即乘客位置，各站牌采用統(tǒng)一編碼，通過(guò)編碼信息即可得知乘客所在精確位置，無(wú)需GPS定位系統(tǒng)，乘客定位簡(jiǎn)單準(zhǔn)確。站牌調(diào)度雖然具有不依賴調(diào)度中心和GPS定位系統(tǒng)、交互直接、調(diào)度快和設(shè)備費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，但目前的站牌調(diào)度系統(tǒng)還存在以下不足：
(1)司機(jī)沒(méi)有乘客信息，僅乘客知道出租車車牌號(hào)，而且乘客沒(méi)有具體憑證，多位乘客叫車時(shí)，司機(jī)不能辨別乘客，容易出現(xiàn)乘客搶車插隊(duì)現(xiàn)象；
(2)根據(jù)出租車司機(jī)響應(yīng)結(jié)果來(lái)決定出租車調(diào)度對(duì)象，沒(méi)有考慮出租車具體路程，不能確保是最優(yōu)的調(diào)度結(jié)果；
(3)缺乏乘客和出租車司機(jī)雙方的誠(chéng)信約束措施，爽約現(xiàn)象頻發(fā)，造成司乘雙方支持信心不足，對(duì)推廣實(shí)施不利。
為解決上述不足，本文在傳統(tǒng)的站牌調(diào)度系統(tǒng)上進(jìn)行較大改進(jìn)，提出基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee無(wú)線模塊的感知、傳輸、應(yīng)用三層架構(gòu)的出租車調(diào)度系統(tǒng)方案。方案采用乘客刷卡預(yù)約出租車的方式，用以解決乘客插隊(duì)和誠(chéng)信問(wèn)題；通過(guò)增加信號(hào)中繼節(jié)點(diǎn)，擴(kuò)大出租車調(diào)度范圍；并采用JN5139作為核心處理模塊進(jìn)行系統(tǒng)設(shè)計(jì)，用Jennie ZigBee協(xié)議組建ZigBee無(wú)線數(shù)傳樹(shù)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)，對(duì)信息進(jìn)行ZigBee數(shù)傳采集，結(jié)合Cskip地址分配算法和AODVjr路由算法，選擇最佳出租車調(diào)度對(duì)象，實(shí)現(xiàn)乘客“自助式”、可靠、快速的出租車調(diào)度。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
本系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)感知、傳輸、應(yīng)用三層體系架構(gòu)，三層功能分布在系統(tǒng)的站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)、車載應(yīng)答子系統(tǒng)、ZigBee數(shù)傳模塊中繼節(jié)點(diǎn)和調(diào)度管理中心四部分實(shí)體中實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)在原站牌調(diào)度系統(tǒng)基礎(chǔ)上，增加架構(gòu)了感知層RFID讀寫(xiě)器、ZigBee數(shù)傳模塊中繼節(jié)點(diǎn)、傳輸層GPRS(General Packet RadioService)網(wǎng)關(guān)模塊和應(yīng)用層調(diào)度管理中心等。
站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)安裝在經(jīng)常出現(xiàn)打車行為的道路邊(如大型商場(chǎng)、小區(qū)、學(xué)區(qū)、寫(xiě)字樓等)，乘客通過(guò)RFID刷卡預(yù)約車，采用ZigBee無(wú)線模塊通信方式發(fā)布乘客打車信息、接收出租車司機(jī)應(yīng)答信息，并用GPRS上傳調(diào)度結(jié)果信息。車載應(yīng)答子系統(tǒng)安裝在出租車內(nèi)，用于接收乘客打車信息、發(fā)送司機(jī)應(yīng)答信息和乘客上車刷卡核對(duì)卡號(hào)。ZigBee數(shù)傳模塊中繼節(jié)點(diǎn)安裝在信號(hào)較弱處，用于轉(zhuǎn)發(fā)ZigBee無(wú)線信號(hào)，擴(kuò)大調(diào)度范圍。調(diào)度管理中心負(fù)責(zé)接收、保持和查詢GPRS上傳的調(diào)度結(jié)果信息和司乘雙方守約爽約信息等，建立乘客預(yù)扣定金、出租車爽約扣罰金和扣罰金補(bǔ)償給守約方的雙重機(jī)制，促使雙方遵守誠(chéng)信。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)
該系統(tǒng)主要通過(guò)感知層實(shí)現(xiàn)分布在城市內(nèi)的多站牌點(diǎn)附近的出租車信息進(jìn)行ZigBee數(shù)據(jù)采集調(diào)度功能。該層以分布在城市內(nèi)的站牌預(yù)約點(diǎn)為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，信號(hào)中繼裝置為路由器節(jié)點(diǎn)，構(gòu)成不斷將行駛進(jìn)入站牌限定范圍內(nèi)的出租車車載應(yīng)答子系統(tǒng)加入為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)的多個(gè)動(dòng)態(tài)ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)。站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)主要包括ZigBee無(wú)線模塊、RFID讀寫(xiě)器模塊、GPRS網(wǎng)關(guān)模塊、顯示模塊和電源模塊，站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)框圖如圖2所示。
圖2 站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)框圖
站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)ZigBee無(wú)線模塊負(fù)責(zé)搭建ZigBee網(wǎng)絡(luò)，控制RFID讀寫(xiě)器模塊工作，無(wú)線傳輸乘客打車信息、將違約／調(diào)度結(jié)果信息通過(guò)串口發(fā)送給GPRS網(wǎng)關(guān)模塊；RFID讀寫(xiě)器模塊供乘客刷卡發(fā)送打車信息和預(yù)約成功后預(yù)扣定金；GPRS網(wǎng)關(guān)模塊發(fā)送調(diào)度結(jié)果和爽約信息至調(diào)度管理中心；顯示模塊顯示乘客預(yù)約打車結(jié)果。
ZigBee無(wú)線模塊采用JN5139 Z01 M02(以下簡(jiǎn)稱JN5139)，其具有使用免費(fèi)頻段、無(wú)線自組網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)，適用于出租車和乘客之問(wèn)通信。
RFID讀寫(xiě)器模塊采用Mifare RC522讀寫(xiě)卡芯片，它是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫(xiě)卡芯片。GPRS網(wǎng)關(guān)模塊采用SIMCOM公司的SIM300模塊，它具有GSM和GPRS功能。顯示器模塊采用VL TS COG BTl2864(以下簡(jiǎn)稱BTl2864)系列液晶顯示器。
站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)中，核心處理器是JN5139，其他各模塊都需要和JN5139進(jìn)行通信。JN5139、RC522、SIM300和BTl2864各通信接口如下：JN5139具有SPI串行接口(可選擇五個(gè)從屬SPI設(shè)備)和兩個(gè)UART；RC522有SPI、12C、UART三種接口，這三種接口的最高通信速率分別為10 Mbit／s、3400 Kbit／S和1 228．8 Kbit／S；SIM300與外部接口為UART；BTl2864有串行接口(SPI接口)和并行接口兩種。
系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)按照電路簡(jiǎn)單、較少使用JN5139的DIO接口和通信速率較快的要求，結(jié)合各模塊的通信接口標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)的通信接口電路如圖3所示。
圖3 JN5139與各模塊接口
圖3中，JN5139和BTl2864、RC522采用SPI串行接口通信，通信速率分別為2 Mbit／s、1 Mbit／s；JN5139和SIM300之問(wèn)采用UART通信，通信波特率為19200 baud／s。
站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)中JN5139、RC522、BTl2864都可采用3．3 V供電。而SIM300需要4 V供電，而且要求能夠提供最大2A的瞬時(shí)電流，取市電(220V交流電)輸入變壓器后得12 V電壓，采用可以調(diào)節(jié)輸出電壓的穩(wěn)壓芯片LM2756。LM2756輸出電壓Vo=1．23×(1+Rl／R2)。其中R1取4．7kQ，R2取2kQ，經(jīng)整流濾波后輸出4．12V電壓，符合SIM300的工作要求。將此4．12 V電壓輸入穩(wěn)壓芯片LP2985，輸出端接電容濾波，得到較為穩(wěn)定的3．3 V電壓，給其它模塊供電。本文硬件設(shè)計(jì)部分主要介紹站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)的硬件電路設(shè)計(jì)，車載應(yīng)答子系統(tǒng)各模塊與站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)各模塊大體相同，將站牌預(yù)約子系統(tǒng)的GPRS網(wǎng)關(guān)模塊(SIM300)換成語(yǔ)音識(shí)別模塊即為車載應(yīng)答子系統(tǒng)。ZigBee數(shù)傳模塊中繼節(jié)點(diǎn)即JN5139模塊加上電源模塊。
4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)
乘客需在站牌預(yù)約點(diǎn)刷卡，站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)通過(guò)動(dòng)態(tài)ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)組播一則打車消息。若有多位出租車司機(jī)回復(fù)，選擇路由最短的作為調(diào)度對(duì)象。站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)調(diào)度流程如圖4所示。
圖4 站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)流程
JN5139通過(guò)配置RC522寄存器控制讀寫(xiě)器進(jìn)行相應(yīng)工作，需要注意的是在使用SPI總線讀取RC522的FIFO Buffer時(shí)，寫(xiě)第一次地址讀出來(lái)的是無(wú)效值，寫(xiě)第二次地址返回第一次的數(shù)據(jù)，寫(xiě)第三次地址返回第二次的數(shù)據(jù)，以此類推構(gòu)建出租車調(diào)度系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)ZigBee自組網(wǎng)，需對(duì)網(wǎng)絡(luò)內(nèi)協(xié)調(diào)器、路由、終端節(jié)點(diǎn)進(jìn)行配置，特別是要不斷動(dòng)態(tài)地發(fā)現(xiàn)和將行駛進(jìn)入站牌點(diǎn)限定范圍內(nèi)的出租車車載單元加入成為網(wǎng)絡(luò)終端節(jié)點(diǎn)。
本系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)默認(rèn)的信道可能在一些場(chǎng)合中已被其他系統(tǒng)使用，故各站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)可能使用不同信道，終端節(jié)點(diǎn)要加入不同信道的ZigBee無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)，需要進(jìn)行配置，如設(shè)置網(wǎng)絡(luò)信道為0，則可實(shí)現(xiàn)終端設(shè)備自動(dòng)搜索所在區(qū)域的ZigBee無(wú)線數(shù)傳網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)信道和個(gè)域網(wǎng)ID都匹配時(shí)，加入該網(wǎng)絡(luò)。當(dāng)ZigBee協(xié)議棧一段時(shí)間沒(méi)有收到網(wǎng)絡(luò)應(yīng)答信息時(shí)，判斷為離開(kāi)網(wǎng)絡(luò)，需要重新設(shè)置，并重新尋找網(wǎng)絡(luò)。系統(tǒng)無(wú)線通信采用Jennic公司的硬件及協(xié)議棧，調(diào)度中心采用C++Build的Socket套接字編程，在Socket服務(wù)器組件中添加OnClientRead事件處理函數(shù)，接收、處理GPRS上傳的數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在sQLserver數(shù)據(jù)庫(kù)中。調(diào)度中心、各出租車公司可對(duì)出租車司機(jī)的基本信息、調(diào)度結(jié)果和爽約情況進(jìn)行查詢。
5 最佳調(diào)度對(duì)象選擇
本系統(tǒng)采用AODVjr路由，AODVjr對(duì)AODV算法進(jìn)行了簡(jiǎn)化和改進(jìn)，這種按需路由協(xié)議在移動(dòng)性高、負(fù)載低的場(chǎng)合性能較高。AODVjr路由中，當(dāng)源節(jié)點(diǎn)需要向目的節(jié)點(diǎn)發(fā)送數(shù)據(jù)而不知道路徑時(shí)，則將RREQ分組組播至其鄰居節(jié)點(diǎn)。
若收到該分組的鄰居節(jié)點(diǎn)是帶路由功能的節(jié)點(diǎn)，則該鄰居節(jié)點(diǎn)先建立反向路由，該反向路由指向源節(jié)點(diǎn)，然后繼續(xù)組播該RREQ分組至其自己的鄰居節(jié)點(diǎn)。不具備路由功能的鄰居節(jié)點(diǎn)，則通過(guò)上述的地址分配算法將該RREQ分組發(fā)送至其子節(jié)點(diǎn)或父節(jié)點(diǎn)，由其子節(jié)點(diǎn)或父節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)該分組。而目標(biāo)節(jié)點(diǎn)在收到RREQ分組后，向源節(jié)點(diǎn)單播回復(fù)RREQ分組，并將接收到此RREQ分組的所有節(jié)點(diǎn)保存在鄰居表中，從而建立到源節(jié)點(diǎn)的路由。
在有多個(gè)司機(jī)回復(fù)乘客預(yù)約車信息時(shí)，系統(tǒng)需要進(jìn)行最佳調(diào)度對(duì)象的選擇，因布點(diǎn)時(shí)相鄰中繼節(jié)點(diǎn)距離基本相同，路由跳數(shù)基本上能反映出租車距站牌預(yù)約點(diǎn)的距離，可通過(guò)路由跳數(shù)大小確定較佳的調(diào)度對(duì)象。但是，當(dāng)?shù)缆分写嬖谧o(hù)欄或者綠化帶時(shí)，站牌預(yù)約點(diǎn)另一側(cè)的出租車即使路由跳數(shù)少，也因出租車不能直接轉(zhuǎn)向到達(dá)站牌預(yù)約點(diǎn)，而不能作為調(diào)度對(duì)象。所以，本系統(tǒng)在站牌預(yù)約點(diǎn)另一側(cè)添加一個(gè)節(jié)點(diǎn)(如圖5中的F節(jié)點(diǎn)，相應(yīng)增加中繼節(jié)點(diǎn)后，也可以將F節(jié)點(diǎn)做成站牌預(yù)約點(diǎn)，供另一側(cè)的乘客預(yù)約車)，以區(qū)分站牌預(yù)約點(diǎn)另一側(cè)的出租車，并采用Cskip算法和最短路由相結(jié)合確定系統(tǒng)的最佳調(diào)度對(duì)象。為父節(jié)點(diǎn)所能擁有的最大路由節(jié)點(diǎn)數(shù)上述算法分配的地址為車載應(yīng)答子系統(tǒng)加入網(wǎng)絡(luò)時(shí)的地址，JN5139采用的協(xié)議棧中，除了路由表之外還有一個(gè)鄰居節(jié)點(diǎn)表，它保存了可以直接通信的節(jié)點(diǎn)的地址。在實(shí)際生活中，乘客可能會(huì)在站牌預(yù)約點(diǎn)下車，這時(shí)出租車空載，從而加入網(wǎng)絡(luò)。
此時(shí)它處在站牌預(yù)約點(diǎn)的鄰居表中而不是路由表中，所以在比較路由時(shí)，需要同時(shí)讀取路由表和鄰居表中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行比較
6 測(cè)試結(jié)果
實(shí)驗(yàn)測(cè)試環(huán)境為齊齊哈爾市文化大街，道路寬8 m，路旁有10 m高的楊樹(shù)。測(cè)試設(shè)備采用連接5db天線的JN5139 Z01 M02模塊，經(jīng)測(cè)試信號(hào)傳輸距離在500 m左右，本系統(tǒng)測(cè)試時(shí)最大調(diào)度范圍為1500m。測(cè)試網(wǎng)絡(luò)布點(diǎn)如圖5所示。
圖5 網(wǎng)絡(luò)布點(diǎn)
節(jié)點(diǎn)A、B、C、D、E、F為信號(hào)中繼裝置，除節(jié)點(diǎn)C、D外，其他相鄰節(jié)點(diǎn)問(wèn)的距離為500m。測(cè)試中，車牌號(hào)為黑BTl347和黑BTl947的兩輛出租車都向站牌預(yù)約點(diǎn)行駛。乘客在站牌預(yù)約點(diǎn)刷卡預(yù)約出租車，兩輛出租車均同意乘客打車，其中，黑BTl347出租車消息路由為B-D-C-O，黑BTl947的消息路由為E-D-C-O，二者路由跳數(shù)相同，二者距站牌預(yù)約點(diǎn)的距離也基本相同(布點(diǎn)時(shí)相鄰中繼節(jié)點(diǎn)問(wèn)距離基本相同)。但是，根據(jù)我國(guó)行駛規(guī)則，黑BTl947出租車不需等待交通燈，能最快趕到站牌預(yù)約點(diǎn)，故選擇結(jié)果最合理的調(diào)度對(duì)象為車牌號(hào)為黑BTl947的空載出租車。
圖6 Cskip算法網(wǎng)絡(luò)地址分配圖
結(jié)合圖6知，黑BTl947出租車通過(guò)E節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)，其網(wǎng)絡(luò)短地址在22～24之問(wèn)；同理，黑BTl347的網(wǎng)絡(luò)短地址在28～30之問(wèn)，所以，根據(jù)出租車短地址即可以進(jìn)行相同路由跳數(shù)下的最佳調(diào)度對(duì)象選擇。站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果如圖7所示。
圖7 系統(tǒng)調(diào)度結(jié)果
測(cè)試實(shí)例中，乘客共發(fā)出11次打車請(qǐng)求，其中有一次為司機(jī)響應(yīng)后沒(méi)有前往站牌預(yù)約點(diǎn)接乘客，屬于出租車司機(jī)爽約，調(diào)度管理中心據(jù)此對(duì)出租車司機(jī)扣除相應(yīng)違約金，以維護(hù)乘客和出租車司機(jī)雙方的誠(chéng)信約束制度。站牌預(yù)約的進(jìn)程信息通過(guò)GPRS傳輸至調(diào)度管理中心。調(diào)度管理中心可查詢乘客和出租車司機(jī)爽約信息、各站牌預(yù)約點(diǎn)打車信息和司機(jī)詳細(xì)信息等。實(shí)例中調(diào)度管理中心對(duì)司機(jī)李強(qiáng)的詳細(xì)信息查詢結(jié)果如圖8所示。
圖8 司機(jī)詳細(xì)信息查詢
7 結(jié)束語(yǔ)
本文提出了一種基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee模塊的出租車調(diào)度系統(tǒng)，系統(tǒng)基于物聯(lián)網(wǎng)ZigBee數(shù)傳模塊技術(shù)，融合RFID、ZigBee數(shù)傳采集、GPRS等感知層、傳輸層技術(shù)，實(shí)現(xiàn)乘客在站牌預(yù)約點(diǎn)刷卡叫車，系統(tǒng)感知層構(gòu)建的ZigBee自組網(wǎng)絡(luò)可合理調(diào)度網(wǎng)內(nèi)空載出租車為乘客提供乘車服務(wù)。系統(tǒng)傳輸層、應(yīng)用層的構(gòu)建，實(shí)現(xiàn)調(diào)度管理中心通過(guò)記錄、保存調(diào)度信息、暫扣乘客卡內(nèi)預(yù)約定金和監(jiān)督出租車司機(jī)守約功能，有效防止出租車司機(jī)或乘客爽約，建立出租車司機(jī)和乘客之間的誠(chéng)信。各出租車公司也可查詢本公司員工調(diào)度紀(jì)錄確保系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。系統(tǒng)還可以進(jìn)行升級(jí)與擴(kuò)展，如在應(yīng)用層增加物聯(lián)網(wǎng)預(yù)約車平臺(tái)和手機(jī)平臺(tái)后，乘客預(yù)約出租車信息通過(guò)GPRS網(wǎng)關(guān)即可傳至相應(yīng)站牌預(yù)約點(diǎn)子系統(tǒng)，乘客可通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)與3G／4G技術(shù)預(yù)約出租車。本系統(tǒng)為乘客提供一種打車新方式，具有一定的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。