1 引言
ZigBee無線模塊出租車調度系統一定程度上解決了“人找車，車找人”的現象，降低了城市出租車空載率。目前的出租車調度系統主要有：電話調度、GPS調度、站牌調度等。出租車電話調度具有可隨時隨地叫車的優點，但需乘客撥打出租車調度中心電話與話務員座席溝通確認乘客位置，方能人工調度附近的出租車前往搭載乘客，交互過程長、調度效率低，不適于快節奏的打車需求。GPS調度是根據乘客實時的GPS位置信息進行調度的出租車調度系統，乘客可以通過短信和手機軟件發送GPS位置信息至調度中心，調度中心采用Dijkstra算法，自動調度附近的出租車搭載乘客。該方法采取自動調度，節省了人工座席服務的支出。但是，由于乘客位置是GPS信息，需要出租車安裝有電子導航儀。電子導航儀價格貴，有升級費用，出租車司機消費高，難以普及。站牌調度系統通過站牌和出租車車載應答子系統進行無線通信，實現城市出租車預約功能。該系統中乘客和出租車司機直接交互，無需調度中心等第三方平臺。站牌即乘客位置，各站牌采用統一編碼，通過編碼信息即可得知乘客所在精確位置，無需GPS定位系統，乘客定位簡單準確。站牌調度雖然具有不依賴調度中心和GPS定位系統、交互直接、調度快和設備費用低等優點，但目前的站牌調度系統還存在以下不足：
(1)司機沒有乘客信息，僅乘客知道出租車車牌號，而且乘客沒有具體憑證，多位乘客叫車時，司機不能辨別乘客，容易出現乘客搶車插隊現象；
(2)根據出租車司機響應結果來決定出租車調度對象，沒有考慮出租車具體路程，不能確保是最優的調度結果；
(3)缺乏乘客和出租車司機雙方的誠信約束措施，爽約現象頻發，造成司乘雙方支持信心不足，對推廣實施不利。
為解決上述不足，本文在傳統的站牌調度系統上進行較大改進，提出基于物聯網ZigBee無線模塊的感知、傳輸、應用三層架構的出租車調度系統方案。方案采用乘客刷卡預約出租車的方式，用以解決乘客插隊和誠信問題；通過增加信號中繼節點，擴大出租車調度范圍；并采用JN5139作為核心處理模塊進行系統設計，用Jennie ZigBee協議組建ZigBee無線數傳樹狀拓撲網絡，對信息進行ZigBee數傳采集，結合Cskip地址分配算法和AODVjr路由算法，選擇最佳出租車調度對象，實現乘客“自助式”、可靠、快速的出租車調度。
2 系統結構
本系統基于物聯網感知、傳輸、應用三層體系架構，三層功能分布在系統的站牌預約點子系統、車載應答子系統、ZigBee數傳模塊中繼節點和調度管理中心四部分實體中實現。系統在原站牌調度系統基礎上，增加架構了感知層RFID讀寫器、ZigBee數傳模塊中繼節點、傳輸層GPRS(General Packet RadioService)網關模塊和應用層調度管理中心等。
站牌預約點子系統安裝在經常出現打車行為的道路邊(如大型商場、小區、學區、寫字樓等)，乘客通過RFID刷卡預約車，采用ZigBee無線模塊通信方式發布乘客打車信息、接收出租車司機應答信息，并用GPRS上傳調度結果信息。車載應答子系統安裝在出租車內，用于接收乘客打車信息、發送司機應答信息和乘客上車刷卡核對卡號。ZigBee數傳模塊中繼節點安裝在信號較弱處，用于轉發ZigBee無線信號，擴大調度范圍。調度管理中心負責接收、保持和查詢GPRS上傳的調度結果信息和司乘雙方守約爽約信息等，建立乘客預扣定金、出租車爽約扣罰金和扣罰金補償給守約方的雙重機制，促使雙方遵守誠信。系統結構如圖1所示。
圖1 系統結構
3 系統硬件設計
該系統主要通過感知層實現分布在城市內的多站牌點附近的出租車信息進行ZigBee數據采集調度功能。該層以分布在城市內的站牌預約點為網絡協調器節點，信號中繼裝置為路由器節點，構成不斷將行駛進入站牌限定范圍內的出租車車載應答子系統加入為網絡終端節點的多個動態ZigBee自組網絡。站牌預約點子系統主要包括ZigBee無線模塊、RFID讀寫器模塊、GPRS網關模塊、顯示模塊和電源模塊，站牌預約點子系統框圖如圖2所示。
圖2 站牌預約點子系統框圖
站牌預約點子系統ZigBee無線模塊負責搭建ZigBee網絡，控制RFID讀寫器模塊工作，無線傳輸乘客打車信息、將違約／調度結果信息通過串口發送給GPRS網關模塊；RFID讀寫器模塊供乘客刷卡發送打車信息和預約成功后預扣定金；GPRS網關模塊發送調度結果和爽約信息至調度管理中心；顯示模塊顯示乘客預約打車結果。
ZigBee無線模塊采用JN5139 Z01 M02(以下簡稱JN5139)，其具有使用免費頻段、無線自組網等優點，適用于出租車和乘客之問通信。
RFID讀寫器模塊采用Mifare RC522讀寫卡芯片，它是一款低電壓、低成本、體積小的非接觸式讀寫卡芯片。GPRS網關模塊采用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(以下簡稱BTl2864)系列液晶顯示器。
站牌預約點子系統中，核心處理器是JN5139，其他各模塊都需要和JN5139進行通信。JN5139、RC522、SIM300和BTl2864各通信接口如下：JN5139具有SPI串行接口(可選擇五個從屬SPI設備)和兩個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。
系統電路設計按照電路簡單、較少使用JN5139的DIO接口和通信速率較快的要求，結合各模塊的通信接口標準，設計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之問采用UART通信，通信波特率為19200 baud／s。
站牌預約點子系統中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，采用可以調節輸出電壓的穩壓芯片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電壓輸入穩壓芯片LP2985，輸出端接電容濾波，得到較為穩定的3．3 V電壓，給其它模塊供電。本文硬件設計部分主要介紹站牌預約點子系統的硬件電路設計，車載應答子系統各模塊與站牌預約點子系統各模塊大體相同，將站牌預約子系統的GPRS網關模塊(SIM300)換成語音識別模塊即為車載應答子系統。ZigBee數傳模塊中繼節點即JN5139模塊加上電源模塊。
4 系統軟件設計
乘客需在站牌預約點刷卡，站牌預約點子系統通過動態ZigBee自組網絡組播一則打車消息。若有多位出租車司機回復，選擇路由最短的作為調度對象。站牌預約點子系統調度流程如圖4所示。
圖4 站牌預約點子系統流程
JN5139通過配置RC522寄存器控制讀寫器進行相應工作，需要注意的是在使用SPI總線讀取RC522的FIFO Buffer時，寫第一次地址讀出來的是無效值，寫第二次地址返回第一次的數據，寫第三次地址返回第二次的數據，以此類推構建出租車調度系統的動態ZigBee自組網，需對網絡內協調器、路由、終端節點進行配置，特別是要不斷動態地發現和將行駛進入站牌點限定范圍內的出租車車載單元加入成為網絡終端節點。
本系統網絡默認的信道可能在一些場合中已被其他系統使用，故各站牌預約點子系統可能使用不同信道，終端節點要加入不同信道的ZigBee無線數傳網絡，需要進行配置，如設置網絡信道為0，則可實現終端設備自動搜索所在區域的ZigBee無線數傳網絡。當信道和個域網ID都匹配時，加入該網絡。當ZigBee協議棧一段時間沒有收到網絡應答信息時，判斷為離開網絡，需要重新設置，并重新尋找網絡。系統無線通信采用Jennic公司的硬件及協議棧，調度中心采用C++Build的Socket套接字編程，在Socket服務器組件中添加OnClientRead事件處理函數，接收、處理GPRS上傳的數據，存儲在sQLserver數據庫中。調度中心、各出租車公司可對出租車司機的基本信息、調度結果和爽約情況進行查詢。
5 最佳調度對象選擇
本系統采用AODVjr路由，AODVjr對AODV算法進行了簡化和改進，這種按需路由協議在移動性高、負載低的場合性能較高。AODVjr路由中，當源節點需要向目的節點發送數據而不知道路徑時，則將RREQ分組組播至其鄰居節點。
若收到該分組的鄰居節點是帶路由功能的節點，則該鄰居節點先建立反向路由，該反向路由指向源節點，然后繼續組播該RREQ分組至其自己的鄰居節點。不具備路由功能的鄰居節點，則通過上述的地址分配算法將該RREQ分組發送至其子節點或父節點，由其子節點或父節點轉發該分組。而目標節點在收到RREQ分組后，向源節點單播回復RREQ分組，并將接收到此RREQ分組的所有節點保存在鄰居表中，從而建立到源節點的路由。
在有多個司機回復乘客預約車信息時，系統需要進行最佳調度對象的選擇，因布點時相鄰中繼節點距離基本相同，路由跳數基本上能反映出租車距站牌預約點的距離，可通過路由跳數大小確定較佳的調度對象。但是，當道路中存在護欄或者綠化帶時，站牌預約點另一側的出租車即使路由跳數少，也因出租車不能直接轉向到達站牌預約點，而不能作為調度對象。所以，本系統在站牌預約點另一側添加一個節點(如圖5中的F節點，相應增加中繼節點后，也可以將F節點做成站牌預約點，供另一側的乘客預約車)，以區分站牌預約點另一側的出租車，并采用Cskip算法和最短路由相結合確定系統的最佳調度對象。為父節點所能擁有的最大路由節點數上述算法分配的地址為車載應答子系統加入網絡時的地址，JN5139采用的協議棧中，除了路由表之外還有一個鄰居節點表，它保存了可以直接通信的節點的地址。在實際生活中，乘客可能會在站牌預約點下車，這時出租車空載，從而加入網絡。
此時它處在站牌預約點的鄰居表中而不是路由表中，所以在比較路由時，需要同時讀取路由表和鄰居表中的節點進行比較
6 測試結果
實驗測試環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。測試設備采用連接5db天線的JN5139 Z01 M02模塊，經測試信號傳輸距離在500 m左右，本系統測試時最大調度范圍為1500m。測試網絡布點如圖5所示。
圖5 網絡布點
節點A、B、C、D、E、F為信號中繼裝置，除節點C、D外，其他相鄰節點問的距離為500m。測試中，車牌號為黑BTl347和黑BTl947的兩輛出租車都向站牌預約點行駛。乘客在站牌預約點刷卡預約出租車，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，二者路由跳數相同，二者距站牌預約點的距離也基本相同(布點時相鄰中繼節點問距離基本相同)。但是，根據我國行駛規則，黑BTl947出租車不需等待交通燈，能最快趕到站牌預約點，故選擇結果最合理的調度對象為車牌號為黑BTl947的空載出租車。
圖6 Cskip算法網絡地址分配圖
結合圖6知，黑BTl947出租車通過E節點加入網絡，其網絡短地址在22～24之問；同理，黑BTl347的網絡短地址在28～30之問，所以，根據出租車短地址即可以進行相同路由跳數下的最佳調度對象選擇。站牌預約點子系統調度結果如圖7所示。
圖7 系統調度結果
測試實例中，乘客共發出11次打車請求，其中有一次為司機響應后沒有前往站牌預約點接乘客，屬于出租車司機爽約，調度管理中心據此對出租車司機扣除相應違約金，以維護乘客和出租車司機雙方的誠信約束制度。站牌預約的進程信息通過GPRS傳輸至調度管理中心。調度管理中心可查詢乘客和出租車司機爽約信息、各站牌預約點打車信息和司機詳細信息等。實例中調度管理中心對司機李強的詳細信息查詢結果如圖8所示。
圖8 司機詳細信息查詢
7 結束語
本文提出了一種基于物聯網ZigBee模塊的出租車調度系統，系統基于物聯網ZigBee數傳模塊技術，融合RFID、ZigBee數傳采集、GPRS等感知層、傳輸層技術，實現乘客在站牌預約點刷卡叫車，系統感知層構建的ZigBee自組網絡可合理調度網內空載出租車為乘客提供乘車服務。系統傳輸層、應用層的構建，實現調度管理中心通過記錄、保存調度信息、暫扣乘客卡內預約定金和監督出租車司機守約功能，有效防止出租車司機或乘客爽約，建立出租車司機和乘客之間的誠信。各出租車公司也可查詢本公司員工調度紀錄確保系統長期穩定運行。系統還可以進行升級與擴展，如在應用層增加物聯網預約車平臺和手機平臺后，乘客預約出租車信息通過GPRS網關即可傳至相應站牌預約點子系統，乘客可通過互聯網與3G／4G技術預約出租車。本系統為乘客提供一種打車新方式，具有一定的實際應用價值。