基于無線通信技術(shù)的智能公交系統(tǒng)設(shè)計(jì)

引言

公共交通具有個體交通無法比擬的強(qiáng)大優(yōu)勢，優(yōu)先發(fā)展城市公共交通系統(tǒng)是解決大、中城市交通問題的最佳途徑。近年來， 城市公交系統(tǒng)的智能化已成為公共交通研究領(lǐng)域的主要方向。國內(nèi)現(xiàn)有試運(yùn)行的智能公交系統(tǒng)大部分都采用GPS全球定位系統(tǒng)進(jìn)行定位， 同時采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。車載GPS模塊可以實(shí)時獲取位置、方向、時間等導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)， 然后通過車載GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控中心， 從而實(shí)現(xiàn)車輛的定位和監(jiān)控。監(jiān)控中心則可將車輛的實(shí)時信息或公告信息通過電子站牌的GPRS模塊發(fā)送給電子站牌，以估算到站時間和距離， 然后顯示在電子站牌上。盡管現(xiàn)有試運(yùn)行的智能公交系統(tǒng)定位覆蓋面廣、精度高， 可以實(shí)現(xiàn)車輛的全范圍定位和監(jiān)控。但在實(shí)際運(yùn)行過程中， 仍然存在以下不足：

GPS信號在隧道和高架橋等環(huán)境下會存在盲點(diǎn);

運(yùn)行中需將GPS信息通過GPRS發(fā)到監(jiān)控中心， 再由監(jiān)控中心通過GPRS發(fā)送顯示信息給電子站牌， 因此運(yùn)營費(fèi)用較高;

GPRS模塊價格昂貴， 公交車數(shù)量眾多且都必須安裝GPRS模塊， 硬件成本高;

不能實(shí)現(xiàn)公交車與站牌的通信， 也不能實(shí)現(xiàn)提前報站等服務(wù)。

1 系統(tǒng)總體方案

由于西安城市面積較小， 道路集中， 公交線路密集， 電子站牌間距大多在500米左右， 因此，監(jiān)控中心沒有必要對公交車進(jìn)行實(shí)時全范圍的監(jiān)控， 而只需知道公交車的站牌區(qū)間范圍便可大致定位。

為吸取現(xiàn)有智能公交系統(tǒng)方案的優(yōu)點(diǎn)， 克服其缺點(diǎn)， 并結(jié)合西安城市自身特點(diǎn)， 本文把ZigBee短距離無線通信技術(shù)引入到智能公交系統(tǒng)中， 對國內(nèi)現(xiàn)有試運(yùn)行的智能公交系統(tǒng)普遍采用的GPS定位、GPRS信息傳輸?shù)姆桨高M(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸方式的改進(jìn)， 改進(jìn)后的智能公交系統(tǒng)方案的整體架構(gòu)如圖1所示。

圖1 智能公交系統(tǒng)的總體方案

本系統(tǒng)主要由公交車終端、電子站牌終端和管理監(jiān)控中心服務(wù)器三部分組成。

公交車終端可根據(jù)車載GPS模塊實(shí)時定位公交車的位置信息， 并與各個站牌的位置信息進(jìn)行對比， 當(dāng)其到達(dá)某個站牌時， 公交車自動語音報站， 同時用LCD屏顯示到站信息。

電子站牌終端和公交車終端可通過ZigBee短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。公交車可實(shí)現(xiàn)提前報站。當(dāng)公交車到達(dá)某個站牌后， 便把自己的車輛信息、狀態(tài)信息等打包發(fā)送給站牌。電子站牌收到管理中心的信息后， 便將公交車的位置信息顯示在站牌的電子地圖上。

管理中心服務(wù)器和電子站牌終端可通過GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。電子站牌終端通過GPRS模塊的無線聯(lián)網(wǎng)， 以對收到的公交車信息進(jìn)行處理并重新封裝， 然后發(fā)送到無線網(wǎng)絡(luò)中。服務(wù)器端一般是連接Internet的PC機(jī)， 可通過TCP/IP協(xié)議接收互聯(lián)網(wǎng)上的信息， 同時可向電子站牌終端發(fā)送運(yùn)行線路上公交車的實(shí)時位置信息和公告信息。服務(wù)器可通過數(shù)據(jù)庫進(jìn)行信息的管理和查詢， 以方便公交公司的管理和調(diào)度。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 車載終端的硬件組成

本系統(tǒng)中的車載終端硬件主要包括電源模塊或電源接入模塊、ARM處理器、RAM、FLASH、GPS定位模塊、ZigBee射頻傳輸模塊、視頻監(jiān)控模塊、LCD顯示模塊、串口和調(diào)試模塊、車內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計(jì)模塊和語音模塊等。圖2所示是系統(tǒng)中車載終端的硬件組成框圖。

圖2 車載終端硬件組成框圖

ARM嵌入式處理器是整個車載終端的核心，可通過各種接口與各功能模塊相連接。本車載終端選用韓國三星公司的一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器S3C2410.S3C2410的運(yùn)行頻率可以達(dá)到203 MHz, 主要面向手持設(shè)備等高性價比、低功耗的應(yīng)用。

在智能公交系統(tǒng)中， 系統(tǒng)定位模塊一般采用GPS-OEM ( Original Equipment Manufacture) 板。

在嵌入式車載終端系統(tǒng)中， 選用GPS模塊時， 通常應(yīng)考慮定位精度、價格、功耗、體積、抗干擾能力等幾個因素。根據(jù)以上原則， 本設(shè)計(jì)選用LEADTEK公司的GPS三代SiRF star III7855模塊來實(shí)現(xiàn)定位。該模塊的主要性能指標(biāo)如下：

有20個并行通道， 可同時接收20顆衛(wèi)星;

定位時間： 重捕時間為0.1 s, 熱啟動<1s, 冷啟動<42 s, 自動搜索少于30 s;

輸出差分精度可達(dá)10米， 功耗小于1 W;

可通過RS232接口輸出NEMA-0183協(xié)議的ASCII碼語句， 包括GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG、GPGLL等;

采用5 V電源， 可通過TX、RX引腳連接一個DB9的接口來與嵌入式微處理器的串口進(jìn)行通信。

2.2 ZigBee射頻模塊

在智能公交系統(tǒng)中， GPS模塊只完成信息采集功能， 而在公交車到站時， 還需要通過ZigBee模塊信息發(fā)送給站牌。

經(jīng)過市場調(diào)研發(fā)現(xiàn)， Freescale的MC1319x平臺功耗低、價格低廉、硬件集成度高， 而且方便二次開發(fā)， 射頻通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性也比較高。所以， 本設(shè)計(jì)選用了MaxStream公司與ZigBee兼容的、以Freescale MC1319x芯片組為核心的XBeePro RF模塊。XBee Pro模塊設(shè)計(jì)滿足IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)， 工作頻率為2.4 GHz, 其基本性能參數(shù)如下：

◇ 發(fā)送功率l00 mW;

◇ 室內(nèi)傳輸距離為300 m, 室外傳輸距離為1500 m;

◇ RF數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbps;

◇ 在3.3 V電源下， 發(fā)送電流為215 mA, 接收電流為55 mA.

圖3所示是XBee Pro模塊的引腳排列圖， 該模塊有20個引腳。RS232接口電路板的引腳可連接到VCC、GND、DOUT和DIN引腳。其中VCC是電源引腳(2.8~3.4 V); GND接地; DIN是信號輸入引腳， 可作為UART數(shù)據(jù)輸入， 通常與處理器的UART接收端TX相連; DOUT為信號輸出引腳，可作為UART數(shù)據(jù)輸出， 通常與處理器的UART接收端RX相連。此外， 在XBee/XBee Pro模塊中還集成了一個UART接口， 該接口的內(nèi)部數(shù)據(jù)控制流程如圖4所示。

圖3 XBee Pro模塊的引腳排列圖

圖4 XBee Pro模塊的UART內(nèi)部數(shù)據(jù)控制流程

當(dāng)串行數(shù)據(jù)通過DIN引腳進(jìn)入XBee Pro 模塊后， 數(shù)據(jù)會存儲在DI緩沖器中， 直到被發(fā)送器通過天線發(fā)送出去; 當(dāng)RF數(shù)據(jù)由天線接收后， 接收數(shù)據(jù)進(jìn)人DO緩沖器， 直到被處理。在一定條件下， 模塊可能無法立即處理在串位接收緩沖中的數(shù)據(jù)。如果大量的串行數(shù)據(jù)發(fā)送到模塊， 可能需要使用CTS流控以避免串行接收緩沖溢出。XBeePro 模塊可以通過UART 接口直接與控制器的UART接口相連， 硬件接口簡單實(shí)用。

2.3 電子站牌終端的硬件組成

電子站牌終端的硬件組成與公交車車載終端相比， 主要是把公交車上的GPS定位模塊替換成了GPRS -DTU 數(shù)據(jù)傳輸單元。GF -2008AWGPRS-DTU是北京嘉復(fù)欣科技有限公司研制生產(chǎn)的GPRS無線數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品， 該產(chǎn)品內(nèi)置西門子MC39i GPRS模塊， 具有準(zhǔn)確性高、環(huán)境適應(yīng)性好、易于安裝和維護(hù)等特點(diǎn)， 能夠?yàn)橛脩籼峁└咚?、可靠、永遠(yuǎn)在線的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)和虛擬專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)， 可廣泛用于遠(yuǎn)程抄表、環(huán)保數(shù)據(jù)采集、交通信息發(fā)布等方面。以下是GF-2008AW GPRS-DTU的主要特點(diǎn)：

可實(shí)現(xiàn)串口透明的無線數(shù)據(jù)傳輸， 而且穩(wěn)定可靠;

高度集成GPRS和TCP/IP 技術(shù)， 可將互連網(wǎng)和無線網(wǎng)絡(luò)有機(jī)的結(jié)合起來;

支持多種TCP/IP 協(xié)議， 如TCP、UDP、DNS、PPP、RAS 等;

按流量計(jì)費(fèi)， 沒有流量不計(jì)費(fèi);

在標(biāo)準(zhǔn)RS232接口產(chǎn)品中體積最小， 適合嵌入式集成;

支持點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)、中心對多點(diǎn)的對等數(shù)據(jù)傳輸;

基于串口通訊的AT+i指令接口， 可節(jié)省開發(fā)時間和開發(fā)成本;

持ALWAYS ONLINE (永遠(yuǎn)在線) 模式，斷線可自動重?fù)?

采用5~24 V / 1 A供電， 并具有節(jié)能模式。

3 ZigBee通信程序設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee組網(wǎng)方案

由于站牌處通常會有多輛公交車同時到達(dá)，一個站牌對應(yīng)多輛公交車。鑒于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較少、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡單， 本系統(tǒng)采用星形模型組網(wǎng)。

即把分布在公交線路上的電子站牌配置為ZigBee協(xié)調(diào)器， 而將到達(dá)的公交車配置為ZigBee終端設(shè)備。圖5所示是公交車與站牌的組網(wǎng)方式。當(dāng)站牌上ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器選擇一個信道和PAN ID并啟動時， 便建立了一個ZigBee個人局網(wǎng)(PAN)。

而一旦協(xié)調(diào)器啟動PAN, 便允許路由器和終端設(shè)備結(jié)點(diǎn)加入PAN.作為ZigBee終端設(shè)備的車載終端加入PAN時， 系統(tǒng)將收到一個16位的網(wǎng)絡(luò)地址， 同時發(fā)送和接收來自作為ZigBee協(xié)調(diào)器的電子站牌終端的數(shù)據(jù)。PAN協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址總是0.由于站牌上ZigBee模塊的網(wǎng)絡(luò)物理地址是唯一的， 故可通過物理地址向站牌發(fā)送信息。

圖5 公交車與站牌組網(wǎng)方式

3.2 ZigBee模塊的API操作

XBee Pro具有空模式、接收模式、發(fā)送模式、睡眠模式和命令模式等5種操作模式。對于每一種操作模式， 還有透明方式和應(yīng)用程序接口(API) 方式兩種操作方式。當(dāng)工作在透明方式時，模塊可替代串口線的作用， 并以字節(jié)為單位操作各種信息; 而當(dāng)工作在API 方式時， 所有進(jìn)出模塊的數(shù)據(jù)均被包含在定義模塊的操作和事件的幀結(jié)構(gòu)中。本文采用API操作方式。

API操作要求模塊之間通過一種結(jié)構(gòu)化的接口進(jìn)行通信(數(shù)據(jù)通過一種定義好序列的幀來交互通信)。API對通過串口數(shù)據(jù)幀進(jìn)行命令發(fā)送、命令響應(yīng)， 以及模塊狀態(tài)信息的傳送與接收作了規(guī)定。

(1) ZigBee發(fā)送請求

公交車到達(dá)站牌后， 應(yīng)根據(jù)站牌的MAC地址將日期、時間、車號、公交線路、車內(nèi)人數(shù)、行駛方向等信息發(fā)送到電子站牌。公交車ZigBee模塊發(fā)送模式的API幀結(jié)構(gòu)定義如圖6所示。其中的Bytes6-13為站牌的MAC地址。

圖6 公交車TX請求API幀結(jié)構(gòu)圖

(2) ZigBee發(fā)送狀態(tài)

為實(shí)現(xiàn)可靠傳輸， 當(dāng)公交車傳送信息給電子站牌的請求完成后， 必須得到電子站牌的確認(rèn)信息， 因此還必須得到電子站牌回饋給公交車的發(fā)送狀態(tài)信息。這個信息將指出數(shù)據(jù)包是否被成功發(fā)送， 或者發(fā)送失敗。如果發(fā)送失敗必須重新發(fā)送公交車的信息， 直至發(fā)送成功。

電子站牌根據(jù)公交車的MAC地址， 不斷的向PAN內(nèi)發(fā)送信息， 并通過回讀發(fā)送狀態(tài)來確定是否有公交車加入網(wǎng)絡(luò)， 如果有， 則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址識別公交車， 并將公交車的定位信息發(fā)送到監(jiān)控中心， 從而實(shí)現(xiàn)對GPS定位方式的補(bǔ)充。

圖7為公交車ZigBee模塊的TX狀態(tài)幀結(jié)構(gòu)

其中的Bytes 9為傳送狀態(tài)信息， Bytes6、7為接收模塊的16位網(wǎng)絡(luò)地址。

(3) ZigBee接收包。

電子站牌收到公交車發(fā)來的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)包后便進(jìn)行解析， 并通過站牌的GPRS模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。電子站牌ZigBee模塊接收模式的API幀結(jié)構(gòu)定義如圖8所示。圖中的Bytes5-12為公交車的MAC地址。

圖8 電子站牌RX的API幀結(jié)構(gòu)圖

3.3 GPRS網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

電子站牌收到公交車發(fā)來的信息后， 將通過GPRS-DTU發(fā)送到監(jiān)控中心， 然后由監(jiān)控中心將所有公交車發(fā)來的信息通過Internet發(fā)送給站牌。

GPRS DTU有透傳模式、AT+i命令模式、自動IP注冊模式、遠(yuǎn)程維護(hù)和流控五種模式。在系統(tǒng)的電子站牌終端中， DTU將使用透傳模式與服務(wù)器進(jìn)行信息的交互。通過透傳模式可將電子站牌異步串口通信轉(zhuǎn)換成基于TCP/UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信。其主要目的是通過串行通信的簡單設(shè)備實(shí)現(xiàn)在IP網(wǎng)絡(luò)上的通信， 而數(shù)據(jù)格式不發(fā)生任何改變。這一點(diǎn)非常重要， 由于數(shù)據(jù)格式在經(jīng)過DTU前后均不發(fā)生任何變化， 由此， 電子站牌原有的設(shè)備及軟件不用作任何升級， 就可直接應(yīng)用。

DTU的透傳模式可使電子站牌客戶端在發(fā)起通信請求時， 使DTU必須與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接。也就是說， 電子站牌下位機(jī)與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時， 首先是電子站牌下位機(jī)要與DTU設(shè)備的串口相連， 在DTU進(jìn)入透傳模式后自動被調(diào)用， 并與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接， 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接建立后， DTU將自動完成串口到網(wǎng)絡(luò)通信的轉(zhuǎn)換， 以便所有數(shù)據(jù)可透明地在服務(wù)器軟件與電子站牌下位機(jī)之間雙向傳輸。

服務(wù)器與電子站牌終端通信可通過套接字socket 來實(shí)現(xiàn)。首先在服務(wù)器上建立一個監(jiān)聽Socket對象， 并綁定在一個固定端口上， 然后，每當(dāng)電子站牌客戶端發(fā)送一個SOCKET連接請求，服務(wù)器端就會新開啟一個線程， 并在其中創(chuàng)建一個socket與電子站牌客戶端的socket通訊， 直到電子站牌客戶端程序關(guān)閉， 該線程結(jié)束， 然后服務(wù)器主線程的socket在應(yīng)用程序退出時關(guān)閉。通過多線程的Socket程序設(shè)計(jì)， 可以實(shí)現(xiàn)一個服務(wù)器與多個電子站牌客戶端的通信。

以下是服務(wù)器基于socket多線程的具體實(shí)現(xiàn)程序代碼：

DWORD WINAPI AnswerThread ( LPVOIDlparam) //收發(fā)線程入口

{//創(chuàng)建線程時把服務(wù)器建立的新套接字傳給lparam

SOCKET ClientSocket = ( SOCKET) ( LPVOID)lparam;

int bytesRecv;char sendbuf [ 32] = " " ;char

recvbuf [32] ="" ;

while (1)

{bytesRecv=SOCKET_ERROR;

for ( int i =0;i < ( int) strlen ( recvbuf) ;i ++ )

{recvbuf [i] ='