基于GPRS/GPS/GIS/Zigbee的智能公交系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘 要： 介紹了一種城市公共交通監(jiān)控系統(tǒng)及公交站電子站牌，它是利用GPS、GPRS、GIS、Zigbee以及傳感器技術(shù)來完善公共交通服務(wù)。利用此系統(tǒng)不僅給市民乘車提供了便利，也使得公共交通管理者能夠?qū)崟r準(zhǔn)確地掌握公交車運(yùn)行情況，以便日后更好地規(guī)劃和管理城市公交車輛的運(yùn)營。
關(guān)鍵詞： GPRS；GPS；GIS；Zigbee；單片機(jī)；電子站牌；智能公交系統(tǒng)

智能交通系統(tǒng)ITS(Intelligent Transport System)是指將先進(jìn)的通信技術(shù)、自動控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等綜合地應(yīng)用于交通管理體系，從而建立一種全方位發(fā)揮作用的實(shí)時、準(zhǔn)確、高效的交通綜合管理和控制系統(tǒng)。
美國在20世紀(jì)60年代末開始ITS方面的研究，之后歐洲、日本等也相繼加入這一行列。經(jīng)過30多年的發(fā)展，美國、歐洲、日本成為世界ITS研究的三大基地。從20世紀(jì)60年代歐洲的道路交通信息(RTI)系統(tǒng)到美國的智能車輛道路系統(tǒng)(IVHS)，ITS正以前所未有的速度發(fā)展。
我國的ITS研究起步較晚，并且面臨著城市人口密度大、城市化發(fā)展快、汽車持有量迅速增加、交通擁擠現(xiàn)象加劇等實(shí)際國情，必須要在交通管理調(diào)度的信息化、智能化上加大研發(fā)力度。近年來，國內(nèi)ITS的研究與應(yīng)用得到了較快的發(fā)展，取得了一定的成果[1]。
本文基于GPS、GPRS、GIS、Zigbee以及傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能公共交通監(jiān)控系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能
本系統(tǒng)分為三個部分，分別為公交車載終端、公交系統(tǒng)監(jiān)控中心和公交車站電子站牌。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 車載終端
車載終端由傳感器部分和數(shù)據(jù)收發(fā)控制器兩部分組成，傳感器部分是一個帶有距離測量傳感器和Zigbee傳輸功能的裝置。此裝置放在公交車懸架系統(tǒng)的鋼板彈簧附近靠近車體的地方，距離傳感器的探頭所對的方向與鋼板彈簧發(fā)生形變時鋼板彈簧與車體距離發(fā)生變化的方向一致。隨著車輛載重量的增加，車體會壓迫鋼板彈簧，使其產(chǎn)生形變，距離傳感器用來測量車體與懸架系統(tǒng)的鋼板彈簧之間由于形變產(chǎn)生的距離變化。鋼板彈簧形變量能夠體現(xiàn)公交車的載重量，即公交車的擁擠程度。數(shù)據(jù)收發(fā)控制器部分是一個帶有GPS定位功能[2]、GPRS無線傳輸功能[3]、Zigbee無線傳輸功能的裝置。此裝置可放在車內(nèi)司機(jī)操作面板上。裝置內(nèi)的GPS模塊將定位衛(wèi)星發(fā)送來的公交車地理位置信息和速度信息以及通過Zigbee將傳感器傳來的公交車懸架高度變化量信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行簡單的處理分析，通過GPRS模塊，經(jīng)過GSM無線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ǖ姆?wù)器上。車載終端可實(shí)現(xiàn)自動報站功能。
1.2 公交系統(tǒng)監(jiān)控中心
公交監(jiān)控中心的一個基礎(chǔ)裝置是服務(wù)器，它用來接收每個車載終端通過GPRS發(fā)送過來的公交車的位置信息、速度信息，以及公交車懸架系統(tǒng)的鋼板彈簧形變量信息。公交系統(tǒng)監(jiān)控中心能夠?qū)崟r地掌握每一輛公交車的地理位置、速度、擁擠程度信息，可以通過行車位置和擁擠程度對發(fā)車間隔進(jìn)行實(shí)時調(diào)整，也可以通過這些數(shù)據(jù)對司機(jī)進(jìn)行績效考核。并且將這些數(shù)據(jù)定期地寫入數(shù)據(jù)庫，為以后的公交系統(tǒng)的運(yùn)力調(diào)整和車輛調(diào)配的分析提供數(shù)據(jù)支持。服務(wù)器再將公交車的位置信息、速度信息以及公交車內(nèi)的擁擠程度信息發(fā)送給裝有GPRS模塊的電子站牌。
1.3 公交車站電子站牌
公交車站的電子站牌由GPRS模塊、PC機(jī)、液晶顯示器組成。GPRS模塊用來接收公交系統(tǒng)監(jiān)控中心發(fā)送過來的公交車的位置信息、速度信息以及公交車內(nèi)的擁擠程度信息再將數(shù)據(jù)以RS232電平通過串口傳給PC機(jī)，PC機(jī)分析處理這些數(shù)據(jù)，將公交車的位置、速度、擁擠程度的信息數(shù)據(jù)嵌入到GIS系統(tǒng)[4]中，系統(tǒng)將這些情況直觀地在液晶顯示器上顯示出來。在公交車站等車的乘客可以從電子站牌上看到自己所要乘坐的車的位置、速度、擁擠程度，通過這三個因素來進(jìn)行決策。例如當(dāng)看到自己即將乘坐的車還有很遠(yuǎn)，且行車速度很慢，可以考慮是否換乘其他路線車輛進(jìn)行倒車來到達(dá)目的地；如果看到電子站牌上公交車過于擁擠，可以考慮乘坐出租車到達(dá)目的地。
由于大多數(shù)城市沒有實(shí)現(xiàn)快速公交系統(tǒng)BRT（Bus Rapid Transit），城市公交沒有專用線路，而且國內(nèi)的大城市堵車現(xiàn)象比較嚴(yán)重，所以本文不設(shè)計(jì)預(yù)測公交車到達(dá)下一站還有多長時間的功能。由于交通擁堵情況無法掌控，所以預(yù)測公交車到站時間也沒有實(shí)際意義。在公交車站等車的乘客可以通過在電子站牌上顯示出的公交車位置和速度信息判斷公交車的行車速度，自己做出判斷和抉擇。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案
2.1 車載設(shè)備
在硬件設(shè)計(jì)方面，GPRS模塊和GPS模塊盡量采用二合一模塊，這樣能夠減少硬件的開發(fā)成本，增強(qiáng)GPRS和GPS功能的穩(wěn)定性，使用二合一模塊還能夠節(jié)省單片機(jī)的UART接口，可使用Telit的GM862-GPS/GPRS二合一模塊，或者使用SIMCom的SIM548C-GPS/GPRS二合一模塊，也可以使用兩塊獨(dú)立模塊，例如ublox公司的LEON GSM/GPRS模塊和u-blox5 GPS模塊，這兩塊模塊之間用I2C進(jìn)行通信，GPS模塊不與單片機(jī)直接連接，而是通過GPRS模塊的UART與單片機(jī)進(jìn)行通信。
Zigbee模塊[5]采用CC2430芯片，終端上的Zigbee模塊接收來自另一個在公交車懸架系統(tǒng)的鋼板彈簧上方與距離傳感器相連接的Zigbee模塊發(fā)送來的數(shù)據(jù)。距離傳感器是測量鋼板彈簧形狀變化的，隨著載重量的增加，車體壓迫鋼板彈簧，鋼板彈簧會發(fā)生形變，具體形變量與載重量的關(guān)系依不同彈簧片的性質(zhì)決定。通過鋼板彈簧的形變量計(jì)算出車的載重量。鋼板彈簧彈性形變?yōu)榉蔷€性，較為復(fù)雜，本文不作詳細(xì)說明。鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)和傳感器的安放位置如圖2所示。將傳感器測量的距離值通過Zigbee模塊傳給車載終端的Zigbee模塊。Zigbee為無線局域網(wǎng)，雖然采用同一頻率，但發(fā)送無線數(shù)據(jù)幀中帶有設(shè)定好的編碼，接收端接收之后，會對發(fā)送來的編碼進(jìn)行核對，若不是預(yù)先設(shè)定好的模塊編碼發(fā)來的，將自動丟棄。所以在兩臺車相遇時不會出現(xiàn)發(fā)錯數(shù)據(jù)包的現(xiàn)象。

單片機(jī)通過UART1口接收Zigbee模塊傳輸過來的數(shù)據(jù)，通過UART2口接收GPS模塊傳輸過來的車輛地理位置和速度信息，單片機(jī)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了降低單片機(jī)的功耗，提高單片機(jī)的處理速度，Zigbee發(fā)送來的距離傳感器的測距信息直接發(fā)送到公交監(jiān)控中心，由公交中心的電腦計(jì)算載重量。單片機(jī)內(nèi)的程序存儲器預(yù)先輸入每個公交站點(diǎn)的地理位置信息，即經(jīng)緯度信息。由于GPS定位精度較低，單片機(jī)收到GPS模塊傳輸過來的地理位置信息之后，將前20個經(jīng)緯度信息做求和計(jì)算，算出經(jīng)緯度的平均值。用此平均值與預(yù)先輸入的公交站的經(jīng)緯度作對比，若車距離公交站在一定范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自動報站，避免出現(xiàn)公交司機(jī)漏報錯報的現(xiàn)象。
由于采用了GPS/GPRS二合一模塊，GPS與GPRS共用一個串行通信端口，單片機(jī)再通過UART2將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊，GPRS模塊將數(shù)據(jù)通過基站和運(yùn)營商的傳輸設(shè)備以及APN專線傳送至指定的監(jiān)控中心服務(wù)器的IP地址上，監(jiān)控中心再對接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。GPRS模塊與服務(wù)器之間建立套接字連接，采用的協(xié)議為TCP/IP協(xié)議。單片機(jī)輸出為CMOS電平，Telit的GM862和SIMcom的SIM548C都為COMS電平，CMOS電路的驅(qū)動電流較小，不能直接驅(qū)動TTL電路。可采用CC4049電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行CMOS電平和TTL電平的轉(zhuǎn)化。控制部分應(yīng)采用帶有雙UART的單片機(jī)。車載設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。