基于GPRS的智能公交站牌顯示系統(tǒng)設(shè)計

摘要：針對當下交通狀態(tài)，提出一種應(yīng)用無線技術(shù)的智能公交站牌顯示系統(tǒng)方案設(shè)計。該系統(tǒng)由無線傳輸模塊、信息處理模塊以及信息顯示模塊組成，實現(xiàn)了能夠顯示、反饋實時公交狀態(tài)、位置信息、緊急信息的智能公交站牌顯示系統(tǒng)。其中，無線傳輸模塊應(yīng)用SIM300-GPRS模組，主要負責收發(fā)所需數(shù)據(jù)信息;借助于STM32主控芯片的強大計算能力，信息處理模塊通過對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進行建模、算法修正等處理，計算出預(yù)到站公交的位置、狀態(tài)等基本信息，并實時更新;信息顯示模塊負責通過LED屏幕向乘客傳遞公交狀態(tài)、緊急事件以及公益廣告等信息，并負責各種信息的顯示調(diào)度?；谝陨纤枷耄呀?jīng)完成智能公交站牌顯示系統(tǒng)的設(shè)計。

近些年，中國經(jīng)濟取得巨大進步，城市經(jīng)濟快速發(fā)展，帶動國內(nèi)公交事業(yè)迅速發(fā)展，期間，國家推出許多針對公交事業(yè)的優(yōu)惠政策，在這些有力的推動下，公交產(chǎn)業(yè)的電子信息化、智能化步伐加快，無人售票已經(jīng)在國內(nèi)許多城市運行，IC卡收費方式在國內(nèi)大中城市普及起來。隨著公交產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、乘公交的消費者群眾的壯大，消費者為了更好的了解公交信息，達到出行便利化的目的，對現(xiàn)有的公交系統(tǒng)提出了更加便利化、智能化的要求，基于這些要求，本設(shè)計提出了一種基于無線傳輸信息的智能公交站牌顯示系統(tǒng)方案，該方案能夠?qū)崟r顯示公交狀態(tài)位置以及緊急情況等信息，之于乘客，給予乘客全面信息方便出行，之于交通線路，給予城市交通更少的交通壓力、安全隱患。智能公交系統(tǒng)極大的方便乘客選擇行動路線，疏散交通流量，將整個交通狀況向理想的狀態(tài)引導(dǎo)，使交通順暢和安全，并提高道路的使用效率，而且也會為美麗的城市增添一道亮麗的風景線。

1 智能公交系統(tǒng)

智能公交系統(tǒng)(Intelligent Transport System，ITS)主要分為3個部分，分別為公交車輛監(jiān)控中心、車載終端和電子站牌。其系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

車載終端將公交車輛的實時位置、車載入數(shù)等信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦卉囕v監(jiān)控中心，起數(shù)據(jù)采集的作用，是整套公交系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

監(jiān)控中心根據(jù)車輛傳輸回來的數(shù)據(jù)，進行綜合處理，并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到相應(yīng)的電子站牌，與此同時，收集各公交顯示系統(tǒng)的反饋信息，對客觀因素、突發(fā)狀況引起的公交調(diào)度情況做出處理以達到最優(yōu)的減少交通壓力、節(jié)約資源的目的;

電子站牌負責接收數(shù)據(jù)信息，并通過系統(tǒng)內(nèi)部模塊之間緊密結(jié)合計算出即將到站的公交車的信息，由LED點陣屏等顯示設(shè)備對外發(fā)布，為候車的乘客提供信息服務(wù)。而且，此部分還負責緊急情況、公益廣告等信息的顯示，方便市民安全出行、文明出行。

2 系統(tǒng)設(shè)計

電子站牌顯示系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transport System，ITS)的重要組成部分，也是ITS的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。智能公交站牌顯示系統(tǒng)設(shè)計方案的功能框圖如圖2所示。主要包括主控、乘客信息采集、SIM300無線收發(fā)、數(shù)據(jù)處理以及信息顯示幾部分。

該系統(tǒng)中，無線傳輸模塊主要應(yīng)用GPRS技術(shù)實現(xiàn)與控制中心以及車載終端的數(shù)據(jù)傳輸，接收數(shù)據(jù)經(jīng)過解碼后傳輸給信息處理部分，數(shù)據(jù)在信息處理模塊內(nèi)，經(jīng)過建立數(shù)學模型、客觀修正因子等處理最后得出該時刻公交車的位置信息以及計算出的到達時間，同時獲得實時公交狀態(tài)如乘客數(shù)量、末班狀態(tài)等基本信息，最后更新至信息顯示模塊并顯示。顯示調(diào)度模塊實時顯示即將到來的公交的基本狀態(tài)信息，但在一定時間后通過考慮乘客數(shù)量、緊急信息、公益廣告等客觀因素后，對顯示內(nèi)容進行調(diào)整，以達到更好的為乘客服務(wù)的目的。乘客信息采集模塊通過采集在候車乘客信息如乘坐路線、各路公交車候車乘客人數(shù)等基本信息，并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊反饋回監(jiān)控中心以實現(xiàn)更加優(yōu)化的公交調(diào)度。各模塊間相互協(xié)調(diào)工作，實現(xiàn)了方便市民便利、安全、文明出行的智能公交站牌顯示系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計

該系統(tǒng)主要由主控芯片控制無線信息傳輸部分、信息處理以及顯示部分，最終通過LED向乘客顯示出行信息。其中信息處理以及信息顯示調(diào)度部分均由STM32主控芯片完成，通過一定的算法以及實時反饋信息完成數(shù)據(jù)的處理以及顯示。無線模塊由SIM300模組配合外圍電路連接STM32主控芯片，在主控的控制下完成初始化以及數(shù)據(jù)的傳輸、編碼、解碼等工作。LED部分借助于主控芯片驅(qū)動74HC595與74HC138芯片進而實現(xiàn)LED點陣控制與顯示功能。

1)主控制器 主控制器選用STM32F103VE增強型單片機，STM32系列單片機使用高性能的ARM CortexTM-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲器(高達512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM)，具有強大的信息處理能力，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，是意法半導(dǎo)體公司專門為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計的產(chǎn)品。本設(shè)計中，STM32通過串口連接SIM300無線收發(fā)模塊進而實現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與模塊控制。LED通過GPIO端口模擬的SPI接口連接到STM32上，完成信息顯示。

本設(shè)計中，STM32的主要功能是控制無線傳輸模塊接收車輛狀態(tài)信息，對數(shù)據(jù)的處理以及將處理后的信息送無線收發(fā)模塊SIM300反饋回監(jiān)控中且在LED點陣屏顯示。除此之外，STM32還完成對SIM300、LED點陣等芯片的初始化。

2)無線收發(fā)模塊 SIM300是SIMCOM推出的GSM/GPRS三頻/四頻模塊，主要為語音傳輸、短信息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。SIM300集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，適合于開發(fā)一些GSM/GPRS的無線應(yīng)用產(chǎn)品，如移動電話、無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)、遠程測量等，應(yīng)用范圍十分廣泛。本設(shè)計的重點主要是單片機與SIM300模塊串行通信，無線GPRS數(shù)據(jù)的收發(fā)。

3)LED顯示 采用P3.75的8 x 8單色點陣模塊進行擴展，橫向128/8=16塊，縱向64/8=8塊。為方便電路板的設(shè)計，先由橫向4塊縱向4塊擴展成32 x32的顯示單元，再由8塊32 x 32的單元完成設(shè)計。行驅(qū)動控制芯片選用74HC138D，功率芯片選用4953，列驅(qū)動控制芯片采用74HC 595D。顯示屏控制卡采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103VBT6單片機作為主控芯片，由STM32F103VBT6本身具有128KB的片上Flash和64KB的片上RAM，足以存放程序代碼，因此不需要擴展外部ROM及RAM;同時使用專用字庫芯片GT23L32S4W，支持多達22種字體，大大增強了字符的顯示能力。同時，控制卡采用RS232/485通信接口，可以通過RS232/485很方便的對顯示屏進行顯示配置。從而容易實現(xiàn)公交狀態(tài)信息的實時顯示以及更新。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)上電后，對SIM300模塊、LED顯示屏、SD卡以及系統(tǒng)外設(shè)進行初始化，系統(tǒng)外設(shè)主要包括系統(tǒng)時鐘、定時器、GPIO口、中斷、SPI及USART。MCU通過USART接口讀取SIM300無線收發(fā)模塊接收到數(shù)據(jù)，然后按照協(xié)議規(guī)定對數(shù)據(jù)進行解碼處理，將解碼處理后的數(shù)據(jù)與SD卡中預(yù)先存儲的本站牌的系統(tǒng)信息進行匹配，匹配成功則將具體信息通過LED屏顯示出來。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示，按照數(shù)據(jù)流向主要分為數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示3個部分，其中緊急信息需要立刻在顯示部分顯示出來，其流程為數(shù)據(jù)接收后送入數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)經(jīng)算法修正后反饋到監(jiān)控中心并對公交狀態(tài)數(shù)據(jù)進行更新。主要包括車輛的位置信息、緊急信息、預(yù)到站時間等。

信息處理部分借助于主控芯片STM32的強大計算能力，以及高達72MHz的時鐘，首先對接收的數(shù)據(jù)除緊急信息外進行分類如下：GPS信息、公交車到站時間歷史數(shù)據(jù)、預(yù)到達公交的狀態(tài)信息等，其中緊急信息不經(jīng)過信息處理直接送于顯示模塊顯示。其數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4所示。由于GPRS的傳輸速度和流量費用的限制，不能對數(shù)據(jù)連續(xù)刷新，因此對GPS信息通過數(shù)學模型中的二次曲線擬合的方式進行數(shù)據(jù)處理，以實現(xiàn)公交位置是實時的、連續(xù)的顯示;GPS信息和歷史數(shù)據(jù)相互結(jié)合，應(yīng)用汽車實時速度模擬模型得到預(yù)到達的公交的到站時間，但是存在其他客觀因素如早晚下班高峰、節(jié)令出行變化等，所以在此數(shù)據(jù)上進行客觀修正因子修正，使得數(shù)據(jù)更加貼合實際，實際測得客觀修正因子對預(yù)測到站時間準確度提升27.3%。對于狀態(tài)信息則通過與歷史數(shù)據(jù)比對后直接更新至顯示模塊，至此，信息處理模塊為顯示模塊提供最優(yōu)的預(yù)到達公交狀態(tài)、位置信息。

5 結(jié)束語

本設(shè)計提出的基于GPRS的智能電子站牌的設(shè)計，實現(xiàn)了公交車輛實時運行情況的實時顯示以及公交站牌信息的智能化顯示。同時，緊急情況以及公益廣告的顯示為提高市民出行的人身安全、精神文明建設(shè)做出卓越貢獻。大大提高公交管理效率，實現(xiàn)城市公交系統(tǒng)的智能化和信息化。該系統(tǒng)具有優(yōu)良的可靠性和穩(wěn)定性，為當前改善城市公交管理，提高公交資源共享提出了有效途徑。同時以CPRS無線技術(shù)作為信息傳輸手段，可以更加簡單、便捷的實現(xiàn)公交站牌管理。并能夠及時更新系統(tǒng)中的廣告數(shù)據(jù)等信息。智能公交站牌顯示系統(tǒng)，為市民出行帶來極大的便利，具有長遠的發(fā)展前景。