公交車到站自動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：設(shè)計(jì)了一套公交車到站自動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，給出了該系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其組成及工作原理進(jìn)行了闡述，著重介紹了系統(tǒng)硬件、軟件架構(gòu)及通信協(xié)議。最后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試、使用證明了該系統(tǒng)具有良好的工作性能和可靠性。

關(guān)鍵詞：公交車;到站預(yù)報(bào);軟件架構(gòu);通信協(xié)議

引言

為了實(shí)現(xiàn)公交系統(tǒng)的智能信息化建設(shè)目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)了一套公交車到站自動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)，主要目的在于方便乘客在等待公交車時(shí)能直觀地看到所要乘坐的公交車的行駛位置，讓乘客能夠更加合理地安排自己的乘車計(jì)劃。此前，眾多學(xué)者已經(jīng)對(duì)公交車到站自動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)進(jìn)行了廣泛研究，并提出了多種方案，如參考文獻(xiàn)提出利用 GPS定位信息實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)檢測(cè)，利用GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)站臺(tái)數(shù)據(jù)分發(fā);參考文獻(xiàn)提出利用GPS定位信息實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)檢測(cè)，利用ZigBee實(shí)現(xiàn)站臺(tái)數(shù)據(jù)分發(fā);參考文獻(xiàn)提出利用RFID卡實(shí)現(xiàn)車輛檢測(cè)，利用GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)站臺(tái)數(shù)據(jù)分發(fā);參考文獻(xiàn)提出利用GPS定位信息實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)檢測(cè)，利用交通通信專網(wǎng)(iDEN)實(shí)現(xiàn)站臺(tái)數(shù)據(jù)分發(fā);參考文獻(xiàn)提出利用近距離無(wú)線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)車輛檢測(cè)，利用遠(yuǎn)距離無(wú)線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)站臺(tái)數(shù)據(jù)分發(fā)。

雖然上述方案均是可行的，但是，它們具有一定的局限性。參考文獻(xiàn)采用GPS實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)檢測(cè)的局限性在于：價(jià)格昂貴;在城市環(huán)境中GPS信號(hào)易受建筑物、樹(shù)木、隧道遮擋，從而導(dǎo)致某些區(qū)域無(wú)法定位;需要在車內(nèi)走線，在車頂安裝調(diào)試，安裝困難;當(dāng)站點(diǎn)或運(yùn)行線路發(fā)生變化時(shí)，須重新采集站點(diǎn)坐標(biāo)，過(guò)程繁瑣，通用性差。參考文獻(xiàn)采用GSM網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)站臺(tái)數(shù)據(jù)分發(fā)的局限性在于：該系統(tǒng)是一套集中式處理系統(tǒng)，當(dāng)處理中心發(fā)生故障時(shí)，一條或多條線路均將無(wú)法正常工作，影響面大，站點(diǎn)正常工作時(shí)間急劇下降。參考文獻(xiàn)采用近距離無(wú)線數(shù)傳模塊實(shí)現(xiàn)車輛檢測(cè)的局限性在于：與ZigBee模塊相比，無(wú)線數(shù)傳模塊的成本更高、功耗更大、體積更大、時(shí)延更長(zhǎng)、可靠性更低、安全性更差。

基于上述原理，本文給出了公交車到站自動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)系統(tǒng)的組成及工作原理進(jìn)行了闡述，特別著重闡述了系統(tǒng)軟件流程及通信協(xié)議設(shè)計(jì)。最后，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)安裝、調(diào)試、使用證明了該系統(tǒng)具有良好的工作性能和可靠性。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的公交車到站自動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)由車載模塊、站臺(tái)模塊和中繼模塊三部分組成(如圖1所示)。其中，車載模塊安裝在公交車上，負(fù)責(zé)把公交車位置信息發(fā)送給站臺(tái)模塊;站臺(tái)模塊安裝在站牌處，負(fù)責(zé)接收、處理、顯示公交車位置信息，同時(shí)把該信息發(fā)送給下一站臺(tái)，實(shí)現(xiàn)信息的接力傳遞;中繼模塊安裝在兩站臺(tái)間合適位置，負(fù)責(zé)通信中繼，用于保障站臺(tái)間隔超出通信距離時(shí)的正常通信。

由圖1可知，公交車到站自動(dòng)預(yù)報(bào)系統(tǒng)具體包括電源模塊、控制模塊、ZigBee模塊、控制面板、狀態(tài)指示燈、無(wú)線數(shù)傳模塊、LED面板。其中，電源模塊的作用是把車載電瓶12 V直流電(車載模塊)或220 V交流電(站臺(tái)模塊/中繼模塊)變換成5 V直流電，以便給控制模塊(車載模塊)和無(wú)線數(shù)傳模塊(站臺(tái)模塊/中繼模塊)供電;控制模塊的作用是收發(fā)串口數(shù)據(jù)，控制LED燈亮滅，接收控制面板按鍵指令;ZigBee模塊的作用是實(shí)現(xiàn)公交車與站臺(tái)間無(wú)線通信;控制面板的作用是控制車載模塊上電、重啟和斷電以及設(shè)置公交車運(yùn)行方向，以便馬路對(duì)面站臺(tái)模塊接收到車載模塊信息時(shí)能夠正確區(qū)分公交車運(yùn)行方向;狀態(tài)指示燈的作用是顯示駕駛員當(dāng)前操作指令，以便駕駛員能夠直觀判斷出其操作的正確性;無(wú)線數(shù)傳模塊的作用是實(shí)現(xiàn)站臺(tái)模塊/中繼模塊問(wèn)的無(wú)線通信;LED面板的作用是直觀顯示公交車當(dāng)前位置信息，以便乘客合理安排出行計(jì)劃。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)及選型

2.1 控制模塊設(shè)計(jì)

由于控制模塊需要控制LED燈亮滅，因此，它的I/O口個(gè)數(shù)必須大于站點(diǎn)個(gè)數(shù)。以長(zhǎng)沙為例，目前，長(zhǎng)沙公交車停站數(shù)最多的車次是501路，共經(jīng)停81站，因此，控制模塊需至少包含88個(gè)I/O口。其中，81個(gè)I/O口用于連接LED面板，5個(gè)I/O口用于配置成兩路串口(232串口占用2個(gè)I/O 口，485串口占用3個(gè)I/O口)。另外，考慮到將來(lái)站點(diǎn)數(shù)以及控制模塊功能的進(jìn)一步豐富，控制模塊的I/O口還應(yīng)有所保留，不能完全占用。

綜上所述，控制模塊無(wú)論采用DSP還是采用單片機(jī)構(gòu)建，芯片自身所提供的I/O口均無(wú)法滿足應(yīng)用需求，因此，需采用譯碼器擴(kuò)展I/O口數(shù)量。最終，所設(shè)計(jì)的控制模塊結(jié)構(gòu)如圖2所示。

2.2 ZigBee模塊選型

為了實(shí)現(xiàn)公交車檢測(cè)的高可靠性和有效性，ZigBee模塊的通信距離應(yīng)小于站臺(tái)間最短距離的1/2。以長(zhǎng)沙為例，目前，長(zhǎng)沙公交車站臺(tái)間最短距離約180 m，所以限定ZigBee模塊的通信距離為不大于90 m。另外，一般公交車站臺(tái)會(huì)有多輛公交車?？?，若站臺(tái)模塊接收所有公交車模塊信息，則必將影響站臺(tái)模塊的信息處理速度，同時(shí)還會(huì)增大誤碼率。因此，站臺(tái)模塊與車載模塊間應(yīng)建立身份驗(yàn)證機(jī)制，以保證數(shù)據(jù)的正確、高效處理。

基于上述需求，本文選用XBee S2模塊(如圖3所示)實(shí)現(xiàn)車載模塊與站臺(tái)模塊間的通信。XBee S2模塊是按ZigBee協(xié)議設(shè)計(jì)的，可實(shí)現(xiàn)具有低成本、低功耗等特殊需求的無(wú)線傳感器組網(wǎng)，在室內(nèi)/城市環(huán)境中其通信距離為40m，可通過(guò)設(shè)置 PAN(Personal Area Network)ID控制網(wǎng)絡(luò)規(guī)模，通過(guò)設(shè)置64位地址實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。

2.3 無(wú)線數(shù)傳模塊選型

為了保證站臺(tái)間信息傳輸?shù)母呖煽啃院陀行裕瑹o(wú)線數(shù)傳模塊的通信距離最好大于大多數(shù)相鄰站臺(tái)間的距離。以長(zhǎng)沙為例，目前，兩相鄰公交車站臺(tái)間距離幾乎都在500 m以內(nèi)(不過(guò)，也有極個(gè)別相鄰站臺(tái)間距離達(dá)到了4000 m)。因此，為了保證相鄰站臺(tái)模塊間能夠正常通信，無(wú)線數(shù)傳模塊的通信距離不應(yīng)小于1000 m。另外，考慮到天線高度、波特率、城市環(huán)境的復(fù)雜性對(duì)通信距離的影響，要求無(wú)線數(shù)傳模塊的通信距離不小于3 000 m。

基于上述需求，本文選用SV6202超遠(yuǎn)距離無(wú)線數(shù)傳模塊(如圖4所示)實(shí)現(xiàn)站臺(tái)模塊間的無(wú)線通信以及通信中繼。SV6202模塊最大通信距離可達(dá)到5 000 m，可通過(guò)配置網(wǎng)絡(luò)ID實(shí)現(xiàn)指定模塊間的相互通信，不同網(wǎng)絡(luò)ID配置的模塊間不能相互通信。

2.4 控制面板設(shè)計(jì)

控制面板是保證用戶方便、快捷操控和設(shè)置控制模塊所必需的一部分。車載模塊控制面板的主要功能應(yīng)包括：①模塊上電和斷電;②當(dāng)控制模塊出現(xiàn)故障時(shí)，重新啟動(dòng)控制模塊，使其進(jìn)入正常工作狀態(tài);③設(shè)置公交車運(yùn)行方向，以便對(duì)面站臺(tái)模塊接收到公交車模塊信息時(shí)能夠正確區(qū)分公交車運(yùn)行方向。

本文最終所設(shè)計(jì)的車載模塊控制面板結(jié)構(gòu)如圖5所示(為了防止候車乘客誤操作站臺(tái)模塊，站臺(tái)模塊不設(shè)計(jì)控制面板)。

3 通信協(xié)議設(shè)計(jì)

公交車在運(yùn)行過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)如下兩種情況：①某一時(shí)刻有多條線路公交車同時(shí)進(jìn)站;②同一站點(diǎn)上行站臺(tái)和下行站臺(tái)均接收到了車載模塊信息。顯然，站臺(tái)模塊必須能正確應(yīng)對(duì)這兩種情況，它應(yīng)能夠從車載模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中解析出公交車線路信息和運(yùn)動(dòng)方向信息。

本文設(shè)計(jì)的車載模塊與站臺(tái)模塊間的通信協(xié)議如下所示：

當(dāng)從車載模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中分析出了公交車線路信息和運(yùn)動(dòng)方向信息后，站臺(tái)模塊應(yīng)通過(guò)無(wú)線數(shù)傳模塊把該信息傳遞給其他站臺(tái)模塊。然而，無(wú)線數(shù)傳模塊在傳遞信息時(shí)可能會(huì)出現(xiàn)如下兩種情況：①后繼站臺(tái)和未到站臺(tái)均接收到了該站臺(tái)信息;②上行站臺(tái)和下行站臺(tái)均接收到了該站臺(tái)信息。顯然，站臺(tái)模塊必須能正確應(yīng)對(duì)這兩種情況，能夠從站臺(tái)模塊發(fā)送的數(shù)據(jù)幀中解析出公交車線路信息、運(yùn)動(dòng)方向信息和當(dāng)前所在站臺(tái)編號(hào)。

面向上述目標(biāo)，本文設(shè)計(jì)的站臺(tái)模塊/中繼模塊間通信協(xié)議如下所示：

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

4.1 車載模塊軟件設(shè)計(jì)

本文把車載模塊設(shè)計(jì)成事件發(fā)起節(jié)點(diǎn)，即車載模塊主動(dòng)與站臺(tái)模塊通信。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，車載模塊需要定時(shí)向站臺(tái)模塊發(fā)送信息。因此，車載模塊軟件采用定時(shí)器中斷發(fā)送信息。另一方面，車載模塊還要接收控制面板的按鍵操作，而該操作是不定時(shí)的，為了方便程序開(kāi)發(fā)，在軟件的主程序循環(huán)中完成按鍵接收。車載模塊軟件流程如圖6所示。

4.2 站臺(tái)模塊/中繼模塊軟件設(shè)計(jì)

本文把站臺(tái)模塊/中繼模塊設(shè)計(jì)成事件接收及中繼節(jié)點(diǎn)，即站臺(tái)模塊/中繼模塊被動(dòng)接收車載模塊信息和其他站臺(tái)模塊信息，同時(shí)主動(dòng)把信息發(fā)送給其他站臺(tái)模塊。為了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，站臺(tái)模塊/中繼模塊需要在串口有數(shù)據(jù)時(shí)立刻讀取數(shù)據(jù)，而在沒(méi)有數(shù)據(jù)時(shí)不應(yīng)訪問(wèn)串日，因此，站臺(tái)模塊/中繼模塊軟件采用串口接收中斷接收信息。由于站臺(tái)模塊/中繼模塊沒(méi)有控制面板，不需要處理其他外部事件，因此，其軟件的主程序循環(huán)是空循環(huán)。站臺(tái)模塊/中繼模塊軟件流程如圖7、圖8所示。

結(jié)語(yǔ)

目前，本文所設(shè)計(jì)系統(tǒng)在實(shí)驗(yàn)室和實(shí)際公交線路上進(jìn)行了大量測(cè)試。實(shí)際測(cè)試表明，該系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定、工作可靠、使用方便，特別是安裝、更換無(wú)需布線，可以做到即插即用。希望該項(xiàng)研究能夠有效推動(dòng)社會(huì)和諧發(fā)展，緩解日益擁堵的城市交通，讓市民更愿意乘坐公共交通工具出行，減少汽車尾氣排放，共同凈化美好的家園。