1． 引言
隨著國內(nèi)經(jīng)濟的迅猛發(fā)展，全國的大小城市也在迅速擴大，大量人口快速地涌入和人口出行的需求也出現(xiàn)幾何的增長，這就導(dǎo)致了城市交通運輸?shù)娜找婢o張。發(fā)展公共交通是緩解城市交通運輸壓力的有效方法。我國目前使用最為廣泛的公共交通工具還是公交車，因此利用科技發(fā)展智能公交是必然趨勢。
為了能讓更多的人選擇公交出行，就必須改善公交的乘坐體驗。這方面能做的工作有很多，其中智能報站功能是焦急等車的人們十分盼望的一個功能，能有效地提高乘車人的公交體驗。眾所周知，普通的公交站牌僅能為乘客提供公交路線信息，而乘客十分希望知道的車輛位置信息卻沒法提供。
于是，早期以GPS配合控制中心的智能公交系統(tǒng)應(yīng)運而生：在公交車上安裝GPS，為控制中心提供車輛位置信息；控制中心再通過有線網(wǎng)絡(luò)或GPRS網(wǎng)絡(luò)反饋到電子站牌，顯示車輛到達的信息。這樣的系統(tǒng)雖可以提供車輛位置信息，但是存在一個非常關(guān)鍵的不足就是系統(tǒng)成本太高：每輛公交車都必須安裝GPS定位裝置和無線數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，一條路線成本就是上百萬，而且該系統(tǒng)由于城市交通運行的復(fù)雜性，車輛走走停停，它的預(yù)報時間也很不準(zhǔn)確，影響乘車的體驗。
本文所設(shè)計基于ZigBee無線模塊智能公交報站系統(tǒng)使用ZigBee無線模塊代替GPS定位裝置，并且不用每臺公交車配上一個DTU無線傳輸模塊，而是一個站臺配上一個DTU無線傳輸模塊，這樣能大大節(jié)省軟硬件成本，費用只有原來系統(tǒng)的一半；而且本系統(tǒng)的報站是以告知乘車人下一趟車距離該站臺還有幾站的形式進行播報。所以可以做到報站精確無誤。有了這兩個關(guān)鍵的改進后就十分有利于該系統(tǒng)的推廣和應(yīng)用。
2． 系統(tǒng)組成
圖1是智能公交報站系統(tǒng)的系統(tǒng)組成框圖，它是一個三層結(jié)構(gòu)。由三個部分組成，分別是公交監(jiān)控中心，站臺組件和車載組件。
圖1 系統(tǒng)組成框圖
公交監(jiān)控中心通的主要功能是通過站臺組件來獲取車輛的到站、出站信息。通過綜合分析這些信息可以對車輛的運行狀況有清晰的了解，便于對公交車輛進行及時的管理、調(diào)度和維護；站臺組件主要有三個功能。第一個功能通過DTU設(shè)備利用2G/3G網(wǎng)絡(luò)接收上一站臺的公交車輛進、出站信息，對這些信息進行處理以后，得出公交車輛距離本站臺的距離信息。之后通過LED顯示屏進行車輛的到站情況預(yù)報；第二個功能通過站臺上的ZigBee無線模塊和公交車輛上的ZigBee無線模塊通訊來獲取該站臺的公交車輛進、出站時間信息，并且通過DTU設(shè)備利用2G/3G網(wǎng)絡(luò)把這些信息傳送給下一站點；第三個功能將獲取的本站臺公交車輛進出站信息傳送給公交監(jiān)控中心。
車載組件的主要功能是通過ZigBee模塊向站臺組件發(fā)送車輛進出站臺信息。
2．1 ZigBee介紹
ZigBee譯為"紫蜂"，它與藍牙相類似，是一種新興的短距離無線通信技術(shù)，用于傳感控制應(yīng)用(SensorandControl)，由于其網(wǎng)絡(luò)可以便捷地為用戶提供無線數(shù)據(jù)傳輸功能，因此在物聯(lián)網(wǎng)領(lǐng)域具有非常強的可應(yīng)用性。具體來說ZigBee有以下優(yōu)點：
①低功耗：在低耗電待機模式下，2節(jié)5號干電池可支持1個節(jié)點工作6～24個月，甚至更長。
②低成本：通過大幅簡化協(xié)議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求。
③短時延：ZigBee的響應(yīng)速度較快，一般從睡眠轉(zhuǎn)入工作狀態(tài)只需15ms，節(jié)點連接進入網(wǎng)絡(luò)只需30ms，進一步節(jié)省了電能。
④高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網(wǎng)狀網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，由一個主節(jié)點管理若干子節(jié)點，最多一個主節(jié)點可管理254個子節(jié)點。
⑤高安全：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設(shè)定、使用訪問控制清單(AccessControlList，ACL)防止非法獲取數(shù)據(jù)以及采用高級加密標(biāo)準(zhǔn)(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
⑥免執(zhí)照頻段：使用工業(yè)科學(xué)醫(yī)療(ISM)頻段，915MHz(美國)，868MHz(歐洲)，2.4GHz(全球)。
2．2 DTU設(shè)備介紹
DTU設(shè)備是本系統(tǒng)的一個關(guān)鍵設(shè)備，它起到了一個承上啟下的作用，所以它工作的穩(wěn)定性、可靠性就十分重要。本系統(tǒng)選用了在該領(lǐng)域的龍頭企業(yè)廣州致遠電子有限公司所生產(chǎn)DTU設(shè)備，型號為：DTUZWW-36A。該設(shè)備有以下一些特點：
①工業(yè)級高速RS-232電平串行接口，最高波特率921600bps，超大數(shù)據(jù)緩存區(qū)設(shè)計（收發(fā)各10M字節(jié)），采用動態(tài)劃分技術(shù)，高效使用緩存區(qū)。
②支持串口配置和USB接口配置，方便沒有串口的計算機使用支持短信配置與維護。
③內(nèi)嵌完備可靠的協(xié)議棧，數(shù)據(jù)全透明傳輸，用戶無需了解復(fù)雜的TCP/IP、PPP等協(xié)議，支持數(shù)據(jù)中心動態(tài)域名或IP地址訪問，支持備用數(shù)據(jù)中心和斷線自動重連功能，并且連接時機可控功能，節(jié)約流量。
④支持本地和遠程圖形化向?qū)脚渲门c維護，支持數(shù)據(jù)中心虛擬串口功能，無縫銜接現(xiàn)有上位機軟件，在主流組態(tài)軟件中集成驅(qū)動，使用簡便。
⑤使用工業(yè)級模塊，+6V～+26V寬范圍供電，多重軟硬件可靠設(shè)計，復(fù)合式看門狗技術(shù)，使設(shè)備安全運行，可適應(yīng)高溫和低溫工作環(huán)境，溫度范圍-25℃~+70℃。
2．3主控芯片介紹
車載組件和站臺組件選擇STC15F1K28AD芯片為主控芯片，管腳分布見圖2。STC15F1K28AD單片機是宏晶科技設(shè)計生產(chǎn)的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/高可靠/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機。這款芯片有以下特點：
圖2 STC15F1K28AD管腳分布圖
①高速：增強型8051CPU，1T，單時鐘/機器周期，速度比普通8051快6～12倍。
②工作電壓寬：可以5.5～3.8V之間正常工作（5V單片機）。
③內(nèi)部高可靠復(fù)位：8級可選復(fù)位門檻電壓，可徹底省掉外部復(fù)位電路。
④內(nèi)置高精度R/C時鐘，±1%溫漂（-40℃～+85℃），常溫下溫漂5%，內(nèi)部時鐘從5MHz～35MHz。
⑤低功耗設(shè)計：低速模式，空閑模式，掉電模式/停機模式(可由外部中斷喚醒）支持掉電喚醒的管腳：INT0/P3.2，INT1/P3.3。
3． 站臺組件的硬件電路組成
本系統(tǒng)的電路很簡潔，關(guān)鍵核心部件都選用成熟可靠的成品模塊，其中站臺組件和車載組件選用了相同的主控芯片和ZigBee數(shù)傳模塊，所以電路基本相同。
圖3 探測部分的主控、測溫和測光電路
本文以站臺組件的電路為例進行說明。路設(shè)計時就沒有外接晶振。利用穩(wěn)壓芯片ASM117S來提供5V電源。二極管D1是用來防止電源反接的。電容C1、C2、C3和C4是用來進行電源濾波的，其中需要注意的是電容要按照大小搭配使用的原則，這樣能取得更好的濾波效果。電容C5和C6在布板的時候要緊挨著主控芯片，這樣既能有好的濾波效果還能起到去耦作用。電阻R4和電容C7組合形成一個上電復(fù)位電路，用來對主控芯片進行上電復(fù)位。
3．2站臺組件的無線接收和發(fā)送
圖4 站臺組件的無線發(fā)送和接收電路
電路圖4所示的是站臺組件的無線發(fā)送和接收電路。U3是ZigBee數(shù)傳模塊，利用該模塊能夠?qū)崿F(xiàn)串口數(shù)據(jù)和ZigBee數(shù)據(jù)透明互傳。R5、R6、R7、D1、D2和D3組成ZigBee數(shù)傳模塊的工作狀態(tài)指示電路，分別用來指示無線網(wǎng)絡(luò)的連接情況、通訊情況和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量信息。U4是看門狗芯片，通過和外圍的元器件的配合來實現(xiàn)轉(zhuǎn)換模塊的上電復(fù)位功能和死機喚醒功能，R8是限流電阻，R9是上拉電阻，確保正常情況下看門狗不會復(fù)位。電容C8是看門狗芯片的電源去耦合電容。
U5是串口LED顯示屏，要顯示的文字和位置信息通過串口進入，就能在屏幕上相應(yīng)的位置顯示想要顯示的文字。
U6是DTU設(shè)備，它將串口接收的信息傳輸通過3G網(wǎng)絡(luò)傳輸給下一個站臺和公交控制中心。
3．4主控模塊的軟件設(shè)計
在這模塊的軟件設(shè)計中我們首先要設(shè)計一個合理的通訊機制，那么需要考慮在實際應(yīng)用場合中的幾點特殊情況：
① 正常運行過程中，不應(yīng)該不斷地發(fā)送數(shù)據(jù)，減少道路無線干擾；
②公交站點節(jié)點采用電池供電，需要休眠，如果進入休眠狀態(tài)的時間控制得不合理，那么很有可能錯過與公交車的數(shù)據(jù)交互，為此，我們通過分析，來制定基站節(jié)點的休眠時隙。
③實際可用的交互時間：因為不同的ZigBee節(jié)點的通訊范圍不一樣，我們?nèi)∫粋€例子作為分析樣本，ZigBee數(shù)傳模塊，安裝上2dbi的天線，信號單邊覆蓋范圍為200米，考慮到公交車內(nèi)的發(fā)送節(jié)點受到車體的阻隔，我們將單邊覆蓋范圍縮短為100米，公交車的車速一般在50公里每小時以內(nèi)，也就是13M/S，加上車進站會減速，粗略計算下來，至少有10秒鐘的時間，可以和公交站臺的節(jié)點通訊。考慮到公交站臺節(jié)點要采用電池供電，公交車在運行過程中盡量不向外輻射信號，以及實際可用于交互的時間，本方案采用的機制如圖5所示。
圖5 模塊工作時間圖
基站每隔3秒醒來，廣播發(fā)送三次信息，每次間隔100ms，公交車節(jié)點收到來自基站的數(shù)據(jù)就以100ms間隔不斷發(fā)送本車的數(shù)據(jù)信息請求，直到站臺節(jié)點回復(fù)數(shù)據(jù)，確認信號，才停止。數(shù)據(jù)交互的一個來回，時間可以控制在15ms以內(nèi)，只要公交車節(jié)點碰上一個醒來的時間，就能完成數(shù)據(jù)交互，即使有多臺公交車同時通訊。軟件的設(shè)計是通過C語言來實現(xiàn)的，整個程序設(shè)計包括顯示、接收、信息處理、收發(fā)等程序，限于篇幅這里只給出車載組件和顯示組件的程序流程圖，圖6是探測部分的車載組件的流程圖，圖7是站臺組件的程序流程圖。
圖6 車載組件的程序流程圖
圖7 主控部分的程序流程圖
4． 結(jié)束語
城市智能公交系統(tǒng)隨著快速公交系統(tǒng)BRT（BusRapidTransit）的普及，帶來了新一輪的公交智能信息化，而乘借物聯(lián)網(wǎng)的浪潮，智能感知、物物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)運用也對智能公交系統(tǒng)躍躍欲試，本公交報站系統(tǒng)就正好迎合了這個趨勢，它集中運用了3G、ZigBee和移動互聯(lián)網(wǎng)等最新的技術(shù)，具有報站準(zhǔn)確、成本低廉，維護簡單等優(yōu)點、具有廣泛的市場前景。