基于GPRS/GPS/GIS/Zigbee的智能公交系統(tǒng)設計

楊 光，張萬江

（沈陽建筑大學 信息與控制工程學院，遼寧 沈陽110168）

智能交通系統(tǒng)ITS(Intelligent Transport System)是指將先進的通信技術、自動控制技術、計算機技術等綜合地應用于交通管理體系，從而建立一種全方位發(fā)揮作用的實時、準確、高效的交通綜合管理和控制系統(tǒng)。

美國在20世紀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)象加劇等實際國情，必須要在交通管理調度的信息化、智能化上加大研發(fā)力度。近年來，國內ITS的研究與應用得到了較快的發(fā)展，取得了一定的成果[1]。

本文基于 GPS、GPRS、GIS、Zigbee以及傳感器技術設計了一種智能公共交通監(jiān)控系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)的結構及功能

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)結構如圖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。此裝置可放在車內司機操作面板上。裝置內的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，單片機將這些數(shù)據(jù)進行簡單的處理分析，通過GPRS模塊，經過GSM無線網(wǎng)絡把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ǖ姆掌魃?。車載終端可實現(xiàn)自動報站功能。

1.2 公交系統(tǒng)監(jiān)控中心

公交監(jiān)控中心的一個基礎裝置是服務器，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)控中心能夠實時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)車間隔進行實時調整，也可以通過這些數(shù)據(jù)對司機進行績效考核。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)的運力調整和車輛調配的分析提供數(shù)據(jù)支持。服務器再將公交車的位置信息、速度信息以及公交車內的擁擠程度信息發(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、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，PC機分析處理這些數(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行決策。例如當看到自己即將乘坐的車還有很遠，且行車速度很慢，可以考慮是否換乘其他路線車輛進行倒車來到達目的地；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目的地。

由于大多數(shù)城市沒有實現(xiàn)快速公交系統(tǒng)BRT（Bus Rapid Transit），城市公交沒有專用線路，而且國內的大城市堵車現(xiàn)象比較嚴重，所以本文不設計預測公交車到達下一站還有多長時間的功能。由于交通擁堵情況無法掌控，所以預測公交車到站時間也沒有實際意義。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)硬件設計方案

2.1 車載設備

在硬件設計方面，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進行通信，GPS模塊不與單片機直接連接，而是通過GPRS模塊的UART與單片機進行通信。

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系依不同彈簧片的性質決定。通過鋼板彈簧的形變量計算出車的載重量。鋼板彈簧彈性形變?yōu)榉蔷€性，較為復雜，本文不作詳細說明。鋼板彈簧的結構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)幀中帶有設定好的編碼，接收端接收之后，會對發(fā)送來的編碼進行核對，若不是預先設定好的模塊編碼發(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，單片機將這些數(shù)據(jù)進行處理。為了降低單片機的功耗，提高單片機的處理速度，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算載重量。單片機內的程序存儲器預先輸入每個公交站點的地理位置信息，即經緯度信息。由于GPS定位精度較低，單片機收到GPS模塊傳輸過來的地理位置信息之后，將前20個經緯度信息做求和計算，算出經緯度的平均值。用此平均值與預先輸入的公交站的經緯度作對比，若車距離公交站在一定范圍之內，實現(xiàn)自動報站，避免出現(xiàn)公交司機漏報錯報的現(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)通過基站和運營商的傳輸設備以及APN專線傳送至指定的監(jiān)控中心服務器的IP地址上，監(jiān)控中心再對接收到的數(shù)據(jù)進行處理。GPRS模塊與服務器之間建立套接字連接，采用的協(xié)議為TCP/IP協(xié)議。單片機輸出為CMOS電平，Telit的GM862和SIMcom的SIM548C都為COMS電平，CMOS電路的驅動電流較小，不能直接驅動TTL電路?？刹捎肅C4049電平轉換器進行CMOS電平和TTL電平的轉化?？刂撇糠謶捎脦в须pUART的單片機。車載設備系統(tǒng)結構圖如圖3所示。

2.2 公交監(jiān)控中心

監(jiān)控中心服務器是用一個2 M的APN專線接入到手機運營商的GPRS/GSM網(wǎng)絡，雙方的因特網(wǎng)路由器之間用一個固定私有IP地址廣域連接，在GGSN和移動互聯(lián)網(wǎng)路由器之間用GRE通道，移動網(wǎng)絡的使用者被分配了一個專用的APN[6]。利用專用APN能夠較為迅速地接收通過車載終端的GPRS模塊發(fā)送過來的數(shù)據(jù)信息。提取相關信息，如車輛的位置、速度、鋼板彈簧與車體的距離值。通過計算得出車體的載重量，將數(shù)據(jù)發(fā)送至GIS軟件里，GIS軟件進行數(shù)據(jù)處理并顯示?？稍诒O(jiān)控室的大屏幕上顯示。

2.3 公交車站電子站牌

公交站的GPRS模塊接收來自公交監(jiān)控中心服務器定時傳輸來的數(shù)據(jù)，可以通過串口傳給PC機，為增強系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最好將GPRS模塊的外圍電路板設計成PCI接口類型。電路板直接連接至主板的PCI接口。PC機數(shù)據(jù)處理過程和所用軟件與監(jiān)控中心類似。PC機將經過處理的數(shù)據(jù)傳輸給液晶顯示器，供乘客查看。

3 系統(tǒng)軟件設計方案

對于公交監(jiān)控中心服務器與公交車站的PC機軟件開發(fā)問題，應全面考慮各方面的因素。對于軟件開發(fā)而言，一個良好的開發(fā)環(huán)境關系著開發(fā)的效率和軟件運行的穩(wěn)定性，因此選擇了Microsoft Visual C++6.0(以下簡稱VC++)進行開發(fā)。而監(jiān)控中心窗口的電子地圖與公交車站的電子站牌的電子地圖由GIS軟件MapInfo來完成。然后通過OLE技術將Maplnfo地圖與VC++進行集成[7]。

為了更好地被人眼區(qū)分，監(jiān)控中心和公交車站的電子地圖上選用色相差為 45°或 45°以上的幾種顏色方框表示公交車的載重量（擁擠程度）。依次為綠色、黃色、橙色、紅色，四種顏色的色相差分別為 60°、45°、45°，色相差較大，在人眼的分辨能力以內，正常人眼睛能夠較為容易地分辨出以上四種顏色。其中，綠色表示公交車為空載，黃色表示公交車介于空載和滿載之間，橙色表示公交車滿載（即擁擠），紅色表示公交車超載（即極度擁擠）。方框內顯示公交車的速度信息。可以通過此速度和距離信息對到站時間做大概的預測。

本文介紹的公交車輛監(jiān)控及電子站牌系統(tǒng)，使乘客和公交管理人員能夠實時直觀地看到公交車輛的運行情況，公交管理者可以根據(jù)監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)進行車輛和線路的優(yōu)化，為日后提供更好的城市交通服務。乘客也可根據(jù)電子站牌上公交車的位置顯示來重新評估自己的行程安排。考慮到實際情況，如車的振動對距離傳感器的影響、距離傳感器防水性及供電電源的穩(wěn)定性、車載終端的抗震動等情況，若要對穩(wěn)定性要求極高的話，最好采用SIM卡固定IP綁定，這需要考慮移動運營商的支持和費用問題。實際運用中還有很多問題需要結合實際情況解決。

[1]張鳳傳，苗玉彬，劉印鋒，等.基于 GPS/GPRS/GIS的智能公交監(jiān)控系統(tǒng)[J].計算機工程，2008，34（22）：227-279.

[2]張勤，李家權.GPS測量原理及應用[M].北京：科學出版社，2005.

[3]CHITRE V A，DAIGLE J N.Performance of IP-based services over GPRS[J].IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS，2003，52（6）：727-741.

[4]高建新.GIS近期發(fā)展趨勢綜述[J].測繪科技情報，2003，28（5）：15-18.

[5]王中生，曹琦.基于Zigbee技術的無線定位研究與實現(xiàn)[J].計算機技術與發(fā)展，2010（12）：189-192.

[6]Wu Wenhong，Wu Wenjun，Wu Xinping.Research on longrange and metering reading for water meter based on GPRS[C].2010 2nd International Conference on Computer Engineering and Technology，978-1-4244-6349-7/10/2010 IEEE.

[7]曾潔，朱曉娜，張德營，等.基于 GPS技術的公交車輛監(jiān)控調度系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)[J].大連交通大學學報，2010，31（4）：5-8.