基于GPS、紅外傳感和Zigbee的智能公交車載終端設(shè)計(jì)

【摘 要】本文介紹了一種基于GPS定位、紅外線人數(shù)統(tǒng)計(jì)以及Zigbee無線通信的智能公交車載終端的設(shè)計(jì)，可實(shí)現(xiàn)公交車的實(shí)時(shí)定位、運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、到站時(shí)間預(yù)測、車廂擁擠程度播報(bào)以及道路擁堵情況反饋等功能。

【關(guān)鍵字】智能公交、GPS、Zigbee、紅外傳感技術(shù)

一、引言

隨著我國的城市發(fā)展速度越來越快，城市人口密度和道路車輛的密度逐年上升，導(dǎo)致城市交通壓力變大，交通擁堵成為同時(shí)困擾政府和市民的問題。在解決這個(gè)問題的諸多手段中，智能公交系統(tǒng)無疑成為了一種環(huán)保、便捷的解決方案。

智能公交系統(tǒng)指的是運(yùn)用先進(jìn)的檢測、通信技術(shù)，以智能公交終端和中央管理系統(tǒng)，為了實(shí)現(xiàn)基礎(chǔ)的公交實(shí)時(shí)信息的采集分析和統(tǒng)一管理而設(shè)計(jì)的公交系統(tǒng)從功能上，智能公交系統(tǒng)可以為市政交通管理部門提供一個(gè)準(zhǔn)確的公交定位圖，方便公交的管理和調(diào)度，還可以綜合實(shí)時(shí)的公交定位信息和擁擠狀況，為乘客進(jìn)行智能路線規(guī)劃。本文提供了一種由GPS定位模塊，基于紅外傳感器的擁擠測量模塊和Zigbee無線通信模塊組成的智能終端設(shè)計(jì)方案。

二、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

若要實(shí)現(xiàn)智能公交系統(tǒng)對于該終端的要求，模塊之間的關(guān)系應(yīng)當(dāng)緊密可靠，分工明確。本文所述終端主要分為三個(gè)模塊：GPS定位模塊負(fù)責(zé)采集車輛的位置、速度等信息，作為中央管理系統(tǒng)更新公交位置數(shù)據(jù)庫，分析路況的原始數(shù)據(jù)；擁擠測量模塊負(fù)責(zé)采集上下車的人流情況，作為中央管理系統(tǒng)分析車上擁擠情況的數(shù)據(jù)；無線通信模塊負(fù)責(zé)將數(shù)據(jù)發(fā)送給中央管理系統(tǒng)。三個(gè)系統(tǒng)之間采用UART互相連接，可以保證數(shù)據(jù)傳送的可靠和實(shí)時(shí)。三個(gè)模塊的關(guān)系如圖。

三、定位模塊

（一）定位方案。公交車的實(shí)時(shí)定位可以由車載GPS實(shí)現(xiàn)。由車載GPS獲得的車輛運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)具有數(shù)據(jù)量大、覆蓋的道路面積廣，以及可以反映實(shí)際道路交通狀況等特點(diǎn)，這些特點(diǎn)使得公交車車載GPS模塊成為了實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位、采集車輛和路況等數(shù)據(jù)以便進(jìn)一步分析利用的理想選擇。

（二）車載GPS技術(shù)。應(yīng)用公交車車載GPS設(shè)備采集道路交通數(shù)據(jù)的優(yōu)點(diǎn)在于：1無須新增道路設(shè)施，不會對環(huán)境產(chǎn)生負(fù)面影響；2監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)能實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地體現(xiàn)道路上交通流的運(yùn)動(dòng)；3定位精度較高，定位數(shù)據(jù)中包含行駛公交車在定位時(shí)刻的瞬時(shí)速度，可體現(xiàn)該道路車流的變化特征。我國交通擁堵問題十分嚴(yán)重，交通監(jiān)控設(shè)施不完善在很大程度上制約了交通管理水平的提高。

（三）模塊設(shè)計(jì)

1. 通信設(shè)計(jì)。針對公交車車載GPS定位這一解決方案所需的原材料和元器件有：GPS接收模塊 （C3-370C， 采用SiRFstar III代芯片，喘口輸出NMEA協(xié)議數(shù)據(jù)）通信方面，GPS模塊通過串口與MCU通信。

2.供電設(shè)計(jì)。供電方面，采用鋰電池（自帶過充過放保護(hù)電路）供電，由于GPS內(nèi)置了LDO（低壓差線性穩(wěn)壓器），所以直接與電池相連接。

四、擁擠測量模塊

（一）模塊設(shè)計(jì)。該模塊采用紅外光電傳感器采集原始數(shù)據(jù)，由于不能直接從原始數(shù)據(jù)得出車內(nèi)的乘客情況，因此需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，在本文所述終端中，數(shù)據(jù)可以直接在整合用的單片機(jī)中進(jìn)行簡單處理，也可以由無線通信模塊傳送給中央管理系統(tǒng)進(jìn)行處理。

1.數(shù)據(jù)采集。數(shù)據(jù)采集部分主要負(fù)責(zé)紅外原始數(shù)據(jù)的采集，這一子模塊的核心是紅外光電傳感器。根據(jù)實(shí)際需要，系統(tǒng)可以同時(shí)采用多個(gè)紅外光電傳感器同時(shí)采集數(shù)據(jù)。目前，紅外光電檢測技術(shù)是較為成熟的技術(shù)。通過紅外遮擋進(jìn)行計(jì)數(shù)的方法使用較為廣泛。紅外采集技術(shù)可以分為主動(dòng)式、被動(dòng)式兩種。主動(dòng)式紅外計(jì)數(shù)技術(shù)又分為對射式、反射式兩種。主動(dòng)紅外線對射式由發(fā)射頭和接收頭正對安裝組成。本文所設(shè)計(jì)的人流測試模塊需要在公交車每個(gè)車門處安裝一組對射式紅外光電傳感器，實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)每個(gè)車門處的乘客上下情況，將數(shù)據(jù)送給數(shù)據(jù)處理子模塊。

2.分析處理。紅外傳感器收集到的數(shù)據(jù)一般為開關(guān)信號，需要經(jīng)過一定的分析和處理才可以轉(zhuǎn)化為公交車上人數(shù)情況。數(shù)據(jù)的分析處理有多種辦法，本文采用比較簡單的單片機(jī)電路接收開關(guān)信號，整理出車上人流數(shù)量，可以直接顯示該數(shù)據(jù)，也可以通過通信系統(tǒng)傳輸給任意的中央處理系統(tǒng)以便得出更加準(zhǔn)確的數(shù)字。這樣的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)使得硬件部分比較簡單，成本較低，且擴(kuò)展性好，可以數(shù)據(jù)在中央管理系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)上實(shí)現(xiàn)任意的以紅外光電傳感器數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)的人流統(tǒng)計(jì)算法，如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法等。

五、通信模塊

（一）通信方案。通信模塊是本文所述的終端中必不可少的一環(huán)，它的作用是把GPS定位模塊和擁擠測量模塊采集到的信息傳輸給智能公交系統(tǒng)的信息處理中心，以幫助信息處理中心確定各公交車的位置，道路擁堵情況和公交車上乘客的擁擠情況。

（二）Zigbee技術(shù)。Zigbee技術(shù)是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低數(shù)據(jù)速率、低成本的雙向無線通信技術(shù)，是為了滿足小型廉價(jià)設(shè)備的無線聯(lián)網(wǎng)和控制而制定的。該技術(shù)的核心協(xié)議由 2000 年 12月成立的IEEE 802.15.4工作組制定，高層應(yīng)用、互聯(lián)互通測試和市場推廣由2002年8月組建的Zigbee聯(lián)盟負(fù)責(zé)。該技術(shù)具有功耗低、成本低、時(shí)延短、網(wǎng)絡(luò)容量大、安全性好等優(yōu)點(diǎn)。

（三）模塊設(shè)計(jì)。與Zigbee模塊配合的智能公交通信系統(tǒng)應(yīng)在站臺、公交線路上以500m-600m作為間隔部署Zigbee節(jié)點(diǎn)，公交車終端上的Zigbee模塊在經(jīng)過其他Zigbee節(jié)點(diǎn)時(shí)與之進(jìn)行通信，把信息通過Zigbee網(wǎng)絡(luò)傳遞給Sink節(jié)點(diǎn)，再由Sink節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)叫畔⒅行摹?/p>

Zigbee模塊與其他模塊的互聯(lián)可以采用UART，以保證其他模塊的信息的準(zhǔn)確實(shí)時(shí)的傳遞到Zigbee模塊。

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