基于物聯(lián)網(wǎng)的公交信息發(fā)布系統(tǒng)

蔡雪東　朱一峰

摘 要：本文致力研究基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交信息發(fā)布系統(tǒng)，物聯(lián)網(wǎng)是具有整合感知識別，傳輸互聯(lián)和計算處理功能，是新一代信息技術(shù)的高度集成。本文以ZigBee為無線通信框架，主要由主控中心，站點(diǎn)終端，車載終端組成。以公交到站時間預(yù)測為出發(fā)點(diǎn)，對其預(yù)算進(jìn)行深度分析，以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為基礎(chǔ)，實現(xiàn)路況的實時預(yù)測和顯示，這樣會解決城市存在的諸多交通問題。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；ZigBee；公交信息發(fā)布；智能交通系統(tǒng)；系統(tǒng)設(shè)計

1 引言

21世紀(jì)將是公路交通智能化的世紀(jì)，人們?yōu)榱私鉀Q社會生活中的各種交通不便將要采用智能交通系統(tǒng)，智能交通的發(fā)展將解決一個嚴(yán)重的的交通堵塞問題。所謂的物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過射頻識別、紅外感應(yīng)器、全球定位系統(tǒng)、激光掃描器等信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，把任何物品與互聯(lián)網(wǎng)連接起來，進(jìn)行信息交換和通訊，以實現(xiàn)智能化識別、定位、跟蹤、監(jiān)控和管理的一種網(wǎng)絡(luò)[1]。在“十二五”規(guī)劃之后，物聯(lián)網(wǎng)成熟之時，使用物聯(lián)網(wǎng)構(gòu)成智能交通網(wǎng)絡(luò)，也必是解決交通問題的最佳途徑，也必然給我們生活帶來巨大變化。

2 系統(tǒng)的總體設(shè)計

優(yōu)先發(fā)展城市的公共交通系統(tǒng)對緩解城市道路交通壓力有著不可或缺的作用，通過對公交系統(tǒng)的信息化和智能化可以有效提高整個系統(tǒng)的運(yùn)行效率和服務(wù)水平。公交車輛到站時間作為乘客最為關(guān)心的公交信息之一，可以有效減少乘客候車時間，極少出行過程中浪費(fèi)的時間，同時也加強(qiáng)了公交服務(wù)水平，很大程度上提高了人們在出行時選擇公交的概率。

在日常生活中，我們經(jīng)?？梢钥吹接械罔F報時，輕軌報時，但是為什么很少有公交報時呢？在此總結(jié)幾下幾點(diǎn)原因：（1）道路狀況復(fù)雜，點(diǎn)對點(diǎn)檢測不易；（2）不一樣的時間段道路擁堵情況不一樣；（3）公路突發(fā)狀況多；（4）實時性很難把握。在文中，我們提出了可行性辦法，由于堵車之后無法對公交車進(jìn)行測速，換個角度，我們把注意力轉(zhuǎn)移到了道路的通堵情況的檢測，對路況和距離進(jìn)行檢測。這是公交信息發(fā)布系統(tǒng)的可實現(xiàn)關(guān)鍵之處。因此設(shè)計了如下方案：

本文采用mega128[2]及飛思卡爾xs128[3]單片機(jī)為系統(tǒng)核心，以紅外對管為采集手段，以12864液晶屏為顯示裝置，無線模塊則采用ZigBee和藍(lán)牙，外加其他系統(tǒng)模塊為一體作為系統(tǒng)模型。在每輛交通車輛上安裝由紅外發(fā)射管和兩片555定時器構(gòu)成的車載終端。當(dāng)行駛車輛依次通過接收管時，接收管將接收到的每輛車所特有的編碼信號轉(zhuǎn)變?yōu)榕c之對應(yīng)模擬信號，模擬信號經(jīng)過濾波放大電路無線傳遞給CPU（xs128），此處的CPU（xs128）也就相當(dāng)于系統(tǒng)的主控中心，在主控中心中，由于要對眾多的道路信息進(jìn)行采集、計算、分析任務(wù)繁重，計算量大，因此對于此部分的CPU要求很高，普通的8位機(jī)難以達(dá)到要求，而32位性能高，可靠性好，但成本高，功耗也相對較大，因此我們采用16位的單片機(jī)。CPU（xs128）應(yīng)用AD、輸入捕捉等功能對接收到的信號進(jìn)行處理，然后計算分析進(jìn)而得出每輛車的行駛速度、到達(dá)時間以及道路的交通狀況，這就起到了交通信息中心的作用，CPU（xs128）把這些得到數(shù)據(jù)通過無線傳輸模塊傳遞給CPU（mega128）即站點(diǎn)終端。CPU（meag128）通過控制12864液晶顯示屏、無線發(fā)送模塊（藍(lán)牙、ZigBee等）對所接收到的信息進(jìn)行發(fā)布?？傇O(shè)計圖如下：

3 模塊化設(shè)計

3.1 紅外通信檢測模塊

為了更加方便、快速的掌握車輛信息和道路交通擁堵狀況，對各個車輛實時準(zhǔn)確定位和跟蹤，并且及時、高效的處理各種突發(fā)事件，這就要求我們能夠找到一種可以區(qū)分各個車輛信息狀況的裝置，以此來了解各項信息。對此我們選擇在可視范圍內(nèi)遙控設(shè)備、無線傳輸信息最廉價的方式紅外線傳輸。所以我們選擇紅外對管和紅外接收管[4]。

將接收管安裝在每一汽車上，并通過兩片555芯片對其所發(fā)射的紅外信號進(jìn)行編碼，構(gòu)成車載終端。其中一片555產(chǎn)生頻率為38K的載波，另一片555芯片產(chǎn)生頻率遠(yuǎn)低于38K且唯一的信號作為調(diào)制信號，調(diào)制好形成每一輛汽車所獨(dú)有的紅外信號。當(dāng)接收管接收到汽車發(fā)射的紅外信號時經(jīng)過濾波放大傳遞給CPU（xs128）。由于每輛車所編碼出的信號不同，故CPU（xs128）可據(jù)此判別出每輛車行駛情況，且可以對車輛進(jìn)行定位跟蹤。

3.2 ZigBee無線通信模塊

ZigBee網(wǎng)絡(luò)含3種類型的節(jié)點(diǎn)，即協(xié)調(diào)器、路由器和終端設(shè)備，支持星狀、樹狀和網(wǎng)狀3種網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。從ZigBee協(xié)議特點(diǎn)可以看出，將ZigBee無線傳感網(wǎng)絡(luò)用于智能交通[6]控制系統(tǒng)具有以下特點(diǎn)：短距離、小范圍傳輸，具有成本優(yōu)勢，并且組網(wǎng)簡單可靠；經(jīng)過合理布局，在一個市區(qū)內(nèi)能做到無任何通訊盲區(qū)，利用其地理定位的功能，便于對城市交通進(jìn)行管理監(jiān)督[5]。在整個系統(tǒng)控制中，ZigBee網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)通信速率可達(dá)到250Kpbs，完全能夠滿足我們數(shù)據(jù)傳送的要求。

在論文中站點(diǎn)終端將采集到的車輛信息，采用譯站式網(wǎng)絡(luò)傳輸方式通過站點(diǎn)終端ZigBee從節(jié)點(diǎn)發(fā)送給位于主控中心的ZigBee主節(jié)點(diǎn)。本文采用ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)，可以不斷地對其網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新，其中定位引擎是根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)中臨近紅外信號強(qiáng)度，計算公交車位置，根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境合理布局，組成網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)[6]。具有卓越的物理性能，整個網(wǎng)絡(luò)是免費(fèi)的頻段，傳輸方式采用廣播的數(shù)據(jù)傳輸方式，它是網(wǎng)絡(luò)的一個節(jié)點(diǎn)向其它節(jié)點(diǎn)發(fā)送的過程，一個節(jié)點(diǎn)接收到一個廣播幀時首先檢查幀中的目的地址和自己的設(shè)備類型是否相符。不相符則丟棄；相符的話設(shè)備從本地廣播事務(wù)表中查找相應(yīng)的廣播事務(wù)記錄，若存在，則對其進(jìn)行更新；若不存在，則檢查廣播事務(wù)表中是否有空的或者過期的廣播事務(wù)記錄項。如果沒有，則丟棄廣播幀；若有則添加新的廣播事務(wù)記錄項并將廣播幀提交到高層進(jìn)行處理。具體算法如下：本文采用ZigBee自組織網(wǎng)絡(luò)，可以不斷地對其網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行刷新，其中定位引擎是根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)中臨近紅外信號強(qiáng)度，計算公交車位置，根據(jù)實際應(yīng)用環(huán)境合理布局，組成網(wǎng)狀拓?fù)渚W(wǎng)絡(luò)。在每隔一段距離設(shè)立ZigBee主節(jié)點(diǎn)，在道路周邊設(shè)立大量的從節(jié)點(diǎn)，而每個主節(jié)點(diǎn)最多能控制254個從節(jié)點(diǎn)，每254個中心節(jié)點(diǎn)又可以管理254個主節(jié)點(diǎn)，這樣在各層之間組成了級網(wǎng)，以無線的方式從低到高傳輸?shù)腪igBee主節(jié)點(diǎn)，再由主節(jié)點(diǎn)傳輸?shù)街行墓?jié)點(diǎn)，將所得得到的數(shù)據(jù)送入數(shù)據(jù)控制中心經(jīng)過處理，然后通過同樣的網(wǎng)絡(luò)傳輸方式將此數(shù)據(jù)通過ZigBee主節(jié)點(diǎn)返回到ZigBee從節(jié)點(diǎn)，站點(diǎn)終端對接收到的數(shù)據(jù)通過液晶顯示屏進(jìn)行發(fā)布。

3.3 Bluetooth無線模塊

我們在站點(diǎn)終端同樣安裝藍(lán)牙裝置，這樣人們就可以通過藍(lán)牙連接來獲取各種交通信息。互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，已經(jīng)與人們的生活密切相關(guān)，人們可以在互聯(lián)網(wǎng)上查到所需的各種信息，藍(lán)牙都是他們所必不可少的功能。

在本文中，每一個站點(diǎn)終端都會實時的通過12864液晶顯示屏、藍(lán)牙傳輸模塊不斷的發(fā)布主控中心傳來的各種交通信息，人們只需要在手機(jī)上下載一個專用軟件就可在藍(lán)牙的傳輸范圍內(nèi)查看各種交通信息，且不需支付任何費(fèi)用。我們采用微微網(wǎng)來實現(xiàn)藍(lán)牙無線通信。每個微微網(wǎng)只有一個主設(shè)備，一個主設(shè)備最多可以同時與七個從設(shè)備同時進(jìn)行通信，多個藍(lán)牙設(shè)備組成微微網(wǎng)，散射網(wǎng)是多個微微網(wǎng)相互連接所形成的比微微網(wǎng)覆蓋范圍更大的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是不同的微微網(wǎng)之間有互聯(lián)的藍(lán)牙設(shè)備。采取基于BER模式的數(shù)據(jù)傳輸算法，在藍(lán)牙應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸中采用比特誤碼率（Bit Error Rate ，BER）進(jìn)行描述傳輸?shù)馁|(zhì)量，BER值越大表示通訊過程中誤碼率越高。當(dāng)前藍(lán)牙應(yīng)用中采用的數(shù)據(jù)傳輸算法，為簡化藍(lán)牙網(wǎng)的連接管理，未考慮具體通訊鏈路中BER的變化，在整個傳輸過程中均采用單一鏈路幀方式，導(dǎo)致傳輸效率不高。因此，我們采用BER參數(shù)描述當(dāng)外界環(huán)境變化，并根據(jù)BER參數(shù)動態(tài)選用不同類型的數(shù)據(jù)包，可改善在環(huán)境變化劇烈時造成數(shù)據(jù)傳輸大幅下降的情況。

4 智能公交信息系統(tǒng)的組成

5 系統(tǒng)制作與調(diào)試結(jié)果

為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能驗證試驗，本課題搭建了一個1：150的道路交通沙盤模型，完成了設(shè)計與制作。由于條件所限，本論文主要通過沙盤模型的方式來進(jìn)行演示。

5.1 道路通堵狀況顯示

在道路大量車輛長時間停止不前時，液晶顯示目前道路擁擠，在道路暢通時，液晶顯示道路暢通。通過無線通信發(fā)布公交信息和道路通堵狀況。

5.2 藍(lán)牙顯示

手機(jī)藍(lán)牙演示在站點(diǎn)終端的藍(lán)牙覆蓋范圍內(nèi)，人們可通過手機(jī)藍(lán)牙與站點(diǎn)終端藍(lán)牙建立連接，獲取最新的各項公交信息。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張莉莉，史鵬飛，陳劍.物聯(lián)網(wǎng)在智能交通中的應(yīng)用研究.中國科技博覽，2010（25）.

[2]AVR單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊.

[3]飛思卡爾9x12xs128單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊.

[4]唐文彥.傳感器.（第四版）.機(jī)械工業(yè)出版社.2007.

[5]zigbee詳細(xì)技術(shù)解析.互聯(lián)網(wǎng)，2012-02-13.

[6]Commision of the European Communities.（internet of things）An Action Plan for Europe. 1stEdition[M].Brussels： COM（2009）278.2009：1-12.

3.3 Bluetooth無線模塊

我們在站點(diǎn)終端同樣安裝藍(lán)牙裝置，這樣人們就可以通過藍(lán)牙連接來獲取各種交通信息。互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，已經(jīng)與人們的生活密切相關(guān)，人們可以在互聯(lián)網(wǎng)上查到所需的各種信息，藍(lán)牙都是他們所必不可少的功能。

在本文中，每一個站點(diǎn)終端都會實時的通過12864液晶顯示屏、藍(lán)牙傳輸模塊不斷的發(fā)布主控中心傳來的各種交通信息，人們只需要在手機(jī)上下載一個專用軟件就可在藍(lán)牙的傳輸范圍內(nèi)查看各種交通信息，且不需支付任何費(fèi)用。我們采用微微網(wǎng)來實現(xiàn)藍(lán)牙無線通信。每個微微網(wǎng)只有一個主設(shè)備，一個主設(shè)備最多可以同時與七個從設(shè)備同時進(jìn)行通信，多個藍(lán)牙設(shè)備組成微微網(wǎng)，散射網(wǎng)是多個微微網(wǎng)相互連接所形成的比微微網(wǎng)覆蓋范圍更大的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是不同的微微網(wǎng)之間有互聯(lián)的藍(lán)牙設(shè)備。采取基于BER模式的數(shù)據(jù)傳輸算法，在藍(lán)牙應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸中采用比特誤碼率（Bit Error Rate ，BER）進(jìn)行描述傳輸?shù)馁|(zhì)量，BER值越大表示通訊過程中誤碼率越高。當(dāng)前藍(lán)牙應(yīng)用中采用的數(shù)據(jù)傳輸算法，為簡化藍(lán)牙網(wǎng)的連接管理，未考慮具體通訊鏈路中BER的變化，在整個傳輸過程中均采用單一鏈路幀方式，導(dǎo)致傳輸效率不高。因此，我們采用BER參數(shù)描述當(dāng)外界環(huán)境變化，并根據(jù)BER參數(shù)動態(tài)選用不同類型的數(shù)據(jù)包，可改善在環(huán)境變化劇烈時造成數(shù)據(jù)傳輸大幅下降的情況。

4 智能公交信息系統(tǒng)的組成

5 系統(tǒng)制作與調(diào)試結(jié)果

為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能驗證試驗，本課題搭建了一個1：150的道路交通沙盤模型，完成了設(shè)計與制作。由于條件所限，本論文主要通過沙盤模型的方式來進(jìn)行演示。

5.1 道路通堵狀況顯示

在道路大量車輛長時間停止不前時，液晶顯示目前道路擁擠，在道路暢通時，液晶顯示道路暢通。通過無線通信發(fā)布公交信息和道路通堵狀況。

5.2 藍(lán)牙顯示

手機(jī)藍(lán)牙演示在站點(diǎn)終端的藍(lán)牙覆蓋范圍內(nèi)，人們可通過手機(jī)藍(lán)牙與站點(diǎn)終端藍(lán)牙建立連接，獲取最新的各項公交信息。

[參考文獻(xiàn)]

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[4]唐文彥.傳感器.（第四版）.機(jī)械工業(yè)出版社.2007.

[5]zigbee詳細(xì)技術(shù)解析.互聯(lián)網(wǎng)，2012-02-13.

[6]Commision of the European Communities.（internet of things）An Action Plan for Europe. 1stEdition[M].Brussels： COM（2009）278.2009：1-12.

3.3 Bluetooth無線模塊

我們在站點(diǎn)終端同樣安裝藍(lán)牙裝置，這樣人們就可以通過藍(lán)牙連接來獲取各種交通信息?；ヂ?lián)網(wǎng)發(fā)展迅速，已經(jīng)與人們的生活密切相關(guān)，人們可以在互聯(lián)網(wǎng)上查到所需的各種信息，藍(lán)牙都是他們所必不可少的功能。

在本文中，每一個站點(diǎn)終端都會實時的通過12864液晶顯示屏、藍(lán)牙傳輸模塊不斷的發(fā)布主控中心傳來的各種交通信息，人們只需要在手機(jī)上下載一個專用軟件就可在藍(lán)牙的傳輸范圍內(nèi)查看各種交通信息，且不需支付任何費(fèi)用。我們采用微微網(wǎng)來實現(xiàn)藍(lán)牙無線通信。每個微微網(wǎng)只有一個主設(shè)備，一個主設(shè)備最多可以同時與七個從設(shè)備同時進(jìn)行通信，多個藍(lán)牙設(shè)備組成微微網(wǎng)，散射網(wǎng)是多個微微網(wǎng)相互連接所形成的比微微網(wǎng)覆蓋范圍更大的藍(lán)牙網(wǎng)絡(luò)，其特點(diǎn)是不同的微微網(wǎng)之間有互聯(lián)的藍(lán)牙設(shè)備。采取基于BER模式的數(shù)據(jù)傳輸算法，在藍(lán)牙應(yīng)用的數(shù)據(jù)傳輸中采用比特誤碼率（Bit Error Rate ，BER）進(jìn)行描述傳輸?shù)馁|(zhì)量，BER值越大表示通訊過程中誤碼率越高。當(dāng)前藍(lán)牙應(yīng)用中采用的數(shù)據(jù)傳輸算法，為簡化藍(lán)牙網(wǎng)的連接管理，未考慮具體通訊鏈路中BER的變化，在整個傳輸過程中均采用單一鏈路幀方式，導(dǎo)致傳輸效率不高。因此，我們采用BER參數(shù)描述當(dāng)外界環(huán)境變化，并根據(jù)BER參數(shù)動態(tài)選用不同類型的數(shù)據(jù)包，可改善在環(huán)境變化劇烈時造成數(shù)據(jù)傳輸大幅下降的情況。

4 智能公交信息系統(tǒng)的組成

5 系統(tǒng)制作與調(diào)試結(jié)果

為了實現(xiàn)系統(tǒng)功能驗證試驗，本課題搭建了一個1：150的道路交通沙盤模型，完成了設(shè)計與制作。由于條件所限，本論文主要通過沙盤模型的方式來進(jìn)行演示。

5.1 道路通堵狀況顯示

在道路大量車輛長時間停止不前時，液晶顯示目前道路擁擠，在道路暢通時，液晶顯示道路暢通。通過無線通信發(fā)布公交信息和道路通堵狀況。

5.2 藍(lán)牙顯示

手機(jī)藍(lán)牙演示在站點(diǎn)終端的藍(lán)牙覆蓋范圍內(nèi)，人們可通過手機(jī)藍(lán)牙與站點(diǎn)終端藍(lán)牙建立連接，獲取最新的各項公交信息。

[參考文獻(xiàn)]

[1]張莉莉，史鵬飛，陳劍.物聯(lián)網(wǎng)在智能交通中的應(yīng)用研究.中國科技博覽，2010（25）.

[2]AVR單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊.

[3]飛思卡爾9x12xs128單片機(jī)數(shù)據(jù)手冊.

[4]唐文彥.傳感器.（第四版）.機(jī)械工業(yè)出版社.2007.

[5]zigbee詳細(xì)技術(shù)解析.互聯(lián)網(wǎng)，2012-02-13.

[6]Commision of the European Communities.（internet of things）An Action Plan for Europe. 1stEdition[M].Brussels： COM（2009）278.2009：1-12.