物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下基于Arduino的智能公交系統(tǒng)模型設(shè)計(jì)

劉澤良，胡日新

（九江學(xué)院 電子工程學(xué)院，江西 九江 332005）

物聯(lián)網(wǎng)是由多種技術(shù)融合而成的新型技術(shù)體系［1］，它在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將任何時(shí)間、任何地點(diǎn)人與人之間的溝通和連接，擴(kuò)展到任何時(shí)間、任何地點(diǎn)人與物、物與物之間的交互和連接。物聯(lián)網(wǎng)體系結(jié)構(gòu)可分為“后端集中式”與“前端分布式”兩種類型［2］。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以為人們提供智能服務(wù)［3－5］，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、定位追溯、在線監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等功能。

為了在不擴(kuò)張路網(wǎng)規(guī)模的前提下提高交通路網(wǎng)的通行能力，智能交通系統(tǒng)（intelligent transportation system，ITS）研究受到重視［6］。智能交通系統(tǒng)通過(guò)綜合運(yùn)用信息通信技術(shù)、電子技術(shù)以及其他的科學(xué)技術(shù)，把道路、車輛等凡與交通有關(guān)的一切聯(lián)系起來(lái)，提高交通運(yùn)輸?shù)男?。中?guó)物聯(lián)網(wǎng)校企聯(lián)盟認(rèn)為，智能交通的發(fā)展與物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展密切相關(guān)，是物聯(lián)化體現(xiàn)。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展，將使智能交通系統(tǒng)越來(lái)越完善。

在充分調(diào)研當(dāng)前公交行業(yè)報(bào)站系統(tǒng)狀況的基礎(chǔ)上，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和Arduino的智能公交系統(tǒng)（以下簡(jiǎn)稱智能公交系統(tǒng)）模型。系統(tǒng)將各個(gè)終端節(jié)點(diǎn)的信息通過(guò)網(wǎng)關(guān)所接入的服務(wù)端進(jìn)行匯總，利用應(yīng)用程序進(jìn)行監(jiān)測(cè)并將信息反饋給各個(gè)節(jié)點(diǎn)的終端，不僅能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)站的功能，而且能夠?qū)卉嚫鞯秸厩闆r進(jìn)行處理，及時(shí)將公交車輛位置信息在車站顯示，使乘客及時(shí)了解有關(guān)信息，從而提升公交行業(yè)的信息化和智能化水平。

1 設(shè)計(jì)思路和方案

智能交通是一個(gè)基于現(xiàn)代電子信息技術(shù)、面向交通運(yùn)輸?shù)姆?wù)系統(tǒng)。它的突出特點(diǎn)是以信息的收集、處理、發(fā)布、交換、分析、利用為主線，為交通參與者提供多樣性的服務(wù)。智能公交系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)以RFID通信技術(shù)為基礎(chǔ)，以嵌入式系統(tǒng)作為硬件平臺(tái)，以通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為依托，以數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)作為后臺(tái)管理，包括完善的監(jiān)控中心軟件和智能車載終端的設(shè)計(jì)。智能公交系統(tǒng)的主要工作流程為：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、站點(diǎn)識(shí)別播報(bào)和終端顯示，它利用AVR單片機(jī)技術(shù)和RFID非接觸式自動(dòng)識(shí)別技術(shù)自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)并獲取相應(yīng)數(shù)據(jù)，將采集到的信息通過(guò)無(wú)線通信傳送到公交運(yùn)行中心，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)處理后再通過(guò)無(wú)線通信傳送至電子站牌，等候在公交車站的乘客就可以從電子站牌上獲得公交車輛的到站信息，例如公交車離本站還有幾站地距離，大約需要等待多長(zhǎng)時(shí)間等。

智能公交系統(tǒng)由電子標(biāo)簽、采集器、協(xié)調(diào)器、終端顯示、終點(diǎn)報(bào)站等5部分組成，綜合了RFID技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)和信息發(fā)布技術(shù)、顯示屏技術(shù)。安裝在公交車站的讀卡器將讀到的數(shù)據(jù)通過(guò)2.4GHz無(wú)線通信系統(tǒng)上傳至協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理，確定公交車運(yùn)行信息，再通過(guò)2.4GHz無(wú)線通信系統(tǒng)將信息發(fā)送到各個(gè)車站，實(shí)現(xiàn)對(duì)整條公交路線的管理。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

智能公交系統(tǒng)利用Arduino開(kāi)發(fā)板進(jìn)行開(kāi)發(fā)，Arduino開(kāi)發(fā)板的功能是對(duì)采集的信號(hào)進(jìn)行處理。Arduino的主控板就是一個(gè)單片機(jī)控制板，與其他單片機(jī)控制板并無(wú)本質(zhì)的區(qū)別。但是由于其擁有豐富的系列產(chǎn)品、大量的開(kāi)源軟件，讓Arduino得到了更為廣泛的應(yīng)用和支持［7－8］。Arduino語(yǔ)言是建立在 C／C＋＋基礎(chǔ)上的，它將單片機(jī)微控制器相關(guān)的一些參數(shù)設(shè)置模塊化，不需要用戶直接處理底層系統(tǒng)，可以提高應(yīng)用程序的開(kāi)發(fā)效率［9］。

電子標(biāo)簽的識(shí)別采用RFID技術(shù)，它是一種非接觸式的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，與傳統(tǒng)的條形碼識(shí)別技術(shù)相比，它具有穿透性強(qiáng)、識(shí)別速度快、識(shí)別距離遠(yuǎn)、安全性高、多目標(biāo)識(shí)別等諸多優(yōu)點(diǎn)［10］。但是，搭建、使用一個(gè)RFID系統(tǒng)的人力成本比使用條形碼高得多。盡管如此，RFID的優(yōu)勢(shì)還是很明顯，現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域［11］。RFID具有能識(shí)別高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的車輛和同時(shí)識(shí)別多個(gè)標(biāo)簽、操作快捷、方便等一系列優(yōu)點(diǎn)，在本設(shè)計(jì)中的公交車輛上安裝了RFID電子標(biāo)簽，在每個(gè)車站安裝讀卡器，通過(guò)讀卡器進(jìn)行識(shí)別，實(shí)現(xiàn)對(duì)公交車輛的監(jiān)測(cè)。

由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)相距比較遠(yuǎn)，因此，監(jiān)測(cè)點(diǎn)采集的信號(hào)不適合以有線的方式傳輸。本方案采用2.4GHz無(wú)線傳輸技術(shù)進(jìn)行信號(hào)的傳輸。2.4GHz無(wú)線技術(shù)的頻段為2.405～2.485GHz，這個(gè)頻段是國(guó)際規(guī)定的免費(fèi)頻段，不需要向相關(guān)國(guó)際組織繳納任何費(fèi)用［12］。這就為2.4GHz無(wú)線技術(shù)可發(fā)展性提供了必要的條件。而且2.4GHz無(wú)線技術(shù)不同于27MHz無(wú)線技術(shù)，它的工作方式是全雙工模式傳輸，抗干擾性能也要比27 MHz有著絕對(duì)的優(yōu)勢(shì)，最大傳輸距離可達(dá)10m。此外2.4GHz無(wú)線技術(shù)還擁有理論上2Mbit／s的數(shù)據(jù)傳輸速率，比藍(lán)牙的1Mbit／s理論傳輸速率提高了一倍。綜合2.4GHz、藍(lán)牙以及27MHz這3種常用的無(wú)線傳輸技術(shù)，2.4GHz有著自己獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。相比藍(lán)牙，它的產(chǎn)品制造成本更低，提供的數(shù)據(jù)傳輸速率更高；相比同樣免費(fèi)的27MHz無(wú)線技術(shù)，它的抗干擾性、最大傳輸距離以及功耗都有突出的表現(xiàn)。

協(xié)調(diào)器采用ATmega328P的單片機(jī)核心板，包含2.4GHz無(wú)線通信、Nokia5110顯示屏、語(yǔ)音播報(bào)等功能，是整個(gè)系統(tǒng)的核心，起信息交互的作用。協(xié)調(diào)器通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理，判斷公交車輛的狀態(tài)，包括所有公交車次、當(dāng)前車輛位置、車站信息、當(dāng)?shù)貢r(shí)間等，并在服務(wù)端的顯示屏顯示出來(lái)。

節(jié)點(diǎn)終端顯示采用Nokia5110和LCD1602顯示屏。線路總站顯示整個(gè)線路公交車信息，車站顯示公交車信息，公交車上顯示公交車次等。車站節(jié)點(diǎn)終端顯示的內(nèi)容包括公交車次、公交車現(xiàn)在到達(dá)哪個(gè)站點(diǎn)、距本站點(diǎn)還有多少站、當(dāng)?shù)貢r(shí)間等。系統(tǒng)采用Arduino驅(qū)動(dòng)SD卡，在SD卡中讀出特定的音頻文件，然后經(jīng)過(guò)音頻功放把聲音放大，實(shí)現(xiàn)對(duì)車站的播報(bào)。

2 系統(tǒng)處理流程

智能公交系統(tǒng)綜合運(yùn)用RFID技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、數(shù)據(jù)處理技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、信息發(fā)布技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)、準(zhǔn)確、高效地對(duì)公交運(yùn)輸進(jìn)行管理和控制。在智能公交系統(tǒng)識(shí)別和報(bào)站過(guò)程中，不需要人工干預(yù)，不但減少了駕駛員的操作，也提高了車輛運(yùn)行的安全性。系統(tǒng)的工作流程主要包括數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)處理、無(wú)線傳輸以及車站公交運(yùn)行情況播報(bào)（見(jiàn)圖2）。

圖2 系統(tǒng)的工作流程

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)采集公交車的信息數(shù)據(jù)。每輛公交車安裝一張標(biāo)簽卡，其卡號(hào)是唯一的，標(biāo)簽卡是每輛車的身份標(biāo)志。每個(gè)公交車站裝有讀卡器，當(dāng)公交車到站時(shí)，讀卡器自動(dòng)讀取車輛上標(biāo)簽卡的信息，并將卡號(hào)傳至前端機(jī)。前端機(jī)對(duì)卡號(hào)做出入站狀態(tài)的判別，完成后將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)協(xié)調(diào)器。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)分析處理，系統(tǒng)即可實(shí)現(xiàn)車輛身份識(shí)別，從而將信息發(fā)送到各個(gè)車站終端并在電子屏上顯示，在車站候車的乘客可以及時(shí)了解到公交車的信息，從而實(shí)現(xiàn)公交的智能化管理。讀卡器采集的數(shù)據(jù)采用無(wú)線發(fā)射模式上傳。無(wú)線發(fā)送模塊采用2.4GHz無(wú)線通信協(xié)議，將讀卡器采集到的數(shù)值傳送到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)上，具有部署靈活、擴(kuò)展方便等優(yōu)點(diǎn)。

數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)負(fù)責(zé)對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ)、信息處理和控制指令的下達(dá)，為用戶和公交調(diào)度中心提供分析和決策依據(jù)，用戶可隨時(shí)隨地通過(guò)終端進(jìn)行查詢，公交調(diào)度中心可以通過(guò)服務(wù)端進(jìn)行查詢和調(diào)試控制。

無(wú)線通信系統(tǒng)主要是將設(shè)備采集到的數(shù)據(jù)，通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳送到服務(wù)器上，在傳輸協(xié)議上使用2.4 GHz無(wú)線通信協(xié)議。

車站公交運(yùn)行情況播報(bào)系統(tǒng)對(duì)接收到的協(xié)調(diào)器無(wú)線傳送的信息進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)自動(dòng)播報(bào)。當(dāng)公交車到達(dá)車站后，該模塊先讀出該站的信息，然后進(jìn)行前方車站預(yù)報(bào)并給出相關(guān)的友情提示。在語(yǔ)音播報(bào)模塊上有一個(gè)SD卡槽，可放入事先準(zhǔn)備好的語(yǔ)音文件（如音頻文件等）。當(dāng)播報(bào)結(jié)束后會(huì)自行停止，當(dāng)下一輛公交車到來(lái)時(shí)又可以重新播報(bào)該語(yǔ)音文件。

3 部分主體電路設(shè)計(jì)

在本系統(tǒng)的模型中，以智能尋跡小車模擬智能公交系統(tǒng)的運(yùn)行情況。以ATmega328P為核心，產(chǎn)生高低電平信號(hào)，并通過(guò)一個(gè)L298N驅(qū)動(dòng)2個(gè)減速電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)小車。通過(guò)尋跡模塊里的紅外對(duì)管尋跡黑線，產(chǎn)生的電平信號(hào)經(jīng)過(guò)LM339比較后返回到單片機(jī)，單片機(jī)根據(jù)程序設(shè)計(jì)的要求做出相應(yīng)的判斷送給電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊，實(shí)現(xiàn)小車的運(yùn)動(dòng)。采用Nokia5110顯示屏顯示小車的信息。

ATmega328P的單片機(jī)核心板、RFID集成板、LCD1602、Nokia5110都采用3.3V供電，本系統(tǒng)采用ASM117進(jìn)行電壓轉(zhuǎn)換。節(jié)點(diǎn)信息檢測(cè)采用RFID，當(dāng)在有效的讀卡范圍內(nèi)有卡出現(xiàn)時(shí)，LED燈點(diǎn)亮，并串口輸出4個(gè)字節(jié)十六進(jìn)制卡號(hào)。如果卡一直檢測(cè)有效，LED燈一直點(diǎn)亮，EN腳一直輸出低電平，但串口只輸出一次有效的數(shù)據(jù)。移開(kāi)卡后，燈熄滅，管腳恢復(fù)到高電平，重新讀卡后繼續(xù)送出卡號(hào)。射頻電路如圖3所示。

圖3 射頻電路圖

2.4 GHz無(wú)線通信系統(tǒng)分2個(gè)模塊，每個(gè)模塊都有收發(fā)功能。當(dāng)一個(gè)模塊發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，另一個(gè)模塊接收，反之亦可。當(dāng)讀卡器采集到相關(guān)數(shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)2.4 GHz無(wú)線模塊傳送至服務(wù)器，數(shù)據(jù)處理后又經(jīng)過(guò)無(wú)線模塊傳回并顯示相關(guān)信息。該模塊電路如圖4所示。

圖4 2.4GHz無(wú)線模塊電路圖

協(xié)調(diào)器（見(jiàn)圖5）包含2.4GHz無(wú)線通信、Nokia5110顯示屏、語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)等，是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)信息交互。

圖5 協(xié)調(diào)器

4 測(cè)試結(jié)果及結(jié)論

智能公交系統(tǒng)的測(cè)試采用公交車定點(diǎn)讀卡的方式，每隔一段距離設(shè)置一個(gè)讀卡點(diǎn)。智能尋跡小車上安裝非接觸式帶有編號(hào)的射頻卡，只要將卡安裝在讀卡器能夠讀取的范圍內(nèi)即可，并且該卡是無(wú)源卡，不需要電源供電且安裝方便。讀卡器是用來(lái)讀取電子標(biāo)簽的一種設(shè)備，在每個(gè)車站都安裝一個(gè)讀卡器。當(dāng)裝有電子標(biāo)簽的公交車到達(dá)車站時(shí)，讀卡器就可以識(shí)別卡號(hào)以識(shí)別是哪路車。讀卡器將讀到的數(shù)據(jù)無(wú)線上傳至服務(wù)協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，然后向公交車發(fā)送信息。公交車接收到信息后，判斷出當(dāng)前車站，讀出特定的音頻文件，從而實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)站。另一方面，協(xié)調(diào)器對(duì)數(shù)據(jù)分析處理后，判斷公交車的狀態(tài)，并在電子站牌上顯示出來(lái)，顯示內(nèi)容包括公交車次、公交車現(xiàn)在到達(dá)哪個(gè)站點(diǎn)、距本站點(diǎn)還有多少站、當(dāng)?shù)貢r(shí)間等信息。本系統(tǒng)中采用1602字符型LCD模塊。

運(yùn)行實(shí)物如圖6所示。當(dāng)讀卡器讀取到裝在車輛上的電子標(biāo)簽（RFID射頻卡）的信息之后，再將信息通過(guò)無(wú)線通信上傳到協(xié)調(diào)器，協(xié)調(diào)器收到信息后立即對(duì)信息進(jìn)行分析處理，計(jì)算出車輛到各站的距離，將處理后的信息顯示在協(xié)調(diào)器的顯示屏上，并通過(guò)無(wú)線通信傳輸?shù)礁鱾€(gè)車站進(jìn)行顯示，同時(shí)對(duì)該站點(diǎn)信息進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。

圖6 運(yùn)行實(shí)物圖

本智能公交系統(tǒng)能夠直接、明了地顯示公交車的狀態(tài)信息，極大方便了在公交車站候車的人員。該系統(tǒng)與采用GPS定位技術(shù)相比，可以大大降低成本，如果利用節(jié)點(diǎn)終端加播廣告信息，將進(jìn)一步提高智能公交系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)效益。

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