張雪飛,胡曉君,張魯殷,楊東東
(山東科技大學電子通信與物理學院,山東 青島 266590)
隨著機動車數(shù)量與日俱增,交通基礎設施的發(fā)展速度越來越不能滿足我國經(jīng)濟的提升速度,傳統(tǒng)的公交車客流量統(tǒng)計極大地落后于現(xiàn)在交通的智能化發(fā)展。目前,我國城市公共交通系統(tǒng)中,公共汽車和電車所占比例最大,城市80%以上的客運量由此承擔[1]。在經(jīng)濟發(fā)展過程中,公共交通的運營狀況極為重要,它是科技水平和現(xiàn)代化水平的重要基礎,而客流量統(tǒng)計水平在公交系統(tǒng)中尤為重要,并對其提出更高的要求。我國在客流量的精確統(tǒng)計方面存在很多不足,這就需要我們通過引進高科技技術和現(xiàn)代化管理理念,使公交車客流量統(tǒng)計變得更為智能化與人性化,根據(jù)客流量分析結(jié)果,制定相
應營運作業(yè)計劃,將會提高市場客流對公交線路的要求[1],從而實現(xiàn)對公交車動態(tài)和靜態(tài)管理。
圖1 .1 系統(tǒng)設計流程圖
該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、光電對管、單片機等技術巧妙的結(jié)合,并以TCP傳輸協(xié)議作為系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡,保證各部分與整體系統(tǒng)的聯(lián)系和有序運行。各個部分協(xié)調(diào)工作,共同完成公交車客流量統(tǒng)計裝置的整體性。設計一款具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲以MSP430單片機為主控的公交車客流量統(tǒng)計系統(tǒng)。綜合利用光電對管、單片機、TCP傳輸控制協(xié)議以及EEPROM存儲器等技術。
公交車客流量統(tǒng)計系統(tǒng)主要由人數(shù)統(tǒng)計模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和核心控制模塊四大模塊組成。
如圖1.1所示:
整個公交車客流量統(tǒng)計系統(tǒng)有以下幾個部分:數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸以及核心控制部分,車門打開時,單片機發(fā)射指令,光電對管開始工作,進行人數(shù)統(tǒng)計。車門閉合后單片機發(fā)射指令,光電對管結(jié)束工作,采集到的數(shù)據(jù)存儲在存儲器中,數(shù)據(jù)傳輸模塊開始工作,將數(shù)據(jù)傳輸進計算機,系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)等待下一次車門的開啟。在公交車前后門附近特定高度上安裝光電對管,前門安裝兩對光電對管,分別編號1、2號,當有乘客上車時,光電對管開始工作,當被測物體進入受光器作用范圍時,光電對管發(fā)射端的光線被阻擋,進行人數(shù)的統(tǒng)計,根據(jù)1、2號光電對管的受阻擋順序確定人群是上車還是下車[2]。
后門創(chuàng)新性的采用了三對光電對管,分別編號3、4、5,其作用與前門的光電對管的作用并無二致,主要是在中間多加了一對光電對管,目的是分割人流,防止人群成群上下車造成統(tǒng)計失誤。得到的數(shù)據(jù)保存在EEPROM存儲芯片中,最后通過TCP傳輸控制協(xié)議將存儲的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上采用上位機軟件進行顯示并分析。由TCP傳輸協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸,此部分作為該系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡,保證各部分與整體系統(tǒng)的聯(lián)系和有序運行。各個部分協(xié)調(diào)工作,共同完成公交車客流量統(tǒng)計裝置的整體性能。
本設計采用光電對管進行人數(shù)統(tǒng)計。當被測物體進入探測器的檢測范圍時,光電對管發(fā)射的紅外線被檢測物體遮擋,因此接收端無法接收到發(fā)射端發(fā)射的光線,光電對管利用放大器的放大作用和同步選通的整形作用,然后用數(shù)字積分或RC積分方法將干擾排除,最后光電對管將控制信號輸出。光電對管回差特性較好,因此公交車上當在小范圍內(nèi)人體觸碰到時,輸出狀態(tài)會繼續(xù)保持穩(wěn)定,不會受到極大影響。
采用EEPROM數(shù)據(jù)存儲器進行數(shù)據(jù)存儲,EEPROM存儲單元的工作原理如下[2]:
EEPROM的操作主要有三種:擦除;寫入;讀取。表2.1介紹了這幾種操作。擦除:擦除時,在WL端上加高壓,約為16V,同時在VCG端上也加高壓,約為13V,BL端和VS端都接地,電壓為0V。WL端和VCG端為存儲管的柵極,BL端和VS端分別為漏極和源極。在讀取時,存儲管處于關閉狀態(tài),不需打開,此時無電流流過。
寫入:寫入時,在WL端上加高壓,約為16V,而在VCG端上加0電位,此時VS端處于懸空狀態(tài)。BL的電位根據(jù)寫入數(shù)據(jù)的不同也不同:寫“0”時,BL懸空;寫“1”時,BL上加約13V~16V的高壓VPPL。
讀取:讀取時,WL上接電源電壓,VS和VCG接0電位,BL上接大約為0.5V的電壓。
表2 .1 各種操作模式下存儲單元各節(jié)點點位
在計算機網(wǎng)絡中,為了實現(xiàn)各種不同網(wǎng)絡的互連,國際標準化組織(International Standaedization Organization,ISO)采用了網(wǎng)絡分層的方案,即OSI模型。OSI模型由七個有序的層組成,第一層至第七層依次為:物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層[3]。通信協(xié)議可實現(xiàn)在同一網(wǎng)絡中不同應用程序和各種網(wǎng)絡硬件的使用以及在不同操作系統(tǒng)中計算機之間的相互通信。發(fā)展至今的最成功的通信協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族。
在Internet中,大多依賴TCP協(xié)議來管理網(wǎng)絡上的信息流動。TCP傳輸控制協(xié)議(Transfer Control Protocol),屬于傳輸層協(xié)議。OSI模型的每一層都和一個或一個以上的協(xié)議相聯(lián)系,對等實體的虛對話由這些協(xié)議控制。TCP協(xié)議由四層組成:網(wǎng)絡接口層、Internet層、傳輸層和應用層[3]。TCP模型的應用層是將OSI模型的應用層、表示層和會話層結(jié)合,網(wǎng)絡接口層(也被稱為鏈路層)是TCP模型將數(shù)據(jù)鏈路層和物理層結(jié)合形成。TCP協(xié)議中的前三層對應于OSI模型的前四層,提供物理標準、網(wǎng)絡接口、網(wǎng)際互聯(lián)以及傳輸功能[4]。
封裝(Encapsulation)是數(shù)據(jù)從上層開始,每向下經(jīng)過一層,在前面加上下一層報頭的過程[4]。報頭的格式是由進行封裝的協(xié)議規(guī)定的。報頭中記錄傳輸信息,對等實體利用傳輸信息進行相互交流。如圖2.1所示。
圖2 .1 TCP協(xié)議
用戶調(diào)用應用程序通過TCP訪問相應的服務。TCP協(xié)議族中各層的工作原理及功能如下[4]:
應用層將應用程序信息轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)流后將該數(shù)據(jù)流交給傳輸層。傳輸層提供不同主機之間端到端的通信,負責系統(tǒng)的管理信息的流動,提供傳輸服務:在發(fā)送方,應用層提供的數(shù)據(jù)流被傳輸層分段并將數(shù)據(jù)段加注標識。這種標識稱為傳輸層報文頭。在接收方,傳輸層去掉傳輸層報文頭檢驗數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否正確,將數(shù)據(jù)段重組成數(shù)據(jù)流交給應用程序處理。
網(wǎng)絡層負責處理不同主機之間的通信,數(shù)據(jù)包的交付:在發(fā)送方,數(shù)據(jù)段(網(wǎng)絡層傳輸層提供)封裝到數(shù)據(jù)報中并填入IP報頭;在接收方,讀取IP報頭中的信息(網(wǎng)絡層)并決定如何處理數(shù)據(jù)報。
數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡層提供的數(shù)據(jù)報封裝成幀,幀頭中包含各種傳輸信息,把幀發(fā)送出去;在接收方,讀取幀頭中的信息(數(shù)據(jù)鏈路層)。根據(jù)發(fā)送對象決定拆開幀頭或丟棄該幀。
物理層把幀轉(zhuǎn)換成比特流的形式通過傳輸介質(zhì)將信息傳送出去。如圖2.2所示TCP各層數(shù)據(jù)封裝的示意圖。
圖2 .2 數(shù)據(jù)封裝過程
當發(fā)送客流量數(shù)據(jù)文件時,對用戶來說啟動數(shù)據(jù)文件傳輸程序,這個程序使用文件傳輸協(xié)議FTP協(xié)議和對端的傳輸服務器進行通信,文件傳輸服務產(chǎn)生相應的傳輸請求,這個請求通過TCP傳輸協(xié)議與對方之間建立傳輸通道,經(jīng)由IP協(xié)議,跨越不同的物理網(wǎng)絡,送到對方的目的主機,從而實現(xiàn)客流量數(shù)據(jù)的傳輸。
TCP的連接建立與終止過程如下[6]:
(1)連接建立
TCP要使用三次握手協(xié)議才能發(fā)完成連接的建立。當主動方發(fā)出SYN連接請求后,等待對方回答SYN+ACK,并最后對對方的 SYN 執(zhí)行 進行ACK 確認。
TCP三次握手的過程如下:
(1)客戶端發(fā)送SYN(SEQ=x)報文傳送到服務器端,之后進入SYN_SEND狀態(tài)。
(2)服務器端接收到SYN報文后,會立即發(fā)出一個SYN(SEQ=y)ACK(ACK=x+1)報文回復,完成此過程之后會進入SYN_RECV狀態(tài)。
(3)服務器端發(fā)出的SYN報文被客戶端接收到之后,回應一個ACK(ACK=y+1)報文,之后進入Established狀態(tài)。
TCP客戶端和服務器端之間的連接經(jīng)過三次握手之后就可建立,三次握手結(jié)束之后,此時就可以進行數(shù)據(jù)傳輸。
(2)連接終止
由于TCP是半關閉狀態(tài),三次握手可建立一個連接,四次握手可終止一個連接,具體過程如下圖所示。
(1)首先需要調(diào)用close命令,該應用程序執(zhí)行此命令時稱該端執(zhí)行的是“主動關閉”命令。數(shù)據(jù)發(fā)送完成時,該端的TCP就會發(fā)送一個FIN分節(jié)。
(2)接收到由TCP確認的FIN的對端執(zhí)行 “被動關閉”命令。
(3)一段時間之后,應用程序?qū)⒄{(diào)用close命令,此時它的套接字關閉,這使得
它的TCP也發(fā)送一個FIN。
(4)接收到最終FIN執(zhí)行主動關閉的原發(fā)送端發(fā)送的命令后,TCP就會確認此FIN。
圖2 .3 TCP的三次握手
圖2 .4 TCP的四次握手
本設計采用MSP430單片機作為主控部分。MSP430單片機具有處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富等優(yōu)點,綜合分析各種性能指標,本系統(tǒng)決定選用MSP430單片機[7]。
在上位機軟件的主畫面中,對各個站點的上車人數(shù)、下車人數(shù)以及車上載人數(shù)進行顯示。利用上位機的強大功能,可以方便查看實時客流量數(shù)據(jù)和歷史客流量數(shù)據(jù),方便對客流量的數(shù)據(jù)的調(diào)查和對不同公交車的調(diào)度。
本文詳細闡述了公交車客流量統(tǒng)計系統(tǒng)的研究內(nèi)容及設計原理,以光電對管、單片機、EEPROM存儲器、TCP傳輸協(xié)議等作為技術支持,設計了一套統(tǒng)計精確度高、功能較為完善的智能公交車客流量統(tǒng)計系統(tǒng)。此系統(tǒng)實現(xiàn)了人數(shù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苄枨?。此外,采用TCP傳輸協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸和上位機進行客流量數(shù)據(jù)實時顯示,摒棄了傳統(tǒng)客流量統(tǒng)計的方式,采用了智能化統(tǒng)計方式,使系統(tǒng)更加合理化。
本文需要做進一步的研究[8-10]。
1.在高人流密度下的統(tǒng)計不夠精確。當在人流密度比較大的時候使用光電對管進行人數(shù)統(tǒng)計時,精確率會受到影響,沒有達到最高。因此系統(tǒng)下一步的改進方向是改善高人流密度下的客流量統(tǒng)計。
2.本文對客流量的實例僅分析了幾條公交線路,應該大規(guī)模的分析其他公交線路客流量情況,增強數(shù)據(jù)的廣泛性及正確性,以完善理論的不足之處。
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