車載信息終端在智能客流量系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

費(fèi)惠 張維忠

摘要：為提高公交客流計(jì)數(shù)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性及準(zhǔn)確性，本文分別對(duì)車載信息終端的控制器局域網(wǎng)絡(luò)（controller area network，CAN）總線及RS485線協(xié)議進(jìn)行研究。通過(guò)實(shí)時(shí)采集車載信息終端數(shù)據(jù)并解析，獲取公交實(shí)時(shí)運(yùn)行信息。將公交車上的CAN總線和RS485線的信號(hào)通過(guò)串口轉(zhuǎn)換器變?yōu)镽S232信號(hào)，并基于Linux和Windows兩種操作系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩套數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)公交客流計(jì)數(shù)系統(tǒng)的基本需求，實(shí)時(shí)獲取公交車的相關(guān)信息。實(shí)地測(cè)試結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)精確的獲取車輛的各項(xiàng)信息，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，說(shuō)明本文所采用的數(shù)據(jù)分析算法，準(zhǔn)確率高、效率高、魯棒性好，為公交客流計(jì)數(shù)系統(tǒng)提供了有效信息。該研究具有很好的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：車載信息終端; CAN總線; RS485; 客流計(jì)數(shù)

中圖分類號(hào)： TP311.1; TN919.5文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

文章編號(hào)： 10069798（2019）01000906; DOI： 10.13306/j.10069798.2019.01.002

目前，公交車車載信息終端[12]的通信方式主要分為RS485[34]和CAN總線[56]兩種。車載信息終端同時(shí)具有遠(yuǎn)程定位、實(shí)時(shí)通信、車況信息采集、自動(dòng)報(bào)站等多種功能，并且能夠和公交車的其他設(shè)備相關(guān)聯(lián)，方便管理者對(duì)公共交通的實(shí)時(shí)調(diào)度。因此，將這些實(shí)時(shí)信息應(yīng)用到智能客流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，能夠豐富系統(tǒng)的功能，提高系統(tǒng)的實(shí)用性[78]。公交車載信息終端通過(guò)通用分組無(wú)線服務(wù)技術(shù)（general packet radio service，GPRS）通信單元，將全球定位系統(tǒng)（global positioning system，GPS）模塊獲取的實(shí)時(shí)位置信息等發(fā)送到后臺(tái)，實(shí)現(xiàn)公交的定位功能以及語(yǔ)音播報(bào)，促進(jìn)城市公交的智能化發(fā)展[9]。目前，CAN總線在公交上的應(yīng)用日趨成熟。其中，安連華等人[10]通過(guò)CAN總線實(shí)時(shí)獲取公交油耗信息，防止偷油行為的同時(shí)，可以有效監(jiān)測(cè)駕駛員行車規(guī)范;趙祥模等人[11]采用基于視頻的客流統(tǒng)計(jì)方法，能夠有效監(jiān)測(cè)公交客流量，但客流數(shù)據(jù)沒(méi)有與站點(diǎn)信息相結(jié)合。公交車的車站名稱信息能夠直接反映當(dāng)前站點(diǎn)的客流量統(tǒng)計(jì)信息，減少智能客流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)對(duì)車站信息獲取的信息量。2018年初，青島新進(jìn)一批比亞迪純電動(dòng)公交車，其中有400多輛安裝了智能客流量統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)，因此加強(qiáng)對(duì)公交車的實(shí)時(shí)信息采集、分析及應(yīng)用具有重要意義?；诖耍疚闹饕獙?duì)車載信息終端的CAN總線及RS485線協(xié)議進(jìn)行研究，通過(guò)對(duì)車載信息終端數(shù)據(jù)進(jìn)行采集與分析，并基于Linux和Windows兩種操作系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了兩套數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)，用戶可以根據(jù)公交客流計(jì)數(shù)系統(tǒng)的基本需求，實(shí)時(shí)獲取公交車的相關(guān)信息，提高了系統(tǒng)的準(zhǔn)確性，減輕了系統(tǒng)的工作負(fù)擔(dān)。該研究提高了公交等智能化水平，在公交客流統(tǒng)計(jì)方面具有廣闊的應(yīng)用前景。

1硬件設(shè)計(jì)與軟件實(shí)現(xiàn)

1.1硬件設(shè)計(jì)

車載CAN總線采用RS232轉(zhuǎn)CAN模塊[12]，RS485線采用RS232轉(zhuǎn)RS485模塊[13]，其中每個(gè)模塊分為有源和無(wú)源兩種型號(hào)，用戶可以根據(jù)情況進(jìn)行選擇。本文采用RS232轉(zhuǎn)CAN模塊，RS232轉(zhuǎn)CAN總線電路原理圖如圖1所示。其中，主要包括RS232串行接口驅(qū)動(dòng)器、CAN線控制器和驅(qū)動(dòng)器。該模塊具有數(shù)據(jù)透明轉(zhuǎn)換功能，其中CAN總線波特率支持5 kBd/s～1 MBd/s，串口波特率支持1 200～460 800 Bd/s，適應(yīng)范圍廣，而且支持CAN20A和CAN20B協(xié)議，支持標(biāo)準(zhǔn)幀和擴(kuò)展模式。

RS232轉(zhuǎn)RS485模塊分為有源和無(wú)源兩種，RS232轉(zhuǎn)RS485電路原理圖如圖2所示，DB9端的2腳和3腳分別是接收端和發(fā)送端，經(jīng)過(guò)TTL轉(zhuǎn)232電路和TTL轉(zhuǎn)485電路，該模塊可將RS232信號(hào)轉(zhuǎn)換為平衡差分的RS485信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)雙向通信功能。其工作方式為異步半雙工，波特率支持范圍是9 600～115 200 Bd/s。

1.2軟件實(shí)現(xiàn)

1.2.1CAN總線協(xié)議分析

車載信息終端與其他設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信時(shí)，一般采用250 kBd/s的CAN波特率和57 600 Bd/s串口波特率。CAN接口協(xié)議分為ID域和數(shù)據(jù)域兩部分，CAN接口協(xié)議構(gòu)成圖如圖3所示。報(bào)文ID域是報(bào)文的唯一標(biāo)識(shí)，其中SA源地址和DA目標(biāo)地址表示該報(bào)文的發(fā)送方和接收方，F(xiàn)N報(bào)文幀序號(hào)代表當(dāng)前報(bào)文在當(dāng)前會(huì)話中的位置。CAN報(bào)文數(shù)據(jù)域構(gòu)成圖如圖4所示。報(bào)文數(shù)據(jù)域由版本號(hào)、流水號(hào)、消息幀、校驗(yàn)值4部分組成，其中消息幀由消息幀類型、消息幀長(zhǎng)度及數(shù)據(jù)幀集合組成。每個(gè)數(shù)據(jù)幀由數(shù)據(jù)幀類型、數(shù)據(jù)幀長(zhǎng)度和數(shù)據(jù)元素組成。校驗(yàn)值是從版本號(hào)開(kāi)始到校驗(yàn)值之前所有字節(jié)的異或值[1415]。

一部分CAN總線的數(shù)據(jù)幀類型如表1所示，CAN總線的消息幀類型如表2所示。一個(gè)完整的報(bào)文數(shù)據(jù)需要分包發(fā)送，每包發(fā)送8字節(jié)數(shù)據(jù)和4字節(jié)的ID域，直到所有數(shù)據(jù)發(fā)送完為止，最后一包數(shù)據(jù)如果不足8字節(jié)，則補(bǔ)0。

1.2.2RS485協(xié)議分析

設(shè)定RS485車載信息終端與外部設(shè)備通訊接口參數(shù)為串口波特率19 200 Bd/s，8位數(shù)據(jù)位，1位停止位，無(wú)奇偶檢驗(yàn)位。RS485為了提高協(xié)議的兼容性，由數(shù)據(jù)幀靈活組合構(gòu)成的消息幀可適應(yīng)不同的需求，避免嚴(yán)格的固定長(zhǎng)度消息幀造成冗余，從而減少資源浪費(fèi)。RS485數(shù)據(jù)報(bào)文由開(kāi)始符、目標(biāo)地址、源地址、消息幀、校驗(yàn)值和結(jié)束符組成。

RS485接口協(xié)議構(gòu)成圖如圖5所示，RS485的部分?jǐn)?shù)據(jù)幀類型如表3所示，消息幀類型如表4所示。通過(guò)對(duì)車載信息終端數(shù)據(jù)的采集與分析，可獲得公交車的實(shí)時(shí)位置信息、當(dāng)前時(shí)速信息、到站離站信息及當(dāng)前站點(diǎn)名稱信息等。

1.2.3技術(shù)方案

該系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)車載信息系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集到解析輸出的全過(guò)程。系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

該部分的核心思想是通過(guò)串口通信，即串口編程實(shí)現(xiàn)CAN總線和RS485的數(shù)據(jù)接收，然后根據(jù)協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)對(duì)接收到的數(shù)據(jù)解析處理，并根據(jù)消息幀的類型，提取客流統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)所需要的站點(diǎn)相關(guān)的報(bào)文信息，去除冗余數(shù)據(jù)，同時(shí)根據(jù)報(bào)文的編碼規(guī)則，作出相對(duì)應(yīng)的解碼方案，將十六進(jìn)制數(shù)據(jù)翻譯成常人能看懂的站點(diǎn)信息。算法實(shí)現(xiàn)流程圖如圖7所示。

具體實(shí)現(xiàn)方法及步驟：

（1）Linux系統(tǒng)。

1）調(diào)用open（ ）函數(shù)打開(kāi)串口/dev/ttyS0，并設(shè)置串口的讀寫(xiě)模式。

2）對(duì)termios結(jié)構(gòu)指針進(jìn)行相關(guān)配置，修改控制模式，設(shè)置波特率、數(shù)據(jù)位、校驗(yàn)位、停止位，修改輸入輸出模式，然后進(jìn)行超時(shí)設(shè)置。

3）調(diào)用read（）函數(shù)對(duì)串口進(jìn)行讀操作。

4）調(diào)用getCompleteFrame（）函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲得當(dāng)前公交車的站點(diǎn)信息、到站離站信息等。

5）write（）函數(shù)可上傳數(shù)據(jù)到車載信息終端。

6）調(diào)用函數(shù)close（）關(guān)閉串口。

（2）Windows系統(tǒng)。

1）調(diào)用CreateFile（）函數(shù)打開(kāi)串口COM*。

2）調(diào)用SetCommState（）函數(shù)配置串口基本參數(shù)，SetCommTimeouts（）函數(shù)對(duì)串口進(jìn)行超時(shí)設(shè)置，調(diào)用SetupComm（）函數(shù)定義了輸入輸出緩沖區(qū)的大小。

3）調(diào)用ReadFile（）函數(shù)對(duì)串口進(jìn)行讀操作。

4）調(diào)用getCompleteFrame（）函數(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，獲取車輛實(shí)時(shí)信息。

5）調(diào)用WriteFile（）函數(shù)可以將獲得的數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳到車載信息終端。

6）調(diào)用CloseHandle（）函數(shù)關(guān)閉串口。

由于串口每次接收的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度不固定，而且每個(gè)完整的報(bào)文數(shù)據(jù)可能分多次發(fā)送[18]。因此，getCompleteFrame（）函數(shù)首先需要將接收到的數(shù)據(jù)保存在隊(duì)列內(nèi)，然后從隊(duì)列頭開(kāi)始對(duì)數(shù)據(jù)解析處理，發(fā)現(xiàn)報(bào)文結(jié)束標(biāo)志后，根據(jù)報(bào)文數(shù)據(jù)的長(zhǎng)度及校驗(yàn)值確定該報(bào)文數(shù)據(jù)是否完整。如果當(dāng)前隊(duì)列內(nèi)沒(méi)有完整數(shù)據(jù)幀時(shí)，則繼續(xù)接收新的數(shù)據(jù)。每當(dāng)解析出一個(gè)完整的報(bào)文數(shù)據(jù)，就清空當(dāng)前隊(duì)列內(nèi)的所有數(shù)據(jù)，重新接收下一報(bào)文。此外，如果隊(duì)列長(zhǎng)度超出內(nèi)存長(zhǎng)度的066，拋棄隊(duì)列的前066部分，既能防止有效信息丟失，還能避免內(nèi)存溢出造成的系統(tǒng)崩潰。同時(shí)，采用多線程串口通信[1920]，提高處理效率。

2實(shí)驗(yàn)結(jié)果

CAN總線在Linux下測(cè)試，RS485在Windows下測(cè)試。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該設(shè)計(jì)能夠?qū)崟r(shí)精確的獲取車輛的各項(xiàng)信息，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。CAN總線測(cè)試結(jié)果如圖8所示，其中Complete Date表示當(dāng)前接收到的報(bào)文數(shù)據(jù)域部分，所有數(shù)字為十六進(jìn)制表示。以南莊二為例：20表示版本號(hào)，14表示流水號(hào)，該數(shù)字隨機(jī)產(chǎn)生，03表示該消息幀代表進(jìn)站離站信息，00 25表示消息幀總長(zhǎng)度為十進(jìn)制37，01表示具體的數(shù)據(jù)幀類型是什么，00 04表示該數(shù)據(jù)幀內(nèi)容的長(zhǎng)度為4字節(jié)，后面緊跟4字節(jié)的數(shù)據(jù)幀內(nèi)容00 00 17 74，后面的05 00 01 01也是一組完整數(shù)據(jù)幀，以此類推，最后的49表示校驗(yàn)位，如果該值與前面所有的數(shù)字異或值相同，則表示該報(bào)文接收無(wú)誤。根據(jù)消息幀類型、數(shù)據(jù)幀類型以及數(shù)據(jù)幀的內(nèi)容部分，解析當(dāng)前車輛線路是上行下行、當(dāng)前站點(diǎn)是終點(diǎn)站還是其他站點(diǎn)、進(jìn)站離站、站點(diǎn)編號(hào)及站點(diǎn)中文名。

RS485測(cè)試結(jié)果如圖9所示。以團(tuán)島進(jìn)站信號(hào)為例：7e代表會(huì)話包的開(kāi)始，最后的7f代表會(huì)話包的結(jié)束，ff 01表示目標(biāo)地址和源地址，03表示該會(huì)話包的消息幀類型為服務(wù)播報(bào)，07是隨機(jī)產(chǎn)生的流水號(hào)，00 23表示后面所有的數(shù)據(jù)幀總長(zhǎng)度，02 00 01 01表示數(shù)據(jù)幀類型為02，內(nèi)容長(zhǎng)度為00 01，內(nèi)容為01的一個(gè)完整數(shù)據(jù)幀，以此類推，結(jié)束符前的2f表示校驗(yàn)位，該值應(yīng)與從包頭開(kāi)始到校驗(yàn)位之前所有數(shù)字異或值相同。

當(dāng)車輛進(jìn)站時(shí)，發(fā)出到站信號(hào)，顯示當(dāng)前站點(diǎn)類型，獲得當(dāng)前站點(diǎn)編號(hào)及站點(diǎn)中文名;當(dāng)車輛離站時(shí)，發(fā)出離站信號(hào)，顯示當(dāng)前站點(diǎn)類型，獲得下一站的站點(diǎn)編號(hào)及站點(diǎn)中文名。這樣可以將每站的客流量信息對(duì)應(yīng)加在每個(gè)站點(diǎn)上，并且可以與電子站牌相結(jié)合，讓公共交通更加智能化。

3結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)車載信息終端在智能客流量系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。分析了CAN總線和RS485協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，本文所設(shè)計(jì)的兩套分析系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)的采集并解析車載信息終端的數(shù)據(jù)，結(jié)合公交客流計(jì)數(shù)系統(tǒng)的需求特點(diǎn)，實(shí)時(shí)獲取公交車的線路類型、站點(diǎn)編號(hào)、站點(diǎn)名稱、進(jìn)站離站等信息;長(zhǎng)時(shí)間的測(cè)試結(jié)果表明，本系統(tǒng)的魯棒性高、算法穩(wěn)定，為客流統(tǒng)計(jì)系統(tǒng)的發(fā)展提供了技術(shù)支持，大大提高公共交通的智能化水平，其應(yīng)用前景廣闊。此外，當(dāng)信號(hào)環(huán)境極差時(shí)，GPS對(duì)公交車定位會(huì)出現(xiàn)偏差，間接影響車輛位置信息的精準(zhǔn)度，后期應(yīng)對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提高系統(tǒng)的魯棒性。

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