新型智能公交系統(tǒng)設(shè)計(jì)

周鵬凱 葛穎 馮康瑋 牛旭峰 衛(wèi)嘉馨

（天津職業(yè)技術(shù)師范大學(xué) 天津市 030222）

隨著社會(huì)的發(fā)展，我國(guó)老齡化程度進(jìn)一步增加。截至 2019年末，我國(guó) 60 歲及以上人口占總?cè)丝诘?8.1%，其中 26%老年人會(huì)采取公交出行的方式，如何讓老年人的出行變得更加方便已成為一個(gè)值得考慮的問(wèn)題。同時(shí)，我國(guó)中小學(xué)在校人數(shù)達(dá)到了2.08 億，高等院校在校生達(dá)到了3833 萬(wàn)人，在這些人群中，公交出行是一種較為常見(jiàn)的出行方式。除此之外，我國(guó)的旅游業(yè)也已經(jīng)十分發(fā)達(dá)，如何讓游客在乘坐公交 時(shí)能有更好的體驗(yàn)也是一個(gè)值得思考的問(wèn)題。

現(xiàn)在市面上的公交路牌分為兩種，一種是傳統(tǒng)的公交路牌，只能單純地顯示公交路線，無(wú)其他功能。另一種是新型地公交站牌，可以動(dòng)態(tài)顯示公交車(chē)的位置，進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)。但是這兩種路牌并不能很好地解決用戶的出行問(wèn)題，因此，我提出了一種基于 STM32單片機(jī)，結(jié)合傳感器和 GSM 等模塊的車(chē)載終端和站牌客戶端，配合后臺(tái)控制端和客戶端，共同起作用的公交系統(tǒng)。

1 智能交通系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

如圖1 所示，此智能公交系統(tǒng)主要由4 部分組成，分別是車(chē)載終端，站牌終端，后臺(tái)控制端以及客戶端。

車(chē)載終端由 GPS 定位模塊，4G 模塊、傳感器和語(yǔ)音播報(bào)模塊組成，主要負(fù)責(zé)向后臺(tái)提供車(chē)輛的行駛軌 跡、速度和位置以及車(chē)內(nèi)的溫濕度，接受后臺(tái)傳回的 信息，向車(chē)內(nèi)的人播報(bào)其他用戶傳達(dá)的信息。

站牌終端主要由顯示屏幕，RFID 射頻 IC 感應(yīng)模塊，語(yǔ)音模塊，GSM 模塊，攝像頭以及各類傳感器組成，是系統(tǒng)中用戶與系統(tǒng)進(jìn)行交互的直接方式。負(fù)責(zé)顯示公交車(chē)的位置、速度、到達(dá)時(shí)間等信息，為用戶提供自助公交卡充值服務(wù)；接收客戶端發(fā)來(lái)的信息， 在公交車(chē)用戶刷卡后進(jìn)行顯示；通過(guò)語(yǔ)音助手，在用戶遇到問(wèn)題時(shí)進(jìn)行解決或連線后臺(tái)客服；顯示最近幾周內(nèi)評(píng)價(jià)最高，離公交站牌最近的景點(diǎn)，為游客進(jìn)行攻略推薦，并在游客同意后，將資料通過(guò)無(wú)線網(wǎng)模塊傳至游客手機(jī)。

后臺(tái)控制端通過(guò)收集公交車(chē)的位置，以及公交上的人數(shù)，結(jié)合公交站牌等待人數(shù)來(lái)調(diào)度公交車(chē)；分析收集到的景區(qū)人數(shù)及評(píng)價(jià)，按照距離，推送得到不同 的公交站牌；接收用戶的留言，并通過(guò)公交站牌顯示 給指定人群；接收用戶收集客戶端的反饋，為用戶提供更好的體驗(yàn)。

客戶端是人們與系統(tǒng)交互的最方便的方式，用來(lái) 收集反饋意見(jiàn)，使用戶知道公交運(yùn)行情況；提出自己的出行要求，提供合適的公交出行方案；接受父母給 孩子的留言，并設(shè)置什么時(shí)候推送到公交站牌，以及顯示方式。

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 智能公交站牌硬件設(shè)計(jì)

如圖2 所示。

圖1：智能公交系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

圖2：智能公交站牌硬件整體設(shè)計(jì)

圖3：車(chē)載終端硬件整體設(shè)計(jì)

2.1.1 主控芯片本公交站牌采用 STM32F429 作為主控芯片，主頻168M，擁有16MB FLASH 的空間，可以迅速地接收傳感器的數(shù)據(jù)，并處理傳回后臺(tái)。可以引出 110 余個(gè) IO 口，可以接豐富的外設(shè)。

2.1.2 語(yǔ)音模塊

本公交站牌采用的語(yǔ)音模塊是 HLK-V20 芯片，該芯片相較于傳統(tǒng)語(yǔ)音模塊，采用了 32bit RSIC 架構(gòu)內(nèi)核，加入了相應(yīng)的 DSP指令集，可通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行學(xué)習(xí)，有效提高聲音識(shí)別的準(zhǔn)確度。除此以外，該模塊還支持多條本地指令的離線識(shí)別，在網(wǎng)絡(luò)信號(hào)不好時(shí)，仍然可以為用戶提供簡(jiǎn)單的服務(wù)； 同時(shí)該模塊還可以定制喚醒詞和命令詞，實(shí)現(xiàn)不同年齡用戶與公交站牌的交互。

2.1.3 傳感器模塊

本公交站站牌采用了多個(gè)傳感器包括DHT11 溫濕度傳感器、12SD 紫外線傳感器、GP2Y1014AU 粉塵傳感器、HLK-LD303-24G測(cè)距雷達(dá)模塊和 OV5640 攝像頭模塊。這些模塊共同構(gòu)成了一個(gè)環(huán)境監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。這些傳感器都具有抗干擾能力強(qiáng)，性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，其中測(cè)距雷達(dá)模塊可以用于探測(cè)公交站牌前的人數(shù)，為預(yù)測(cè)等待公交車(chē)的人數(shù)提供數(shù)據(jù)支持；而攝像頭模塊可以在用戶觸摸顯示屏幕時(shí)，根據(jù)使用者的年齡特征， 分別提供不同的快捷服務(wù)，在使用公交卡充值服務(wù)和讀取預(yù)定信息時(shí)，可以作為驗(yàn)證的途徑之一。同時(shí)，該模塊還可以用于和后臺(tái)客服連線，為用戶解決提供幫助。

2.1.4 通訊模塊

本公交站牌采用了 RFID 模塊、SIM-800A 模塊和ESP8266 模塊進(jìn)行通訊。RFID 模塊是高度集成的非接觸式讀寫(xiě)芯片，該模塊用于公交卡的刷取，可以配合 其他模塊實(shí)現(xiàn)預(yù)定信息的讀取和公交卡的充值，同時(shí) 還可以實(shí)現(xiàn)刷卡測(cè)溫，免去了上車(chē)時(shí)司機(jī)一一測(cè)溫的 過(guò)程。SIM800A 模塊可以低功耗地實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信和移動(dòng)數(shù)據(jù)的傳輸，為用戶提供簡(jiǎn)單的通訊服務(wù)。ESP8226 是一個(gè)成熟且簡(jiǎn)單的 Wi-Fi 網(wǎng)絡(luò)解決方案，可以實(shí)現(xiàn)本地與服務(wù)器之間的數(shù)據(jù)交互，實(shí)時(shí)更新顯示 內(nèi)容。

2.1.5 顯示模塊

本系統(tǒng) LCD 顯示屏應(yīng)用的 GT9911，它擁有多達(dá)26 個(gè)驅(qū)動(dòng)通道和 14 個(gè)感應(yīng)通道，可同時(shí)識(shí)別 5 個(gè)觸摸點(diǎn)位的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確位置，移動(dòng)軌跡及觸摸面積。該模 塊內(nèi)置電容檢測(cè)電路及高性能 MPU，可實(shí)現(xiàn)觸摸點(diǎn)坐標(biāo)實(shí)時(shí)輸出。該模塊反應(yīng)靈敏，可以及時(shí)顯示用戶所需信息，同時(shí)該模塊還有低功耗模式，在一段時(shí)間無(wú)人觸摸后即可自動(dòng)熄滅。

2.2 車(chē)載終端

如圖3 所示。

2.2.1 主控芯片

本終端采用 STM32F103 作為主控芯片，主頻 72M，擁有512KB FLASH 的空間，可以迅速地接收傳感器的數(shù)據(jù)，并處理傳回后臺(tái)。可以引出 110 個(gè) IO 口，可以接豐富的外設(shè)。

2.2.2 定位模塊

本終端采用 AT6558 模塊作為定位芯片，該模塊是一款高性能BDS/GNSS 多模衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī) SOC 單芯片，采用 55nmCMOS 工藝，支持多種衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，包括中國(guó)的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，美國(guó)的 GPS 系統(tǒng)等等。該模塊與主控芯片連接簡(jiǎn)單，只需要簡(jiǎn)單 的兩根數(shù)據(jù)線，利用該模塊提供的位置信息，可用于 優(yōu)化公交車(chē)的調(diào)度。

2.2.3 通訊模塊

本終端采用 DL-20ZIGBEE 模塊進(jìn)行組網(wǎng)，是一款基于 UART接口的無(wú)線傳輸模塊，該模塊采用 TI 的CC2530 芯片，符合IEEE802.15.4 協(xié)議。相比傳統(tǒng)的ZIGBEE 模塊，無(wú)需了解復(fù)雜的協(xié)議棧，更簡(jiǎn)單、更穩(wěn)定。同時(shí)支持 Mesh 組網(wǎng)，在兩個(gè)公交車(chē)相遇時(shí)，也可進(jìn)行組網(wǎng)，接收并儲(chǔ)存信息到下一次與公交站牌相遇時(shí)發(fā)送信息，提高準(zhǔn)確率。

2.2.4 語(yǔ)音模塊

本終端語(yǔ)音模塊使用的是 WT588D 芯片，自帶多個(gè) I/O 口、FLASH 芯片和控制端，便于與主控芯片連接。在經(jīng)濟(jì)方面上講，它的價(jià)格親民，成本低廉?？梢园惭b多個(gè)在公交車(chē)上，降低乘客聽(tīng)不到語(yǔ)音播報(bào)的可能性。

2.2.5 傳感器模塊

本終端的傳感器主要包括速度傳感器和紅外感應(yīng)傳感器。速度傳感器為簡(jiǎn)單的霍爾速度傳感器，成本低廉，精度較高。該傳感器安裝于車(chē)底，檢測(cè)車(chē)輛 行駛速度。紅外人體感應(yīng)模塊是基于紅外線技術(shù)的自動(dòng)控制模塊，具有全自動(dòng)感應(yīng)，光敏控制，工作電壓范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。該模塊主要用于檢測(cè)公交車(chē)乘客的 下車(chē)情況，上傳相應(yīng)數(shù)據(jù)到后臺(tái)，推測(cè)公交車(chē)實(shí)時(shí)的 載客量。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件主要分為后臺(tái)端和用戶端，后臺(tái)端用于實(shí)時(shí)接收公交站牌反饋信息和公交車(chē)的運(yùn)行信息，綜 合天氣以及實(shí)際情況，結(jié)合所接收的到的信息，給出 用戶出行建議以及調(diào)度公交車(chē)。用戶端主要用于顯示 當(dāng)前公交車(chē)的運(yùn)行路線，接收用戶的反饋；在用戶輸 入出行要求后，給出合適的出行建議；儲(chǔ)存監(jiān)護(hù)人要 發(fā)送的信息，并傳輸?shù)秸九平K端。

4 結(jié)束語(yǔ)

本設(shè)計(jì)使用了STM32F407 和STM32f103 微控制器，設(shè)計(jì)的智能公交系統(tǒng)由后臺(tái)端、用戶端、車(chē)載終端和智能站牌終端四個(gè)部分組成。本系統(tǒng)將 GSM 無(wú)線通訊、GPS/北斗定位系統(tǒng)，結(jié)合ESP8266 芯片和 ZIGBEE 芯片的靈活組網(wǎng)功能，輔以 RFID 標(biāo)簽的識(shí)別和信息讀取功能，實(shí)現(xiàn)了方便乘客出行的目的。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)若可實(shí)際應(yīng)用于城市交通管理中，可以有效改善用戶出行體驗(yàn)和緩解公共交通壓力。與此同時(shí)，本系統(tǒng)的設(shè)計(jì)也為城市公交系統(tǒng)的智能化提高一種新的解決方案，具有一定的參考價(jià)值。