基于ZigBee 與WiFi的計(jì)程車(chē)招呼系統(tǒng)設(shè)計(jì)

彭名華，劉建生，鐘新梅，劉沁炆

（西南石油大學(xué)，四川成都 610500）

在城市中，特別是一些大城市中，就打車(chē)而言，常會(huì)看到3 個(gè)場(chǎng)景：1）乘客需要打車(chē)盡快趕到某地，但很長(zhǎng)時(shí)間都看不到計(jì)程車(chē)；2）乘客居住地離主干道較遠(yuǎn)，出門(mén)走很長(zhǎng)一段路也找不到計(jì)程車(chē)；3）同一時(shí)刻，一些計(jì)程車(chē)司機(jī)可能找不到生意。這3 個(gè)場(chǎng)景充分暴露了計(jì)程車(chē)傳統(tǒng)服務(wù)模式存在的弊端：1）乘客乘車(chē)的效率低下，如果運(yùn)氣差點(diǎn)，甚至有可能一天都乘不到車(chē)；2）計(jì)程車(chē)的運(yùn)行效率低下，只有看到了乘客才能進(jìn)行服務(wù)，造成巨大的資源浪費(fèi)；3）計(jì)程車(chē)的服務(wù)范圍有限，在城市中可以行車(chē)的偏僻地方，因計(jì)程車(chē)很少前往，所以傳統(tǒng)的計(jì)程車(chē)服務(wù)就無(wú)能為力了。

針對(duì)這些弊端，電召、打車(chē)地圖、打車(chē)軟件應(yīng)運(yùn)而生。但是，現(xiàn)有的打車(chē)方式依然存在一些問(wèn)題，如電召成功率不高、打車(chē)地圖無(wú)人看、打車(chē)軟件存在安全隱患、難以監(jiān)管而被叫停。該文設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一種基于ZigBee 與WiFi 技術(shù)相結(jié)合的計(jì)程車(chē)招呼系統(tǒng)。系統(tǒng)綜合運(yùn)用嵌入式計(jì)算機(jī)技術(shù)、無(wú)線通信技術(shù)、ZigBee 技術(shù)組建無(wú)線taxi 站臺(tái)招呼網(wǎng)絡(luò)，利用WiFi 技術(shù)組建高速無(wú)線局域網(wǎng)絡(luò)，利用ZigBee-WiFi節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)信息路由，并利用ARM-Linux 實(shí)現(xiàn)車(chē)載終端開(kāi)發(fā)。

1 計(jì)程車(chē)招呼系統(tǒng)架構(gòu)

ZigBee 技術(shù)是一種工作于免授權(quán)的2.4 GHz 頻段的無(wú)線通訊技術(shù)，具有傳輸距離短、成本低、功耗低、速率低的特點(diǎn)，傳輸速率為10～250 kbit/s，傳輸距離可達(dá)75 m[1]，可以外加功率放大器，增加傳輸距離。與ZigBee 技術(shù)相比，WiFi(Wireless Fidelity) 是一種傳輸距離遠(yuǎn)、功耗高的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，傳輸速率可達(dá)54 Mbp/s，采用802.11 標(biāo)準(zhǔn)，目前，在無(wú)線局域網(wǎng)中得到了較為廣泛的應(yīng)用，便于接入Internet[2-5]。

鑒于ZigBee 和WiFi 各自的優(yōu)點(diǎn)，將ZigBee 技術(shù)與WiFi 技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出一套計(jì)程車(chē)招呼系統(tǒng)，其硬件系統(tǒng)由taxi 站臺(tái)、車(chē)載終端、高速無(wú)線主節(jié)點(diǎn)和子節(jié)點(diǎn)以及信息中心組成，如圖1 所示。該系統(tǒng)利用ZigBee 和WiFi 來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸，形成一個(gè)高效的網(wǎng)絡(luò)，隨時(shí)監(jiān)控各個(gè)taxi 站臺(tái)乘客的乘車(chē)需求以及每一輛計(jì)程車(chē)的搭載情況，并通過(guò)信息中心（PC 機(jī)）的邏輯分析，為每一位有乘車(chē)請(qǐng)求的乘客選擇最近、最方便的計(jì)程車(chē)。服務(wù)器用數(shù)據(jù)庫(kù)技術(shù)、JAVA、C 語(yǔ)言實(shí)現(xiàn)，整個(gè)系統(tǒng)的信息處理、存儲(chǔ)及各種服務(wù)的調(diào)度都由服務(wù)器完成。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

2 系統(tǒng)模塊功能

該系統(tǒng)的每個(gè)模塊都有自己的獨(dú)立功能，它們之間相互協(xié)調(diào)工作才能有效保證該系統(tǒng)方案的實(shí)現(xiàn)。

2.1 信息中心

信息中心由數(shù)據(jù)庫(kù)、信息處理中心和信息調(diào)度中心組成。數(shù)據(jù)庫(kù)用于存儲(chǔ)計(jì)程車(chē)、taxi 站臺(tái)的各種信息，并且數(shù)據(jù)庫(kù)中的定時(shí)事件和存儲(chǔ)過(guò)程還會(huì)幫助系統(tǒng)處理過(guò)時(shí)的計(jì)程車(chē)招呼信息；信息處理中心是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)監(jiān)控整個(gè)系統(tǒng)計(jì)程車(chē)的運(yùn)行狀態(tài)（位置、載人申請(qǐng)等）和站臺(tái)乘客的乘車(chē)請(qǐng)求，并根據(jù)這些信息進(jìn)行一系列的邏輯運(yùn)算，通過(guò)調(diào)度中心將最近的計(jì)程車(chē)調(diào)度給有乘車(chē)請(qǐng)求的站臺(tái)乘客；信息調(diào)度中心負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)信息調(diào)度的功能，它會(huì)將站臺(tái)、計(jì)程車(chē)的信息搜集起來(lái)發(fā)送給信息處理中心，并將信息處理中心運(yùn)算好的調(diào)度操作從不同的端口發(fā)送出去。

2.2 高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)

高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)是系統(tǒng)通信節(jié)點(diǎn)的核心，為所屬區(qū)域所有數(shù)據(jù)的匯聚處，負(fù)責(zé)和站臺(tái)系統(tǒng)的高速網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)通信，也負(fù)責(zé)和車(chē)載設(shè)備的無(wú)線通信。主節(jié)點(diǎn)將匯聚的數(shù)據(jù)傳送給調(diào)度中心，調(diào)度中心的數(shù)據(jù)也通過(guò)此節(jié)點(diǎn)向外發(fā)送數(shù)據(jù)。

2.3 高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)

高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)由ZigBee 協(xié)調(diào)器和WiFi組成。負(fù)責(zé)將ZigBee 協(xié)調(diào)器搜集到的所有Zigbee 終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的信息通過(guò)WiFi 傳遞給高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)，并將高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)發(fā)送來(lái)的信息發(fā)送給對(duì)應(yīng)的ZigBee 終端節(jié)點(diǎn)[6-7]，同時(shí)兼有數(shù)據(jù)緩沖功能，以解決ZigBee 網(wǎng)絡(luò)和高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)速度不匹配的問(wèn)題。

2.4 taxi站臺(tái)

taxi 站臺(tái)由ZigBee 通信模塊和站臺(tái)人機(jī)交互模塊組成。每個(gè)終端ZigBee 節(jié)點(diǎn)負(fù)責(zé)將乘車(chē)站臺(tái)采集到的信息通過(guò)自己所在無(wú)線ZigBee 網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)上，并且監(jiān)聽(tīng)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)。如果發(fā)現(xiàn)有發(fā)送給自己負(fù)責(zé)的站臺(tái)的信息，則接收后傳輸給站臺(tái)，由站臺(tái)顯示器顯示計(jì)程車(chē)的信息供乘客選擇。

站臺(tái)人機(jī)交互模塊則通過(guò)“ZigBee 網(wǎng)絡(luò)＜--＞高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)”來(lái)建立與信息調(diào)度中心的通信。站臺(tái)負(fù)責(zé)與乘客之間的信息交流，它將采集乘客“請(qǐng)求乘車(chē)”、“同意等待”、“拒絕等待”的信息，并展示“計(jì)程車(chē)編號(hào)”、“計(jì)程車(chē)到此處距離”、“有車(chē)前來(lái)”、“無(wú)車(chē)響應(yīng)”以及當(dāng)前站臺(tái)狀態(tài)等信息給乘客。

2.5 車(chē)載終端

每個(gè)車(chē)載設(shè)備上都有一個(gè)無(wú)線網(wǎng)卡用來(lái)和高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)主節(jié)點(diǎn)進(jìn)行通信。車(chē)載設(shè)備主要負(fù)責(zé)計(jì)程車(chē)司機(jī)和信息中心的信息交流，采集計(jì)程車(chē)司機(jī)“前往對(duì)應(yīng)站臺(tái)”、“設(shè)置當(dāng)前狀態(tài)”、“接收其他計(jì)程車(chē)任務(wù)”等信息，同時(shí)展示“當(dāng)前申請(qǐng)乘車(chē)乘客信息列表”、“乘客位置信息”、“乘客是否同意等待”等信息。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)

高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)的主要功能是實(shí)現(xiàn)路由，連接ZigBee 和WiFi 兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的網(wǎng)絡(luò)[8]。當(dāng)子節(jié)點(diǎn)沒(méi)有連接到主節(jié)點(diǎn)時(shí)，子節(jié)點(diǎn)會(huì)將taxi 站臺(tái)的傳輸數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到本地存儲(chǔ)器中，當(dāng)子節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)間建立連接時(shí)，會(huì)將這些數(shù)據(jù)發(fā)送出去。如果子節(jié)點(diǎn)與主節(jié)點(diǎn)一直連接，數(shù)據(jù)會(huì)直接轉(zhuǎn)發(fā)給服務(wù)器，不需要存儲(chǔ)。當(dāng)服務(wù)器需要發(fā)送信息給站臺(tái)節(jié)點(diǎn)時(shí)，子節(jié)點(diǎn)會(huì)將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)給指定的站臺(tái)節(jié)點(diǎn)。高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖如圖2 所示，以S3C2410 為核心，通過(guò)USB 與WiFi 模塊相連接，通過(guò)RS232 與ZigBee網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)器相連[9]，并完成ZigBee 和WiFi 兩種協(xié)議間的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換，實(shí)現(xiàn)打車(chē)信息的轉(zhuǎn)發(fā)。

圖2 高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)結(jié)構(gòu)框圖

3.2 taxi站臺(tái)設(shè)計(jì)

3.2.1 taxi站臺(tái)硬件設(shè)計(jì)

為保證所有的站臺(tái)節(jié)點(diǎn)能夠?qū)崿F(xiàn)自主加入，必須保證網(wǎng)絡(luò)中所有的節(jié)點(diǎn)能夠滿足共同的協(xié)議，只要符合協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的節(jié)點(diǎn)都能夠接入系統(tǒng)。系統(tǒng)中的taxi 站臺(tái)節(jié)點(diǎn)以MCU（Micro Control Unit）為主控芯片，節(jié)點(diǎn)將數(shù)據(jù)通過(guò)ZigBee 終端發(fā)送到高速無(wú)線網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)，同時(shí)接收子節(jié)點(diǎn)轉(zhuǎn)發(fā)來(lái)的反饋信息指令。taxi 站臺(tái)原理框圖如圖3 所示，taxi 站臺(tái)控制器如圖4 所示。

圖3 taxi站臺(tái)原理框圖

圖4 taxi站臺(tái)控制器

3.2.2 taxi站臺(tái)軟件設(shè)計(jì)

taxi 站臺(tái)招呼功能主要由站臺(tái)乘客招呼算法、計(jì)程車(chē)先到處理算法、站臺(tái)申請(qǐng)超時(shí)算法、站臺(tái)多次申請(qǐng)乘車(chē)算法實(shí)現(xiàn)。站臺(tái)乘客招呼算法完成計(jì)程車(chē)乘車(chē)申請(qǐng)、同意等待、拒絕等待功能；計(jì)程車(chē)先到處理算法完成在業(yè)務(wù)計(jì)程車(chē)未到達(dá)taxi 站臺(tái)時(shí)，其他空車(chē)經(jīng)過(guò)此站臺(tái)的一種優(yōu)先上車(chē)調(diào)度策略；站臺(tái)申請(qǐng)超時(shí)算法針對(duì)高峰時(shí)刻計(jì)程車(chē)繁忙而不能申請(qǐng)到計(jì)程車(chē)的情況，每次申請(qǐng)有規(guī)定的最大響應(yīng)時(shí)間，如果超過(guò)這個(gè)時(shí)間，系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)取消這次申請(qǐng)，同時(shí)向站臺(tái)發(fā)送申請(qǐng)失效信息；站臺(tái)多次申請(qǐng)乘車(chē)算法針對(duì)一個(gè)站臺(tái)有多個(gè)人申請(qǐng)乘車(chē)的情況，當(dāng)一個(gè)人申請(qǐng)成功，獲取到前來(lái)接送的計(jì)程車(chē)ID 之后，站臺(tái)系統(tǒng)馬上恢復(fù)到初始狀態(tài)，下一位乘客又可以繼續(xù)申請(qǐng)計(jì)程車(chē)。站臺(tái)軟件流程如圖5 所示。

圖5 站臺(tái)軟件流程

3.3 車(chē)載終端設(shè)計(jì)

3.3.1 車(chē)載終端硬件設(shè)計(jì)

車(chē)載終端平臺(tái)采用的S3C6410 芯片是基于ARM11 架構(gòu)的16/32 位RISC 微處理器。它采用ARMv6 指令集，支持從SD Card、NOR Flash、NAND Flash 和One-NAND Flash 中引導(dǎo)系統(tǒng)，是一個(gè)低成本、低功耗、高性能的應(yīng)用處理器解決方案[10]。外圍組件主要包括觸摸屏顯示模塊、WiFi 模塊、電源模塊等，如圖6 所示。

圖6 車(chē)載設(shè)備框圖

3.3.2 車(chē)載終端系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

系統(tǒng)軟件選擇嵌入式Linux 為操作系統(tǒng),整個(gè)系統(tǒng)由引導(dǎo)程序、設(shè)備驅(qū)動(dòng)、Linux 內(nèi)核、文件系統(tǒng)組成[11-13]。在搭建平臺(tái)的過(guò)程中,由于嵌入式設(shè)備上的資源非常有限，要對(duì)Linux 進(jìn)行針對(duì)性的裁剪，并進(jìn)行裁剪后的Linux 系統(tǒng)移植[14-15]。

QT/ Embedded 通常為小型化、低功耗、便攜式的設(shè)備開(kāi)發(fā)帶有圖形化界面的應(yīng)用程序[16]，所設(shè)計(jì)的GUI 實(shí)用、簡(jiǎn)潔。該車(chē)載終端選用移植性強(qiáng)的QT軟件設(shè)計(jì)圖形車(chē)載終端界面，利用QT/Embedded 的用戶圖形界面開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)了人機(jī)交互[17]。計(jì)程車(chē)車(chē)載軟件界面如圖7 所示。

圖7 車(chē)載終端系統(tǒng)界面

4 系統(tǒng)測(cè)試

在實(shí)驗(yàn)室配置一臺(tái)服務(wù)器（PC 機(jī)模擬）、6 個(gè)taxi站臺(tái)、一個(gè)車(chē)載終端、無(wú)線高速網(wǎng)絡(luò)子節(jié)點(diǎn)以及主節(jié)點(diǎn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行模擬測(cè)試。圖8 為車(chē)載終端，顯示（申請(qǐng)的站臺(tái)、站臺(tái)名稱(chēng)、經(jīng)度緯度、距離）的是乘客與計(jì)程車(chē)達(dá)成的乘車(chē)服務(wù)。經(jīng)過(guò)測(cè)試，taxi 站臺(tái)的“請(qǐng)求乘車(chē)”、“同意等待”、“拒絕等待”、“計(jì)程車(chē)編號(hào)”、“計(jì)程車(chē)到此處距離”、“有車(chē)前來(lái)”、“無(wú)車(chē)響應(yīng)”以及車(chē)載終端的“前往對(duì)應(yīng)站臺(tái)”、“設(shè)置當(dāng)前狀態(tài)”、“接收其他計(jì)程車(chē)任務(wù)”等功能完全能夠?qū)崿F(xiàn)。

圖8 車(chē)載終端測(cè)試結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

ZigBee 和WiFi 技術(shù)的結(jié)合很好地實(shí)現(xiàn)了計(jì)程車(chē)招呼功能。該系統(tǒng)具效率高、實(shí)用性強(qiáng)、成本低廉、網(wǎng)絡(luò)選擇靈活等特點(diǎn)，打破了傳統(tǒng)打車(chē)的弊端，規(guī)避了正在被叫停的打車(chē)軟件的不足。此外，系統(tǒng)功能還可以進(jìn)一步擴(kuò)展，如引進(jìn)GSM、3G 網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)。