基于STM32的交互式公交輔助裝置

安徽中醫(yī)藥大學(xué) 錢偉琴 胡世平 劉志偉 姚夢(mèng)茜 薛冬晴

本項(xiàng)目是對(duì)傳統(tǒng)公交下車鈴和公交司機(jī)手動(dòng)開門的不方便及安全問題進(jìn)行改善，隨著我國(guó)城市建設(shè)進(jìn)程的不斷加快，交通運(yùn)輸事業(yè)也在快速得到發(fā)展，同時(shí)居民出行水平和對(duì)時(shí)間效率以及安全性的要求也在提高，城市公交作為市民出行的重要工具，其服務(wù)質(zhì)量也就密切關(guān)系到交通運(yùn)輸事業(yè)的發(fā)展。乘客下車是城市主要的交通活動(dòng)之一，乘客下車的速度與頻次影響著公交車的停站時(shí)間以及服務(wù)水平，因此下車提醒系統(tǒng)是提升司機(jī)與乘客聯(lián)系的重要途徑，傳統(tǒng)下車提醒按鈕位置單一、形同虛設(shè)，在特殊情況如上下班人流高峰期時(shí)乘客難以觸碰到下車提醒按鈕，大大降低了乘客與司機(jī)之間的聯(lián)系，導(dǎo)致延誤下車和“門夾人”等安全隱患時(shí)有發(fā)生。而本項(xiàng)目的交互式公交輔助裝置設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)到站提醒、實(shí)時(shí)人流量監(jiān)控、光電門檢測(cè)等基本功能，極大程度上方便了乘客與公交司機(jī)的使用，提升司機(jī)與乘客之間的交互能力，減少了行車過(guò)程中的“門夾人”等安全隱患，同時(shí)也可以避免“逢站必?！痹斐傻馁Y源浪費(fèi)。

1 系統(tǒng)總設(shè)計(jì)

在整個(gè)裝置的控制上，使用使用ARM架構(gòu)的STM32f103c6t6芯片，合理利用了微控制器的功能，并且滿足低功耗的要求，在供電方面STM32微控制器電路上只需要5V電源就可以驅(qū)動(dòng)，芯片只需要3.3V，使用起來(lái)非常方便。在程序的編寫上，使用的是我們所熟悉的C語(yǔ)言。在本項(xiàng)目中使用到的功能有光電開關(guān)、RFID讀卡器模塊、wifi傳輸、串口顯示屏、按鍵等。

本項(xiàng)目的主要目的是解決乘客在公交車旅途中碰到的各種問題。例如：不良于行的乘客未趕到下客門車門就已經(jīng)關(guān)閉的問題、車內(nèi)嘈雜導(dǎo)致司機(jī)無(wú)法確定是否尚有乘客未下車的問題、偏遠(yuǎn)地區(qū)“到站就?！钡膯栴}、公交車在乘客下車過(guò)程中處于怠速狀態(tài)燃耗問題等，而本項(xiàng)目的公交輔助裝置可以結(jié)合各種模塊，完成在不同場(chǎng)景下解決乘客在出行過(guò)程中的各種情況。

2 主要硬件設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體布局

該設(shè)計(jì)以公交下車提醒裝置為研究對(duì)象，使用ARM架構(gòu)的STM32f103c6t6芯片，其中包含電源模塊、光電開關(guān)、RFID讀卡器模塊、wifi傳輸、串口顯示屏等模塊構(gòu)成了一個(gè)完整的交互式公交下車輔助裝置，具體硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

圖1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖

本系統(tǒng)為了實(shí)現(xiàn)司機(jī)與乘客之間的交互功能，設(shè)計(jì)方面分為主機(jī)和從機(jī)。乘客選擇下車站點(diǎn)后進(jìn)行刷卡，主機(jī)采集乘客上下車的站點(diǎn)信息并進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并將信息傳遞給從機(jī)司機(jī)端，從機(jī)顯示屏上會(huì)清晰地顯示車上人數(shù)，當(dāng)前站點(diǎn)應(yīng)下車人數(shù)和未下車人數(shù)，因此司機(jī)可以便捷地獲取每個(gè)站點(diǎn)的上下乘客的人數(shù)情況。乘客下車時(shí)，利用光電開關(guān)的工作原理，當(dāng)有乘客下車經(jīng)過(guò)下客門，引起光敏電阻兩端電壓的改變，電壓信號(hào)通過(guò)傳感器傳到計(jì)數(shù)器上計(jì)數(shù)，以此來(lái)檢測(cè)下客處是否有乘客下車，并將乘客下車情況傳遞給司機(jī)端。其中光電門的電路原理圖如圖2所示。

圖2 光電門電路原理圖

倘若尚有乘客未來(lái)得及在相應(yīng)站點(diǎn)下車，司機(jī)端將會(huì)有LED燈長(zhǎng)亮進(jìn)行示警，實(shí)現(xiàn)在不影響司機(jī)駕駛安全的前提下，提醒司機(jī)乘客下車的需求，同時(shí)避免由于停車時(shí)間過(guò)短、老年孕婦等乘客行動(dòng)不便、人流高峰人多擁擠等導(dǎo)致乘客過(guò)站未下車的誤會(huì)產(chǎn)生，維護(hù)乘客和司機(jī)的生命財(cái)產(chǎn)安全，以及緩解公交車上呼喊停車帶來(lái)的尷尬，維持公交車運(yùn)行的公共秩序，實(shí)現(xiàn)乘客及時(shí)安全下車同時(shí)提高公共資源利用率。另一方面，在偏遠(yuǎn)地區(qū)，司機(jī)可以根據(jù)下車人數(shù)在相應(yīng)站點(diǎn)選擇不停車，盡量避免怠速狀態(tài)帶來(lái)的負(fù)面影響，減少公交車重新啟動(dòng)的油耗，一定程度上也降低了環(huán)境污染。

此外，根據(jù)本裝置還專門設(shè)計(jì)了公交輔助APP，利用WIFI數(shù)據(jù)傳輸模塊，使用UDP協(xié)議（UserDatagramProtocol），即用戶數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議，來(lái)實(shí)現(xiàn)處于同一局域網(wǎng)內(nèi)的電路板和手機(jī)可以進(jìn)行信息的傳遞的功能，即由下位機(jī)的刷卡端和司機(jī)端的電路板采集的信息可以傳遞到上位機(jī)的手機(jī)APP上。其中，UDP協(xié)議和我們所熟知的TCP協(xié)議一樣都屬于傳輸層協(xié)議，而UDP協(xié)議的主要作用是將網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)流量壓縮成數(shù)據(jù)報(bào)的形式，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)同一時(shí)刻內(nèi)多項(xiàng)應(yīng)用同時(shí)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)，之所以選擇UDP協(xié)議，也因?yàn)閁DP協(xié)議具有TCP協(xié)議所望塵莫及的速度優(yōu)勢(shì)，UDP協(xié)議將安全和排序等功能都移至上層應(yīng)用來(lái)完成，可以減少實(shí)際執(zhí)行過(guò)程中的的大量系統(tǒng)開銷，能夠極大程度上降低執(zhí)行時(shí)間，對(duì)于本項(xiàng)目非常實(shí)用。

主機(jī)WIFI模塊的電路原理圖如圖3所示，子機(jī)WIFI模塊的電路原理圖如圖4所示。

圖3 主機(jī)WIFI模塊電路原理圖

圖4 子機(jī)WIFI模塊電路原理圖

2.2 控制系統(tǒng)電路穩(wěn)定性及其合理性

本裝置的設(shè)計(jì)由于用到了多個(gè)模塊，本項(xiàng)目在電路設(shè)計(jì)上會(huì)根據(jù)不同的I/O口所擁有的硬件資源將不同的模塊與合適的I/O口連接到一起，以達(dá)到最大化利用硬件資源的情況。由于不同模塊其工作電壓有所不同，在供電方面STM32微控制器電路上只需要5V電源就可以驅(qū)動(dòng)，而芯片需要3.3V，降壓模塊集成在最小系統(tǒng)板上可以實(shí)現(xiàn)控制電路的穩(wěn)定性。

其中電源電路原理圖如圖5所示。

圖5 程序設(shè)計(jì)流程圖

圖5 電源電路原理圖

3 主要軟件設(shè)計(jì)

本裝置設(shè)計(jì)中使用的是我們都比較熟悉的編程語(yǔ)言——C語(yǔ)言，使用的是便捷靈活、方便上手的編譯器——Keil 5，Keil 5是一款極易掌握，有足夠的靈活性并且非常友好和強(qiáng)大的C語(yǔ)言軟件開發(fā)系統(tǒng)，它提供豐富的庫(kù)函數(shù)和功能強(qiáng)大的集成開發(fā)調(diào)試工具和清晰直觀的操作界面，可以完成編輯、編譯、連接、調(diào)試、仿真等整個(gè)開發(fā)流程，并且使用起來(lái)十分的輕松便捷，并具備編譯器、編譯器、安裝包和調(diào)試跟蹤，同時(shí)支持在線仿真功能，能夠觀察到每一個(gè)寄存器的值，因此可以更加直觀地發(fā)現(xiàn)程序設(shè)計(jì)過(guò)程中出現(xiàn)的錯(cuò)誤并能夠及時(shí)加以糾正，有利于程序調(diào)試過(guò)程中的不斷改進(jìn)。此外，Keil 5完美支持Cortex-M、Cortex-R4、ARM7和ARM9等系列器件，因此在本項(xiàng)目中，Keil 5編譯器非常適用。在本項(xiàng)目中，可以使用現(xiàn)有的電子元件例如按鍵、LED、LCD屏幕、光柵傳感器、RFID讀卡器等其他輸出裝置。

程序編寫時(shí)將主機(jī)和從機(jī)封裝在不同的工程文件中，分開燒錄，編程思路會(huì)更加清晰，編寫過(guò)程中倘若遇到問題也便于更加快捷地找到問題所在，并及時(shí)改正，對(duì)調(diào)試和修改程序都非常有幫助。

其中使用的RFID讀卡器的相關(guān)程序編寫在主機(jī)中，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)乘客刷卡的功能，RFID解讀器讀取信息并解碼后，送至單片機(jī)進(jìn)行有關(guān)數(shù)據(jù)處理，并將檢測(cè)到的信息傳遞到從機(jī)，并在LCD顯示屏上顯示車上人數(shù)、應(yīng)下車人數(shù)、未下車人數(shù)等信息，從而達(dá)到司機(jī)可以接收到相應(yīng)站點(diǎn)乘客上下車情況的效果。

此外，在LCD的相關(guān)程序的編寫中，使用到了畫線算法，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)距離之間的計(jì)算，得到公交車運(yùn)行的實(shí)時(shí)位置，在初始化配置后，向SPI總線傳輸數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)寫命令，完成數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程。

程序設(shè)計(jì)的思路如下：本裝置通電運(yùn)行之后，按下開門按鍵，則判斷當(dāng)前到達(dá)的站點(diǎn)，然后乘客可以選擇相應(yīng)的下車站點(diǎn)，若與當(dāng)前所在站點(diǎn)沖突，LCD顯示屏則會(huì)顯示：“已在當(dāng)前站點(diǎn)”，并且使當(dāng)前選擇站點(diǎn)次數(shù)無(wú)效，即不計(jì)入計(jì)數(shù)器中；若乘客選擇站點(diǎn)與當(dāng)前所在站點(diǎn)無(wú)沖突，則乘客可以進(jìn)行刷卡操作，同時(shí)計(jì)數(shù)器進(jìn)行記錄并統(tǒng)計(jì)各個(gè)站點(diǎn)上車人數(shù)，車門關(guān)閉后進(jìn)入車輛運(yùn)行狀態(tài)，到達(dá)站點(diǎn)后，與本裝置在同一局域網(wǎng)內(nèi)并且公交輔助APP處于登錄狀態(tài)的手機(jī)會(huì)發(fā)生震動(dòng)以提示乘客站點(diǎn)到達(dá)，下客門光電門傳感器檢測(cè)下車人數(shù)并與統(tǒng)計(jì)應(yīng)下車人數(shù)進(jìn)行對(duì)比，乘客若全部下車則正常關(guān)門，若當(dāng)前站點(diǎn)人數(shù)仍未歸0，則LED提示燈長(zhǎng)亮進(jìn)行提示，車門不關(guān)。

本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)邏輯如圖5程序設(shè)計(jì)流程圖所示。

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本裝置設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了在模擬場(chǎng)景中公交下車輔助系統(tǒng)的功能，但是目前應(yīng)用與推廣方面還很欠缺，也只限于在乘客遵守“前門上車，后門下車”的前提下，若乘客從下客門上車，則會(huì)影響光電門技術(shù)的準(zhǔn)確性，容錯(cuò)率方面還有待進(jìn)一步提高。但在交互方面，功能已經(jīng)全部完成，乘客可以選擇相應(yīng)的站點(diǎn)、獲得站點(diǎn)的信息、到站提醒，主機(jī)通過(guò)對(duì)采集信息的處理和統(tǒng)計(jì)，傳遞至子機(jī)，司機(jī)可以便捷地了解車上人數(shù)及上下客情況，根據(jù)應(yīng)下車人數(shù)做出開關(guān)門判斷，在尚有乘客未下車的情況下會(huì)有警示燈一直處于提醒狀態(tài)，直至應(yīng)下車乘客全部下車，車門即可關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)乘客與司機(jī)之間信息的交互式傳遞。

總結(jié)：本裝置在硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面較為合理，相較于傳統(tǒng)的下車提醒按鈕，更加智能化、使用便捷、容錯(cuò)率更高，對(duì)傳統(tǒng)的位置單一并且缺乏靈活性的下車提醒按鈕進(jìn)行改良，實(shí)現(xiàn)司機(jī)與乘客之間信息的交互功能。使用處理速度快、功能強(qiáng)大、功耗較低的Cortex-M3內(nèi)核ARM架構(gòu)的STM32微控制器，可以實(shí)現(xiàn)到站提醒、實(shí)時(shí)人流量監(jiān)控、光電門檢測(cè)等基本功能，極大程度上方便了乘客與公交司機(jī)的使用，提升司機(jī)與乘客之間的交互能力，避免由于停車時(shí)間過(guò)短、老年孕婦等乘客行動(dòng)不便、人流高峰人多擁擠等導(dǎo)致乘客過(guò)站未下車的誤會(huì)產(chǎn)生，減少不必要的矛盾發(fā)生，維護(hù)了乘客和司機(jī)的生命財(cái)產(chǎn)安全，也能夠緩解公交車上大聲呼喊停車而帶來(lái)的尷尬，維持公交車運(yùn)行的公共秩序。同時(shí)也減少了行車過(guò)程中的“門夾人”等安全隱患，提高了行車過(guò)程的安全性，此外還可以避免“逢站必?！彼斐傻馁Y源浪費(fèi)，提高了公共資源的利用率，有效解決了許多行車過(guò)程中的煩惱。