摘  要： 介紹了一種城市公共交通監(jiān)控系統(tǒng)及公交站電子站牌，它是利用GPS、GPRS、GIS、Zigbee以及傳感器技術(shù)來(lái)完善公共交通服務(wù)。利用此系統(tǒng)不僅給市民乘車(chē)提供了便利，也使得公共交通管理者能夠?qū)崟r(shí)準(zhǔn)確地掌握公交車(chē)運(yùn)行情況，以便日后更好地規(guī)劃和管理城市公交車(chē)輛的運(yùn)營(yíng)。
關(guān)鍵詞： GPRS；GPS；GIS；Zigbee；單片機(jī)；電子站牌；智能公交系統(tǒng)

    智能交通系統(tǒng)ITS(Intelligent Transport System)是指將先進(jìn)的通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等綜合地應(yīng)用于交通管理體系，從而建立一種全方位發(fā)揮作用的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確、高效的交通綜合管理和控制系統(tǒng)。
    美國(guó)在20世紀(jì)60年代末開(kāi)始ITS方面的研究，之后歐洲、日本等也相繼加入這一行列。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，美國(guó)、歐洲、日本成為世界ITS研究的三大基地。從20世紀(jì)60年代歐洲的道路交通信息(RTI)系統(tǒng)到美國(guó)的智能車(chē)輛道路系統(tǒng)(IVHS)，ITS正以前所未有的速度發(fā)展。
    我國(guó)的ITS研究起步較晚，并且面臨著城市人口密度大、城市化發(fā)展快、汽車(chē)持有量迅速增加、交通擁擠現(xiàn)象加劇等實(shí)際國(guó)情，必須要在交通管理調(diào)度的信息化、智能化上加大研發(fā)力度。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)ITS的研究與應(yīng)用得到了較快的發(fā)展，取得了一定的成果[1]。
    本文基于GPS、GPRS、GIS、Zigbee以及傳感器技術(shù)設(shè)計(jì)了一種智能公共交通監(jiān)控系統(tǒng)。
1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及功能
    本系統(tǒng)分為三個(gè)部分，分別為公交車(chē)載終端、公交系統(tǒng)監(jiān)控中心和公交車(chē)站電子站牌。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.1 車(chē)載終端
    車(chē)載終端由傳感器部分和數(shù)據(jù)收發(fā)控制器兩部分組成，傳感器部分是一個(gè)帶有距離測(cè)量傳感器和Zigbee傳輸功能的裝置。此裝置放在公交車(chē)懸架系統(tǒng)的鋼板彈簧附近靠近車(chē)體的地方，距離傳感器的探頭所對(duì)的方向與鋼板彈簧發(fā)生形變時(shí)鋼板彈簧與車(chē)體距離發(fā)生變化的方向一致。隨著車(chē)輛載重量的增加，車(chē)體會(huì)壓迫鋼板彈簧，使其產(chǎn)生形變，距離傳感器用來(lái)測(cè)量車(chē)體與懸架系統(tǒng)的鋼板彈簧之間由于形變產(chǎn)生的距離變化。鋼板彈簧形變量能夠體現(xiàn)公交車(chē)的載重量，即公交車(chē)的擁擠程度。數(shù)據(jù)收發(fā)控制器部分是一個(gè)帶有GPS定位功能[2]、GPRS無(wú)線傳輸功能[3]、Zigbee無(wú)線傳輸功能的裝置。此裝置可放在車(chē)內(nèi)司機(jī)操作面板上。裝置內(nèi)的GPS模塊將定位衛(wèi)星發(fā)送來(lái)的公交車(chē)地理位置信息和速度信息以及通過(guò)Zigbee將傳感器傳來(lái)的公交車(chē)懸架高度變化量信息傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行簡(jiǎn)單的處理分析，通過(guò)GPRS模塊，經(jīng)過(guò)GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)把數(shù)據(jù)傳輸?shù)街付ǖ姆?wù)器上。車(chē)載終端可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)站功能。
1.2 公交系統(tǒng)監(jiān)控中心
    公交監(jiān)控中心的一個(gè)基礎(chǔ)裝置是服務(wù)器，它用來(lái)接收每個(gè)車(chē)載終端通過(guò)GPRS發(fā)送過(guò)來(lái)的公交車(chē)的位置信息、速度信息，以及公交車(chē)懸架系統(tǒng)的鋼板彈簧形變量信息。公交系統(tǒng)監(jiān)控中心能夠?qū)崟r(shí)地掌握每一輛公交車(chē)的地理位置、速度、擁擠程度信息，可以通過(guò)行車(chē)位置和擁擠程度對(duì)發(fā)車(chē)間隔進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，也可以通過(guò)這些數(shù)據(jù)對(duì)司機(jī)進(jìn)行績(jī)效考核。并且將這些數(shù)據(jù)定期地寫(xiě)入數(shù)據(jù)庫(kù)，為以后的公交系統(tǒng)的運(yùn)力調(diào)整和車(chē)輛調(diào)配的分析提供數(shù)據(jù)支持。服務(wù)器再將公交車(chē)的位置信息、速度信息以及公交車(chē)內(nèi)的擁擠程度信息發(fā)送給裝有GPRS模塊的電子站牌。
1.3 公交車(chē)站電子站牌
    公交車(chē)站的電子站牌由GPRS模塊、PC機(jī)、液晶顯示器組成。GPRS模塊用來(lái)接收公交系統(tǒng)監(jiān)控中心發(fā)送過(guò)來(lái)的公交車(chē)的位置信息、速度信息以及公交車(chē)內(nèi)的擁擠程度信息再將數(shù)據(jù)以RS232電平通過(guò)串口傳給PC機(jī)，PC機(jī)分析處理這些數(shù)據(jù)，將公交車(chē)的位置、速度、擁擠程度的信息數(shù)據(jù)嵌入到GIS系統(tǒng)[4]中，系統(tǒng)將這些情況直觀地在液晶顯示器上顯示出來(lái)。在公交車(chē)站等車(chē)的乘客可以從電子站牌上看到自己所要乘坐的車(chē)的位置、速度、擁擠程度，通過(guò)這三個(gè)因素來(lái)進(jìn)行決策。例如當(dāng)看到自己即將乘坐的車(chē)還有很遠(yuǎn)，且行車(chē)速度很慢，可以考慮是否換乘其他路線車(chē)輛進(jìn)行倒車(chē)來(lái)到達(dá)目的地；如果看到電子站牌上公交車(chē)過(guò)于擁擠，可以考慮乘坐出租車(chē)到達(dá)目的地。
    由于大多數(shù)城市沒(méi)有實(shí)現(xiàn)快速公交系統(tǒng)BRT（Bus Rapid Transit），城市公交沒(méi)有專用線路，而且國(guó)內(nèi)的大城市堵車(chē)現(xiàn)象比較嚴(yán)重，所以本文不設(shè)計(jì)預(yù)測(cè)公交車(chē)到達(dá)下一站還有多長(zhǎng)時(shí)間的功能。由于交通擁堵情況無(wú)法掌控，所以預(yù)測(cè)公交車(chē)到站時(shí)間也沒(méi)有實(shí)際意義。在公交車(chē)站等車(chē)的乘客可以通過(guò)在電子站牌上顯示出的公交車(chē)位置和速度信息判斷公交車(chē)的行車(chē)速度，自己做出判斷和抉擇。
2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)方案
2.1 車(chē)載設(shè)備
    在硬件設(shè)計(jì)方面，GPRS模塊和GPS模塊盡量采用二合一模塊，這樣能夠減少硬件的開(kāi)發(fā)成本，增強(qiáng)GPRS和GPS功能的穩(wěn)定性，使用二合一模塊還能夠節(jié)省單片機(jī)的UART接口，可使用Telit的GM862-GPS/GPRS二合一模塊，或者使用SIMCom的SIM548C-GPS/GPRS二合一模塊，也可以使用兩塊獨(dú)立模塊，例如ublox公司的LEON GSM/GPRS模塊和u-blox5 GPS模塊，這兩塊模塊之間用I2C進(jìn)行通信，GPS模塊不與單片機(jī)直接連接，而是通過(guò)GPRS模塊的UART與單片機(jī)進(jìn)行通信。
    Zigbee模塊[5]采用CC2430芯片，終端上的Zigbee模塊接收來(lái)自另一個(gè)在公交車(chē)懸架系統(tǒng)的鋼板彈簧上方與距離傳感器相連接的Zigbee模塊發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)。距離傳感器是測(cè)量鋼板彈簧形狀變化的，隨著載重量的增加，車(chē)體壓迫鋼板彈簧，鋼板彈簧會(huì)發(fā)生形變，具體形變量與載重量的關(guān)系依不同彈簧片的性質(zhì)決定。通過(guò)鋼板彈簧的形變量計(jì)算出車(chē)的載重量。鋼板彈簧彈性形變?yōu)榉蔷€性，較為復(fù)雜，本文不作詳細(xì)說(shuō)明。鋼板彈簧的結(jié)構(gòu)和傳感器的安放位置如圖2所示。將傳感器測(cè)量的距離值通過(guò)Zigbee模塊傳給車(chē)載終端的Zigbee模塊。Zigbee為無(wú)線局域網(wǎng)，雖然采用同一頻率，但發(fā)送無(wú)線數(shù)據(jù)幀中帶有設(shè)定好的編碼，接收端接收之后，會(huì)對(duì)發(fā)送來(lái)的編碼進(jìn)行核對(duì)，若不是預(yù)先設(shè)定好的模塊編碼發(fā)來(lái)的，將自動(dòng)丟棄。所以在兩臺(tái)車(chē)相遇時(shí)不會(huì)出現(xiàn)發(fā)錯(cuò)數(shù)據(jù)包的現(xiàn)象。

    單片機(jī)通過(guò)UART1口接收Z(yǔ)igbee模塊傳輸過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)，通過(guò)UART2口接收GPS模塊傳輸過(guò)來(lái)的車(chē)輛地理位置和速度信息，單片機(jī)將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。為了降低單片機(jī)的功耗，提高單片機(jī)的處理速度，Zigbee發(fā)送來(lái)的距離傳感器的測(cè)距信息直接發(fā)送到公交監(jiān)控中心，由公交中心的電腦計(jì)算載重量。單片機(jī)內(nèi)的程序存儲(chǔ)器預(yù)先輸入每個(gè)公交站點(diǎn)的地理位置信息，即經(jīng)緯度信息。由于GPS定位精度較低，單片機(jī)收到GPS模塊傳輸過(guò)來(lái)的地理位置信息之后，將前20個(gè)經(jīng)緯度信息做求和計(jì)算，算出經(jīng)緯度的平均值。用此平均值與預(yù)先輸入的公交站的經(jīng)緯度作對(duì)比，若車(chē)距離公交站在一定范圍之內(nèi)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)站，避免出現(xiàn)公交司機(jī)漏報(bào)錯(cuò)報(bào)的現(xiàn)象。
    由于采用了GPS/GPRS二合一模塊，GPS與GPRS共用一個(gè)串行通信端口，單片機(jī)再通過(guò)UART2將處理后的數(shù)據(jù)發(fā)送給GPRS模塊，GPRS模塊將數(shù)據(jù)通過(guò)基站和運(yùn)營(yíng)商的傳輸設(shè)備以及APN專線傳送至指定的監(jiān)控中心服務(wù)器的IP地址上，監(jiān)控中心再對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。GPRS模塊與服務(wù)器之間建立套接字連接，采用的協(xié)議為T(mén)CP/IP協(xié)議。單片機(jī)輸出為CMOS電平，Telit的GM862和SIMcom的SIM548C都為COMS電平，CMOS電路的驅(qū)動(dòng)電流較小，不能直接驅(qū)動(dòng)TTL電路?？刹捎肅C4049電平轉(zhuǎn)換器進(jìn)行CMOS電平和TTL電平的轉(zhuǎn)化?？刂撇糠謶?yīng)采用帶有雙UART的單片機(jī)。車(chē)載設(shè)備系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3所示。

2.2 公交監(jiān)控中心
    監(jiān)控中心服務(wù)器是用一個(gè)2 M的APN專線接入到手機(jī)運(yùn)營(yíng)商的GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)，雙方的因特網(wǎng)路由器之間用一個(gè)固定私有IP地址廣域連接，在GGSN和移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)路由器之間用GRE通道，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的使用者被分配了一個(gè)專用的APN[6]。利用專用APN能夠較為迅速地接收通過(guò)車(chē)載終端的GPRS模塊發(fā)送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)信息。提取相關(guān)信息，如車(chē)輛的位置、速度、鋼板彈簧與車(chē)體的距離值。通過(guò)計(jì)算得出車(chē)體的載重量，將數(shù)據(jù)發(fā)送至GIS軟件里，GIS軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并顯示?？稍诒O(jiān)控室的大屏幕上顯示。
2.3 公交車(chē)站電子站牌
    公交站的GPRS模塊接收來(lái)自公交監(jiān)控中心服務(wù)器定時(shí)傳輸來(lái)的數(shù)據(jù)，可以通過(guò)串口傳給PC機(jī)，為增強(qiáng)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最好將GPRS模塊的外圍電路板設(shè)計(jì)成PCI接口類(lèi)型。電路板直接連接至主板的PCI接口。PC機(jī)數(shù)據(jù)處理過(guò)程和所用軟件與監(jiān)控中心類(lèi)似。PC機(jī)將經(jīng)過(guò)處理的數(shù)據(jù)傳輸給液晶顯示器，供乘客查看。
3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)方案
    對(duì)于公交監(jiān)控中心服務(wù)器與公交車(chē)站的PC機(jī)軟件開(kāi)發(fā)問(wèn)題，應(yīng)全面考慮各方面的因素。對(duì)于軟件開(kāi)發(fā)而言，一個(gè)良好的開(kāi)發(fā)環(huán)境關(guān)系著開(kāi)發(fā)的效率和軟件運(yùn)行的穩(wěn)定性，因此選擇了Microsoft Visual C++ 6.0(以下簡(jiǎn)稱VC++)進(jìn)行開(kāi)發(fā)。而監(jiān)控中心窗口的電子地圖與公交車(chē)站的電子站牌的電子地圖由GIS軟件MapInfo來(lái)完成。然后通過(guò)OLE技術(shù)將Maplnfo地圖與VC++進(jìn)行集成[7]。
    為了更好地被人眼區(qū)分，監(jiān)控中心和公交車(chē)站的電子地圖上選用色相差為45°或45°以上的幾種顏色方框表示公交車(chē)的載重量（擁擠程度）。依次為綠色、黃色、橙色、紅色，四種顏色的色相差分別為60°、45°、45°，色相差較大，在人眼的分辨能力以內(nèi)，正常人眼睛能夠較為容易地分辨出以上四種顏色。其中，綠色表示公交車(chē)為空載，黃色表示公交車(chē)介于空載和滿載之間，橙色表示公交車(chē)滿載（即擁擠），紅色表示公交車(chē)超載（即極度擁擠）。方框內(nèi)顯示公交車(chē)的速度信息?？梢酝ㄟ^(guò)此速度和距離信息對(duì)到站時(shí)間做大概的預(yù)測(cè)。
    本文介紹的公交車(chē)輛監(jiān)控及電子站牌系統(tǒng)，使乘客和公交管理人員能夠?qū)崟r(shí)直觀地看到公交車(chē)輛的運(yùn)行情況，公交管理者可以根據(jù)監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)進(jìn)行車(chē)輛和線路的優(yōu)化，為日后提供更好的城市交通服務(wù)。乘客也可根據(jù)電子站牌上公交車(chē)的位置顯示來(lái)重新評(píng)估自己的行程安排。考慮到實(shí)際情況，如車(chē)的振動(dòng)對(duì)距離傳感器的影響、距離傳感器防水性及供電電源的穩(wěn)定性、車(chē)載終端的抗震動(dòng)等情況，若要對(duì)穩(wěn)定性要求極高的話，最好采用SIM卡固定IP綁定，這需要考慮移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的支持和費(fèi)用問(wèn)題。實(shí)際運(yùn)用中還有很多問(wèn)題需要結(jié)合實(shí)際情況解決。
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