隨著經(jīng)濟發(fā)展以及城市人口快速增長，城市公共服務設施和基礎設施面臨巨大考驗。作為承擔著城市基礎運營的公交系統(tǒng)，其高效的運營和服務將很大程度上解決城市交通問題。

    本文設計了一個基于GPRS[1]和基站定位的公交監(jiān)控裝置。該裝置將采集到車輛運行中的相關數(shù)據(jù)進行融合后通過GPRS網(wǎng)絡發(fā)送至監(jiān)控中心，同時接收監(jiān)控中心下發(fā)的相關指令，實現(xiàn)對公交車輛的定位和監(jiān)控。本設計在完成總體設計的基礎上，完成了裝置的軟、硬件設計和實現(xiàn)。
1 GPS定位與基站定位的比較
    基于GPS的定位系統(tǒng)在天氣不佳時，特別在高架橋下、高樓邊角和隧道等地，其定位效果會受到相當大的影響，甚至無法進行定位。而在這種情況下往往最容易發(fā)生交通阻塞，最需要準確定位和調度服務發(fā)揮效用。GPS加其他輔助手段的定位方法雖然可以提高定位精度，但卻提高了設備成本和運營維護成本[2]。而基站定位不但能耗低，不受天氣、高樓的影響，且在人口越密集的地方，基站往往越多，定位更準確；而在基站少定位不準確時，還可利用公交線路相對固定的特點通過軟件改善來修正定位信息。
2 總體方案
    本設計采用基于ARM9處理器[3]的嵌入式系統(tǒng)，利用Linux操作系統(tǒng)，開發(fā)具有定位追蹤功能的監(jiān)控裝置。該嵌入式平臺資源豐富,技術成熟,有良好的可擴展性，在需要時能進行功能模塊的添加和升級。裝置采用S3C2440為主控制器，外擴Nand Flash用于程序存儲器，SDRAM為內存，LCD和按鍵作為人機交互接口，配合帶有基站定位功能的GPRS模塊SIM900，實現(xiàn)采集公交車位置、車廂溫度、乘客人數(shù)、運行速度等信息，并通過GPRS網(wǎng)絡將采集到的信息傳送到監(jiān)控中心，同時接收監(jiān)控中心的下行指令。
3 硬件設計
3.1 微控制器模塊
    S3C2440是三星推出的一款基于ARM920T內核的16/32 bit RISC嵌入微處理器，集成了豐富的片上資源，在開發(fā)過程中可以減少外圍的設備部件，以降低系統(tǒng)的成本。本設計使用2片HY57V561620FTP作為SDRAM，使用的Nand Flash為K9F1G08芯片。
    微控制器通過異步接收/發(fā)送裝置UART2和SIM900進行數(shù)據(jù)交換。其中，SIM900的引腳RXD用于接收由S3C2440的引腳UART2_TXD傳出的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)最終由SIM900發(fā)出；引腳TXD用于向S3C2440的引腳UART2_RXD發(fā)送數(shù)據(jù)。
    RS485總線是一種常見的串行總線標準，采用平衡發(fā)送與差分接收的方式，具有抑制共模干擾的能力。在一些要求通信距離為幾十米到上千米、多節(jié)點的系統(tǒng)中有著廣泛的應用。S3C2440的UART1通過RS485轉化電路形成485總線。如圖1所示，溫度傳感器、公交讀卡器和報站器都接在485總線上，在系統(tǒng)運行時，微控制器將采用問答形式獲得公交中的溫度、人數(shù)以及站點等數(shù)據(jù)。

3.2 GPRS模塊
    SIM900是SIMCom推出的一款新型無線四頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，同時采用了功能強大的ARM926EJ-S芯片處理器。SIM900采用工業(yè)標準接口，同時支持標準的AT命令。本設計采用的SIM900帶有基站定位功能，定位信息通過AT指令獲得。
    設計中設置S3C2440的通用I/O口GPB8為輸出，上電后通過把SIM900的PWRKEY信號拉低一段時間然后釋放來啟動GPRS模塊。在SIM900模塊內部，PWRKEY引腳通過100 kΩ電阻上拉到3 V電壓域。為了防止PWRKEY與微控制器I/O口直連導致串電，在模塊與微控制器I/O口間采用三極管隔離，增強了開關可靠性。
    圖2為SIM900與SIM卡的連接原理圖。為了增強SIM卡部分的可靠性，SIM卡的所有信號線都通過連接TVS二極管來做靜電(ESD)防護。設計中采用ESDALC6V1芯片作為ESD保護。SIM卡電源引腳SIM_VCC并接220 nF電容，以穩(wěn)定電源輸出，減小波紋。在PCB布局時，應使SIM卡卡座盡量靠近模塊，圖2中的電容、ESD等器件放置也應靠近SIM卡座。

3.3 電源模塊
    該系統(tǒng)硬件設計的關鍵在于電源部分。SIM900工作在3.4 V～4.5 V之間，由于模塊射頻發(fā)射時電流的峰值最高會達到2 A以上，可能導致供電電源電壓跌落。因此，電源供電能力要盡可能達到2 A，以保證電壓不會低于GPRS模塊的工作電壓。設計中選擇可調輸出電壓芯片LM2576，LM2576輸出電壓范圍為1.2 V～37 V，瞬間可以通過的最大電流達到3 A，符合電路要求。電源模塊電路如圖3所示。S3C2440控制器模塊需要的1.25 V、1.8 V和3.3 V電源都由LM2576提供的5 V電源轉化輸出，如圖4所示。為了增強模塊電源抗干擾能力（主要抗浪涌、脈沖群、靜電等），避免在外界環(huán)境比較惡劣的情況下出現(xiàn)模塊供電異常，在外部電源輸入端并入470 μF和0.1 μF電容，在VBAT供電芯片輸出端并入470 ?滋F電容，以濾除干擾。

      SIM900模塊從上電到注冊網(wǎng)絡期間，射頻發(fā)射功率相對偏高。VBAT供電的長走線、窄線寬，或者穩(wěn)壓電容離VBAT引腳較遠，會導致在模塊上電后的一段時間內，VBAT上耗流、紋波增加，電源電壓跌落很大。因此在PCB布局時，VBAT上的旁路電容應盡量放在對應管腳附近。為降低PCB走線阻抗，VBAT走線應盡量寬、盡量短，最好大面積鋪地。
    在考慮VBAT設計的同時，也要重點關注GND設計。GND整個回流路徑的長短以及阻抗的連續(xù)性是電源跌落及音頻干擾的主要原因。因此，把模塊GND、電池座GND、電源適配器GND、相互間GND以一塊完整的銅皮相連接，在有結構、板層限制，無法大面積鋪銅皮處，用2 mm以上走線單獨連起來再覆銅，以保證GND的完整性。另外，整個PCB板應盡量多打地孔，電源和地的回流路徑越小越好。
4 軟件設計

    軟件采用層次化設計結構，如圖5所示。軟件主要由以下幾個模塊組成：(1)定制的Linux 2.6內核；(2)串口、鍵盤和LCD顯示屏的設備驅動程序；(3)鍵盤處理和顯示模塊；(4)與數(shù)據(jù)中心及當?shù)卦O備的數(shù)據(jù)通信模塊；(5)定位及數(shù)據(jù)處理模塊。
    本設計使用Qt提供的類庫實現(xiàn)裝置軟件的開發(fā)；軟件通過串口設備訪問GPRS模塊，實現(xiàn)從GPRS模塊接收基站定位信息，并實現(xiàn)終端與監(jiān)控中心通信。相比基于GPS和GPRS的終端設計，本設計將減少一個串口的開銷，可用于其他擴展模塊。
    在本設計中，UART起了很大作用，除了作為調試口用外，還用于與485總線和GPRS進行通信。上層應用軟件中為485總線和GPRS編寫的應用程序都是通過該驅動實現(xiàn)對串口的訪問。
    本裝置可以實現(xiàn)對城市公交車運行情況的監(jiān)測，并可將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡傳送至監(jiān)控中心，實現(xiàn)中心對公交車的遠程監(jiān)控。通過基站定位，可以在相對于GPS成本更低、功耗更小的情況下實現(xiàn)定位，同時實現(xiàn)站點位置記錄和自動報站，尤其在受到不良天氣、高樓、橋梁影響時可發(fā)揮比GPS更高的效用。本裝置基于ARM嵌入式系統(tǒng)平臺，可通過良好的擴展性適應不同的市場需求，提高城市公交系統(tǒng)效率，改善城市交通狀況。
參考文獻
[1] Yu Kunjie.Implementation of remote I/O control terminal  based on GPRS wireless communication[J].Video Engineering，2012，36(13)：89-91.
[2] 高岳，張騰.基于基站定位的公交查詢系統(tǒng)設計[J].無線互聯(lián)技術，2011(3)：32-35.
[3] 馬少平，駱志剛，孫雷，等.基于ARM的GPRS遠程終端設計與實現(xiàn)[J].微計算機信息，2006，22(14)：118-120.