基于GPRS/GPS/GIS/Zigbee的智能公交系统设计

摘  要： 介绍了一种城市公共交通监控系统及公交站电子站牌，它是利用GPS、GPRS、GIS、Zigbee以及传感器技术来完善公共交通服务。利用此系统不仅给市民乘车提供了便利，也使得公共交通管理者能够实时准确地掌握公交车运行情况，以便日后更好地规划和管理城市公交车辆的运营。
关键词： GPRS；GPS；GIS；Zigbee；单片机；电子站牌；智能公交系统
       智能交通系统ITS(Intelligent Transport System)是指将先进的通信技术、自动控制技术、计算机技术等综合地应用于交通管理体系，从而建立一种全方位发挥作用的实时、准确、高效的交通综合管理和控制系统。
     美国在20世纪60年代末开始ITS方面的研究，之后欧洲、日本等也相继加入这一行列。经过30多年的发展，美国、欧洲、日本成为世界ITS研究的三大基地。从20世纪60年代欧洲的道路交通信息(RTI)系统到美国的智能车辆道路系统(IVHS)，ITS正以前所未有的速度发展。
     我国的ITS研究起步较晚，并且面临着城市人口密度大、城市化发展快、汽车持有量迅速增加、交通拥挤现象加剧等实际国情，必须要在交通管理调度的信息化、智能化上加大研发力度。近年来，国内ITS的研究与应用得到了较快的发展，取得了一定的成果[1]。
     本文基于GPS、GPRS、GIS、Zigbee以及传感器技术设计了一种智能公共交通监控系统。
1 系统的结构及功能
     本系统分为三个部分，分别为公交车载终端、公交系统监控中心和公交车站电子站牌。系统结构如图1所示。
   
   1.1 车载终端
     车载终端由传感器部分和数据收发控制器两部分组成，传感器部分是一个带有距离测量传感器和Zigbee传输功能的装置。此装置放在公交车悬架系统的钢板弹簧附近靠近车体的地方，距离传感器的探头所对的方向与钢板弹簧发生形变时钢板弹簧与车体距离发生变化的方向一致。随着车辆载重量的增加，车体会压迫钢板弹簧，使其产生形变，距离传感器用来测量车体与悬架系统的钢板弹簧之间由于形变产生的距离变化。钢板弹簧形变量能够体现公交车的载重量，即公交车的拥挤程度。数据收发控制器部分是一个带有GPS定位功能[2]、GPRS无线传输功能[3]、Zigbee无线传输功能的装置。此装置可放在车内司机操作面板上。装置内的GPS模块将定位卫星发送来的公交车地理位置信息和速度信息以及通过Zigbee将传感器传来的公交车悬架高度变化量信息传送给单片机，单片机将这些数据进行简单的处理分析，通过GPRS模块，经过GSM无线网络把数据传输到指定的服务器上。车载终端可实现自动报站功能。
1.2 公交系统监控中心
     公交监控中心的一个基础装置是服务器，它用来接收每个车载终端通过GPRS发送过来的公交车的位置信息、速度信息，以及公交车悬架系统的钢板弹簧形变量信息。公交系统监控中心能够实时地掌握每一辆公交车的地理位置、速度、拥挤程度信息，可以通过行车位置和拥挤程度对发车间隔进行实时调整，也可以通过这些数据对司机进行绩效考核。并且将这些数据定期地写入数据库，为以后的公交系统的运力调整和车辆调配的分析提供数据支持。服务器再将公交车的位置信息、速度信息以及公交车内的拥挤程度信息发送给装有GPRS模块的电子站牌。
1.3 公交车站电子站牌
     公交车站的电子站牌由GPRS模块、PC机、液晶显示器组成。GPRS模块用来接收公交系统监控中心发送过来的公交车的位置信息、速度信息以及公交车内的拥挤程度信息再将数据以RS232电平通过串口传给PC机，PC机分析处理这些数据，将公交车的位置、速度、拥挤程度的信息数据嵌入到GIS系统[4]中，系统将这些情况直观地在液晶显示器上显示出来。在公交车站等车的乘客可以从电子站牌上看到自己所要乘坐的车的位置、速度、拥挤程度，通过这三个因素来进行决策。例如当看到自己即将乘坐的车还有很远，且行车速度很慢，可以考虑是否换乘其他路线车辆进行倒车来到达目的地；如果看到电子站牌上公交车过于拥挤，可以考虑乘坐出租车到达目的地。
     由于大多数城市没有实现快速公交系统BRT（Bus Rapid Transit），城市公交没有专用线路，而且国内的大城市堵车现象比较严重，所以本文不设计预测公交车到达下一站还有多长时间的功能。由于交通拥堵情况无法掌控，所以预测公交车到站时间也没有实际意义。在公交车站等车的乘客可以通过在电子站牌上显示出的公交车位置和速度信息判断公交车的行车速度，自己做出判断和抉择。
2 系统硬件设计方案
2.1 车载设备
     在硬件设计方面，GPRS模块和GPS模块尽量采用二合一模块，这样能够减少硬件的开发成本，增强GPRS和GPS功能的稳定性，使用二合一模块还能够节省单片机的UART接口，可使用Telit的GM862-GPS/GPRS二合一模块，或者使用SIMCom的SIM548C-GPS/GPRS二合一模块，也可以使用两块独立模块，例如ublox公司的LEON GSM/GPRS模块和u-blox5 GPS模块，这两块模块之间用I2C进行通信，GPS模块不与单片机直接连接，而是通过GPRS模块的UART与单片机进行通信。
     Zigbee模块[5]采用CC2430芯片，终端上的Zigbee模块接收来自另一个在公交车悬架系统的钢板弹簧上方与距离传感器相连接的Zigbee模块发送来的数据。距离传感器是测量钢板弹簧形状变化的，随着载重量的增加，车体压迫钢板弹簧，钢板弹簧会发生形变，具体形变量与载重量的关系依不同弹簧片的性质决定。通过钢板弹簧的形变量计算出车的载重量。钢板弹簧弹性形变为非线性，较为复杂，本文不作详细说明。钢板弹簧的结构和传感器的安放位置如图2所示。将传感器测量的距离值通过Zigbee模块传给车载终端的Zigbee模块。Zigbee为无线局域网，虽然采用同一频率，但发送无线数据帧中带有设定好的编码，接收端接收之后，会对发送来的编码进行核对，若不是预先设定好的模块编码发来的，将自动丢弃。所以在两台车相遇时不会出现发错数据包的现象。
   
       单片机通过UART1口接收Zigbee模块传输过来的数据，通过UART2口接收GPS模块传输过来的车辆地理位置和速度信息，单片机将这些数据进行处理。为了降低单片机的功耗，提高单片机的处理速度，Zigbee发送来的距离传感器的测距信息直接发送到公交监控中心，由公交中心的电脑计算载重量。单片机内的程序存储器预先输入每个公交站点的地理位置信息，即经纬度信息。由于GPS定位精度较低，单片机收到GPS模块传输过来的地理位置信息之后，将前20个经纬度信息做求和计算，算出经纬度的平均值。用此平均值与预先输入的公交站的经纬度作对比，若车距离公交站在一定范围之内，实现自动报站，避免出现公交司机漏报错报的现象。
     由于采用了GPS/GPRS二合一模块，GPS与GPRS共用一个串行通信端口，单片机再通过UART2将处理后的数据发送给GPRS模块，GPRS模块将数据通过基站和运营商的传输设备以及APN专线传送至指定的监控中心服务器的IP地址上，监控中心再对接收到的数据进行处理。GPRS模块与服务器之间建立套接字连接，采用的协议为TCP/IP协议。单片机输出为CMOS电平，Telit的GM862和SIMcom的SIM548C都为COMS电平，CMOS电路的驱动电流较小，不能直接驱动TTL电路。可采用CC4049电平转换器进行CMOS电平和TTL电平的转化。控制部分应采用带有双UART的单片机。车载设备系统结构图如图3所示。