基于GPRS/GPS/GIS/Zigbee的智能公交系统设计

 　　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。

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　　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。

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　　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。

　　2.2 公交监控中心

　　监控中心服务器是用一个2 M的APN专线接入到手机运营商的GPRS/GSM网络，双方的因特网路由器之间用一个固定私有IP地址广域连接，在GGSN和移动互联网路由器之间用GRE通道，移动网络的使用者被分配了一个专用的APN[6].利用专用APN能够较为迅速地接收通过车载终端的GPRS模块发送过来的数据信息。提取相关信息，如车辆的位置、速度、钢板弹簧与车体的距离值。通过计算得出车体的载重量，将数据发送至GIS软件里，GIS软件进行数据处理并显示。可在监控室的大屏幕上显示。

　　2.3 公交车站电子站牌

　　公交站的GPRS模块接收来自公交监控中心服务器定时传输来的数据，可以通过串口传给PC机，为增强系统的稳定性，最好将GPRS模块的外围电路板设计成PCI接口类型。电路板直接连接至主板的PCI接口。PC机数据处理过程和所用软件与监控中心类似。PC机将经过处理的数据传输给液晶显示器，供乘客查看。

　　3 系统软件设计方案

　　对于公交监控中心服务器与公交车站的PC机软件开发问题，应全面考虑各方面的因素。对于软件开发而言，一个良好的开发环境关系着开发的效率和软件运行的稳定性，因此选择了Microsoft Visual C++ 6.0（以下简称VC++）进行开发。而监控中心窗口的电子地图与公交车站的电子站牌的电子地图由GIS软件MapInfo来完成。然后通过OLE技术将Maplnfo地图与VC++进行集成[7].

　　为了更好地被人眼区分，监控中心和公交车站的电子地图上选用色相差为45°或45°以上的几种颜色方框表示公交车的载重量（拥挤程度）。依次为绿色、黄色、橙色、红色，四种颜色的色相差分别为60°、45°、45°，色相差较大，在人眼的分辨能力以内，正常人眼睛能够较为容易地分辨出以上四种颜色。其中，绿色表示公交车为空载，黄色表示公交车介于空载和满载之间，橙色表示公交车满载（即拥挤），红色表示公交车超载（即极度拥挤）。方框内显示公交车的速度信息。可以通过此速度和距离信息对到站时间做大概的预测。

　　本文介绍的公交车辆监控及电子站牌系统，使乘客和公交管理人员能够实时直观地看到公交车辆的运行情况，公交管理者可以根据监控中心的数据进行车辆和线路的优化，为日后提供更好的城市交通服务。乘客也可根据电子站牌上公交车的位置显示来重新评估自己的行程安排。考虑到实际情况，如车的振动对距离传感器的影响、距离传感器防水性及供电电源的稳定性、车载终端的抗震动等情况，若要对稳定性要求极高的话，最好采用SIM卡固定IP绑定，这需要考虑移动运营商的支持和费用问题。实际运用中还有很多问题需要结合实际情况解决。

　　参考文献

　　[1] 张凤传，苗玉彬，刘印锋，等。基于GPS/GPRS/GIS的智能公交监控系统[J].计算机工程，2008，34（22）：227-279.

　　[2] 张勤，李家权。GPS测量原理及应用[M].北京：科学出版社，2005.

　　[3] CHITRE V A，DAIGLE J N.Performance of IP-based services over GPRS[J].IEEE TRANSACTIONS ON COMPUTERS，2003，52（6）：727-741.

　　[4] 高建新。GIS近期发展趋势综述[J].测绘科技情报，2003，28（5）：15-18.

　　[5] 王中生，曹琦。基于Zigbee技术的无线定位研究与实现[J].计算机技术与发展，2010（12）：189-192.

　　[6] Wu Wenhong，Wu Wenjun，Wu Xinping.Research on longrange and metering reading for water meter based on GPRS [C].2010 2nd International Conference on Computer Engineering and Technology，978-1-4244-6349-7/10/2010 IEEE.

　　[7] 曾洁，朱晓娜，张德营，等。基于GPS技术的公交车辆监控调度系统的设计与实现[J].大连交通大学学报，2010，31（4）：5-8.