基于GPRS/GPS/GIS/Zigbee的智能公交系統設計

楊 光，張萬江

（沈陽建筑大學 信息與控制工程學院，遼寧 沈陽110168）

智能交通系統ITS(Intelligent Transport System)是指將先進的通信技術、自動控制技術、計算機技術等綜合地應用于交通管理體系，從而建立一種全方位發揮作用的實時、準確、高效的交通綜合管理和控制系統。

美國在20世紀60年代末開始ITS方面的研究，之后歐洲、日本等也相繼加入這一行列。經過30多年的發展，美國、歐洲、日本成為世界ITS研究的三大基地。從20世紀60年代歐洲的道路交通信息(RTI)系統到美國的智能車輛道路系統(IVHS)，ITS正以前所未有的速度發展。

我國的ITS研究起步較晚，并且面臨著城市人口密度大、城市化發展快、汽車持有量迅速增加、交通擁擠現象加劇等實際國情，必須要在交通管理調度的信息化、智能化上加大研發力度。近年來，國內ITS的研究與應用得到了較快的發展，取得了一定的成果[1]。

本文基于 GPS、GPRS、GIS、Zigbee以及傳感器技術設計了一種智能公共交通監控系統。

1 系統的結構及功能

本系統分為三個部分，分別為公交車載終端、公交系統監控中心和公交車站電子站牌。系統結構如圖1所示。

1.1 車載終端

車載終端由傳感器部分和數據收發控制器兩部分組成，傳感器部分是一個帶有距離測量傳感器和Zigbee傳輸功能的裝置。此裝置放在公交車懸架系統的鋼板彈簧附近靠近車體的地方，距離傳感器的探頭所對的方向與鋼板彈簧發生形變時鋼板彈簧與車體距離發生變化的方向一致。隨著車輛載重量的增加，車體會壓迫鋼板彈簧，使其產生形變，距離傳感器用來測量車體與懸架系統的鋼板彈簧之間由于形變產生的距離變化。鋼板彈簧形變量能夠體現公交車的載重量，即公交車的擁擠程度。數據收發控制器部分是一個帶有GPS定位功能[2]、GPRS無線傳輸功能[3]、Zigbee無線傳輸功能的裝置。此裝置可放在車內司機操作面板上。裝置內的GPS模塊將定位衛星發送來的公交車地理位置信息和速度信息以及通過Zigbee將傳感器傳來的公交車懸架高度變化量信息傳送給單片機，單片機將這些數據進行簡單的處理分析，通過GPRS模塊，經過GSM無線網絡把數據傳輸到指定的服務器上。車載終端可實現自動報站功能。

1.2 公交系統監控中心

公交監控中心的一個基礎裝置是服務器，它用來接收每個車載終端通過GPRS發送過來的公交車的位置信息、速度信息，以及公交車懸架系統的鋼板彈簧形變量信息。公交系統監控中心能夠實時地掌握每一輛公交車的地理位置、速度、擁擠程度信息，可以通過行車位置和擁擠程度對發車間隔進行實時調整，也可以通過這些數據對司機進行績效考核。并且將這些數據定期地寫入數據庫，為以后的公交系統的運力調整和車輛調配的分析提供數據支持。服務器再將公交車的位置信息、速度信息以及公交車內的擁擠程度信息發送給裝有GPRS模塊的電子站牌。

1.3 公交車站電子站牌

公交車站的電子站牌由GPRS模塊、PC機、液晶顯示器組成。GPRS模塊用來接收公交系統監控中心發送過來的公交車的位置信息、速度信息以及公交車內的擁擠程度信息再將數據以RS232電平通過串口傳給PC機，PC機分析處理這些數據，將公交車的位置、速度、擁擠程度的信息數據嵌入到GIS系統[4]中，系統將這些情況直觀地在液晶顯示器上顯示出來。在公交車站等車的乘客可以從電子站牌上看到自己所要乘坐的車的位置、速度、擁擠程度，通過這三個因素來進行決策。例如當看到自己即將乘坐的車還有很遠，且行車速度很慢，可以考慮是否換乘其他路線車輛進行倒車來到達目的地；如果看到電子站牌上公交車過于擁擠，可以考慮乘坐出租車到達目的地。

由于大多數城市沒有實現快速公交系統BRT（Bus Rapid Transit），城市公交沒有專用線路，而且國內的大城市堵車現象比較嚴重，所以本文不設計預測公交車到達下一站還有多長時間的功能。由于交通擁堵情況無法掌控，所以預測公交車到站時間也沒有實際意義。在公交車站等車的乘客可以通過在電子站牌上顯示出的公交車位置和速度信息判斷公交車的行車速度，自己做出判斷和抉擇。

2 系統硬件設計方案

2.1 車載設備

在硬件設計方面，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發成本，增強GPRS和GPS功能的穩定性，使用二合一模塊還能夠節省單片機的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進行通信，GPS模塊不與單片機直接連接，而是通過GPRS模塊的UART與單片機進行通信。

Zigbee模塊[5]采用 CC2430芯片，終端上的 Zigbee模塊接收來自另一個在公交車懸架系統的鋼板彈簧上方與距離傳感器相連接的Zigbee模塊發送來的數據。距離傳感器是測量鋼板彈簧形狀變化的，隨著載重量的增加，車體壓迫鋼板彈簧，鋼板彈簧會發生形變，具體形變量與載重量的關系依不同彈簧片的性質決定。通過鋼板彈簧的形變量計算出車的載重量。鋼板彈簧彈性形變為非線性，較為復雜，本文不作詳細說明。鋼板彈簧的結構和傳感器的安放位置如圖2所示。將傳感器測量的距離值通過Zigbee模塊傳給車載終端的Zigbee模塊。Zigbee為無線局域網，雖然采用同一頻率，但發送無線數據幀中帶有設定好的編碼，接收端接收之后，會對發送來的編碼進行核對，若不是預先設定好的模塊編碼發來的，將自動丟棄。所以在兩臺車相遇時不會出現發錯數據包的現象。

單片機通過UART1口接收Zigbee模塊傳輸過來的數據，通過UART2口接收GPS模塊傳輸過來的車輛地理位置和速度信息，單片機將這些數據進行處理。為了降低單片機的功耗，提高單片機的處理速度，Zigbee發送來的距離傳感器的測距信息直接發送到公交監控中心，由公交中心的電腦計算載重量。單片機內的程序存儲器預先輸入每個公交站點的地理位置信息，即經緯度信息。由于GPS定位精度較低，單片機收到GPS模塊傳輸過來的地理位置信息之后，將前20個經緯度信息做求和計算，算出經緯度的平均值。用此平均值與預先輸入的公交站的經緯度作對比，若車距離公交站在一定范圍之內，實現自動報站，避免出現公交司機漏報錯報的現象。

由于采用了GPS/GPRS二合一模塊，GPS與GPRS共用一個串行通信端口，單片機再通過UART2將處理后的數據發送給GPRS模塊，GPRS模塊將數據通過基站和運營商的傳輸設備以及APN專線傳送至指定的監控中心服務器的IP地址上，監控中心再對接收到的數據進行處理。GPRS模塊與服務器之間建立套接字連接，采用的協議為TCP/IP協議。單片機輸出為CMOS電平，Telit的GM862和SIMcom的SIM548C都為COMS電平，CMOS電路的驅動電流較小，不能直接驅動TTL電路。可采用CC4049電平轉換器進行CMOS電平和TTL電平的轉化?？刂撇糠謶捎脦в须pUART的單片機。車載設備系統結構圖如圖3所示。

2.2 公交監控中心

監控中心服務器是用一個2 M的APN專線接入到手機運營商的GPRS/GSM網絡，雙方的因特網路由器之間用一個固定私有IP地址廣域連接，在GGSN和移動互聯網路由器之間用GRE通道，移動網絡的使用者被分配了一個專用的APN[6]。利用專用APN能夠較為迅速地接收通過車載終端的GPRS模塊發送過來的數據信息。提取相關信息，如車輛的位置、速度、鋼板彈簧與車體的距離值。通過計算得出車體的載重量，將數據發送至GIS軟件里，GIS軟件進行數據處理并顯示?？稍诒O控室的大屏幕上顯示。

2.3 公交車站電子站牌

公交站的GPRS模塊接收來自公交監控中心服務器定時傳輸來的數據，可以通過串口傳給PC機，為增強系統的穩定性，最好將GPRS模塊的外圍電路板設計成PCI接口類型。電路板直接連接至主板的PCI接口。PC機數據處理過程和所用軟件與監控中心類似。PC機將經過處理的數據傳輸給液晶顯示器，供乘客查看。

3 系統軟件設計方案

對于公交監控中心服務器與公交車站的PC機軟件開發問題，應全面考慮各方面的因素。對于軟件開發而言，一個良好的開發環境關系著開發的效率和軟件運行的穩定性，因此選擇了Microsoft Visual C++6.0(以下簡稱VC++)進行開發。而監控中心窗口的電子地圖與公交車站的電子站牌的電子地圖由GIS軟件MapInfo來完成。然后通過OLE技術將Maplnfo地圖與VC++進行集成[7]。

為了更好地被人眼區分，監控中心和公交車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，正常人眼睛能夠較為容易地分辨出以上四種顏色。其中，綠色表示公交車為空載，黃色表示公交車介于空載和滿載之間，橙色表示公交車滿載（即擁擠），紅色表示公交車超載（即極度擁擠）。方框內顯示公交車的速度信息?？梢酝ㄟ^此速度和距離信息對到站時間做大概的預測。

本文介紹的公交車輛監控及電子站牌系統，使乘客和公交管理人員能夠實時直觀地看到公交車輛的運行情況，公交管理者可以根據監控中心的數據進行車輛和線路的優化，為日后提供更好的城市交通服務。乘客也可根據電子站牌上公交車的位置顯示來重新評估自己的行程安排。考慮到實際情況，如車的振動對距離傳感器的影響、距離傳感器防水性及供電電源的穩定性、車載終端的抗震動等情況，若要對穩定性要求極高的話，最好采用SIM卡固定IP綁定，這需要考慮移動運營商的支持和費用問題。實際運用中還有很多問題需要結合實際情況解決。

[1]張鳳傳，苗玉彬，劉印鋒，等.基于 GPS/GPRS/GIS的智能公交監控系統[J].計算機工程，2008，34（22）：227-279.

[2]張勤，李家權.GPS測量原理及應用[M].北京：科學出版社，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近期發展趨勢綜述[J].測繪科技情報，2003，28（5）：15-18.

[5]王中生，曹琦.基于Zigbee技術的無線定位研究與實現[J].計算機技術與發展，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]曾潔，朱曉娜，張德營，等.基于 GPS技術的公交車輛監控調度系統的設計與實現[J].大連交通大學學報，2010，31（4）：5-8.