基于Arduino的公交車客流量數據采集系統設計★

張 涵 丁柏群 巴興強 宋愛秋 張宇潔

(東北林業大學交通學院,黑龍江 哈爾濱 150040)

1 現狀分析

我國交通行業發展迅猛，人均汽車保有量不斷飆升，在帶動經濟發展的同時也造成了很多問題，比如城市道路的擁擠問題。而解決城市擁堵問題的有效方法就是倡導人們公交出行。公交車作為一種公共交通運輸方式，具有運輸效率高，運輸乘客數量大等優點，但是各種問題導致的公交車線路規劃不合理對公共出行造成了一定影響，因此公交車線路優化是城市交通規劃研究的重點問題之一。傳統的線路優化數據采集方式主要是人工采集，效率低，數據量小，成本高。為解決這些問題，蔡曉利做出了公交車人數統計系統設計與實現[1]的研究，張雪飛等人進行了基于TCP的公交車客流量統計系統設計[2]，但是這些研究都未得到廣泛應用，因此本文提出一種基于Arduino的公交車客流量大數據采集系統設計。

2 技術方案

2.1 設計目標

本系統在對公交車載客量進行檢測的同時，還可以實時地向公交調度中心反饋客流量信息，便于調度中心進行公交車輛精準調度，可有效地提高公交運營效率，緩解城市道路交通擁擠。可見，探究、推廣公交客流量統計系統，是一項既有顯著經濟效益又有良好社會效益利國利民的項目。

2.2 設計思路

本文設計一種基于Arduino的公交車客流量大數據采集系統，該系統由基于Arduino單片機、紅外測距傳感器、GPS模塊和藍牙模塊的公交車載客量統計裝置和數據采集處理終端兩部分構成，其中公交車載客量統計裝置通過檢測一組紅外測距傳感器的測距值變化實現對上下車人數的實時監控，通過GPS模塊獲取公交車在行駛過程中的經緯度、時間以及速度信息，最后驅動藍牙模塊，將每一站的上下車人數信息實時發給公交調度中心的數據采集處理終端，從而實現一套完整的實時客流量檢測系統。

2.3 硬件設計

在每臺公交車的前、后車門分別安裝有一對紅外測距傳感器，根據乘客上下公交車時，身體遮擋前后兩個紅外測距傳感器的時間差自動統計上下車乘客的數量，進而計算出各時段車內乘客總數，并通過載客量采集器內的GPS模塊獲取公交車在行駛過程中的經緯度、時間及行駛速度信息。

基于紅外測距傳感器的公交車載客量統計裝置，主要包括GP2Y0A02YKOF紅外測距傳感器的預處理、GPS數據包的解析以及藍牙模塊的驅動。GP2Y0A02YKOF紅外測距傳感器的預處理過程包括輸出特性曲線擬合和傳感器輸出波形噪聲擾動的濾除，將預處理后的傳感器的測距值輸入至客流量統計算法，實現對當前公交車內載客量的實時統計。

基于Labview開發信息采集處理終端，將每一站的上下車人數信息實時發給信息采集處理終端，對數據進行實時監測，實現公交控制中心的管理人員對公交客流量數據和公交車GPS信息進行實時掌控，從而實現了一套完整的實時客流量檢測系統。

3 藍牙無線通訊

由于公交車門位置的特殊性，系統的數據采集部分需要無線模塊的支持，無線模塊負責將單片機采集的數據通過無線的方式傳輸到上位機，要求無線模塊滿足體積小，造價低，傳輸速率高的要求。本系統采用藍牙4.0進行無線傳輸。

藍牙無線傳輸協議主要分為以下四個部分：

1)建立連接。

在無線網建立之前，所有設備都處于就緒狀態。在該狀態下，未連接的設備每隔1.28 s監聽一次消息，設備一旦被喚醒，就在預先設定的32個跳頻頻率上監聽信息。

2)差錯控制。

基帶控制器采用3種檢錯糾錯方式：1/3前向糾錯編碼(FEC)；2/3前向糾錯編碼；自動請求重傳(ARQ)。

3)認證與加密。

認證與加密服務由物理層提供。

4)軟件結構。

藍牙設備應具有互操作性，對于某些設備，從無線電兼容模塊和空中接口，直到應用層協議和對象交換格式，都要實現互操作性。藍牙傳輸協議如下：

建立連接→差錯控制→認證與加密→軟件結構。

藍牙連接的方式主要有兩種：

1)藍牙和設備自帶藍牙相連。這種方式需要設備自帶藍牙，且匹配過程較為復雜。

2)藍牙和設備之間通過藍牙串口套件相連。

為防止某些設備沒有自帶藍牙，或藍牙版本過舊，連接困難的情況，本設計選用第二種方式連接藍牙。為保證能正常使用藍牙及其串口套件進行無線傳輸，首先要對藍牙進行設定。這種方式需要使用2個藍牙芯片，一個用于數據發送，另一個用于串口套件。為保證兩個藍牙芯片能正常完成通訊，首先需要設置名稱，使兩個芯片使用一個名稱；其次要進行主從機的設定，用于數據傳輸的一對藍牙芯片必須有一個主機，一個從機；最后設定藍牙的波特率，這里的波特率要與單片機的保持一致。這些都設定好之后，兩個藍牙就可以傳送數據了。藍牙串口套件可以把接收到的數據用串口的方式輸送到設備中，上位機通過讀取串口的方式即可獲得發送端藍牙的數據，具體流程圖如圖1所示。

4 結語

實驗表明，本文中的公交客流量統計裝置可解決目前公交客流量統計裝置均存在的安裝困難、器件容易磨損、安裝后影響乘客正常通行以及統計數據精度低等缺點，且該裝置生產成本及維護成本較低，并將多種元件進行集成，外觀小巧，可實現無損安裝，便攜性大大提高，具有藍牙功能，可實現數據的無線傳輸，為公交客流量調查人員提供一種更為方便的客流量統計手段。通過該公交車客流量統計系統可以有效統計公交乘客流量，并將客流量數據實時發送到交通管理平臺，實現對大數據的采集，為公交車線路優化提供了有效的數據。