引言
在如今的現(xiàn)代生活中，公交車是城市交通中最重要的部分，其運行效率與服務(wù)質(zhì)量很大程度上影響城市交通狀況和市民的出行狀況。衡量運行效率和服務(wù)質(zhì)量的重要標(biāo)準(zhǔn)是公交車能否準(zhǔn)點到達(dá)各站和人們能否知道自己等待的公交車運行情況。
目前，除始發(fā)站和終點站外，中間的眾多站無法保證公交車準(zhǔn)點；依靠駕駛員按鍵操作報站，難免出現(xiàn)錯誤而誤導(dǎo)乘客；候車人不知道等待的公交車運行狀況。為此，本文開發(fā)了一種基于GPRS和ZigBee的公交車運行監(jiān)控系統(tǒng)，以期能較好的解決這些問題。
1 系統(tǒng)整體設(shè)計
該系統(tǒng)由公交車監(jiān)控中心、公交車站臺的站臺監(jiān)測器和公交車上的智能無線終端（以下簡稱監(jiān)控中心、監(jiān)測器和無線終端）組成，如圖1所示。無線終端通過ZigBee技術(shù)向監(jiān)測器報告公交車到達(dá)和離開的時間，監(jiān)測器接收無線終端發(fā)送的信號，檢驗該車的“標(biāo)識號”，識別到來車輛，并將該車的到達(dá)時間、車號等信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心。
公交車根據(jù)檢測器發(fā)送的站臺標(biāo)識符識別站臺名稱，通過語音和LED屏報站。此后，監(jiān)測器不斷檢測該無線終端發(fā)送的信號強(qiáng)度，當(dāng)其減弱到一定程度時，即認(rèn)為該車離開本站，隨即向監(jiān)控中心發(fā)出相關(guān)信息。監(jiān)控中心對監(jiān)測器發(fā)來的信息進(jìn)行存儲，根據(jù)接收的信息判斷公交車行駛路段，并將信息發(fā)送給監(jiān)測器，監(jiān)測器通過運行狀態(tài)指示燈顯示給候車者。
2 硬件設(shè)計
2.1 監(jiān)測器
2.1.1 整體設(shè)計
監(jiān)測器組成如圖2所示，該部分由CPU、無線GPRS通信模塊、無線ZigBee通信模塊、公交車運行狀態(tài)指示燈和其他外圍電路組成。CPU選擇三星公司的S3C44B0X,該處理器具有低功耗、高性能、高性價比的優(yōu)點，同時具有豐富的內(nèi)置部件，極大減少了系統(tǒng)電路中除處理器以外的元器件配置，降低了成本并減少了系統(tǒng)的復(fù)雜度。同時具有大量I/O端口，可以實現(xiàn)對大量狀態(tài)指示燈的控制。GPRS既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速度快，按流量計費。因此GPRS適合于這種通信頻繁、數(shù)據(jù)量大、實時性要求較高的監(jiān)控系統(tǒng)。該設(shè)計選擇GPRS作為監(jiān)測器與監(jiān)控中心無線連接方式，監(jiān)測器與公交車終端通信采用ZigBee無線通信方式。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。設(shè)計中ZigBee通信模塊選用Freescale公司的MC13192,其工作頻率是21405～21480GHz,采用直接序列擴(kuò)頻的通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kb/s,達(dá)到設(shè)計要求。
2.1.2 GPRS通信模塊
GPRS模塊選擇法國WAVECOM公司生產(chǎn)的Q2403,該模塊符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)GSM0707和GSM0705,下載速度為5316kb/s,上傳速度為2618kb/s。模塊提供一個符合V24協(xié)議的異步串行通信接口，支持加密算法，集成射頻電路和基帶于一體，性能穩(wěn)定，可以快速、可靠的傳輸。Q2403和S3C44B0X通過串行接口相連接，如圖3所示。
2.2 無線終端
無線終端主要由音頻播放模塊、按鍵響應(yīng)電路、無線ZigBee通信模塊和LED屏顯示模塊組成，見圖4。音頻播放模塊負(fù)責(zé)錄制并播放語音報站信息。
按鍵響應(yīng)電路負(fù)責(zé)響應(yīng)公交車司機(jī)的按鍵操作。
2.2.1 ZigBee無線通信模塊
由于MC13192的射頻信號采用差分方式，而倒F型天線為單端天線，所以在芯片和天線間需使用平衡/非平衡阻抗轉(zhuǎn)換電路，以達(dá)到最佳收發(fā)效果。
電路中使用了UPG2012TK和巴倫電路專用芯片LDB212G4020C。UPG2012TK是NEC公司針對手機(jī)和其他L-波段應(yīng)用制造的鎵砷單刀雙擲（SinglePoleDoubleThrow,SPDT）射頻開關(guān)，其工作頻率為015～215GHz,具有非常低的介入損耗和很高的隔離性能。MC13192和S3C44B0X的連接如圖5所示。
2.2.2 LED屏顯示模塊
設(shè)計中的LED點陣屏幕由4個LED點陣模塊構(gòu)成，模塊需要陽極與陰極共同控制，其行為陽極，列為陰極，所以把LED點陣屏幕驅(qū)動電路分為行驅(qū)動電路與列驅(qū)動電路兩部分設(shè)計，如圖6所示。行驅(qū)動電路采用16個8050D型NPN三極管和16個上拉電阻共同完成驅(qū)動。列驅(qū)動電路則是由16個S8550D型PNP三極管和16個上拉電阻共同完成驅(qū)動。
因而失真小，使用方便，不需專用語音開發(fā)工具，成本低廉。鍵盤采用獨立式鍵盤，驅(qū)動芯片采用ZLG7290。RS232通訊部分由MAX233A完成。復(fù)位部分采用專業(yè)復(fù)位電路芯片IMP811來實現(xiàn)。
3 軟件設(shè)計
3.1 ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址分配
設(shè)計中使用分布式地址分配方案來分配ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址，采用對等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測器作為父設(shè)備，無線終端作為子設(shè)備。終點站的父設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器啟動網(wǎng)絡(luò)的建立，選擇一個信道，確定唯一的PAN地址并廣播建立網(wǎng)絡(luò)信息。該父設(shè)備建立網(wǎng)絡(luò)后，設(shè)置自身地址為0X0000,其他監(jiān)測器作為路由器、無線終端作為終端節(jié)點加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)地址的分配與3個參數(shù)有關(guān)，分別為允許的最大子節(jié)點數(shù)Cm、允許的最大路由節(jié)點數(shù)Rm和允許的最大網(wǎng)絡(luò)深度Lm,根據(jù)這3個參數(shù)可自下而上地計算出每一級鄰近節(jié)點間的地址間隔Is（d）：
其中，An為同等級深度節(jié)點中序列為n的節(jié)點，1≤n≤Cm-Rm,Ap為其上一級父節(jié)點地址。
3.2 軟件流程
系統(tǒng)的軟件設(shè)計包含三部分：無線終端、監(jiān)測器和監(jiān)控中心軟件設(shè)計，文中只介紹無線終端和監(jiān)測站軟件設(shè)計，監(jiān)控中心軟件設(shè)計請讀者參閱其他資料。
監(jiān)測器通電后，進(jìn)行Q2403和ZigBee的初始化和ZigBee通信的準(zhǔn)備工作，等待ZigBee設(shè)備的連接請求。當(dāng)接收到某設(shè)備的連接請求后，確認(rèn)是否為合法用戶，如果是則發(fā)出允許連接的命令，實現(xiàn)無線終端和監(jiān)測器的無線連接。建立連接后，監(jiān)測器獲得了公交車的唯一標(biāo)識號，將該公交車進(jìn)行登記，并將車號和時間信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控中心。當(dāng)公交車離開站臺后，信號強(qiáng)度下降到一定程度，公交車與該監(jiān)測器斷開連接，認(rèn)為該公交車已離開該站。監(jiān)測站還時刻接收監(jiān)控中心發(fā)送的公交車運行狀態(tài)信息，并通過運行狀態(tài)指示燈顯示給候車者。工作流程如圖7所示。
無線終端通電后進(jìn)行ZigBee初始化工作，尋找監(jiān)測器，當(dāng)檢測到監(jiān)測器的信號強(qiáng)度大于一定值時，向該監(jiān)測器發(fā)出建立連接的請求，獲得該監(jiān)測器的標(biāo)識符，從而知道是哪一站，并采用語音和LED屏實現(xiàn)自動報站。當(dāng)駛離站臺監(jiān)測器時，檢測到該監(jiān)測器的信號強(qiáng)度弱小到一定程度，便向該監(jiān)測器發(fā)出斷開連接請求。其工作流程如圖8所示。
4 結(jié)語
將GPRS和ZigBee技術(shù)應(yīng)用到公交車智能監(jiān)控系統(tǒng)，解決了多年來困擾公交車監(jiān)控系統(tǒng)的諸多問題，使其作用更為突出，提高了公交車的服務(wù)質(zhì)量和運行效率，具有很高的實用價值。在該系統(tǒng)中，遠(yuǎn)距離無線通信采用的GPRS技術(shù)和近距離無線通信采用的ZigBee技術(shù)互為補(bǔ)充，在擴(kuò)寬監(jiān)測范圍的同時也提高了監(jiān)控系統(tǒng)的智能水平。這種監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)模型具有一定的通用性，可以推廣應(yīng)用到石油和煤礦生產(chǎn)等工作地域范圍較廣的工業(yè)現(xiàn)場。