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點；依靠駕駛員按鍵操作報站，難免出現錯誤而誤導乘客；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。

      在該系統(tǒng)中，遠距離無線通信采用的GPRS技術和近距離無線通信采用的ZigBee技術互為補充，在擴寬監(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)測網絡模型具有一定的通用性，可以推廣應用到石油和煤礦生產等工作地域范圍較廣的工業(yè)現場。

　　1　系統(tǒng)整體設計

　　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技術向監(jiān)測器報告公交車到達和離開的時間，監(jiān)測器接收無線終端發(fā)送的信號，檢驗該車的“標識號”，識別到來車輛，并將該車的到達時間、車號等信息通過GPRS網絡傳送到監(jiān)控中心。

　　公交車根據檢測器發(fā)送的站臺標識符識別站臺名稱，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)送的信號強度，當其減弱到一定程度時，即認為該車離開本站，隨即向監(jiān)控中心發(fā)出相關信息。監(jiān)控中心對監(jiān)測器發(fā)來的信息進行存儲，根據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　硬件設計

　　2.1　監(jiān)測器

　　2.1.1　整體設計

　　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)的復雜度。同時具有大量I/O端口，可以實現對大量狀態(tài)指示燈的控制。GPRS既能支持間歇的爆發(fā)式數據傳輸，又能支持偶爾的大量數據傳輸，數據傳輸速度快，按流量計費。因此GPRS適合于這種通信頻繁、數據量大、實時性要求較高的監(jiān)控系統(tǒng)。該設計選擇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、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的無線網絡技術。設計中ZigBee通信模塊選用Freescale公司的MC13192,其工作頻率是21405～21480GHz,采用直接序列擴頻的通信技術，數據傳輸速率為250kb/s,達到設計要求。

　　2.1.2　GPRS通信模塊

　　GPRS模塊選擇法國WAVECOM公司生產的Q2403,該模塊符合ETSI標準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。音頻播放模塊負責錄制并播放語音報站信息。

　　按鍵響應電路負責響應公交車司機的按鍵操作。

　　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/非平衡阻抗轉換電路，以達到最佳收發(fā)效果。

　　電路中使用了UPG2012TK和巴倫電路專用芯片LDB212G4020C。UPG2012TK是NEC公司針對手機和其他L-波段應用制造的鎵砷單刀雙擲（SinglePoleDoubleThrow,SPDT）射頻開關，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

　　設計中的LED點陣屏幕由4個LED點陣模塊構成，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點陣屏幕驅動電路分為行驅動電路與列驅動電路兩部分設計，如圖6所示。行驅動電路采用16個8050D型NPN三極管和16個上拉電阻共同完成驅動。列驅動電路則是由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，驅動芯片采用ZLG7290。RS232通訊部分由MAX233A完成。復位部分采用專業(yè)復位電路芯片IMP811來實現。

　　3.1　ZigBee網絡地址分配

　　設計中使用分布式地址分配方案來分配ZigBee網絡地址，采用對等網絡結構構建網絡，監(jiān)測器作為父設備，無線終端作為子設備。終點站的父設備作為網絡協調器啟動網絡的建立，選擇一個信道，確定唯一的PAN地址并廣播建立網絡信息。該父設備建立網絡后，設置自身地址為0X0000,其他監(jiān)測器作為路由器、無線終端作為終端節(jié)點加入網絡。網絡地址的分配與3個參數有關，分別為允許的最大子節(jié)點數Cm、允許的最大路由節(jié)點數Rm和允許的最大網絡深度Lm,根據這3個參數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)的軟件設計包含三部分：無線終端、監(jiān)測器和監(jiān)控中心軟件設計，文中只介紹無線終端和監(jiān)測站軟件設計，監(jiān)控中心軟件設計請讀者參閱其他資料。

　　監(jiān)測器通電后，進行Q2403和ZigBee的初始化和ZigBee通信的準備工作，等待ZigBee設備的連接請求。當接收到某設備的連接請求后，確認是否為合法用戶，如果是則發(fā)出允許連接的命令，實現無線終端和監(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識號，將該公交車進行登記，并將車號和時間信息通過GPRS網絡發(fā)送給監(jiān)控中心。當公交車離開站臺后，信號強度下降到一定程度，公交車與該監(jiān)測器斷開連接，認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。

　　無線終端通電后進行ZigBee初始化工作，尋找監(jiān)測器，當檢測到監(jiān)測器的信號強度大于一定值時，向該監(jiān)測器發(fā)出建立連接的請求，獲得該監(jiān)測器的標識符，從而知道是哪一站，并采用語音和LED屏實現自動報站。當駛離站臺監(jiān)測器時，檢測到該監(jiān)測器的信號強度弱小到一定程度，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　結語

　　將GPRS和ZigBee技術應用到公交車智能監(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質量和運行效率，具有很高的實用價值。