摘要： 針對西安城市公交站牌間距較短的特點， 在國內現有智能公交系統方案中成功引入ZigBee短距離無線通信技術。文中給出了以WinCE操作系統和ARM硬件平臺為核心， 并利用ZigBee、GPS、GPRS等技術來對智能公交系統方案進行改進設計的具體方法。
0 引言
公共交通具有個體交通無法比擬的強大優勢，優先發展城市公共交通系統是解決大、中城市交通問題的最佳途徑。近年來， 城市公交系統的智能化已成為公共交通研究領域的主要方向。國內現有試運行的智能公交系統大部分都采用GPS全球定位系統進行定位， 同時采用GPRS網絡進行數據傳輸。車載GPS模塊可以實時獲取位置、方向、時間等導航定位數據， 然后通過車載GPRS模塊將數據傳至監控中心， 從而實現車輛的定位和監控。監控中心則可將車輛的實時信息或公告信息通過電子站牌的GPRS模塊發送給電子站牌，以估算到站時間和距離， 然后顯示在電子站牌上。盡管現有試運行的智能公交系統定位覆蓋面廣、精度高， 可以實現車輛的全范圍定位和監控。但在實際運行過程中， 仍然存在以下不足：
◇ GPS信號在隧道和高架橋等環境下會存在盲點；
◇ 運行中需將GPS信息通過GPRS發到監控中心， 再由監控中心通過GPRS發送顯示信息給電子站牌， 因此運營費用較高；
◇ GPRS模塊價格昂貴， 公交車數量眾多且都必須安裝GPRS模塊， 硬件成本高；
◇ 不能實現公交車與站牌的通信， 也不能實現提前報站等服務。
1 系統總體方案
由于西安城市面積較小， 道路集中， 公交線路密集， 電子站牌間距大多在500米左右， 因此，監控中心沒有必要對公交車進行實時全范圍的監控， 而只需知道公交車的站牌區間范圍便可大致定位。
為吸取現有智能公交系統方案的優點， 克服其缺點， 并結合西安城市自身特點， 本文把ZigBee短距離無線通信技術引入到智能公交系統中， 對國內現有試運行的智能公交系統普遍采用的GPS定位、GPRS信息傳輸的方案進行了數據傳輸方式的改進， 改進后的智能公交系統方案的整體架構如圖1所示。
圖1 智能公交系統的總體方案
本系統主要由公交車終端、電子站牌終端和管理監控中心服務器三部分組成。
公交車終端可根據車載GPS模塊實時定位公交車的位置信息， 并與各個站牌的位置信息進行對比， 當其到達某個站牌時， 公交車自動語音報站， 同時用LCD屏顯示到站信息。
電子站牌終端和公交車終端可通過ZigBee短距離無線通信網絡進行通信。公交車可實現提前報站。當公交車到達某個站牌后， 便把自己的車輛信息、狀態信息等打包發送給站牌。電子站牌收到管理中心的信息后， 便將公交車的位置信息顯示在站牌的電子地圖上。
管理中心服務器和電子站牌終端可通過GPRS無線通信網絡進行通信。電子站牌終端通過GPRS模塊的無線聯網， 以對收到的公交車信息進行處理并重新封裝， 然后發送到無線網絡中。服務器端一般是連接Internet的PC機， 可通過TCP/IP協議接收互聯網上的信息， 同時可向電子站牌終端發送運行線路上公交車的實時位置信息和公告信息。服務器可通過數據庫進行信息的管理和查詢， 以方便公交公司的管理和調度。
2 系統硬件設計
2.1 車載終端的硬件組成
本系統中的車載終端硬件主要包括電源模塊或電源接入模塊、ARM處理器、RAM、FLASH、GPS定位模塊、ZigBee射頻傳輸模塊、視頻監控模塊、LCD顯示模塊、串口和調試模塊、車內人數統計模塊和語音模塊等。圖2所示是系統中車載終端的硬件組成框圖。
圖2 車載終端硬件組成框圖
ARM嵌入式處理器是整個車載終端的核心，可通過各種接口與各功能模塊相連接。本車載終端選用韓國三星公司的一款基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器S3C2410.S3C2410的運行頻率可以達到203 MHz， 主要面向手持設備等高性價比、低功耗的應用。
在智能公交系統中， 系統定位模塊一般采用GPS-OEM （ Original Equipment Manufacture） 板。
在嵌入式車載終端系統中， 選用GPS模塊時， 通常應考慮定位精度、價格、功耗、體積、抗干擾能力等幾個因素。根據以上原則， 本設計選用LEADTEK公司的GPS三代SiRF star III7855模塊來實現定位。該模塊的主要性能指標如下：
◇ 有20個并行通道， 可同時接收20顆衛星；
◇ 定位時間： 重捕時間為0.1 s， 熱啟動《1s， 冷啟動《42 s， 自動搜索少于30 s;
◇ 輸出差分精度可達10米， 功耗小于1 W;
◇ 可通過RS232接口輸出NEMA-0183協議的ASCII碼語句， 包括GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG、GPGLL等；
◇ 采用5 V電源， 可通過TX、RX引腳連接一個DB9的接口來與嵌入式微處理器的串口進行通信。
2.2 ZigBee射頻模塊
在智能公交系統中， GPS模塊只完成信息采集功能， 而在公交車到站時， 還需要通過ZigBee模塊信息發送給站牌。
經過市場調研發現， Freescale的MC1319x平臺功耗低、價格低廉、硬件集成度高， 而且方便二次開發， 射頻通信系統的穩定性也比較高。所以， 本設計選用了MaxStream公司與ZigBee兼容的、以Freescale MC1319x芯片組為核心的XBeePro RF模塊。XBee Pro模塊設計滿足IEEE802.15.4標準， 工作頻率為2.4 GHz， 其基本性能參數如下：
◇ 發送功率l00 mW;
◇ 室內傳輸距離為300 m， 室外傳輸距離為1500 m;
◇ RF數據傳輸速率為250 kbps;
◇ 在3.3 V電源下， 發送電流為215 mA， 接收電流為55 mA.
圖3所示是XBee Pro模塊的引腳排列圖， 該模塊有20個引腳。RS232接口電路板的引腳可連接到VCC、GND、DOUT和DIN引腳。其中VCC是電源引腳（2.8~3.4 V）； GND接地； DIN是信號輸入引腳， 可作為UART數據輸入， 通常與處理器的UART接收端TX相連； DOUT為信號輸出引腳，可作為UART數據輸出， 通常與處理器的UART接收端RX相連。此外， 在XBee/XBee Pro模塊中還集成了一個UART接口， 該接口的內部數據控制流程如圖4所示。
圖3 XBee Pro模塊的引腳排列圖
圖4 XBee Pro模塊的UART內部數據控制流程
當串行數據通過DIN引腳進入XBee Pro 模塊后， 數據會存儲在DI緩沖器中， 直到被發送器通過天線發送出去； 當RF數據由天線接收后， 接收數據進人DO緩沖器， 直到被處理。在一定條件下， 模塊可能無法立即處理在串位接收緩沖中的數據。如果大量的串行數據發送到模塊， 可能需要使用CTS流控以避免串行接收緩沖溢出。XBeePro 模塊可以通過UART 接口直接與控制器的UART接口相連， 硬件接口簡單實用。
2.3 電子站牌終端的硬件組成
電子站牌終端的硬件組成與公交車車載終端相比， 主要是把公交車上的GPS定位模塊替換成了GPRS -DTU 數據傳輸單元。GF -2008AWGPRS-DTU是北京嘉復欣科技有限公司研制生產的GPRS無線數據通信產品， 該產品內置西門子MC39i GPRS模塊， 具有準確性高、環境適應性好、易于安裝和維護等特點， 能夠為用戶提供高速、可靠、永遠在線的數據傳輸服務和虛擬專用數據通信網絡服務， 可廣泛用于遠程抄表、環保數據采集、交通信息發布等方面。以下是GF-2008AW GPRS-DTU的主要特點：
◇ 可實現串口透明的無線數據傳輸， 而且穩定可靠；
◇ 高度集成GPRS和TCP/IP 技術， 可將互連網和無線網絡有機的結合起來；
◇ 支持多種TCP/IP 協議， 如TCP、UDP、DNS、PPP、RAS 等；
◇ 按流量計費， 沒有流量不計費；
◇ 在標準RS232接口產品中體積最小， 適合嵌入式集成；
◇ 支持點對點、點對多點、中心對多點的對等數據傳輸；
◇ 基于串口通訊的AT+i指令接口， 可節省開發時間和開發成本；
◇ 支持ALWAYS ONLINE （永遠在線） 模式，斷線可自動重撥；
◇ 采用5~24 V / 1 A供電， 并具有節能模式。
3 ZigBee通信程序設計
3.1 ZigBee組網方案
由于站牌處通常會有多輛公交車同時到達，一個站牌對應多輛公交車。鑒于網絡節點較少、網絡結構比較簡單， 本系統采用星形模型組網。
即把分布在公交線路上的電子站牌配置為ZigBee協調器， 而將到達的公交車配置為ZigBee終端設備。圖5所示是公交車與站牌的組網方式。當站牌上ZigBee網絡協調器選擇一個信道和PAN ID并啟動時， 便建立了一個ZigBee個人局網（PAN）。
而一旦協調器啟動PAN， 便允許路由器和終端設備結點加入PAN.作為ZigBee終端設備的車載終端加入PAN時， 系統將收到一個16位的網絡地址， 同時發送和接收來自作為ZigBee協調器的電子站牌終端的數據。PAN協調器的網絡地址總是0.由于站牌上ZigBee模塊的網絡物理地址是唯一的， 故可通過物理地址向站牌發送信息。
圖5 公交車與站牌組網方式
3.2 ZigBee模塊的API操作
XBee Pro具有空模式、接收模式、發送模式、睡眠模式和命令模式等5種操作模式。對于每一種操作模式， 還有透明方式和應用程序接口（API） 方式兩種操作方式。當工作在透明方式時，模塊可替代串口線的作用， 并以字節為單位操作各種信息； 而當工作在API 方式時， 所有進出模塊的數據均被包含在定義模塊的操作和事件的幀結構中。本文采用API操作方式。
API操作要求模塊之間通過一種結構化的接口進行通信（數據通過一種定義好序列的幀來交互通信）。API對通過串口數據幀進行命令發送、命令響應， 以及模塊狀態信息的傳送與接收作了規定。
（1） ZigBee發送請求
公交車到達站牌后， 應根據站牌的MAC地址將日期、時間、車號、公交線路、車內人數、行駛方向等信息發送到電子站牌。公交車ZigBee模塊發送模式的API幀結構定義如圖6所示。其中的Bytes6-13為站牌的MAC地址。 
圖6 公交車TX請求API幀結構圖
（2） ZigBee發送狀態。
為實現可靠傳輸， 當公交車傳送信息給電子站牌的請求完成后， 必須得到電子站牌的確認信息， 因此還必須得到電子站牌回饋給公交車的發送狀態信息。這個信息將指出數據包是否被成功發送， 或者發送失敗。如果發送失敗必須重新發送公交車的信息， 直至發送成功。
電子站牌根據公交車的MAC地址， 不斷的向PAN內發送信息， 并通過回讀發送狀態來確定是否有公交車加入網絡， 如果有， 則根據網絡地址識別公交車， 并將公交車的定位信息發送到監控中心， 從而實現對GPS定位方式的補充。 
圖7為公交車ZigBee模塊的TX狀態幀結構
其中的Bytes 9為傳送狀態信息， Bytes6、7為接收模塊的16位網絡地址。
（3） ZigBee接收包。
電子站牌收到公交車發來的狀態信息數據包后便進行解析， 并通過站牌的GPRS模塊發送到監控中心。電子站牌ZigBee模塊接收模式的API幀結構定義如圖8所示。圖中的Bytes5-12為公交車的MAC地址。
圖8 電子站牌RX的API幀結構圖
3.3 GPRS網絡通信設計
電子站牌收到公交車發來的信息后， 將通過GPRS-DTU發送到監控中心， 然后由監控中心將所有公交車發來的信息通過Internet發送給站牌。
GPRS DTU有透傳模式、AT+i命令模式、自動IP注冊模式、遠程維護和流控五種模式。在系統的電子站牌終端中， DTU將使用透傳模式與服務器進行信息的交互。通過透傳模式可將電子站牌異步串口通信轉換成基于TCP/UDP協議的網絡通信。其主要目的是通過串行通信的簡單設備實現在IP網絡上的通信， 而數據格式不發生任何改變。這一點非常重要， 由于數據格式在經過DTU前后均不發生任何變化， 由此， 電子站牌原有的設備及軟件不用作任何升級， 就可直接應用。
DTU的透傳模式可使電子站牌客戶端在發起通信請求時， 使DTU必須與服務器建立網絡連接。也就是說， 電子站牌下位機與服務器進行數據傳輸時， 首先是電子站牌下位機要與DTU設備的串口相連， 在DTU進入透傳模式后自動被調用， 并與服務器建立網絡連接， 當網絡連接建立后， DTU將自動完成串口到網絡通信的轉換， 以便所有數據可透明地在服務器軟件與電子站牌下位機之間雙向傳輸。
服務器與電子站牌終端通信可通過套接字socket 來實現。首先在服務器上建立一個監聽Socket對象， 并綁定在一個固定端口上， 然后，每當電子站牌客戶端發送一個SOCKET連接請求，服務器端就會新開啟一個線程， 并在其中創建一個socket與電子站牌客戶端的socket通訊， 直到電子站牌客戶端程序關閉， 該線程結束， 然后服務器主線程的socket在應用程序退出時關閉。通過多線程的Socket程序設計， 可以實現一個服務器與多個電子站牌客戶端的通信。
以下是服務器基于socket多線程的具體實現程序代碼：
DWORD WINAPI AnswerThread （ LPVOIDlparam） //收發線程入口
{//創建線程時把服務器建立的新套接字傳給lparam
SOCKET ClientSocket = （ SOCKET） （ LPVOID）lparam;
int bytesRecv;char sendbuf ［ 32］ = “ ” ;char
recvbuf ［32］ =“” ;
while （1）
{bytesRecv=SOCKET_ERROR;
for （ int i =0;i 《 （ int） strlen （ recvbuf） ;i ++ ）
{recvbuf ［i］ =‘\0’;}
while （bytesRecv==SOCKET_ERROR）
{ bytesRecv =recv （ ClientSocket，recvbuf，32，0） ;} //⑤接收電子站牌客戶端的數據
…
send （ ClientSocket，recvbuf，strlen （ recvbuf） ，0） ; //⑥向電子站牌客戶端發送數據
}
}
…
WSAStartup （MAKEWORD （2，2） ，&wsaData） ;//初始化Winsock
socket （ AF_INET，SOCK_STREAM，IPPROTO_TCP） ;//①創建一個監聽socket
bind （ m_socket， （ SOCKADDR*） &service，sizeof（service）） //②綁定套接字
listen （m_socket，20） //③監聽套接字
SOCKET AcceptSocket;
while （1） //一直等待客戶端的請求， 請求到來后，建立新的連接套接字
{ AcceptSocket=SOCKET_ERROR;
while （AcceptSocket==SOCKET_ERROR）
{ AcceptSocket =accept （ m_socket，NULL，NULL） ;} /*④等待客戶請求到來，請求到來后，接受連接請求， 返回一個新的對應此次連接的socket*/
hThread =CreateThread （ NULL，NULL，AnswerThread， （ LPVOID） AcceptSocket，0，&dwThreadId） ;} /*創建新線程， 將新的連接套接字傳給AnswerThread入口函數*/
}
4 結束語
本系統中， 公交車與電子站牌通過ZigBee網絡實現信息交互， 電子站牌與監控中心通過GPRS網絡實現信息交互。公交車上用價格低廉的ZigBee模塊取代現有智能公交系統中的車載GPRS模塊， 可節約硬件成本， 而公交車與電子站牌之間的ZigBee網絡通信則可實現公交車的定位， 以作為GPS定位的補充， 從而增加了系統的可靠性。
今后， 隨著3G、WiMAX、Wi-Fi等無線通信技術的成熟以及更加優化的衛星定位技術的出現， 定會出現越來越多的智能公交系統方案， 從而在更大程度上推動智能公交系統的發展。