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)量的重要標準是公交車能否準點到達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(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(dāng)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(guān)信息。監(jiān)控中心對監(jiān)測器發(fā)來的信息進行存儲，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,采用直接序列擴頻的通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kb/s,達到設(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(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。音頻播放模塊負責(zé)錄制并播放語音報站信息。
按鍵響應(yīng)電路負責(zé)響應(yīng)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(zhuǎn)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(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，進行Q2403和ZigBee的初始化和ZigBee通信的準備工作，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識號，將該公交車進行登記，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(dāng)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(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(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。