基于GPRS的智能公交站牌顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：針對當(dāng)下交通狀態(tài)，提出一種應(yīng)用無線技術(shù)的智能公交站牌顯示系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)。該系統(tǒng)由無線傳輸模塊、信息處理模塊以及信息顯示模塊組成，實(shí)現(xiàn)了能夠顯示、反饋實(shí)時(shí)公交狀態(tài)、位置信息、緊急信息的智能公交站牌顯示系統(tǒng)。其中，無線傳輸模塊應(yīng)用SIM300-GPRS模組，主要負(fù)責(zé)收發(fā)所需數(shù)據(jù)信息;借助于STM32主控芯片的強(qiáng)大計(jì)算能力，信息處理模塊通過對現(xiàn)有數(shù)據(jù)進(jìn)行建模、算法修正等處理，計(jì)算出預(yù)到站公交的位置、狀態(tài)等基本信息，并實(shí)時(shí)更新;信息顯示模塊負(fù)責(zé)通過LED屏幕向乘客傳遞公交狀態(tài)、緊急事件以及公益廣告等信息，并負(fù)責(zé)各種信息的顯示調(diào)度?；谝陨纤枷?，已經(jīng)完成智能公交站牌顯示系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

近些年，中國經(jīng)濟(jì)取得巨大進(jìn)步，城市經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，帶動(dòng)國內(nèi)公交事業(yè)迅速發(fā)展，期間，國家推出許多針對公交事業(yè)的優(yōu)惠政策，在這些有力的推動(dòng)下，公交產(chǎn)業(yè)的電子信息化、智能化步伐加快，無人售票已經(jīng)在國內(nèi)許多城市運(yùn)行，IC卡收費(fèi)方式在國內(nèi)大中城市普及起來。隨著公交產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、乘公交的消費(fèi)者群眾的壯大，消費(fèi)者為了更好的了解公交信息，達(dá)到出行便利化的目的，對現(xiàn)有的公交系統(tǒng)提出了更加便利化、智能化的要求，基于這些要求，本設(shè)計(jì)提出了一種基于無線傳輸信息的智能公交站牌顯示系統(tǒng)方案，該方案能夠?qū)崟r(shí)顯示公交狀態(tài)位置以及緊急情況等信息，之于乘客，給予乘客全面信息方便出行，之于交通線路，給予城市交通更少的交通壓力、安全隱患。智能公交系統(tǒng)極大的方便乘客選擇行動(dòng)路線，疏散交通流量，將整個(gè)交通狀況向理想的狀態(tài)引導(dǎo)，使交通順暢和安全，并提高道路的使用效率，而且也會(huì)為美麗的城市增添一道亮麗的風(fēng)景線。

1 智能公交系統(tǒng)

智能公交系統(tǒng)(Intelligent Transport System，ITS)主要分為3個(gè)部分，分別為公交車輛監(jiān)控中心、車載終端和電子站牌。其系統(tǒng)工作原理圖如圖1所示。

車載終端將公交車輛的實(shí)時(shí)位置、車載入數(shù)等信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦卉囕v監(jiān)控中心，起數(shù)據(jù)采集的作用，是整套公交系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

監(jiān)控中心根據(jù)車輛傳輸回來的數(shù)據(jù)，進(jìn)行綜合處理，并將數(shù)據(jù)處理結(jié)果通過無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送到相應(yīng)的電子站牌，與此同時(shí)，收集各公交顯示系統(tǒng)的反饋信息，對客觀因素、突發(fā)狀況引起的公交調(diào)度情況做出處理以達(dá)到最優(yōu)的減少交通壓力、節(jié)約資源的目的;

電子站牌負(fù)責(zé)接收數(shù)據(jù)信息，并通過系統(tǒng)內(nèi)部模塊之間緊密結(jié)合計(jì)算出即將到站的公交車的信息，由LED點(diǎn)陣屏等顯示設(shè)備對外發(fā)布，為候車的乘客提供信息服務(wù)。而且，此部分還負(fù)責(zé)緊急情況、公益廣告等信息的顯示，方便市民安全出行、文明出行。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

電子站牌顯示系統(tǒng)是智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transport System，ITS)的重要組成部分，也是ITS的關(guān)鍵和基礎(chǔ)。智能公交站牌顯示系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的功能框圖如圖2所示。主要包括主控、乘客信息采集、SIM300無線收發(fā)、數(shù)據(jù)處理以及信息顯示幾部分。

該系統(tǒng)中，無線傳輸模塊主要應(yīng)用GPRS技術(shù)實(shí)現(xiàn)與控制中心以及車載終端的數(shù)據(jù)傳輸，接收數(shù)據(jù)經(jīng)過解碼后傳輸給信息處理部分，數(shù)據(jù)在信息處理模塊內(nèi)，經(jīng)過建立數(shù)學(xué)模型、客觀修正因子等處理最后得出該時(shí)刻公交車的位置信息以及計(jì)算出的到達(dá)時(shí)間，同時(shí)獲得實(shí)時(shí)公交狀態(tài)如乘客數(shù)量、末班狀態(tài)等基本信息，最后更新至信息顯示模塊并顯示。顯示調(diào)度模塊實(shí)時(shí)顯示即將到來的公交的基本狀態(tài)信息，但在一定時(shí)間后通過考慮乘客數(shù)量、緊急信息、公益廣告等客觀因素后，對顯示內(nèi)容進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到更好的為乘客服務(wù)的目的。乘客信息采集模塊通過采集在候車乘客信息如乘坐路線、各路公交車候車乘客人數(shù)等基本信息，并通過數(shù)據(jù)傳輸模塊反饋回監(jiān)控中心以實(shí)現(xiàn)更加優(yōu)化的公交調(diào)度。各模塊間相互協(xié)調(diào)工作，實(shí)現(xiàn)了方便市民便利、安全、文明出行的智能公交站牌顯示系統(tǒng)。

3 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)主要由主控芯片控制無線信息傳輸部分、信息處理以及顯示部分，最終通過LED向乘客顯示出行信息。其中信息處理以及信息顯示調(diào)度部分均由STM32主控芯片完成，通過一定的算法以及實(shí)時(shí)反饋信息完成數(shù)據(jù)的處理以及顯示。無線模塊由SIM300模組配合外圍電路連接STM32主控芯片，在主控的控制下完成初始化以及數(shù)據(jù)的傳輸、編碼、解碼等工作。LED部分借助于主控芯片驅(qū)動(dòng)74HC595與74HC138芯片進(jìn)而實(shí)現(xiàn)LED點(diǎn)陣控制與顯示功能。

1)主控制器 主控制器選用STM32F103VE增強(qiáng)型單片機(jī)，STM32系列單片機(jī)使用高性能的ARM CortexTM-M3 32位的RISC內(nèi)核，工作頻率為72MHz，內(nèi)置高速存儲(chǔ)器(高達(dá)512K字節(jié)的閃存和64K字節(jié)的SRAM)，具有強(qiáng)大的信息處理能力，豐富的增強(qiáng)I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線的外設(shè)，是意法半導(dǎo)體公司專門為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應(yīng)用設(shè)計(jì)的產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)中，STM32通過串口連接SIM300無線收發(fā)模塊進(jìn)而實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸與模塊控制。LED通過GPIO端口模擬的SPI接口連接到STM32上，完成信息顯示。

本設(shè)計(jì)中，STM32的主要功能是控制無線傳輸模塊接收車輛狀態(tài)信息，對數(shù)據(jù)的處理以及將處理后的信息送無線收發(fā)模塊SIM300反饋回監(jiān)控中且在LED點(diǎn)陣屏顯示。除此之外，STM32還完成對SIM300、LED點(diǎn)陣等芯片的初始化。

2)無線收發(fā)模塊 SIM300是SIMCOM推出的GSM/GPRS三頻/四頻模塊，主要為語音傳輸、短信息和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供無線接口。SIM300集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，適合于開發(fā)一些GSM/GPRS的無線應(yīng)用產(chǎn)品，如移動(dòng)電話、無線數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)、遠(yuǎn)程測量等，應(yīng)用范圍十分廣泛。本設(shè)計(jì)的重點(diǎn)主要是單片機(jī)與SIM300模塊串行通信，無線GPRS數(shù)據(jù)的收發(fā)。

3)LED顯示 采用P3.75的8 x 8單色點(diǎn)陣模塊進(jìn)行擴(kuò)展，橫向128/8=16塊，縱向64/8=8塊。為方便電路板的設(shè)計(jì)，先由橫向4塊縱向4塊擴(kuò)展成32 x32的顯示單元，再由8塊32 x 32的單元完成設(shè)計(jì)。行驅(qū)動(dòng)控制芯片選用74HC138D，功率芯片選用4953，列驅(qū)動(dòng)控制芯片采用74HC 595D。顯示屏控制卡采用意法半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的STM32F103VBT6單片機(jī)作為主控芯片，由STM32F103VBT6本身具有128KB的片上Flash和64KB的片上RAM，足以存放程序代碼，因此不需要擴(kuò)展外部ROM及RAM;同時(shí)使用專用字庫芯片GT23L32S4W，支持多達(dá)22種字體，大大增強(qiáng)了字符的顯示能力。同時(shí)，控制卡采用RS232/485通信接口，可以通過RS232/485很方便的對顯示屏進(jìn)行顯示配置。從而容易實(shí)現(xiàn)公交狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)顯示以及更新。

4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)上電后，對SIM300模塊、LED顯示屏、SD卡以及系統(tǒng)外設(shè)進(jìn)行初始化，系統(tǒng)外設(shè)主要包括系統(tǒng)時(shí)鐘、定時(shí)器、GPIO口、中斷、SPI及USART。MCU通過USART接口讀取SIM300無線收發(fā)模塊接收到數(shù)據(jù)，然后按照協(xié)議規(guī)定對數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼處理，將解碼處理后的數(shù)據(jù)與SD卡中預(yù)先存儲(chǔ)的本站牌的系統(tǒng)信息進(jìn)行匹配，匹配成功則將具體信息通過LED屏顯示出來。系統(tǒng)主程序流程圖如圖3所示，按照數(shù)據(jù)流向主要分為數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)處理、數(shù)據(jù)顯示3個(gè)部分，其中緊急信息需要立刻在顯示部分顯示出來，其流程為數(shù)據(jù)接收后送入數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)經(jīng)算法修正后反饋到監(jiān)控中心并對公交狀態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。主要包括車輛的位置信息、緊急信息、預(yù)到站時(shí)間等。

信息處理部分借助于主控芯片STM32的強(qiáng)大計(jì)算能力，以及高達(dá)72MHz的時(shí)鐘，首先對接收的數(shù)據(jù)除緊急信息外進(jìn)行分類如下：GPS信息、公交車到站時(shí)間歷史數(shù)據(jù)、預(yù)到達(dá)公交的狀態(tài)信息等，其中緊急信息不經(jīng)過信息處理直接送于顯示模塊顯示。其數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4所示。由于GPRS的傳輸速度和流量費(fèi)用的限制，不能對數(shù)據(jù)連續(xù)刷新，因此對GPS信息通過數(shù)學(xué)模型中的二次曲線擬合的方式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，以實(shí)現(xiàn)公交位置是實(shí)時(shí)的、連續(xù)的顯示;GPS信息和歷史數(shù)據(jù)相互結(jié)合，應(yīng)用汽車實(shí)時(shí)速度模擬模型得到預(yù)到達(dá)的公交的到站時(shí)間，但是存在其他客觀因素如早晚下班高峰、節(jié)令出行變化等，所以在此數(shù)據(jù)上進(jìn)行客觀修正因子修正，使得數(shù)據(jù)更加貼合實(shí)際，實(shí)際測得客觀修正因子對預(yù)測到站時(shí)間準(zhǔn)確度提升27.3%。對于狀態(tài)信息則通過與歷史數(shù)據(jù)比對后直接更新至顯示模塊，至此，信息處理模塊為顯示模塊提供最優(yōu)的預(yù)到達(dá)公交狀態(tài)、位置信息。

5 結(jié)束語

本設(shè)計(jì)提出的基于GPRS的智能電子站牌的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了公交車輛實(shí)時(shí)運(yùn)行情況的實(shí)時(shí)顯示以及公交站牌信息的智能化顯示。同時(shí)，緊急情況以及公益廣告的顯示為提高市民出行的人身安全、精神文明建設(shè)做出卓越貢獻(xiàn)。大大提高公交管理效率，實(shí)現(xiàn)城市公交系統(tǒng)的智能化和信息化。該系統(tǒng)具有優(yōu)良的可靠性和穩(wěn)定性，為當(dāng)前改善城市公交管理，提高公交資源共享提出了有效途徑。同時(shí)以CPRS無線技術(shù)作為信息傳輸手段，可以更加簡單、便捷的實(shí)現(xiàn)公交站牌管理。并能夠及時(shí)更新系統(tǒng)中的廣告數(shù)據(jù)等信息。智能公交站牌顯示系統(tǒng)，為市民出行帶來極大的便利，具有長遠(yuǎn)的發(fā)展前景。