基于ZigBee的公交車自動報站系統(tǒng)設(shè)計

針對中小城市公交系統(tǒng)的特點及實際運營環(huán)境，考慮性價比和實用性設(shè)計了基于ZigBee（紫蜂協(xié)議）技術(shù)的單片機自動報站系統(tǒng)。站臺發(fā)射部分采用CC2430芯片實現(xiàn)站址編碼信息的自動發(fā)射，外圍電路簡單，可用電池長時間供電。車載部分具有手動和自動報站模式實時切換功能，可通過U盤存儲的線路信息方便地實現(xiàn)公交線路的更換，在自動報站的同時可滾動顯示站名、日歷、時間、星期、溫度和服務(wù)用語等信息。該系統(tǒng)成本低、可擴展性強、運行可靠且易于安裝、維護，適合推廣使用。

　　隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展，人們外出旅行的機會逐漸增多，公交汽車在日常生活中的作用越來越突出，從而對城市公交系統(tǒng)安全運營方面提出了更高的要求。目前，許多中等以上城市的公交車上都實現(xiàn)了無人售票，公交司機對行車安全承擔(dān)的責(zé)任也就更大，這就迫切需要在每輛公交車上安裝自動報站器。近些年來，國內(nèi)學(xué)者逐步開展了這方面的研究工作，采用單片機、嵌入式處理器、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPS等技術(shù)設(shè)計了各種公交自動報站系統(tǒng)，對城市公交的發(fā)展起了很好的促進作用。但是，目前大部分中小城市的公交線路仍未全面采用自動報站系統(tǒng)，急需成本低廉、運行可靠、易于維護、易于推廣的自動報站器。

　　針對中小城市公交系統(tǒng)的特點，將單片機與ZigBee技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計出基于ZigBee技術(shù)的低成本自動報站器，兼有手動和自動兩種報站器的優(yōu)點，適合于大規(guī)模普及應(yīng)用。

　　1  總體方案

　　在城市各主要街道的公交車站臺眾多，一個站臺可能要?？慷鄠€線路的公交車輛，而且同一站臺在各個線路的命名可能不一樣，因此，站址編碼信息需要采用8位撥碼開關(guān)進行動態(tài)設(shè)置，以便各路公交車自動識別在本線路中的當(dāng)前位置。圖1所示的是具有n個站臺的公交車自動報站系統(tǒng)示意圖。

圖1  公交車自動報站系統(tǒng)

　　由于中小城市的路面較窄，公交車在行進過程中可能會同時接收到多個站址編碼信息，如圖1中右向行駛的公交車就會同時接收到站臺1和站臺n的編碼信息，此時可以通過行駛方向自動判斷站臺1的編碼信息是有效的。車輛行駛方向可以采用預(yù)制或站址遞增（遞減）方式進行識別，如果出現(xiàn)編碼突變的情況，說明車輛行進過程中可能因為無法自動報站而采用了手動報站，這樣系統(tǒng)可以記錄下該站臺的編碼以便及時維修。

　　本系統(tǒng)分為車載和站臺兩部分，車載部分采用以MSP430F149單片機為核心的控制模塊；站臺部分只需要發(fā)射站址編碼信息，要求低功耗、低成本、高可靠性且易于維護，因此ZigBee發(fā)射模塊以CC2430芯片為核心構(gòu)成。圖2所示的是公交車自動報站系統(tǒng)的設(shè)計框圖。

圖2  公交車自動報站系統(tǒng)設(shè)計框圖2  硬件設(shè)計

　　2.1  站址編碼信息發(fā)射器

　　站址編碼信息發(fā)射器的硬件設(shè)計如圖3所示，主要由ZigBee發(fā)射模塊、晶振、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、天線和電池組成。ZigBee選用Chipcon公司的CC2430芯片，該芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個芯片上整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器（增強型8051內(nèi)核），采用0.18  mCMOS工藝生產(chǎn)，在發(fā)射模式下電流損耗低于25mA,具有從休眠時間模式切換到主動模式的超短時間特性，特別適用于要求電池壽命非常長的場合，2節(jié)5號電池最長可使用2a時間。

圖3  站址發(fā)射器硬件原理圖

　　CC2430芯片外接32MHz的晶振，通過8位撥碼開關(guān)SW動態(tài)設(shè)置站址編碼數(shù)據(jù)，經(jīng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)處理后通過天線發(fā)送出去，覆蓋范圍可達(dá)幾十米。

　　該硬件設(shè)計方法具有電路簡單、信號穩(wěn)定、成本低、易安裝的特點。

　　2.2  車載自動報站器

　　車載自動報站器的硬件設(shè)計如圖4所示（除鍵盤和顯示模塊外）。

圖4  車載自動報站器硬件原理圖

　　單片機采用TI公司的MSP430F149芯片，其功耗電流為μA級。MSP430內(nèi)核是16位的CPU,具有高效的RISC指令系統(tǒng)，統(tǒng)一的中斷管理，片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個16位定時器、一個14路的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個看門狗、六路并行口、兩路USART通信端口、一個比較器、兩個外部時鐘和60kB的閃存，其中兩路通信端口可工作于UART和SPI模式。

　　ZigBee接收模塊采用CC2420芯片，它具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線、16MHz晶振等少數(shù)外圍電路就能在2.4GHz頻段工作。CC2420只提供一個SPI接口與微處理器連接，通過這個接口完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)工作。MSP430F149集成了SPI控制器，可以方便地與CC2420配合使用。

　　時鐘芯片采用DS1302,是DALLAS公司開發(fā)的一種基于I2C總線的高性能、低功耗、帶RAM、具有閏年補償功能的串行時鐘日歷芯片，內(nèi)部可自行產(chǎn)生年、月、日、星期、時、分、秒等時標(biāo)數(shù)據(jù)并保存在相應(yīng)的寄存器中，單片機可直接讀取這些數(shù)據(jù)。

　　溫度傳感器采用DS18B20,是DALLAS公司生產(chǎn)的一線制單總線智能數(shù)字溫度傳感器，具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強等優(yōu)點，測溫范圍為-55℃~+125℃，在-10℃~+80℃時測量精度為0.5℃。單片機發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換指令后，DS18B20將測得的溫度值保存在MSB（高8位）和LSB（低8位）兩個單元中，單片機可直接讀取。

　　LED點陣顯示模塊的主要部分是顯示陣列和行列驅(qū)動電路。本設(shè)計顯示陣列為16行×64列單色點陣，行驅(qū)動電路由MC74HC138芯片、TC74HC04芯片和三極管NPN9013組成，列驅(qū)動電路由M74HC595芯片組成，采用動態(tài)掃描型驅(qū)動方式，可動態(tài)、實時地顯示站點、當(dāng)前溫度、日期及時間等信息。

　　USB接口芯片選用PDIUSBDI2,是Philips在USB1.1協(xié)議設(shè)備端使用最多的芯片之一，符合大多數(shù)器件分類的規(guī)格，可用于U盤上。PDIUSBDI2集成了許多特性，包括可編程的時鐘輸出、低頻晶振、端點寄存器、模擬收發(fā)器、電壓調(diào)整器、位時鐘復(fù)位、串行接口引擎、存儲器管理單元、SoftConnect,GoodLink和集成RAM.內(nèi)部包含3個端點，每個端點又有輸入和輸出兩個端點。其中端點0的索引0和1為控制輸入和輸出端點，用于傳輸USB的控制命令，完成USB的枚舉；端點1的索引2和3為普通輸入和輸出端點，端點2的索引4和5可以配置成普通輸入輸出端點、同步輸入端點、同步輸出端點或者同步輸入輸出端點。端點0和端點1的緩沖區(qū)大小為32kB,端點2的緩沖區(qū)大小為128kB,且為雙緩沖。USB數(shù)據(jù)的傳輸就是通過這些端點進行的。

　　語音功放模塊包括語音芯片、功率放大器、揚聲器等。語音芯片選用ISD4003集成芯片，其語音信號的連線很少，單片錄放時間為4~8min,芯片采用多電平直接模擬量存儲技術(shù)，每個采樣值直接存貯在片內(nèi)閃存中，可以真實、自然地再現(xiàn)語音信號。功放芯片選用TDA2822雙聲道音頻功率放大電路，其工作電壓范圍寬，適用于在低電源電壓下工作，交越失真小、靜態(tài)電流小，最大輸出功率可達(dá)3W.