基于Xbee Pro和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的智能公交系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　0 引言

　　公共交通具有個(gè)體交通無(wú)法比擬的強(qiáng)大優(yōu)勢(shì)，優(yōu)先發(fā)展城市公共交通系統(tǒng)是解決大、中城市交通問(wèn)題的最佳途徑。近年來(lái)， 城市公交系統(tǒng)的智能化已成為公共交通研究領(lǐng)域的主要方向。國(guó)內(nèi)現(xiàn)有試運(yùn)行的智能公交系統(tǒng)大部分都采用GPS全球定位系統(tǒng)進(jìn)行定位， 同時(shí)采用GPRS網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。車載GPS模塊可以實(shí)時(shí)獲取位置、方向、時(shí)間等導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)， 然后通過(guò)車載GPRS模塊將數(shù)據(jù)傳至監(jiān)控中心， 從而實(shí)現(xiàn)車輛的定位和監(jiān)控。監(jiān)控中心則可將車輛的實(shí)時(shí)信息或公告信息通過(guò)電子站牌的GPRS模塊發(fā)送給電子站牌，以估算到站時(shí)間和距離， 然后顯示在電子站牌上。盡管現(xiàn)有試運(yùn)行的智能公交系統(tǒng)定位覆蓋面廣、精度高， 可以實(shí)現(xiàn)車輛的全范圍定位和監(jiān)控。但在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中， 仍然存在以下不足：

　　◇ GPS信號(hào)在隧道和高架橋等環(huán)境下會(huì)存在盲點(diǎn)；

　　◇ 運(yùn)行中需將GPS信息通過(guò)GPRS發(fā)到監(jiān)控中心， 再由監(jiān)控中心通過(guò)GPRS發(fā)送顯示信息給電子站牌， 因此運(yùn)營(yíng)費(fèi)用較高；

　　◇ GPRS模塊價(jià)格昂貴， 公交車數(shù)量眾多且都必須安裝GPRS模塊， 硬件成本高；

　　◇ 不能實(shí)現(xiàn)公交車與站牌的通信， 也不能實(shí)現(xiàn)提前報(bào)站等服務(wù)。

　　1 系統(tǒng)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(jiān)控中心沒有必要對(duì)公交車進(jìn)行實(shí)時(shí)全范圍的監(jiān)控， 而只需知道公交車的站牌區(qū)間范圍便可大致定位。

　　為吸取現(xiàn)有智能公交系統(tǒng)方案的優(yōu)點(diǎn)， 克服其缺點(diǎn)， 并結(jié)合西安城市自身特點(diǎn)， 本文把ZigBee短距離無(wú)線通信技術(shù)引入到智能公交系統(tǒng)中， 對(duì)國(guó)內(nèi)現(xiàn)有試運(yùn)行的智能公交系統(tǒng)普遍采用的GPS定位、GPRS信息傳輸?shù)姆桨高M(jìn)行了數(shù)據(jù)傳輸方式的改進(jìn)， 改進(jìn)后的智能公交系統(tǒng)方案的整體架構(gòu)如圖1所示。

　　圖1 智能公交系統(tǒng)的總體方案

　　本系統(tǒng)主要由公交車終端、電子站牌終端和管理監(jiān)控中心服務(wù)器三部分組成。

　　公交車終端可根據(jù)車載GPS模塊實(shí)時(shí)定位公交車的位置信息， 并與各個(gè)站牌的位置信息進(jìn)行對(duì)比， 當(dāng)其到達(dá)某個(gè)站牌時(shí)， 公交車自動(dòng)語(yǔ)音報(bào)站， 同時(shí)用LCD屏顯示到站信息。

　　電子站牌終端和公交車終端可通過(guò)ZigBee短距離無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。公交車可實(shí)現(xiàn)提前報(bào)站。當(dāng)公交車到達(dá)某個(gè)站牌后， 便把自己的車輛信息、狀態(tài)信息等打包發(fā)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(wù)器和電子站牌終端可通過(guò)GPRS無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信。電子站牌終端通過(guò)GPRS模塊的無(wú)線聯(lián)網(wǎng)， 以對(duì)收到的公交車信息進(jìn)行處理并重新封裝， 然后發(fā)送到無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中。服務(wù)器端一般是連接Internet的PC機(jī)， 可通過(guò)TCP/IP協(xié)議接收互聯(lián)網(wǎng)上的信息， 同時(shí)可向電子站牌終端發(fā)送運(yùn)行線路上公交車的實(shí)時(shí)位置信息和公告信息。服務(wù)器可通過(guò)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行信息的管理和查詢， 以方便公交公司的管理和調(diào)度。

　　2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 車載終端的硬件組成

　　本系統(tǒng)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(jiān)控模塊、LCD顯示模塊、串口和調(diào)試模塊、車內(nèi)人數(shù)統(tǒng)計(jì)模塊和語(yǔ)音模塊等。圖2所示是系統(tǒng)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(gè)車載終端的核心，可通過(guò)各種接口與各功能模塊相連接。本車載終端選用韓國(guó)三星公司的一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32位RISC嵌入式微處理器S3C2410.S3C2410的運(yùn)行頻率可以達(dá)到203 MHz， 主要面向手持設(shè)備等高性價(jià)比、低功耗的應(yīng)用。

　　在智能公交系統(tǒng)中， 系統(tǒng)定位模塊一般采用GPS-OEM （ Original Equipment Manufacture） 板。

　　在嵌入式車載終端系統(tǒng)中， 選用GPS模塊時(shí)， 通常應(yīng)考慮定位精度、價(jià)格、功耗、體積、抗干擾能力等幾個(gè)因素。根據(jù)以上原則， 本設(shè)計(jì)選用LEADTEK公司的GPS三代SiRF star III7855模塊來(lái)實(shí)現(xiàn)定位。該模塊的主要性能指標(biāo)如下：

　　◇ 有20個(gè)并行通道， 可同時(shí)接收20顆衛(wèi)星；

　　◇ 定位時(shí)間： 重捕時(shí)間為0.1 s， 熱啟動(dòng)《1s， 冷啟動(dòng)《42 s， 自動(dòng)搜索少于30 s;

　　◇ 輸出差分精度可達(dá)10米， 功耗小于1 W;

　　◇ 可通過(guò)RS232接口輸出NEMA-0183協(xié)議的ASCII碼語(yǔ)句， 包括GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG、GPGLL等；

　　◇ 采用5 V電源， 可通過(guò)TX、RX引腳連接一個(gè)DB9的接口來(lái)與嵌入式微處理器的串口進(jìn)行通信。

　　2.2 ZigBee射頻模塊

　　在智能公交系統(tǒng)中， GPS模塊只完成信息采集功能， 而在公交車到站時(shí)， 還需要通過(guò)ZigBee模塊信息發(fā)送給站牌。

　　經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調(diào)研發(fā)現(xiàn)， Freescale的MC1319x平臺(tái)功耗低、價(jià)格低廉、硬件集成度高， 而且方便二次開發(fā)， 射頻通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性也比較高。所以， 本設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)滿足IEEE802.15.4標(biāo)準(zhǔn)， 工作頻率為2.4 GHz， 其基本性能參數(shù)如下：

　　◇ 發(fā)送功率l00 mW;

　　◇ 室內(nèi)傳輸距離為300 m， 室外傳輸距離為1500 m;

　　◇ RF數(shù)據(jù)傳輸速率為250 kbps;

　　◇ 在3.3 V電源下， 發(fā)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(gè)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(hào)輸入引腳， 可作為UART數(shù)據(jù)輸入， 通常與處理器的UART接收端TX相連； DOUT為信號(hào)輸出引腳，可作為UART數(shù)據(jù)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(gè)UART接口， 該接口的內(nèi)部數(shù)據(jù)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(nèi)部數(shù)據(jù)控制流程

　　當(dāng)串行數(shù)據(jù)通過(guò)DIN引腳進(jìn)入XBee Pro 模塊后， 數(shù)據(jù)會(huì)存儲(chǔ)在DI緩沖器中， 直到被發(fā)送器通過(guò)天線發(fā)送出去； 當(dāng)RF數(shù)據(jù)由天線接收后， 接收數(shù)據(jù)進(jìn)人DO緩沖器， 直到被處理。在一定條件下， 模塊可能無(wú)法立即處理在串位接收緩沖中的數(shù)據(jù)。如果大量的串行數(shù)據(jù)發(fā)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(guò)UART 接口直接與控制器的UART接口相連， 硬件接口簡(jiǎn)單實(shí)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(shù)據(jù)傳輸單元。GF -2008AWGPRS-DTU是北京嘉復(fù)欣科技有限公司研制生產(chǎn)的GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品， 該產(chǎn)品內(nèi)置西門子MC39i GPRS模塊， 具有準(zhǔn)確性高、環(huán)境適應(yīng)性好、易于安裝和維護(hù)等特點(diǎn)， 能夠?yàn)橛脩籼峁└咚?、可靠、永遠(yuǎn)在線的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)和虛擬專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)， 可廣泛用于遠(yuǎn)程抄表、環(huán)保數(shù)據(jù)采集、交通信息發(fā)布等方面。以下是GF-2008AW GPRS-DTU的主要特點(diǎn)：

　　◇ 可實(shí)現(xiàn)串口透明的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸， 而且穩(wěn)定可靠；

　　◇ 高度集成GPRS和TCP/IP 技術(shù)， 可將互連網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有機(jī)的結(jié)合起來(lái)；

　　◇ 支持多種TCP/IP 協(xié)議， 如TCP、UDP、DNS、PPP、RAS 等；

　　◇ 按流量計(jì)費(fèi)， 沒有流量不計(jì)費(fèi)；

　　◇ 在標(biāo)準(zhǔn)RS232接口產(chǎn)品中體積最小， 適合嵌入式集成；

　　◇ 支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、中心對(duì)多點(diǎn)的對(duì)等數(shù)據(jù)傳輸；

　　◇ 基于串口通訊的AT+i指令接口， 可節(jié)省開發(fā)時(shí)間和開發(fā)成本；

　　◇ 支持ALWAYS ONLINE （永遠(yuǎn)在線） 模式，斷線可自動(dòng)重?fù)埽?/p>

　　◇ 采用5~24 V / 1 A供電， 并具有節(jié)能模式。

　　3 ZigBee通信程序設(shè)計(jì)

　　3.1 ZigBee組網(wǎng)方案

　　由于站牌處通常會(huì)有多輛公交車同時(shí)到達(dá)，一個(gè)站牌對(duì)應(yīng)多輛公交車。鑒于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較少、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單， 本系統(tǒng)采用星形模型組網(wǎng)。

　　即把分布在公交線路上的電子站牌配置為ZigBee協(xié)調(diào)器， 而將到達(dá)的公交車配置為ZigBee終端設(shè)備。圖5所示是公交車與站牌的組網(wǎng)方式。當(dāng)站牌上ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和PAN ID并啟動(dòng)時(shí)， 便建立了一個(gè)ZigBee個(gè)人局網(wǎng)（PAN）。

　　而一旦協(xié)調(diào)器啟動(dòng)PAN， 便允許路由器和終端設(shè)備結(jié)點(diǎn)加入PAN.作為ZigBee終端設(shè)備的車載終端加入PAN時(shí)， 系統(tǒng)將收到一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址， 同時(shí)發(fā)送和接收來(lái)自作為ZigBee協(xié)調(diào)器的電子站牌終端的數(shù)據(jù)。PAN協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址總是0.由于站牌上ZigBee模塊的網(wǎng)絡(luò)物理地址是唯一的， 故可通過(guò)物理地址向站牌發(fā)送信息。

　　圖5 公交車與站牌組網(wǎng)方式

　　3.2 ZigBee模塊的API操作

　　XBee Pro具有空模式、接收模式、發(fā)送模式、睡眠模式和命令模式等5種操作模式。對(duì)于每一種操作模式， 還有透明方式和應(yīng)用程序接口（API） 方式兩種操作方式。當(dāng)工作在透明方式時(shí)，模塊可替代串口線的作用， 并以字節(jié)為單位操作各種信息； 而當(dāng)工作在API 方式時(shí)， 所有進(jìn)出模塊的數(shù)據(jù)均被包含在定義模塊的操作和事件的幀結(jié)構(gòu)中。本文采用API操作方式。

　　API操作要求模塊之間通過(guò)一種結(jié)構(gòu)化的接口進(jìn)行通信（數(shù)據(jù)通過(guò)一種定義好序列的幀來(lái)交互通信）。API對(duì)通過(guò)串口數(shù)據(jù)幀進(jìn)行命令發(fā)送、命令響應(yīng)， 以及模塊狀態(tài)信息的傳送與接收作了規(guī)定。

　　（1） ZigBee發(fā)送請(qǐng)求

　　公交車到達(dá)站牌后， 應(yīng)根據(jù)站牌的MAC地址將日期、時(shí)間、車號(hào)、公交線路、車內(nèi)人數(shù)、行駛方向等信息發(fā)送到電子站牌。公交車ZigBee模塊發(fā)送模式的API幀結(jié)構(gòu)定義如圖6所示。其中的Bytes6-13為站牌的MAC地址?！　?/p>

　　圖6 公交車TX請(qǐng)求API幀結(jié)構(gòu)圖

　?。?） ZigBee發(fā)送狀態(tài)。

　　為實(shí)現(xiàn)可靠傳輸， 當(dāng)公交車傳送信息給電子站牌的請(qǐng)求完成后， 必須得到電子站牌的確認(rèn)信息， 因此還必須得到電子站牌回饋給公交車的發(fā)送狀態(tài)信息。這個(gè)信息將指出數(shù)據(jù)包是否被成功發(fā)送， 或者發(fā)送失敗。如果發(fā)送失敗必須重新發(fā)送公交車的信息， 直至發(fā)送成功。

　　電子站牌根據(jù)公交車的MAC地址， 不斷的向PAN內(nèi)發(fā)送信息， 并通過(guò)回讀發(fā)送狀態(tài)來(lái)確定是否有公交車加入網(wǎng)絡(luò)， 如果有， 則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址識(shí)別公交車， 并將公交車的定位信息發(fā)送到監(jiān)控中心， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS定位方式的補(bǔ)充?！　?/p>

　　圖7為公交車ZigBee模塊的TX狀態(tài)幀結(jié)構(gòu)

　　其中的Bytes 9為傳送狀態(tài)信息， Bytes6、7為接收模塊的16位網(wǎng)絡(luò)地址。

　?。?） ZigBee接收包。

　　電子站牌收到公交車發(fā)來(lái)的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)包后便進(jìn)行解析， 并通過(guò)站牌的GPRS模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。電子站牌ZigBee模塊接收模式的API幀結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)圖

　　3.3 GPRS網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

　　電子站牌收到公交車發(fā)來(lái)的信息后， 將通過(guò)GPRS-DTU發(fā)送到監(jiān)控中心， 然后由監(jiān)控中心將所有公交車發(fā)來(lái)的信息通過(guò)Internet發(fā)送給站牌。

　　GPRS DTU有透?jìng)髂Ｊ?、AT+i命令模式、自動(dòng)IP注冊(cè)模式、遠(yuǎn)程維護(hù)和流控五種模式。在系統(tǒng)的電子站牌終端中， DTU將使用透?jìng)髂Ｊ脚c服務(wù)器進(jìn)行信息的交互。通過(guò)透?jìng)髂Ｊ娇蓪㈦娮诱九飘惒酱谕ㄐ呸D(zhuǎn)換成基于TCP/UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信。其主要目的是通過(guò)串行通信的簡(jiǎn)單設(shè)備實(shí)現(xiàn)在IP網(wǎng)絡(luò)上的通信， 而數(shù)據(jù)格式不發(fā)生任何改變。這一點(diǎn)非常重要， 由于數(shù)據(jù)格式在經(jīng)過(guò)DTU前后均不發(fā)生任何變化， 由此， 電子站牌原有的設(shè)備及軟件不用作任何升級(jí)， 就可直接應(yīng)用。

　　DTU的透?jìng)髂Ｊ娇墒闺娮诱九瓶蛻舳嗽诎l(fā)起通信請(qǐng)求時(shí)， 使DTU必須與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接。也就是說(shuō)， 電子站牌下位機(jī)與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)， 首先是電子站牌下位機(jī)要與DTU設(shè)備的串口相連， 在DTU進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ胶笞詣?dòng)被調(diào)用， 并與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接， 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接建立后， DTU將自動(dòng)完成串口到網(wǎng)絡(luò)通信的轉(zhuǎn)換， 以便所有數(shù)據(jù)可透明地在服務(wù)器軟件與電子站牌下位機(jī)之間雙向傳輸。

　　服務(wù)器與電子站牌終端通信可通過(guò)套接字socket 來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先在服務(wù)器上建立一個(gè)監(jiān)聽Socket對(duì)象， 并綁定在一個(gè)固定端口上， 然后，每當(dāng)電子站牌客戶端發(fā)送一個(gè)SOCKET連接請(qǐng)求，服務(wù)器端就會(huì)新開啟一個(gè)線程， 并在其中創(chuàng)建一個(gè)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(guān)閉， 該線程結(jié)束， 然后服務(wù)器主線程的socket在應(yīng)用程序退出時(shí)關(guān)閉。通過(guò)多線程的Socket程序設(shè)計(jì)， 可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)服務(wù)器與多個(gè)電子站牌客戶端的通信。

　　以下是服務(wù)器基于socket多線程的具體實(shí)現(xiàn)程序代碼：

　　DWORD WINAPI AnswerThread （ LPVOIDlparam） //收發(fā)線程入口

　　{//創(chuàng)建線程時(shí)把服務(wù)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］ =‘