姚仲敏，劉 煒，盧艷陽，司紅燕，郝錦城

(齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

基于北斗定位的城市智能公交系統(tǒng)設計

姚仲敏，劉 煒，盧艷陽，司紅燕，郝錦城

(齊齊哈爾大學 通信與電子工程學院，黑龍江 齊齊哈爾 161006)

采用北斗衛(wèi)星定位結合無線傳感器網絡和移動互聯網等技術提出了一種城市智能公交系統(tǒng)?？紤]到公交車在行駛中可能出現的高層建筑物遮擋等因素導致衛(wèi)星定位無效的情況，設計加入了6軸姿態(tài)傳感器，運用航位推算算法輔助定位。系統(tǒng)能夠實現智能進站判斷，自動語音報站，智能站牌提示，調度中心遠程監(jiān)控，手機查詢車輛位置信息等功能。實際測試結果表明：在衛(wèi)星定位無效，公交車行駛速度不大于60 km/h時，推算定位精度平均達到0.88 m，精度遠高于北斗接收機的3 m，符合設計要求。該系統(tǒng)運行穩(wěn)定，設備性價比高，為進一步促進城市公交系統(tǒng)智能化發(fā)展提出了參考性方案。

智能公交系統(tǒng)；北斗定位；無線傳感器網絡；移動互聯網；航位推算

隨著我國城市化建設進程的不斷加快，個人機動車持有量出現猛增的勢頭，由此引發(fā)的交通擁堵、城市空間狹小、環(huán)境污染加劇等一系列城市問題越來越嚴重。為了緩解這些問題，各大城市對公共交通系統(tǒng)的建設投入越來越多的資金，智能公交系統(tǒng)這一概念應運而生[1]。

國內現有的車輛定位系統(tǒng)大多采用GPS與RFID組合、GPS與ZigBee組合或者GPS與GPRS組合定位模式。例如，宮玉龍等采用GPS和RFID技術設計了冷鏈運輸遠程監(jiān)控系統(tǒng)[2]；楊光等利用GPS與ZigBee設計了一套公交監(jiān)控系統(tǒng)[3]；馮軍等提出以GPS/GPRS為核心技術實現對城市公交定位[4]。但以上設計中都沒有考慮衛(wèi)星定位失效以及結合移動互聯網實現對車輛位置在線查詢等問題，再加上GPS定位技術和定位服務的使用受美國政府控制，不利于我國公共交通事業(yè)安全發(fā)展，超高頻RFID設備價格又十分昂貴，不易大規(guī)模推廣使用。因此，開發(fā)出一套核心技術由我國掌控，定位精度高、成本低、便于使用的新型智能公交系統(tǒng)是十分必要的。

1 系統(tǒng)總體設計

系統(tǒng)總體設計結構如圖1所示，由車載終端子系統(tǒng)、智能站牌子系統(tǒng)、監(jiān)控管理平臺和移動客戶端4部分組成。

圖1 系統(tǒng)總體結構示意圖

1.1 車載終端子系統(tǒng)

車載終端子系統(tǒng)由ZigBee節(jié)點設備、北斗接收機和姿態(tài)傳感器組成。ZigBee的CC2530芯片作為主控處理器，負責采集北斗接收機經緯度數據和姿態(tài)傳感器的加速度、角速度等數據；選擇定位方式；判斷車輛是否進站；控制語音模塊報站；發(fā)送定位數據和站名編號。當衛(wèi)星信號受到遮擋而進入盲區(qū)，無法提供有效定位數據時，通過使用航位推算算法，能夠短時間、高精度地推算出公交車的行駛方向和距離，避免漏報車輛進站信息。

1.2 智能站牌子系統(tǒng)

智能站牌子系統(tǒng)由ZigBee路由器和LED燈箱組成。ZigBee路由器負責接收、轉發(fā)公交車定位數據，解析站名編號，驅動點亮LED燈箱上對應站名的指示燈，并將站名編號依次向下轉發(fā)給其他路由器，實現整條公交線路上所有站牌顯示的同步。ZigBee路由器均采用旋轉式小型風力發(fā)電為主，市電為輔的供電方式。風力發(fā)電機最大外徑(含葉片) 10 cm， 高37 cm，具有全風向旋轉，風能利用率高的優(yōu)點，其輸出功率可達4.8 mW。而本設計選用的ZigBee 路由器的最大發(fā)射功率為4.5 dBm，約2.8 mW，滿足使用條件。當城市中的某片區(qū)域突發(fā)停電時，該范圍內智能站牌的ZigBee路由器依然可以利用風力發(fā)電存儲的電能繼續(xù)運行工作，避免了整個無線傳感網絡的通信癱瘓，同時還起到節(jié)約能源的作用。

1.3 監(jiān)控管理平臺

監(jiān)控管理平臺是由C++builder開發(fā)設計的軟件和ZigBee協(xié)調器組成。ZigBee協(xié)調器將路由器上所有轉發(fā)的數據通過串口發(fā)送給PC機，監(jiān)控管理軟件則在地圖上實時顯示出公交車的當前位置，并將定位信息存儲到數據庫中。監(jiān)控管理軟件具有登錄驗證、地圖顯示、車輛位置的前后站提示、語音報站等功能。

1.4 移動客戶端

移動客戶端是基于Android平臺設計開發(fā)的APP應用程序，可通過移動互聯網訪問監(jiān)控管理平臺的數據庫。市民利用客戶端軟件可以在線查詢指定公交車的當前位置，也可以查詢目的地都有哪些公交車在此設有站點，從而選擇合理的出行方式，提高出行效率，緩解城市交通壓力。

2 航位推算與坐標系轉換

2.1 航位推算原理

航位推算是在已知當前時刻位置的條件下，通過測量移動的距離和方位，推算下一時刻位置的方法[5]。如圖2所示，將行駛中的公交車輛看做是在二維平面(x,y)上的運動，假設車輛的起始點為(x0,y0)，已知t0時刻航向角為θ0，角速度為ω0，在Δt=ti-t0時間間隔內航行距離為d0，則在ti時刻車輛的坐標為

xi=x0+d0×cosθ0

(1)

yi=y0+d0×sinθ0

(2)

θi=θ0+ω0×Δt

(3)

依上式遞推可得到車輛t2時刻的位置

x2=x1+d1×cosθ1=x0+d0×cosθ0+d1×cosθ1

(4)

y2=y1+d1×sinθ1=y0+d0×sinθ0+d1×sinθ1

(5)

θ2=θ1+ω1×Δt=θ0+ω0×Δt+ω1×Δt

(6)

圖2 航位推算原理圖

在較小的推算時間間隔Δt內，載體的運動可近視為勻速運動，因此能夠推導得出tn時刻的車輛坐標

(7)

(8)

(9)

式中：di，ωi分別為車輛在ti時刻的行駛距離和角速度。

2.2 坐標系轉換

北斗接收機輸出的定位語句是以大地坐標系為參考系，而姿態(tài)傳感器輸出的數據是使用東北天坐標系，所以航位推算一開始需要將經緯度數據進行大地坐標系到東北天坐標系的轉換，推算獲得的結果還需要換算回大地坐標系。

3 系統(tǒng)硬件設計

本系統(tǒng)中硬件設計主要是車載終端子系統(tǒng)這部分的設計，結構框圖如圖3所示。北斗接收機選用和芯星通公司生產的UM220，以1 Hz的數據更新率不斷發(fā)送NMEA-0183通信協(xié)議的導航報文[6]。6軸姿態(tài)傳感器使用MPU6050提供慣性導航參數。ZigBee選用TI公司生產的CC2530。CC2530集成了增強型8051單片機和RF收發(fā)器，可用3.3 V或5 V供電。ZigBee節(jié)點設備運行zstack2007pro協(xié)議棧，設計使用雙串口同時接收衛(wèi)星定位與慣導參數2路數據，并通過I/O口控制語音播報模塊。語音播報使用ISD1760模塊，可處理多達255段以上信息，最長240 s的錄音時間[7]，符合設計需求。

圖3 車載終端子系統(tǒng)硬件設計框圖

4 系統(tǒng)軟件設計

軟件設計分為ZigBee協(xié)調器、路由器、節(jié)點、監(jiān)控管理平臺和手機客戶端5個部分。

4.1 協(xié)調器軟件設計

ZigBee協(xié)調器與PC機的監(jiān)控管理軟件通信。上電后，首先進行硬件初始化，設置串口通信幀格式，打開串口，建立網狀網絡拓撲結構。然后zstack進入任務輪詢，等待其他ZigBee節(jié)點設備加入網絡。當有節(jié)點入網后，繼續(xù)判斷是否有數據發(fā)送過來。若有數據到來，則將數據串口發(fā)送給PC機。其工作流程如圖4所示。設計中，串口通信幀全部采用 9 600 bit/s， 8位數據位，1位停止位，無奇偶校驗位的格式。

圖4 協(xié)調器工作流程圖

4.2 路由器軟件設計

ZigBee路由器是智能站牌子系統(tǒng)中最重要的設備。路由器經硬件初始化后申請加入網絡，循環(huán)判斷是否有數據到來。若接收到數據，則根據對數據流的首字符判斷做出不同的處理：車輛定位數據直接轉發(fā)，不作任何處理；站名編號數據，先解析編號，點亮LED燈箱上對應站名的指示燈，然后再將站名編號數據轉發(fā)給其他的路由節(jié)點，同步所有智能站牌的顯示。工作流程如圖5所示。

圖5 路由器工作流程圖

4.3 ZigBee節(jié)點軟件設計

ZigBee節(jié)點位于車載終端子系統(tǒng)中，是該部分設計的核心處理設備。其軟件工作流程如圖6所示。

圖6 終端節(jié)點工作流程圖

ZigBee節(jié)點入網成功后首先判斷經緯度數據是否有效。若無效，則啟動航位推算；若有效，發(fā)送當前車輛的定位數據并判斷是否進入設定的站牌區(qū)域范圍。當判定為進入站牌區(qū)域，則控制語音模塊報站，提醒車上乘客，同時發(fā)送站名的編號給智能站牌的ZigBee路由器。如果公交車行駛過程中因城郊樹林、城中高層建筑或橋洞遮擋衛(wèi)星信號，進入衛(wèi)星定位盲區(qū)而無法定位，這時車載定位子系統(tǒng)可以自啟動航位推算輔助定位，計算公交車的行駛方向和行駛距離，避免漏報車輛位置和進站信息。部分核心代碼如下：

static void SerialApp_CallBack(uint8 port， uint8 event)

{

(void)port； //uart port

uint8 SerialApp_TxLen=0； //串口接收到數據的長度

if((event&(HAL_UART_RX_FULL|HAL_UART_RX_ABOUT_FULL|HAL_UART_RX_TIMEOUT))&&!SerialApp_TxLen) //判斷串口是否接收到數據

{

SerialApp_TxLen=HalUARTRead(SERIAL_APP_PORT，SerialApp_TxBuf，SERIAL_APP_TX_MAX)；

if(SerialApp_TxLen==75) //北斗衛(wèi)星接收機&BDRMC語句長度

{

if(SerialApp_TxBuf[18]==’V’)； //衛(wèi)星定位無效

{

SerialApp_DeadReckoning()； //進入航位推算子程序

}

else

{

if(AF_DataRequest(&SerialApp_TxAddr，(endPointDesc_t *) &SerialApp_epDesc， SERIALAPP_CLUSTERID， SerialApp_TxLen， SerialApp_TxBuf， &SerialApp_MsgID， 0， AF_DEFAULT_RADIUS)==afStatus_SUCCESS)

{

} //向路由器節(jié)點發(fā)送定位數據

}

}

flag=SerialApp_JudgeLonLat(uint 8 SerialApp_TxBuf)； //判斷經緯度是否進入站牌范圍

if(flag==1)

{

SerialApp_ControlIsd1760()； //語音報站

if(AF_DataRequest(&SerialApp_TxAddr，(endPointDesc_t *) &SerialApp_epDesc， SERIALAPP_CLUSTERID， 1， Num， &SerialApp_MsgID，0，AF_DEFAULT_RADIUS)==afStatus_SUCCESS) //向路由器節(jié)點發(fā)送站名的編號

{

Num++； //站名的編號加1

}

}

}

}

由于各個公交站點的大小和長度不一致，所以ZigBee節(jié)點在程序設計中對每一個站點的“進站識別”范圍的設定都不同。部分站點設置匹配范圍如表1所示。

表1 部分站點經緯度及匹配范圍信息表

站名經度經度匹配范圍緯度緯度匹配范圍齊大東區(qū)12355 0422680 0040794721 0630070 004255瀏園賓館12355 0481540 0055104721 0858210 002339齊齊哈爾大學12355 0213750 0043354721 0931420 009120二廠宿舍12354 9904100 0044394721 0919670 003667郵電技校12354 9877080 0028894721 0692550 002485

4.4 監(jiān)控平臺軟件設計

監(jiān)控管理平臺采用C++builder軟件開發(fā)設計。通過讀取串口接收到的信息，能夠在地圖上實時顯示出公交車輛的位置，并動態(tài)刷新。支持前后站點窗體查詢功能和公交站點表單前臺顯示功能。站點信息表單包含了公交線路上所有的站點信息，并將相鄰站點建立了前后聯系，方便前臺信息查詢，實用、便于調度員管理。軟件設計流程如圖7所示。

圖7 軟件設計流程圖

啟動監(jiān)控管理軟件后，首先進行用戶名、登陸密碼驗證。主頁面為地圖顯示界面，當接收到車輛定位信息，會動態(tài)顯示公交車運行軌跡，提示當前車輛位置的前后站站名。公交車進站，軟件還能夠語音播報站名，提醒調度人員。

數據庫使用MySQL創(chuàng)建，它體積小、速度快，可用于Windows，Linux，Mac OS等多種操作系統(tǒng)。數據庫中共有兩張表，BusSystemInfo表和BusPhoneQuery表。各表結構分別如表2、表3所示。

表2 BusSystemInfo表結構

字段類型說明BusLineIDint主鍵Longitudevarchar(10)經度值Latitudevarchar(10)緯度值StationIDint站點IDCurrentStationvarchar(10)當前站點ArrivalTimevarchar(10)到站時間

表3 BusPhoneQuery表結構

字段名類型說明BusIDint主鍵BusLineNamevarchar(10)線路名稱StationIDint站點IDCurrentStationvarchar(10)當前站點StationOrderint站點在線路中的位置StartTimevarchar(10)發(fā)車時間StopTimevarchar(10)收車時間TicketPricevarchar(10)票價

4.5 移動客戶端軟件設計

移動客戶端開發(fā)環(huán)境為JDK 1.6.0、Eclipse 3.5、Android SDK 2.1和ADT 0.9.5，程序代碼使用Java語言編寫，實現了城市公交的移動互聯網在線查詢?？蛻舳塑浖哂泄痪€路查詢、公交車位置查詢等功能。線路查詢，能夠顯示出所查公交線路的所有站點信息，以及發(fā)車、收車時間、票價等。位置查詢，能夠在公交線路上依次用紅色字體標識出所查公交車輛的當前位置。移動客戶端的功能框圖如圖8所示。

圖8 移動客戶端功能框圖

5 測試與分析

良好的線性度有助于提高定位的精度。分別仿真了勻速、勻加速、勻減速條件下，連續(xù)5次航位推算定位的線性度，如圖9～11所示。仿真過程中的每個定位點都是在前一次定位的基礎上推算得出的。結果表明，不同條件下的航位推算均得到了理想線性度。

圖9 勻速航位推算線性度

圖10 勻加速航位推算線性度

圖11 勻減速航位推算線性度

航位推算的實際定位精度測試中，在速度不超過60 km/h 的條件下隨機抽取了6條測試數據，測試內容和結果如表4所示。

表4 航位推算實際定位精度 m

實際行駛距離實際經度距離實際緯度距離推算經度距離推算緯度距離距離誤差2 000 002 000 161 740 252 832 002 001 451 880 465 392 005 001 794 390 656 405 004 004 224 060 549 059 001 007 240 931 7514 1410 0010 008 279 431 60

6次航位推算定位最大誤差1.75 m，最小誤差0.25 m，平均誤差約為0.88 m，而北斗定位接收機UM220的定位精度為 3 m。 所以，航位推算的定位精度符合設計要求。

上位機監(jiān)控管理平臺軟件和移動客戶端的測試如圖12～13所示。

圖12 監(jiān)管平臺軟件主窗口(截圖)

圖13 移動客戶端查詢窗口(截圖)

兩種軟件運行穩(wěn)定，響應速度快，均達到了設計的要求。

6 結論

本設計從實際應用角度出發(fā)，運用北斗衛(wèi)星定位、航位推算、無線傳感器網絡和移動互聯網等技術設計了基于北斗定位的城市智能公交系統(tǒng)。介紹了系統(tǒng)總體結構及主要硬件設計，分析了車載定位、智能站牌、監(jiān)控管理平臺和移動客戶端的軟件設計流程。經過仿真與實際測試結果表明：航位推算定位線性度良好，定位精度較高，可以在衛(wèi)星定位無效時替代使用；監(jiān)控管理平臺和移動客戶端的軟件運行穩(wěn)定、流暢，響應及時。整套系統(tǒng)具有識別靈敏度高、可靠性強、設備成本低等特點，能夠滿足城市智能公交系統(tǒng)的需求。

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姚仲敏(1959— )，女，教授，碩士生導師，主要研究方向為無線傳感器網絡、物聯網；

劉 煒(1987— )，碩士生，主要研究方向為物聯網技術及應用，為本文通訊作者；

盧艷陽(1988— )，碩士生，主要研究方向為無線通信網絡；

司紅燕(1990— )，碩士生，主要研究方向為物聯網、移動嵌入式。

郝錦城，本科生。

責任編輯：時 雯

工信部：截至7月底，IPTV用戶達3 993.7萬戶

據工信部統(tǒng)計，截止2015年1—7月，我國移動電話用戶凈增850.3萬戶，僅為上年同期增量的1/4，總數達到12.95億戶。移動寬帶用戶(即3G和4G用戶)累計凈增1.1億戶，總數達到6.95億戶，對移動電話用戶的滲透率達53.7%，較上年末提高8.4個百分點。3G用戶加速向4G用戶轉換，7月凈減436.7萬戶。4G用戶7月凈增2 505.1萬戶，總數達到2.5億戶，占移動電話用戶的比重達到19.4%。光纖接入用戶超過9 400萬戶，8 Mbit/s及以上用戶占比達55.9%。移動互聯網用戶達到9.37億戶，IPTV用戶近4 000萬戶。

Design of Urban Intelligent Bus System Based on Beidou Positioning

YAO Zhongmin，LIU Wei，LU Yanyang，SI Hongyan，HAO Jincheng

(CollegeofCommunicationsandElectronicsEngineering，QiqiharUniversity，HeilongjiangQiqihar161006，China)

Beidou satellite positioning using combined Wireless Sensor Network and mobile internet technology to design a proposed urban intelligent transportation system. Taking into account the high-rise buildings may occur in the bus with other factors cause the satellite positioning block is invalid，designed to join the six-axis attitude sensor，using the dead reckoning algorithm，assisted positioning. This system can be achieved smart judging， automatic voice new station，smart tips stop sign， dispatch center remote monitoring，phone inquiries vehicle location and other functions. The actual test results show that： in satellite positioning invalid， bus travel speed of not more than 60 km/h，the projected positioning accuracy average of 0.88 m，while the Beidou receiver positioning accuracy of 3 m，meet the design requirements. The system is stable，equipment cost-effective， in order to further promote the development of intelligent urban transit systems made reference programs.

intelligent transportation systems； Beidou positioning； WSN； mobile internet； dead reckoning

國家自然科學基金項目(51177072)；齊齊哈爾市科技攻關重點項目(GYGG-201106)

TN92

A

10.16280/j.videoe.2015.18.001

2014-12-16

【本文獻信息】姚仲敏，劉煒，盧艷陽，等.基于北斗定位的城市智能公交系統(tǒng)設計[J].電視技術,2015，39(18).