姚慧雄，翟豐鋆，唐鵬程，胡 力

(吉首大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，湖南吉首 416000)

城市公共汽車交通系統(tǒng)綠色環(huán)保，乘坐方便，價(jià)格經(jīng)濟(jì)，是市民出行交通工具的首選.但是，隨著我國(guó)城市規(guī)?？焖侔l(fā)展和人口不斷增加，公共汽車系統(tǒng)面臨著嚴(yán)峻的考驗(yàn).公共汽車一般在人員密集區(qū)域，保持良好的乘車環(huán)境和高度的乘車安全非常重要；公共汽車數(shù)量的劇增，也給公共汽車公司的管理增加了難度：所以，積極開(kāi)發(fā)智能公共汽車系統(tǒng)是完善公交出行的有效途徑.筆者擬基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)設(shè)計(jì)一套智能公共汽車系統(tǒng)，以達(dá)到有效地改善乘坐體驗(yàn)、提高運(yùn)行安全的目的.

1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公共汽車系統(tǒng)采用3層式結(jié)構(gòu)[1-3]，即感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層，如圖1所示.

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公共汽車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Intelligent Bus System Structure Based on Internet of Things

感知層中通過(guò)ZigBee組建無(wú)線自組織網(wǎng)絡(luò)并結(jié)合先進(jìn)的傳感技術(shù)，采集公共汽車的內(nèi)部溫濕度、人數(shù)和危險(xiǎn)氣體等信息，再通過(guò)GPS模塊實(shí)時(shí)采集公共汽車的位置信息；網(wǎng)絡(luò)層中使用cortex A9芯片作為車載終端的處理器對(duì)信息進(jìn)行處理，并設(shè)計(jì)了ZigBee和3G網(wǎng)絡(luò)的網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)，將信息通過(guò)3G網(wǎng)絡(luò)上傳至云平臺(tái)；應(yīng)用層中乘客通過(guò)手機(jī)APP實(shí)時(shí)查詢公共汽車信息，公共汽車公司利用管理系統(tǒng)監(jiān)控公交線路的運(yùn)營(yíng)，電子站牌通過(guò)STM32單片機(jī)和網(wǎng)卡讀取服務(wù)器數(shù)據(jù)并實(shí)時(shí)顯現(xiàn)在站臺(tái)上.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

2.1 感知層硬件設(shè)計(jì)

感知層硬件主要包括ZigBee節(jié)點(diǎn)電路和傳感器電路.基于ZigBee協(xié)議的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)具備使用靈活、安裝方便和無(wú)需布線等優(yōu)點(diǎn)，非常適合公共汽車上小數(shù)據(jù)量的無(wú)線通信[4].ZigBee節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器選用TI公司的CC2530芯片，自帶增強(qiáng)型的C51單片機(jī)，擁有A/D采樣通道，可以接受模擬和數(shù)字信號(hào)，能完全滿足數(shù)據(jù)采集的要求；RF模塊擁有101dB的鏈路質(zhì)量和強(qiáng)大的抗干擾能力，可以在公共汽車這樣的復(fù)雜環(huán)境中保證無(wú)線通信的質(zhì)量；采用超低功耗設(shè)計(jì)，使用5號(hào)電池供電，壽命可達(dá)2～4 a.CC2530節(jié)點(diǎn)通過(guò)I/O口與傳感器電路相連，數(shù)據(jù)通過(guò)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)匯聚到協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)，協(xié)調(diào)器節(jié)點(diǎn)與車載終端通過(guò)串口進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，電平轉(zhuǎn)換通過(guò)MAX3232芯片實(shí)現(xiàn).

系統(tǒng)所使用的傳感器模塊包括人數(shù)檢測(cè)模塊、煙霧檢測(cè)模塊和溫濕度檢測(cè)模塊等.人數(shù)檢測(cè)模塊使用人體紅外傳感器和壓力傳感器，分別放置在公共汽車的前后門處，對(duì)上下車人數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì).因?yàn)楣财嚿现饕陌踩[患是火災(zāi)，所以選用MC14467型離子感煙式傳感器，其響應(yīng)快，對(duì)各種煙都能均衡響應(yīng).溫濕度檢測(cè)模塊采用DHT11一體式溫濕度傳感器，濕度測(cè)量量程為20%～90%RH，精度為±5%RH，溫度測(cè)量量程為0～50 ℃，精度為±2 ℃.

2.2 車載終端硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)車載終端的核心基于三星S5P4418芯片的嵌入式系統(tǒng).S5P4418采用Cortex A9架構(gòu)的四核處理器，其功耗低，性能強(qiáng)大，除了完成本系統(tǒng)的任務(wù)外，還能為公共汽車系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)多媒體、移動(dòng)支付和人臉識(shí)別等功能.3G模塊采用飛凌FIT-3G-MF210，通過(guò)USB接口與S5P4418連接.GPS模塊采用飛凌FIT-GPS-VK1613，通過(guò)串口與S5P4418連接.攝像頭采用OV5460，通過(guò)MIPI接口與S5P4418連接.S5P4418接收到ZigBee協(xié)調(diào)器、GPS模塊和攝像頭傳輸?shù)臄?shù)據(jù)后，經(jīng)過(guò)初步處理，通過(guò)3G模塊發(fā)送到云平臺(tái)，供應(yīng)用層查詢、計(jì)算和處理.

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 ZigBee節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器軟件設(shè)計(jì)

ZigBee節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器的開(kāi)發(fā)使用Z-Statk軟件.該軟件可以從TI公司網(wǎng)站下載，安裝以后在f8wCoord.cfg文件中配置終端節(jié)點(diǎn)和協(xié)調(diào)器.Z-Statk通過(guò)OSAL管理任務(wù)[5-6].任務(wù)管理機(jī)制是根據(jù)任務(wù)id號(hào)來(lái)判斷是否有任務(wù)發(fā)生，一旦有則跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的任務(wù)處理程序中處理，若有任務(wù)同時(shí)發(fā)生則根據(jù)id號(hào)判斷任務(wù)優(yōu)先級(jí).OSAL任務(wù)管理流程如圖2所示.

圖2 OSAL任務(wù)管理流程Fig. 2 OSAL Task Management Process

3.2 車載終端軟件設(shè)計(jì)

圖3 車載終端軟件界面Fig. 3 Software Interface of Vehicle Terminal

在S5P4418嵌入式系統(tǒng)中移植android操作系統(tǒng)并進(jìn)行跨平臺(tái)軟件開(kāi)發(fā).車載終端主要實(shí)現(xiàn)的功能包括[7]：到站自動(dòng)播報(bào)到站提示音，出站自動(dòng)播報(bào)出站提示音；定時(shí)向數(shù)據(jù)中心發(fā)送車輛位置信息，實(shí)現(xiàn)中心對(duì)車輛的監(jiān)控；設(shè)置車輛運(yùn)行的最大速度，并在超速時(shí)報(bào)警；液晶屏幕實(shí)時(shí)顯示時(shí)間、車輛運(yùn)行速度和當(dāng)前?？空军c(diǎn)等信息；按鍵控制特殊語(yǔ)音播報(bào)和背景音樂(lè)播放；按鍵控制緊急情況報(bào)警短消息發(fā)送；驅(qū)動(dòng)車載LCD液晶屏，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)名稱和廣告語(yǔ)的顯示，并在后臺(tái)實(shí)時(shí)上傳車輛信息至云平臺(tái).車載終端軟件界面如圖3所示.

3.3 手機(jī)端軟件設(shè)計(jì)

手機(jī)端軟件設(shè)計(jì)基于百度地圖的API接口，實(shí)現(xiàn)百度地圖的調(diào)用[8].先下載百度地圖移動(dòng)開(kāi)發(fā)包并申請(qǐng)API Key，再在Android工程中加入百度地圖控件，讀取云平臺(tái)中公交車輛的實(shí)時(shí)經(jīng)緯度信息后導(dǎo)入百度地圖，就可以在地圖上找到車輛所在位置，并根據(jù)經(jīng)緯度找到行車軌跡.利用APP讀取云平臺(tái)中的其他各項(xiàng)數(shù)據(jù)，可以查詢某車次的信息(如剩余站數(shù)、速度、乘客人數(shù)和票價(jià)等)，從而最大程度地方便乘客.手機(jī)APP界面如圖4所示.

圖4 手機(jī)APP界面Fig. 4 APP Interface

4 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前公共汽車系統(tǒng)存在的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能公共汽車系統(tǒng).利用該系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)采集公共汽車的各種信息；信息通過(guò)無(wú)線通信技術(shù)發(fā)送至云平臺(tái)，公共汽車公司根據(jù)信息來(lái)及時(shí)調(diào)配車輛，保障行車安全；乘客可以通過(guò)個(gè)人電腦或智能終端實(shí)時(shí)查詢車輛的乘車環(huán)境和位置，選擇合適的乘坐車輛；公交站點(diǎn)會(huì)實(shí)時(shí)顯示相關(guān)信息，以供乘客查詢.