GPRS_ZigBee技術(shù)的公交車(chē)智能監控系統

引言

　　在如今的現代生活中，公交車(chē)是城市交通中最重要的部分，其運行效率與服務(wù)質(zhì)量很大程度上影響城市交通狀況和市民的出行狀況。衡量運行效率和服務(wù)質(zhì)量的重要標準是公交車(chē)能否準點(diǎn)到達各站和人們能否知道自己等待的公交車(chē)運行情況。

　　目前，除始發(fā)站和終點(diǎn)站外，中間的眾多站無(wú)法保證公交車(chē)準點(diǎn)；依靠駕駛員按鍵操作報站，難免出現錯誤而誤導乘客；候車(chē)人不知道等待的公交車(chē)運行狀況。為此，本文開(kāi)發(fā)了一種基于GPRS和ZigBee的公交車(chē)運行監控系統，以期能較好的解決這些問(wèn)題。

　　1　系統整體設計

　　該系統由公交車(chē)監控中心、公交車(chē)站臺的站臺監測器和公交車(chē)上的智能無(wú)線(xiàn)終端（以下簡(jiǎn)稱(chēng)監控中心、監測器和無(wú)線(xiàn)終端）組成，如圖1所示。無(wú)線(xiàn)終端通過(guò)ZigBee技術(shù)向監測器報告公交車(chē)到達和離開(kāi)的時(shí)間，監測器接收無(wú)線(xiàn)終端發(fā)送的信號，檢驗該車(chē)的“標識號”，識別到來(lái)車(chē)輛，并將該車(chē)的到達時(shí)間、車(chē)號等信息通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )傳送到監控中心。

　　公交車(chē)根據檢測器發(fā)送的站臺標識符識別站臺名稱(chēng)，通過(guò)語(yǔ)音和LED屏報站。此后，監測器不斷檢測該無(wú)線(xiàn)終端發(fā)送的信號強度，當其減弱到一定程度時(shí)，即認為該車(chē)離開(kāi)本站，隨即向監控中心發(fā)出相關(guān)信息。監控中心對監測器發(fā)來(lái)的信息進(jìn)行存儲，根據接收的信息判斷公交車(chē)行駛路段，并將信息發(fā)送給監測器，監測器通過(guò)運行狀態(tài)指示燈顯示給候車(chē)者。

　　2　硬件設計

　　2.1　監測器

　　2.1.1　整體設計

　　監測器組成如圖2所示，該部分由CPU、無(wú)線(xiàn)GPRS通信模塊、無(wú)線(xiàn)ZigBee通信模塊、公交車(chē)運行狀態(tài)指示燈和其他外圍電路組成。CPU選擇三星公司的S3C44B0X,該處理器具有低功耗、高性能、高性?xún)r(jià)比的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有豐富的內置部件，極大減少了系統電路中除處理器以外的元器件配置，降低了成本并減少了系統的復雜度。同時(shí)具有大量I/O端口，可以實(shí)現對大量狀態(tài)指示燈的控制。GPRS既能支持間歇的爆發(fā)式數據傳輸，又能支持偶爾的大量數據傳輸，數據傳輸速度快，按流量計費。因此GPRS適合于這種通信頻繁、數據量大、實(shí)時(shí)性要求較高的監控系統。該設計選擇GPRS作為監測器與監控中心無(wú)線(xiàn)連接方式，監測器與公交車(chē)終端通信采用ZigBee無(wú)線(xiàn)通信方式。ZigBee是一種近距離、低復雜度、低功耗、低速率、低成本的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)。設計中ZigBee通信模塊選用Freescale公司的MC13192,其工作頻率是21405～21480GHz,采用直接序列擴頻的通信技術(shù)，數據傳輸速率為250kb/s,達到設計要求。

　　2.1.2　GPRS通信模塊

　　GPRS模塊選擇法國WAVECOM公司生產(chǎn)的Q2403,該模塊符合ETSI標準GSM0707和GSM0705,下載速度為5316kb/s,上傳速度為2618kb/s。模塊提供一個(gè)符合V24協(xié)議的異步串行通信接口，支持加密算法，集成射頻電路和基帶于一體，性能穩定，可以快速、可靠的傳輸。Q2403和S3C44B0X通過(guò)串行接口相連接，如圖3所示。

　　2.2　無(wú)線(xiàn)終端

　　無(wú)線(xiàn)終端主要由音頻播放模塊、按鍵響應電路、無(wú)線(xiàn)ZigBee通信模塊和LED屏顯示模塊組成，見(jiàn)圖4。音頻播放模塊負責錄制并播放語(yǔ)音報站信息。

　　按鍵響應電路負責響應公交車(chē)司機的按鍵操作。

　　2.2.1　ZigBee無(wú)線(xiàn)通信模塊

　　由于MC13192的射頻信號采用差分方式，而倒F型天線(xiàn)為單端天線(xiàn)，所以在芯片和天線(xiàn)間需使用平衡/非平衡阻抗轉換電路，以達到最佳收發(fā)效果。

　　電路中使用了UPG2012TK和巴倫電路專(zhuān)用芯片LDB212G4020C。UPG2012TK是NEC公司針對手機和其他L-波段應用制造的鎵砷單刀雙擲（SinglePoleDoubleThrow,SPDT）射頻開(kāi)關(guān)，其工作頻率為015～215GHz,具有非常低的介入損耗和很高的隔離性能。MC13192和S3C44B0X的連接如圖5所示。

　　2.2.2　LED屏顯示模塊

　　設計中的LED點(diǎn)陣屏幕由4個(gè)LED點(diǎn)陣模塊構成，模塊需要陽(yáng)極與陰極共同控制，其行為陽(yáng)極，列為陰極，所以把LED點(diǎn)陣屏幕驅動(dòng)電路分為行驅動(dòng)電路與列驅動(dòng)電路兩部分設計，如圖6所示。行驅動(dòng)電路采用16個(gè)8050D型NPN三極管和16個(gè)上拉電阻共同完成驅動(dòng)。列驅動(dòng)電路則是由16個(gè)S8550D型PNP三極管和16個(gè)上拉電阻共同完成驅動(dòng)。

　　因而失真小，使用方便，不需專(zhuān)用語(yǔ)音開(kāi)發(fā)工具，成本低廉。鍵盤(pán)采用獨立式鍵盤(pán)，驅動(dòng)芯片采用ZLG7290。RS232通訊部分由MAX233A完成。復位部分采用專(zhuān)業(yè)復位電路芯片IMP811來(lái)實(shí)現。

　　3　軟件設計

　　3.1　ZigBee網(wǎng)絡(luò )地址分配

　　設計中使用分布式地址分配方案來(lái)分配ZigBee網(wǎng)絡(luò )地址，采用對等網(wǎng)絡(luò )結構構建網(wǎng)絡(luò )，監測器作為父設備，無(wú)線(xiàn)終端作為子設備。終點(diǎn)站的父設備作為網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器啟動(dòng)網(wǎng)絡(luò )的建立，選擇一個(gè)信道，確定唯一的PAN地址并廣播建立網(wǎng)絡(luò )信息。該父設備建立網(wǎng)絡(luò )后，設置自身地址為0X0000,其他監測器作為路由器、無(wú)線(xiàn)終端作為終端節點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò )。網(wǎng)絡(luò )地址的分配與3個(gè)參數有關(guān)，分別為允許的最大子節點(diǎn)數Cm、允許的最大路由節點(diǎn)數Rm和允許的最大網(wǎng)絡(luò )深度Lm,根據這3個(gè)參數可自下而上地計算出每一級鄰近節點(diǎn)間的地址間隔Is（d）：

其中，An為同等級深度節點(diǎn)中序列為n的節點(diǎn)，1≤n≤Cm-Rm,Ap為其上一級父節點(diǎn)地址。

　　3.2　軟件流程

　　系統的軟件設計包含三部分：無(wú)線(xiàn)終端、監測器和監控中心軟件設計，文中只介紹無(wú)線(xiàn)終端和監測站軟件設計，監控中心軟件設計請讀者參閱其他資料。

　　監測器通電后，進(jìn)行Q2403和ZigBee的初始化和ZigBee通信的準備工作，等待ZigBee設備的連接請求。當接收到某設備的連接請求后，確認是否為合法用戶(hù)，如果是則發(fā)出允許連接的命令，實(shí)現無(wú)線(xiàn)終端和監測器的無(wú)線(xiàn)連接。建立連接后，監測器獲得了公交車(chē)的唯一標識號，將該公交車(chē)進(jìn)行登記，并將車(chē)號和時(shí)間信息通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )發(fā)送給監控中心。當公交車(chē)離開(kāi)站臺后，信號強度下降到一定程度，公交車(chē)與該監測器斷開(kāi)連接，認為該公交車(chē)已離開(kāi)該站。監測站還時(shí)刻接收監控中心發(fā)送的公交車(chē)運行狀態(tài)信息，并通過(guò)運行狀態(tài)指示燈顯示給候車(chē)者。工作流程如圖7所示。

　　無(wú)線(xiàn)終端通電后進(jìn)行ZigBee初始化工作，尋找監測器，當檢測到監測器的信號強度大于一定值時(shí)，向該監測器發(fā)出建立連接的請求，獲得該監測器的標識符，從而知道是哪一站，并采用語(yǔ)音和LED屏實(shí)現自動(dòng)報站。當駛離站臺監測器時(shí)，檢測到該監測器的信號強度弱小到一定程度，便向該監測器發(fā)出斷開(kāi)連接請求。其工作流程如圖8所示。

　　4　結語(yǔ)

　　將GPRS和ZigBee技術(shù)應用到公交車(chē)智能監控系統，解決了多年來(lái)困擾公交車(chē)監控系統的諸多問(wèn)題，使其作用更為突出，提高了公交車(chē)的服務(wù)質(zhì)量和運行效率，具有很高的實(shí)用價(jià)值。在該系統中，遠距離無(wú)線(xiàn)通信采用的GPRS技術(shù)和近距離無(wú)線(xiàn)通信采用的ZigBee技術(shù)互為補充，在擴寬監測范圍的同時(shí)也提高了監控系統的智能水平。這種監測網(wǎng)絡(luò )模型具有一定的通用性，可以推廣應用到石油和煤礦生產(chǎn)等工作地域范圍較廣的工業(yè)現場(chǎng)。