基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統設計

摘要：基于改善公交調度手段、提高公交運營(yíng)效率，提高公交吸引力和分擔率目的，采用了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統設計方法?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/物聯(lián)網(wǎng)">物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統具有車(chē)輛監控調度、車(chē)載終端、電子站牌和通信網(wǎng)絡(luò )等功能模塊。系統通過(guò)RFID技術(shù)對公交車(chē)輛進(jìn)行跟蹤、定位、監控和調度，站臺的觸摸屏統計各路次候車(chē)乘客數，及電子站牌實(shí)時(shí)發(fā)布各車(chē)次到站時(shí)間等信息，利用Zigbee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)實(shí)現車(chē)載終端、站臺系統和調度監控中心之間的通信?；?a class="contentlabel" href="http://dyxdggzs.com/news/listbylabel/label/物聯(lián)網(wǎng)">物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統可以提高公交服務(wù)質(zhì)量和效率，滿(mǎn)足市民的出行需求。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能公交系統；RFID；Zigbee

目前，城市交通中存在交通擁擠、道路阻塞、環(huán)境污染等問(wèn)題，公交具有運輸能力大、節能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此大力發(fā)展城市公共交通已成為解決這一問(wèn)題的共識。然而傳統的公共交通系統存在著(zhù)候車(chē)時(shí)間長(cháng)、乘車(chē)舒適度低等問(wèn)題，不能滿(mǎn)足市民的出行需求。智能公交系統是集環(huán)保節能、城市公交監管、公交信息發(fā)布等幾大系統于一體的新一代智能、環(huán)保、數字化公交站亭和“車(chē)聯(lián)網(wǎng)”系統，它是實(shí)現城市交通現代化的關(guān)鍵環(huán)節之一?；谖锫?lián)網(wǎng)的智能公交系統具有車(chē)輛監控調度、車(chē)載終端、電子站牌和通信網(wǎng)絡(luò )等功能模塊，實(shí)現各車(chē)次到站時(shí)間等信息的實(shí)時(shí)發(fā)布，為市民乘車(chē)選擇和公交監控管理提供實(shí)時(shí)的公交到站信息。智能公交系統可以改善公交調度手段、提高公交運營(yíng)效率，提高公交吸引力和分擔率。針對上述公共交通存在的不足之處，文中提出了采用基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交智能設計，以便提高城市公交系統的利用效率和促進(jìn)公共交通系統的發(fā)展。

1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)是指將具有標識、感知和智能處理能力的各種信息傳感設備及系統，如傳感器網(wǎng)絡(luò )、射頻標簽閱讀裝置、條碼與二維碼設備、全球定位系統和其它基于物一物通信模式(M2M)的短距無(wú)線(xiàn)自組織網(wǎng)絡(luò )，通過(guò)各種接入網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)結合起來(lái)而形成的一個(gè)巨大智能網(wǎng)絡(luò )。物聯(lián)網(wǎng)在互聯(lián)網(wǎng)的基礎上，將任何時(shí)間、任何地點(diǎn)人與人之間的溝通和連接，擴展到任何時(shí)間和任何地點(diǎn)人與物、物與物之間的交互和連接。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以為人們提供智能服務(wù)，實(shí)現智能識別、定位追溯、在線(xiàn)監測、遠程控制等功能。
物聯(lián)網(wǎng)可分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò )層和應用層。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構成，包括傳感器、二維碼標簽、RFID標簽和讀寫(xiě)器、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的主要功能是識別物體，采集信息。網(wǎng)絡(luò )層由各種私有網(wǎng)絡(luò )、互聯(lián)網(wǎng)、有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò )管理系統和云計算平臺等組成，負責傳遞和處理感知層獲取的信息。應用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶(hù)(包括人、組織和其他系統)的接口，它與行業(yè)需求結合，實(shí)現物聯(lián)網(wǎng)的智能應用。
1．1 智能公交系統的主要功能模塊
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能公交系統，采用RFID技術(shù)采集公交車(chē)信息從而對公交車(chē)輛進(jìn)行定位跟蹤，候車(chē)乘客在站點(diǎn)的觸摸屏上選擇要乘坐的公交車(chē)路次，通過(guò)無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，實(shí)現乘客與公交車(chē)之間的信息交互。車(chē)載子系統可以實(shí)現公交車(chē)的自動(dòng)定位、自動(dòng)記錄行駛信息、乘客人數統計和故障報警等功能；站臺子系統可以采集不同路次的候車(chē)乘客信息，顯示各車(chē)次的動(dòng)態(tài)信息，使出行者能夠通過(guò)電子站牌了解車(chē)輛的到達時(shí)刻。智能公交系統的主要功能模塊如下：
1)RFID公交車(chē)監控：射頻識別(Radio Frequency Identification)技術(shù)是一種無(wú)線(xiàn)的、非接觸的自動(dòng)識別技術(shù)，RFID技術(shù)可以對公交車(chē)輛進(jìn)行定位、跟蹤和監測。RFID系統由讀寫(xiě)器、天線(xiàn)、電子標簽3部分組成。由于公交線(xiàn)路較固定，而且每個(gè)站點(diǎn)有多條線(xiàn)路的不同車(chē)輛?？?，在各站點(diǎn)安裝RFID閱讀器，在公交車(chē)上貼上RFID標簽，當公交車(chē)接近站點(diǎn)時(shí)，閱讀器就可以讀取相應公交車(chē)的數據，然后微波傳感器采集公交車(chē)的交通參數，并將公交站點(diǎn)的地址信息、公交車(chē)輛信息、公交車(chē)輛到達站點(diǎn)的時(shí)間信息聯(lián)系在一起。
2)Zigbee無(wú)線(xiàn)通信：Zigbee具有低功耗、低成本、低速率、近距離、短時(shí)延、高容量、高安全的特點(diǎn)，適合于智能公交系統的應用。Zig bee無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )技術(shù)將車(chē)載終端、站臺系統和調度監控中心連接起來(lái)，Zigbee收發(fā)芯片將采集到的各路次公交車(chē)輛信息和各站點(diǎn)候車(chē)乘客信息經(jīng)無(wú)線(xiàn)傳感網(wǎng)傳輸給公交調度管理中心，公交調度管理中心可以根據乘客流量和公交車(chē)輛信息自適應地進(jìn)行公交實(shí)時(shí)調度和動(dòng)態(tài)監控。
3)車(chē)載子系統：車(chē)載子系統實(shí)現公交車(chē)的自動(dòng)定位、語(yǔ)音自動(dòng)報站、自動(dòng)記錄行駛信息和故障報警等功能。在接近站點(diǎn)時(shí)，無(wú)線(xiàn)數據接收機將接受到的地理信息信號交給主控微處理器進(jìn)行分析處理，得出相應的反應信號，該信號經(jīng)串行接口到達音頻控制芯片，芯片根據信號驅動(dòng)音頻驅動(dòng)程序，通過(guò)外置語(yǔ)音輸出喇叭實(shí)現自動(dòng)語(yǔ)音報站和溫馨提示。
同時(shí)，液晶顯示系統芯片對經(jīng)主控微處理器傳輸過(guò)來(lái)的信號進(jìn)行處理，驅動(dòng)顯示驅動(dòng)程序，在屏幕上顯示出相應站點(diǎn)的名稱(chēng)和圖片，以及簡(jiǎn)單的滾動(dòng)提示語(yǔ)，同時(shí)也可以播放一些宣傳性的標語(yǔ)、公益性廣告、線(xiàn)路上臨近的景點(diǎn)信息。在某些節假日時(shí)，可以融入節日元素，增加乘客的娛樂(lè )性。當公交車(chē)輛遇到交通事故或者發(fā)生車(chē)輛故障的時(shí)候，司機可以通過(guò)設定的按鍵向調度中心發(fā)送故障信號請求幫助。
4)站臺子系統：站臺子系統實(shí)現各路次公交車(chē)到站時(shí)間的預估和候車(chē)乘客數的統計。及將經(jīng)過(guò)站臺的車(chē)次以編碼的形式存入微處理器的存儲器中，當乘客來(lái)到站臺時(shí)，可通過(guò)觸摸屏B選擇所需乘坐的車(chē)次，主控微處理器將讀取車(chē)次編碼存儲器中的編碼并進(jìn)行分析處理，分析處理完成后，主控微處理器一方面驅動(dòng)高頻收發(fā)芯片將該車(chē)次的相應數據信號在可傳輸的范圍內進(jìn)行不間斷的釋放；另一方面，主控微處理器將數據信號傳輸給顯示控制芯片。當相應車(chē)次進(jìn)入無(wú)線(xiàn)信號范圍內時(shí)，該車(chē)次在接受并校驗了信息后，車(chē)載子系統會(huì )反饋相應的數據信號給站臺子系統，并通過(guò)顯示控制裝置消去該車(chē)次已有候車(chē)乘客數，使其重新還原成初始化狀態(tài)，并在顯示屏上顯示出“**路公交車(chē)即將到站，請乘客做好準備”的溫馨提示。
1．2 智能公交系統的硬件系統
1．2．1 車(chē)載子系統
車(chē)載子系統由主控微處理器、高頻收發(fā)芯片、無(wú)線(xiàn)接收芯片、語(yǔ)音控制芯片、液晶顯示屏、觸摸屏、存儲器等模塊組成，如圖1所示。

1．2．2 站臺子系統
站臺子系統由主控微處理器、高頻收發(fā)芯片、顯示控制芯片、存儲器和觸摸屏等模塊構成，如圖2所示。

1．3 智能公交系統的軟件系統
基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統的軟件是通過(guò)網(wǎng)絡(luò )層對底層(Zigbee、RFID等)功能進(jìn)行封裝，給GUI上層界面提供統一的調用接口。功能框圖如3所示。

1)嵌入式Linux開(kāi)發(fā)流程
①建立開(kāi)發(fā)環(huán)境，在虛擬機中安裝Fedora8系統作為宿主機環(huán)境，安裝GCC交叉編譯器。
②配置開(kāi)發(fā)主機。配置串口終端軟件參數，配置NFS網(wǎng)絡(luò )文件系統，配置SMB服務(wù)，建立引導裝載程序BOOTLOADER。
③下載已經(jīng)移植好的LINUX操作系統。下載后再添加RFID、Zigbee、LCD等硬件的驅動(dòng)程序，進(jìn)行調試修改。
④建立根文件系統，從www．busybox．net下載使用BUSYBOX軟件進(jìn)行功能裁減，產(chǎn)生一個(gè)最基本的根文件系統，再根據自己的應用需要添加其他的程序。
⑤建立應用程序的flash磁盤(pán)分區，使用JFFS2或YAFFS文件系統，并在內核中提供這些文件系統的驅動(dòng)，需要根據應用規劃flash的分區方案。
⑥開(kāi)發(fā)應用程序，可以下載到根文件系統中，也可以放入YAFFS、JFFS2文件系統中。
⑦燒寫(xiě)內核、根文件系統、應用程序。
2)網(wǎng)絡(luò )服務(wù)層實(shí)現(Socket通信)
套接口(Socket)為目前Linux上最為廣泛使用的一種的進(jìn)程間通信機制，與其他的Linux通信機制不同之處在于除了它可用于單機內的進(jìn)程間通信以外，還可用于不同機器之間的進(jìn)程間通信。但是由于Socket本身不支持同時(shí)等待和超時(shí)處理，所以它不能直接用來(lái)多進(jìn)程之間的相互實(shí)時(shí)通信。本文采用事件驅動(dòng)庫libev的方式構建“一問(wèn)一答”的服務(wù)器模型。Socket服務(wù)器端Libev是一種高性能事件循環(huán)／事件驅動(dòng)庫，libev擁有更快的速度，更小的體積，更多功能等優(yōu)勢。libev用ev_loop結構循環(huán)體來(lái)探測事件是否產(chǎn)生，并用void ev_loop(ev_loop* loop，int flags)來(lái)啟動(dòng)。由于沒(méi)有考慮服務(wù)器端主動(dòng)終止連接機制，所以各個(gè)連接可以維持任意時(shí)間，客戶(hù)端可以自由選擇退出時(shí)機。上述模型可以接受任意多個(gè)連接，且為各個(gè)連接提供完全獨立的問(wèn)答服務(wù)。借助libev提供的事件循環(huán)／事件驅動(dòng)接口，上述模型有機會(huì )具備其他模型不能提供的高效率、低資源占用、穩定性好和編寫(xiě)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
服務(wù)器主要實(shí)現流程是：首先開(kāi)啟一個(gè)Zigbee后臺線(xiàn)程(底層)監聽(tīng)服務(wù)器調用信息，接著(zhù)利用ev_io_start(loop，ev_io_watcher)啟動(dòng)一個(gè)接收線(xiàn)程，專(zhuān)門(mén)用來(lái)接收客戶(hù)端發(fā)送過(guò)來(lái)的命令信息，然后按照相應的協(xié)議進(jìn)行解析，跳轉到相應的接口，進(jìn)一步調用底層Zigbee等信息并返回正確的信息給客戶(hù)端?？蛻?hù)端程序用于同服務(wù)器端進(jìn)行交互，實(shí)現為上層GUI提供封裝好的接口。
3)QT／E GUI界面設計
QT是一個(gè)跨平臺的C++圖形用戶(hù)界面(GUI)工具包，本設計上位機界面軟件采用QT／E4．6作為界面的開(kāi)發(fā)軟件包，大體流程是首先調用網(wǎng)絡(luò )客戶(hù)端的Api_GetConneet(port)接口函數，連接到服務(wù)器的port端口，然后開(kāi)啟了一個(gè)線(xiàn)程(zigbeetopo．cpp)，用來(lái)調用網(wǎng)絡(luò )客戶(hù)端的Api_Cliect_GetRfidId()接口函數，獲得RFID讀取的卡號。

2 結論
提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統設計方案，從車(chē)輛監控調度、車(chē)載終端、電子站牌和通信網(wǎng)絡(luò )等方面論述了智能公交系統的主要功能模塊，給出了系統的硬件設計和軟件設計框架和流程。