基于GPRS的智能公交站牌顯示系統設計

摘要：針對當下交通狀態(tài)，提出一種應用無(wú)線(xiàn)技術(shù)的智能公交站牌顯示系統方案設計。該系統由無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、信息處理模塊以及信息顯示模塊組成，實(shí)現了能夠顯示、反饋實(shí)時(shí)公交狀態(tài)、位置信息、緊急信息的智能公交站牌顯示系統。其中，無(wú)線(xiàn)傳輸模塊應用SIM300-GPRS模組，主要負責收發(fā)所需數據信息;借助于STM32主控芯片的強大計算能力，信息處理模塊通過(guò)對現有數據進(jìn)行建模、算法修正等處理，計算出預到站公交的位置、狀態(tài)等基本信息，并實(shí)時(shí)更新;信息顯示模塊負責通過(guò)LED屏幕向乘客傳遞公交狀態(tài)、緊急事件以及公益廣告等信息，并負責各種信息的顯示調度?；谝陨纤枷?，已經(jīng)完成智能公交站牌顯示系統的設計。

近些年，中國經(jīng)濟取得巨大進(jìn)步，城市經(jīng)濟快速發(fā)展，帶動(dòng)國內公交事業(yè)迅速發(fā)展，期間，國家推出許多針對公交事業(yè)的優(yōu)惠政策，在這些有力的推動(dòng)下，公交產(chǎn)業(yè)的電子信息化、智能化步伐加快，無(wú)人售票已經(jīng)在國內許多城市運行，IC卡收費方式在國內大中城市普及起來(lái)。隨著(zhù)公交產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、乘公交的消費者群眾的壯大，消費者為了更好的了解公交信息，達到出行便利化的目的，對現有的公交系統提出了更加便利化、智能化的要求，基于這些要求，本設計提出了一種基于無(wú)線(xiàn)傳輸信息的智能公交站牌顯示系統方案，該方案能夠實(shí)時(shí)顯示公交狀態(tài)位置以及緊急情況等信息，之于乘客，給予乘客全面信息方便出行，之于交通線(xiàn)路，給予城市交通更少的交通壓力、安全隱患。智能公交系統極大的方便乘客選擇行動(dòng)路線(xiàn)，疏散交通流量，將整個(gè)交通狀況向理想的狀態(tài)引導，使交通順暢和安全，并提高道路的使用效率，而且也會(huì )為美麗的城市增添一道亮麗的風(fēng)景線(xiàn)。

1 智能公交系統

智能公交系統(Intelligent Transport System，ITS)主要分為3個(gè)部分，分別為公交車(chē)輛監控中心、車(chē)載終端和電子站牌。其系統工作原理圖如圖1所示。

車(chē)載終端將公交車(chē)輛的實(shí)時(shí)位置、車(chē)載入數等信息通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )傳輸到公交車(chē)輛監控中心，起數據采集的作用，是整套公交系統的基礎。

監控中心根據車(chē)輛傳輸回來(lái)的數據，進(jìn)行綜合處理，并將數據處理結果通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )發(fā)送到相應的電子站牌，與此同時(shí)，收集各公交顯示系統的反饋信息，對客觀(guān)因素、突發(fā)狀況引起的公交調度情況做出處理以達到最優(yōu)的減少交通壓力、節約資源的目的;

電子站牌負責接收數據信息，并通過(guò)系統內部模塊之間緊密結合計算出即將到站的公交車(chē)的信息，由LED點(diǎn)陣屏等顯示設備對外發(fā)布，為候車(chē)的乘客提供信息服務(wù)。而且，此部分還負責緊急情況、公益廣告等信息的顯示，方便市民安全出行、文明出行。

2 系統設計

電子站牌顯示系統是智能交通系統(Intelligent Transport System，ITS)的重要組成部分，也是ITS的關(guān)鍵和基礎。智能公交站牌顯示系統設計方案的功能框圖如圖2所示。主要包括主控、乘客信息采集、SIM300無(wú)線(xiàn)收發(fā)、數據處理以及信息顯示幾部分。

該系統中，無(wú)線(xiàn)傳輸模塊主要應用GPRS技術(shù)實(shí)現與控制中心以及車(chē)載終端的數據傳輸，接收數據經(jīng)過(guò)解碼后傳輸給信息處理部分，數據在信息處理模塊內，經(jīng)過(guò)建立數學(xué)模型、客觀(guān)修正因子等處理最后得出該時(shí)刻公交車(chē)的位置信息以及計算出的到達時(shí)間，同時(shí)獲得實(shí)時(shí)公交狀態(tài)如乘客數量、末班狀態(tài)等基本信息，最后更新至信息顯示模塊并顯示。顯示調度模塊實(shí)時(shí)顯示即將到來(lái)的公交的基本狀態(tài)信息，但在一定時(shí)間后通過(guò)考慮乘客數量、緊急信息、公益廣告等客觀(guān)因素后，對顯示內容進(jìn)行調整，以達到更好的為乘客服務(wù)的目的。乘客信息采集模塊通過(guò)采集在候車(chē)乘客信息如乘坐路線(xiàn)、各路公交車(chē)候車(chē)乘客人數等基本信息，并通過(guò)數據傳輸模塊反饋回監控中心以實(shí)現更加優(yōu)化的公交調度。各模塊間相互協(xié)調工作，實(shí)現了方便市民便利、安全、文明出行的智能公交站牌顯示系統。

3 系統硬件設計

該系統主要由主控芯片控制無(wú)線(xiàn)信息傳輸部分、信息處理以及顯示部分，最終通過(guò)LED向乘客顯示出行信息。其中信息處理以及信息顯示調度部分均由STM32主控芯片完成，通過(guò)一定的算法以及實(shí)時(shí)反饋信息完成數據的處理以及顯示。無(wú)線(xiàn)模塊由SIM300模組配合外圍電路連接STM32主控芯片，在主控的控制下完成初始化以及數據的傳輸、編碼、解碼等工作。LED部分借助于主控芯片驅動(dòng)74HC595與74HC138芯片進(jìn)而實(shí)現LED點(diǎn)陣控制與顯示功能。

1)主控制器 主控制器選用STM32F103VE增強型單片機，STM32系列單片機使用高性能的ARM CortexTM-M3 32位的RISC內核，工作頻率為72MHz，內置高速存儲器(高達512K字節的閃存和64K字節的SRAM)，具有強大的信息處理能力，豐富的增強I/O端口和聯(lián)接到兩條APB總線(xiàn)的外設，是意法半導體公司專(zhuān)門(mén)為高性能、低成本、低功耗的嵌入式應用設計的產(chǎn)品。本設計中，STM32通過(guò)串口連接SIM300無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊進(jìn)而實(shí)現數據的傳輸與模塊控制。LED通過(guò)GPIO端口模擬的SPI接口連接到STM32上，完成信息顯示。

本設計中，STM32的主要功能是控制無(wú)線(xiàn)傳輸模塊接收車(chē)輛狀態(tài)信息，對數據的處理以及將處理后的信息送無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊SIM300反饋回監控中且在LED點(diǎn)陣屏顯示。除此之外，STM32還完成對SIM300、LED點(diǎn)陣等芯片的初始化。

2)無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊 SIM300是SIMCOM推出的GSM/GPRS三頻/四頻模塊，主要為語(yǔ)音傳輸、短信息和數據業(yè)務(wù)提供無(wú)線(xiàn)接口。SIM300集成了完整的射頻電路和GSM的基帶處理器，適合于開(kāi)發(fā)一些GSM/GPRS的無(wú)線(xiàn)應用產(chǎn)品，如移動(dòng)電話(huà)、無(wú)線(xiàn)數據傳輸業(yè)務(wù)、遠程測量等，應用范圍十分廣泛。本設計的重點(diǎn)主要是單片機與SIM300模塊串行通信，無(wú)線(xiàn)GPRS數據的收發(fā)。

3)LED顯示 采用P3.75的8 x 8單色點(diǎn)陣模塊進(jìn)行擴展，橫向128/8=16塊，縱向64/8=8塊。為方便電路板的設計，先由橫向4塊縱向4塊擴展成32 x32的顯示單元，再由8塊32 x 32的單元完成設計。行驅動(dòng)控制芯片選用74HC138D，功率芯片選用4953，列驅動(dòng)控制芯片采用74HC 595D。顯示屏控制卡采用意法半導體公司生產(chǎn)的STM32F103VBT6單片機作為主控芯片，由STM32F103VBT6本身具有128KB的片上Flash和64KB的片上RAM，足以存放程序代碼，因此不需要擴展外部ROM及RAM;同時(shí)使用專(zhuān)用字庫芯片GT23L32S4W，支持多達22種字體，大大增強了字符的顯示能力。同時(shí)，控制卡采用RS232/485通信接口，可以通過(guò)RS232/485很方便的對顯示屏進(jìn)行顯示配置。從而容易實(shí)現公交狀態(tài)信息的實(shí)時(shí)顯示以及更新。

4 系統軟件設計

系統上電后，對SIM300模塊、LED顯示屏、SD卡以及系統外設進(jìn)行初始化，系統外設主要包括系統時(shí)鐘、定時(shí)器、GPIO口、中斷、SPI及USART。MCU通過(guò)USART接口讀取SIM300無(wú)線(xiàn)收發(fā)模塊接收到數據，然后按照協(xié)議規定對數據進(jìn)行解碼處理，將解碼處理后的數據與SD卡中預先存儲的本站牌的系統信息進(jìn)行匹配，匹配成功則將具體信息通過(guò)LED屏顯示出來(lái)。系統主程序流程圖如圖3所示，按照數據流向主要分為數據傳輸、數據處理、數據顯示3個(gè)部分，其中緊急信息需要立刻在顯示部分顯示出來(lái)，其流程為數據接收后送入數據處理模塊，數據經(jīng)算法修正后反饋到監控中心并對公交狀態(tài)數據進(jìn)行更新。主要包括車(chē)輛的位置信息、緊急信息、預到站時(shí)間等。

信息處理部分借助于主控芯片STM32的強大計算能力，以及高達72MHz的時(shí)鐘，首先對接收的數據除緊急信息外進(jìn)行分類(lèi)如下：GPS信息、公交車(chē)到站時(shí)間歷史數據、預到達公交的狀態(tài)信息等，其中緊急信息不經(jīng)過(guò)信息處理直接送于顯示模塊顯示。其數據處理流程圖如圖4所示。由于GPRS的傳輸速度和流量費用的限制，不能對數據連續刷新，因此對GPS信息通過(guò)數學(xué)模型中的二次曲線(xiàn)擬合的方式進(jìn)行數據處理，以實(shí)現公交位置是實(shí)時(shí)的、連續的顯示;GPS信息和歷史數據相互結合，應用汽車(chē)實(shí)時(shí)速度模擬模型得到預到達的公交的到站時(shí)間，但是存在其他客觀(guān)因素如早晚下班高峰、節令出行變化等，所以在此數據上進(jìn)行客觀(guān)修正因子修正，使得數據更加貼合實(shí)際，實(shí)際測得客觀(guān)修正因子對預測到站時(shí)間準確度提升27.3%。對于狀態(tài)信息則通過(guò)與歷史數據比對后直接更新至顯示模塊，至此，信息處理模塊為顯示模塊提供最優(yōu)的預到達公交狀態(tài)、位置信息。

5 結束語(yǔ)

本設計提出的基于GPRS的智能電子站牌的設計，實(shí)現了公交車(chē)輛實(shí)時(shí)運行情況的實(shí)時(shí)顯示以及公交站牌信息的智能化顯示。同時(shí)，緊急情況以及公益廣告的顯示為提高市民出行的人身安全、精神文明建設做出卓越貢獻。大大提高公交管理效率，實(shí)現城市公交系統的智能化和信息化。該系統具有優(yōu)良的可靠性和穩定性，為當前改善城市公交管理，提高公交資源共享提出了有效途徑。同時(shí)以CPRS無(wú)線(xiàn)技術(shù)作為信息傳輸手段，可以更加簡(jiǎn)單、便捷的實(shí)現公交站牌管理。并能夠及時(shí)更新系統中的廣告數據等信息。智能公交站牌顯示系統，為市民出行帶來(lái)極大的便利，具有長(cháng)遠的發(fā)展前景。