基于GPRS與ZigBee技術(shù)的公交車智能監(jiān)控系統(tǒng) - 全文

引言

　　目前，除始發(fā)站和終點(diǎn)站外，中間的眾多站無法保證公交車準(zhǔn)點(diǎn)；依靠駕駛員按鍵操作報(bào)站，難免出現(xiàn)錯(cuò)誤而誤導(dǎo)乘客；候車人不知道等待的公交車運(yùn)行狀況。為此，本文開發(fā)了一種基于GPRS和ZigBee的公交車運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)，以期能較好的解決這些問題。

????? 在該系統(tǒng)中，遠(yuǎn)距離無線通信采用的GPRS技術(shù)和近距離無線通信采用的ZigBee技術(shù)互為補(bǔ)充，在擴(kuò)寬監(jiān)測(cè)范圍的同時(shí)也提高了監(jiān)控系統(tǒng)的智能水平。這種監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)模型具有一定的通用性，可以推廣應(yīng)用到石油和煤礦生產(chǎn)等工作地域范圍較廣的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)。

　　1　系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)

　　該系統(tǒng)由公交車監(jiān)控中心、公交車站臺(tái)的站臺(tái)監(jiān)測(cè)器和公交車上的智能無線終端（以下簡(jiǎn)稱監(jiān)控中心、監(jiān)測(cè)器和無線終端）組成，如圖1所示。無線終端通過ZigBee技術(shù)向監(jiān)測(cè)器報(bào)告公交車到達(dá)和離開的時(shí)間，監(jiān)測(cè)器接收無線終端發(fā)送的信號(hào)，檢驗(yàn)該車的“標(biāo)識(shí)號(hào)”，識(shí)別到來車輛，并將該車的到達(dá)時(shí)間、車號(hào)等信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)傳送到監(jiān)控中心。

　　公交車根據(jù)檢測(cè)器發(fā)送的站臺(tái)標(biāo)識(shí)符識(shí)別站臺(tái)名稱，通過語音和LED屏報(bào)站。此后，監(jiān)測(cè)器不斷檢測(cè)該無線終端發(fā)送的信號(hào)強(qiáng)度，當(dāng)其減弱到一定程度時(shí)，即認(rèn)為該車離開本站，隨即向監(jiān)控中心發(fā)出相關(guān)信息。監(jiān)控中心對(duì)監(jiān)測(cè)器發(fā)來的信息進(jìn)行存儲(chǔ)，根據(jù)接收的信息判斷公交車行駛路段，并將信息發(fā)送給監(jiān)測(cè)器，監(jiān)測(cè)器通過運(yùn)行狀態(tài)指示燈顯示給候車者。

　　2　硬件設(shè)計(jì)

　　2.1　監(jiān)測(cè)器

　　2.1.1　整體設(shè)計(jì)

　　監(jiān)測(cè)器組成如圖2所示，該部分由CPU、無線GPRS通信模塊、無線ZigBee通信模塊、公交車運(yùn)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、高性價(jià)比的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有豐富的內(nèi)置部件，極大減少了系統(tǒng)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(tǒng)的復(fù)雜度。同時(shí)具有大量I/O端口，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大量狀態(tài)指示燈的控制。GPRS既能支持間歇的爆發(fā)式數(shù)據(jù)傳輸，又能支持偶爾的大量數(shù)據(jù)傳輸，數(shù)據(jù)傳輸速度快，按流量計(jì)費(fèi)。因此GPRS適合于這種通信頻繁、數(shù)據(jù)量大、實(shí)時(shí)性要求較高的監(jiān)控系統(tǒng)。該設(shè)計(jì)選擇GPRS作為監(jiān)測(cè)器與監(jiān)控中心無線連接方式，監(jiān)測(cè)器與公交車終端通信采用ZigBee無線通信方式。ZigBee是一種近距離、低復(fù)雜度、低功耗、低速率、低成本的無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。設(shè)計(jì)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(kuò)頻的通信技術(shù)，數(shù)據(jù)傳輸速率為250kb/s,達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

　　2.1.2　GPRS通信模塊

　　GPRS模塊選擇法國(guó)WAVECOM公司生產(chǎn)的Q2403,該模塊符合ETSI標(biāo)準(zhǔn)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(wěn)定，可以快速、可靠的傳輸。Q2403和S3C44B0X通過串行接口相連接，如圖3所示。

　　2.2　無線終端

　　無線終端主要由音頻播放模塊、按鍵響應(yīng)電路、無線ZigBee通信模塊和LED屏顯示模塊組成，見圖4。音頻播放模塊負(fù)責(zé)錄制并播放語音報(bào)站信息。

　　按鍵響應(yīng)電路負(fù)責(zé)響應(yīng)公交車司機(jī)的按鍵操作。

　　2.2.1　ZigBee無線通信模塊

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

　　電路中使用了UPG2012TK和巴倫電路專用芯片LDB212G4020C。UPG2012TK是NEC公司針對(duì)手機(jī)和其他L-波段應(yīng)用制造的鎵砷單刀雙擲（SinglePoleDoubleThrow,SPDT）射頻開關(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(shè)計(jì)中的LED點(diǎn)陣屏幕由4個(gè)LED點(diǎn)陣模塊構(gòu)成，模塊需要陽極與陰極共同控制，其行為陽極，列為陰極，所以把LED點(diǎn)陣屏幕驅(qū)動(dòng)電路分為行驅(qū)動(dòng)電路與列驅(qū)動(dòng)電路兩部分設(shè)計(jì)，如圖6所示。行驅(qū)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(qū)動(dòng)。列驅(qū)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(qū)動(dòng)。

　　因而失真小，使用方便，不需專用語音開發(fā)工具，成本低廉。鍵盤采用獨(dú)立式鍵盤，驅(qū)動(dòng)芯片采用ZLG7290。RS232通訊部分由MAX233A完成。復(fù)位部分采用專業(yè)復(fù)位電路芯片IMP811來實(shí)現(xiàn)。

?　　3　軟件設(shè)計(jì)

　　3.1　ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址分配

　　設(shè)計(jì)中使用分布式地址分配方案來分配ZigBee網(wǎng)絡(luò)地址，采用對(duì)等網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)，監(jiān)測(cè)器作為父設(shè)備，無線終端作為子設(shè)備。終點(diǎn)站的父設(shè)備作為網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)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(shè)備建立網(wǎng)絡(luò)后，設(shè)置自身地址為0X0000,其他監(jiān)測(cè)器作為路由器、無線終端作為終端節(jié)點(diǎn)加入網(wǎng)絡(luò)。網(wǎng)絡(luò)地址的分配與3個(gè)參數(shù)有關(guān)，分別為允許的最大子節(jié)點(diǎn)數(shù)Cm、允許的最大路由節(jié)點(diǎn)數(shù)Rm和允許的最大網(wǎng)絡(luò)深度Lm,根據(jù)這3個(gè)參數(shù)可自下而上地計(jì)算出每一級(jí)鄰近節(jié)點(diǎn)間的地址間隔Is（d）：

?

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

　　3.2　軟件流程

　　系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)包含三部分：無線終端、監(jiān)測(cè)器和監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)，文中只介紹無線終端和監(jiān)測(cè)站軟件設(shè)計(jì)，監(jiān)控中心軟件設(shè)計(jì)請(qǐng)讀者參閱其他資料。

　　監(jiān)測(cè)器通電后，進(jìn)行Q2403和ZigBee的初始化和ZigBee通信的準(zhǔn)備工作，等待ZigBee設(shè)備的連接請(qǐng)求。當(dāng)接收到某設(shè)備的連接請(qǐng)求后，確認(rèn)是否為合法用戶，如果是則發(fā)出允許連接的命令，實(shí)現(xiàn)無線終端和監(jiān)測(cè)器的無線連接。建立連接后，監(jiān)測(cè)器獲得了公交車的唯一標(biāo)識(shí)號(hào)，將該公交車進(jìn)行登記，并將車號(hào)和時(shí)間信息通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給監(jiān)控中心。當(dāng)公交車離開站臺(tái)后，信號(hào)強(qiáng)度下降到一定程度，公交車與該監(jiān)測(cè)器斷開連接，認(rèn)為該公交車已離開該站。監(jiān)測(cè)站還時(shí)刻接收監(jiān)控中心發(fā)送的公交車運(yùn)行狀態(tài)信息，并通過運(yùn)行狀態(tài)指示燈顯示給候車者。工作流程如圖7所示。

　　無線終端通電后進(jìn)行ZigBee初始化工作，尋找監(jiān)測(cè)器，當(dāng)檢測(cè)到監(jiān)測(cè)器的信號(hào)強(qiáng)度大于一定值時(shí)，向該監(jiān)測(cè)器發(fā)出建立連接的請(qǐng)求，獲得該監(jiān)測(cè)器的標(biāo)識(shí)符，從而知道是哪一站，并采用語音和LED屏實(shí)現(xiàn)自動(dòng)報(bào)站。當(dāng)駛離站臺(tái)監(jiān)測(cè)器時(shí)，檢測(cè)到該監(jiān)測(cè)器的信號(hào)強(qiáng)度弱小到一定程度，便向該監(jiān)測(cè)器發(fā)出斷開連接請(qǐng)求。其工作流程如圖8所示。

　　4　結(jié)語

　　將GPRS和ZigBee技術(shù)應(yīng)用到公交車智能監(jiān)控系統(tǒng)，解決了多年來困擾公交車監(jiān)控系統(tǒng)的諸多問題，使其作用更為突出，提高了公交車的服務(wù)質(zhì)量和運(yùn)行效率，具有很高的實(shí)用價(jià)值。