電子站牌終端 - 一種智能公交系統(tǒng)方案

　　電子站牌終端的硬件組成與公交車車載終端相比， 主要是把公交車上的GPS定位模塊替換成了GPRS -DTU 數(shù)據(jù)傳輸單元。GF -2008AWGPRS-DTU是北京嘉復(fù)欣科技有限公司研制生產(chǎn)的GPRS無(wú)線數(shù)據(jù)通信產(chǎn)品， 該產(chǎn)品內(nèi)置西門(mén)子MC39i GPRS模塊， 具有準(zhǔn)確性高、環(huán)境適應(yīng)性好、易于安裝和維護(hù)等特點(diǎn)， 能夠?yàn)橛脩籼峁└咚?、可靠、永遠(yuǎn)在線的數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)和虛擬專用數(shù)據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)， 可廣泛用于遠(yuǎn)程抄表、環(huán)保數(shù)據(jù)采集、交通信息發(fā)布等方面。以下是GF-2008AW GPRS-DTU的主要特點(diǎn)：

　　◇ 可實(shí)現(xiàn)串口透明的無(wú)線數(shù)據(jù)傳輸， 而且穩(wěn)定可靠;

　　◇ 高度集成GPRS和TCP/IP 技術(shù)， 可將互連網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)有機(jī)的結(jié)合起來(lái);

　　◇ 支持多種TCP/IP 協(xié)議， 如TCP、UDP、DNS、PPP、RAS 等;

　　◇ 按流量計(jì)費(fèi)， 沒(méi)有流量不計(jì)費(fèi);

　　◇ 在標(biāo)準(zhǔn)RS232接口產(chǎn)品中體積最小， 適合嵌入式集成;

　　◇ 支持點(diǎn)對(duì)點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、中心對(duì)多點(diǎn)的對(duì)等數(shù)據(jù)傳輸;

　　◇ 基于串口通訊的AT+i指令接口， 可節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間和開(kāi)發(fā)成本;

　　◇ 支持ALWAYS ONLINE (永遠(yuǎn)在線) 模式，斷線可自動(dòng)重?fù)?

　　◇ 采用5~24 V / 1 A供電， 并具有節(jié)能模式。

　　3 ZigBee通信程序設(shè)計(jì)

　　3.1 ZigBee組網(wǎng)方案

　　由于站牌處通常會(huì)有多輛公交車同時(shí)到達(dá)，一個(gè)站牌對(duì)應(yīng)多輛公交車。鑒于網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)較少、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單， 本系統(tǒng)采用星形模型組網(wǎng)。

　　即把分布在公交線路上的電子站牌配置為ZigBee協(xié)調(diào)器， 而將到達(dá)的公交車配置為ZigBee終端設(shè)備。圖5所示是公交車與站牌的組網(wǎng)方式。當(dāng)站牌上ZigBee網(wǎng)絡(luò)協(xié)調(diào)器選擇一個(gè)信道和PAN ID并啟動(dòng)時(shí)， 便建立了一個(gè)ZigBee個(gè)人局網(wǎng)(PAN)。

　　而一旦協(xié)調(diào)器啟動(dòng)PAN， 便允許路由器和終端設(shè)備結(jié)點(diǎn)加入PAN.作為ZigBee終端設(shè)備的車載終端加入PAN時(shí)， 系統(tǒng)將收到一個(gè)16位的網(wǎng)絡(luò)地址， 同時(shí)發(fā)送和接收來(lái)自作為ZigBee協(xié)調(diào)器的電子站牌終端的數(shù)據(jù)。PAN協(xié)調(diào)器的網(wǎng)絡(luò)地址總是0.由于站牌上ZigBee模塊的網(wǎng)絡(luò)物理地址是唯一的， 故可通過(guò)物理地址向站牌發(fā)送信息。

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　　圖5 公交車與站牌組網(wǎng)方式

　　3.2 ZigBee模塊的API操作

　　XBee Pro具有空模式、接收模式、發(fā)送模式、睡眠模式和命令模式等5種操作模式。對(duì)于每一種操作模式， 還有透明方式和應(yīng)用程序接口(API) 方式兩種操作方式。當(dāng)工作在透明方式時(shí)，模塊可替代串口線的作用， 并以字節(jié)為單位操作各種信息; 而當(dāng)工作在API 方式時(shí)， 所有進(jìn)出模塊的數(shù)據(jù)均被包含在定義模塊的操作和事件的幀結(jié)構(gòu)中。本文采用API操作方式。

　　API操作要求模塊之間通過(guò)一種結(jié)構(gòu)化的接口進(jìn)行通信(數(shù)據(jù)通過(guò)一種定義好序列的幀來(lái)交互通信)。API對(duì)通過(guò)串口數(shù)據(jù)幀進(jìn)行命令發(fā)送、命令響應(yīng)， 以及模塊狀態(tài)信息的傳送與接收作了規(guī)定。

　　(1) ZigBee發(fā)送請(qǐng)求

　　公交車到達(dá)站牌后， 應(yīng)根據(jù)站牌的MAC地址將日期、時(shí)間、車號(hào)、公交線路、車內(nèi)人數(shù)、行駛方向等信息發(fā)送到電子站牌。公交車ZigBee模塊發(fā)送模式的API幀結(jié)構(gòu)定義如圖6所示。其中的Bytes6-13為站牌的MAC地址。

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　　圖6 公交車TX請(qǐng)求API幀結(jié)構(gòu)圖

　　(2) ZigBee發(fā)送狀態(tài)。

　　為實(shí)現(xiàn)可靠傳輸， 當(dāng)公交車傳送信息給電子站牌的請(qǐng)求完成后， 必須得到電子站牌的確認(rèn)信息， 因此還必須得到電子站牌回饋給公交車的發(fā)送狀態(tài)信息。這個(gè)信息將指出數(shù)據(jù)包是否被成功發(fā)送， 或者發(fā)送失敗。如果發(fā)送失敗必須重新發(fā)送公交車的信息， 直至發(fā)送成功。

　　電子站牌根據(jù)公交車的MAC地址， 不斷的向PAN內(nèi)發(fā)送信息， 并通過(guò)回讀發(fā)送狀態(tài)來(lái)確定是否有公交車加入網(wǎng)絡(luò)， 如果有， 則根據(jù)網(wǎng)絡(luò)地址識(shí)別公交車， 并將公交車的定位信息發(fā)送到監(jiān)控中心， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)GPS定位方式的補(bǔ)充。

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　　圖7 公交車ZigBee模塊的TX狀態(tài)幀結(jié)構(gòu)

　　其中的Bytes 9為傳送狀態(tài)信息， Bytes6、7為接收模塊的16位網(wǎng)絡(luò)地址。

　　(3) ZigBee接收包。

　　電子站牌收到公交車發(fā)來(lái)的狀態(tài)信息數(shù)據(jù)包后便進(jìn)行解析， 并通過(guò)站牌的GPRS模塊發(fā)送到監(jiān)控中心。電子站牌ZigBee模塊接收模式的API幀結(jié)構(gòu)定義如圖8所示。圖中的Bytes5-12為公交車的MAC地址。

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　　圖8 電子站牌RX的API幀結(jié)構(gòu)圖

　　3.3 GPRS網(wǎng)絡(luò)通信設(shè)計(jì)

　　電子站牌收到公交車發(fā)來(lái)的信息后， 將通過(guò)GPRS-DTU發(fā)送到監(jiān)控中心， 然后由監(jiān)控中心將所有公交車發(fā)來(lái)的信息通過(guò)Internet發(fā)送給站牌。

　　GPRS DTU有透?jìng)髂Ｊ健T+i命令模式、自動(dòng)IP注冊(cè)模式、遠(yuǎn)程維護(hù)和流控五種模式。在系統(tǒng)的電子站牌終端中， DTU將使用透?jìng)髂Ｊ脚c服務(wù)器進(jìn)行信息的交互。通過(guò)透?jìng)髂Ｊ娇蓪㈦娮诱九飘惒酱谕ㄐ呸D(zhuǎn)換成基于TCP/UDP協(xié)議的網(wǎng)絡(luò)通信。其主要目的是通過(guò)串行通信的簡(jiǎn)單設(shè)備實(shí)現(xiàn)在IP網(wǎng)絡(luò)上的通信， 而數(shù)據(jù)格式不發(fā)生任何改變。這一點(diǎn)非常重要， 由于數(shù)據(jù)格式在經(jīng)過(guò)DTU前后均不發(fā)生任何變化， 由此， 電子站牌原有的設(shè)備及軟件不用作任何升級(jí)， 就可直接應(yīng)用。

　　DTU的透?jìng)髂Ｊ娇墒闺娮诱九瓶蛻舳嗽诎l(fā)起通信請(qǐng)求時(shí)， 使DTU必須與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接。也就是說(shuō)， 電子站牌下位機(jī)與服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸時(shí)， 首先是電子站牌下位機(jī)要與DTU設(shè)備的串口相連， 在DTU進(jìn)入透?jìng)髂Ｊ胶笞詣?dòng)被調(diào)用， 并與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò)連接， 當(dāng)網(wǎng)絡(luò)連接建立后， DTU將自動(dòng)完成串口到網(wǎng)絡(luò)通信的轉(zhuǎn)換， 以便所有數(shù)據(jù)可透明地在服務(wù)器軟件與電子站牌下位機(jī)之間雙向傳輸。

　　服務(wù)器與電子站牌終端通信可通過(guò)套接字socket 來(lái)實(shí)現(xiàn)。首先在服務(wù)器上建立一個(gè)監(jiān)聽(tīng)Socket對(duì)象， 并綁定在一個(gè)固定端口上， 然后，每當(dāng)電子站牌客戶端發(fā)送一個(gè)SOCKET連接請(qǐng)求，服務(wù)器端就會(huì)新開(kāi)啟一個(gè)線程， 并在其中創(chuàng)建一個(gè)socket與電子站牌客戶端的socket通訊， 直到電子站牌客戶端程序關(guān)閉， 該線程結(jié)束， 然后服務(wù)器主線程的socket在應(yīng)用程序退出時(shí)關(guān)閉。通過(guò)多線程的Socket程序設(shè)計(jì)， 可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)服務(wù)器與多個(gè)電子站牌客戶端的通信。