Xbee Pro和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的智能公交系統

公共交通具有個(gè)體交通無(wú)法比擬的強大優(yōu)勢，優(yōu)先發(fā)展城市公共交通系統是解決大、中城市交通問(wèn)題的最佳途徑。近年來(lái)， 城市公交系統的智能化已成為公共交通研究領(lǐng)域的主要方向。國內現有試運行的智能公交系統大部分都采用GPS全球定位系統進(jìn)行定位， 同時(shí)采用GPRS網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行數據傳輸。車(chē)載GPS模塊可以實(shí)時(shí)獲取位置、方向、時(shí)間等導航定位數據， 然后通過(guò)車(chē)載GPRS模塊將數據傳至監控中心， 從而實(shí)現車(chē)輛的定位和監控。監控中心則可將車(chē)輛的實(shí)時(shí)信息或公告信息通過(guò)電子站牌的GPRS模塊發(fā)送給電子站牌，以估算到站時(shí)間和距離， 然后顯示在電子站牌上。盡管現有試運行的智能公交系統定位覆蓋面廣、精度高， 可以實(shí)現車(chē)輛的全范圍定位和監控。但在實(shí)際運行過(guò)程中， 仍然存在以下不足：

　　◇ GPS信號在隧道和高架橋等環(huán)境下會(huì )存在盲點(diǎn)；
　　◇ 運行中需將GPS信息通過(guò)GPRS發(fā)到監控中心， 再由監控中心通過(guò)GPRS發(fā)送顯示信息給電子站牌， 因此運營(yíng)費用較高；
　　◇ GPRS模塊價(jià)格昂貴， 公交車(chē)數量眾多且都必須安裝GPRS模塊， 硬件成本高；
　　◇ 不能實(shí)現公交車(chē)與站牌的通信， 也不能實(shí)現提前報站等服務(wù)。

　　1 系統總體方案

　　由于西安城市面積較小， 道路集中， 公交線(xiàn)路密集， 電子站牌間距大多在500米左右， 因此，監控中心沒(méi)有必要對公交車(chē)進(jìn)行實(shí)時(shí)全范圍的監控， 而只需知道公交車(chē)的站牌區間范圍便可大致定位。

　　為吸取現有智能公交系統方案的優(yōu)點(diǎn)， 克服其缺點(diǎn)， 并結合西安城市自身特點(diǎn)， 本文把ZigBee短距離無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)引入到智能公交系統中， 對國內現有試運行的智能公交系統普遍采用的GPS定位、GPRS信息傳輸的方案進(jìn)行了數據傳輸方式的改進(jìn)， 改進(jìn)后的智能公交系統方案的整體架構如圖1所示。 

　　本系統主要由公交車(chē)終端、電子站牌終端和管理監控中心服務(wù)器三部分組成。

　　公交車(chē)終端可根據車(chē)載GPS模塊實(shí)時(shí)定位公交車(chē)的位置信息， 并與各個(gè)站牌的位置信息進(jìn)行對比， 當其到達某個(gè)站牌時(shí)， 公交車(chē)自動(dòng)語(yǔ)音報站， 同時(shí)用LCD屏顯示到站信息。

　　電子站牌終端和公交車(chē)終端可通過(guò)ZigBee短距離無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。公交車(chē)可實(shí)現提前報站。當公交車(chē)到達某個(gè)站牌后， 便把自己的車(chē)輛信息、狀態(tài)信息等打包發(fā)送給站牌。電子站牌收到管理中心的信息后， 便將公交車(chē)的位置信息顯示在站牌的電子地圖上。

　　管理中心服務(wù)器和電子站牌終端可通過(guò)GPRS無(wú)線(xiàn)通信網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行通信。電子站牌終端通過(guò)GPRS模塊的無(wú)線(xiàn)聯(lián)網(wǎng)， 以對收到的公交車(chē)信息進(jìn)行處理并重新封裝， 然后發(fā)送到無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中。服務(wù)器端一般是連接Internet的PC機， 可通過(guò)TCP/IP協(xié)議接收互聯(lián)網(wǎng)上的信息， 同時(shí)可向電子站牌終端發(fā)送運行線(xiàn)路上公交車(chē)的實(shí)時(shí)位置信息和公告信息。服務(wù)器可通過(guò)數據庫進(jìn)行信息的管理和查詢(xún)， 以方便公交公司的管理和調度。

　　2 系統硬件設計

　　2.1 車(chē)載終端的硬件組成

　　本系統中的車(chē)載終端硬件主要包括電源模塊或電源接入模塊、ARM處理器、RAM、FLASH、GPS定位模塊、ZigBee射頻傳輸模塊、視頻監控模塊、LCD顯示模塊、串口和調試模塊、車(chē)內人數統計模塊和語(yǔ)音模塊等。圖2所示是系統中車(chē)載終端的硬件組成框圖。 

　　ARM嵌入式處理器是整個(gè)車(chē)載終端的核心，可通過(guò)各種接口與各功能模塊相連接。本車(chē)載終端選用韓國三星公司的一款基于A(yíng)RM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器S3C2410.S3C2410的運行頻率可以達到203 MHz, 主要面向手持設備等高性?xún)r(jià)比、低功耗的應用。

　　在智能公交系統中， 系統定位模塊一般采用GPS-OEM （ Original Equipment Manufacture） 板。

　　在嵌入式車(chē)載終端系統中， 選用GPS模塊時(shí)， 通常應考慮定位精度、價(jià)格、功耗、體積、抗干擾能力等幾個(gè)因素。根據以上原則， 本設計選用LEADTEK公司的GPS三代SiRF star III7855模塊來(lái)實(shí)現定位。該模塊的主要性能指標如下：

　　◇ 有20個(gè)并行通道， 可同時(shí)接收20顆衛星；
　　◇ 定位時(shí)間： 重捕時(shí)間為0.1 s, 熱啟動(dòng)<1s, 冷啟動(dòng)<42 s, 自動(dòng)搜索少于30 s;
　　◇ 輸出差分精度可達10米， 功耗小于1 W;
　　◇ 可通過(guò)RS232接口輸出NEMA-0183協(xié)議的ASCII碼語(yǔ)句， 包括GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG、GPGLL等；
　　◇ 采用5 V電源， 可通過(guò)TX、RX引腳連接一個(gè)DB9的接口來(lái)與嵌入式微處理器的串口進(jìn)行通信。 

　　2.2 ZigBee射頻模塊

　　在智能公交系統中， GPS模塊只完成信息采集功能， 而在公交車(chē)到站時(shí)， 還需要通過(guò)ZigBee模塊信息發(fā)送給站牌。

　　經(jīng)過(guò)市場(chǎng)調研發(fā)現， Freescale的MC1319x平臺功耗低、價(jià)格低廉、硬件集成度高， 而且方便二次開(kāi)發(fā)， 射頻通信系統的穩定性也比較高。所以， 本設計選用了MaxStream公司與ZigBee兼容的、以Freescale MC1319x芯片組為核心的XBeePro RF模塊。XBee Pro模塊設計滿(mǎn)足IEEE802.15.4標準， 工作頻率為2.4 GHz, 其基本性能參數如下：

　　◇ 發(fā)送功率l00 mW;
　　◇ 室內傳輸距離為300 m, 室外傳輸距離為1500 m;
　　◇ RF數據傳輸速率為250 kbps;
　　◇ 在3.3 V電源下， 發(fā)送電流為215 mA, 接收電流為55 mA.

　　圖3所示是XBee Pro模塊的引腳排列圖， 該模塊有20個(gè)引腳。RS232接口電路板的引腳可連接到VCC、GND、DOUT和DIN引腳。其中VCC是電源引腳（2.8~3.4 V）； GND接地； DIN是信號輸入引腳， 可作為UART數據輸入， 通常與處理器的UART接收端TX相連； DOUT為信號輸出引腳，可作為UART數據輸出， 通常與處理器的UART接收端RX相連。此外， 在XBee/XBee Pro模塊中還集成了一個(gè)UART接口， 該接口的內部數據控制流程如圖4所示。 

當串行數據通過(guò)DIN引腳進(jìn)入XBee Pro 模塊后， 數據會(huì )存儲在DI緩沖器中， 直到被發(fā)送器通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出去； 當RF數據由天線(xiàn)接收后， 接收數據進(jìn)人DO緩沖器， 直到被處理。在一定條件下， 模塊可能無(wú)法立即處理在串位接收緩沖中的數據。如果大量的串行數據發(fā)送到模塊， 可能需要使用CTS流控以避免串行接收緩沖溢出。XBeePro 模塊可以通過(guò)UART 接口直接與控制器的UART接口相連， 硬件接口簡(jiǎn)單實(shí)用。

　　2.3 電子站牌終端的硬件組成

　　電子站牌終端的硬件組成與公交車(chē)車(chē)載終端相比， 主要是把公交車(chē)上的GPS定位模塊替換成了GPRS -DTU 數據傳輸單元。GF -2008AWGPRS-DTU是北京嘉復欣科技有限公司研制生產(chǎn)的GPRS無(wú)線(xiàn)數據通信產(chǎn)品， 該產(chǎn)品內置西門(mén)子MC39i GPRS模塊， 具有準確性高、環(huán)境適應性好、易于安裝和維護等特點(diǎn)， 能夠為用戶(hù)提供高速、可靠、永遠在線(xiàn)的數據傳輸服務(wù)和虛擬專(zhuān)用數據通信網(wǎng)絡(luò )服務(wù)， 可廣泛用于遠程抄表、環(huán)保數據采集、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)現串口透明的無(wú)線(xiàn)數據傳輸， 而且穩定可靠；
　　◇ 高度集成GPRS和TCP/IP 技術(shù)， 可將互連網(wǎng)和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )有機的結合起來(lái)；
　　◇ 支持多種TCP/IP 協(xié)議， 如TCP、UDP、DNS、PPP、RAS 等；
　　◇ 按流量計費， 沒(méi)有流量不計費；
　　◇ 在標準RS232接口產(chǎn)品中體積最小， 適合嵌入式集成；
　　◇ 支持點(diǎn)對點(diǎn)、點(diǎn)對多點(diǎn)、中心對多點(diǎn)的對等數據傳輸；
　　◇ 基于串口通訊的AT+i指令接口， 可節省開(kāi)發(fā)時(shí)間和開(kāi)發(fā)成本；
　　◇ 支持ALWAYS ONLINE （永遠在線(xiàn)） 模式，斷線(xiàn)可自動(dòng)重撥；
　　◇ 采用5~24 V / 1 A供電， 并具有節能模式。 

　　3 ZigBee通信程序設計

　　3.1 ZigBee組網(wǎng)方案

　　由于站牌處通常會(huì )有多輛公交車(chē)同時(shí)到達，一個(gè)站牌對應多輛公交車(chē)。鑒于網(wǎng)絡(luò )節點(diǎn)較少、網(wǎng)絡(luò )結構比較簡(jiǎn)單， 本系統采用星形模型組網(wǎng)。

　　即把分布在公交線(xiàn)路上的電子站牌配置為ZigBee協(xié)調器， 而將到達的公交車(chē)配置為ZigBee終端設備。圖5所示是公交車(chē)與站牌的組網(wǎng)方式。當站牌上ZigBee網(wǎng)絡(luò )協(xié)調器選擇一個(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)調器啟動(dòng)PAN, 便允許路由器和終端設備結點(diǎn)加入PAN.作為ZigBee終端設備的車(chē)載終端加入PAN時(shí)， 系統將收到一個(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)調器的電子站牌終端的數據。PAN協(xié)調器的網(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。 

　　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。對于每一種操作模式， 還有透明方式和應用程序接口（API） 方式兩種操作方式。當工作在透明方式時(shí)，模塊可替代串口線(xiàn)的作用， 并以字節為單位操作各種信息； 而當工作在A(yíng)PI 方式時(shí)， 所有進(jìn)出模塊的數據均被包含在定義模塊的操作和事件的幀結構中。本文采用API操作方式。

　　API操作要求模塊之間通過(guò)一種結構化的接口進(jìn)行通信（數據通過(guò)一種定義好序列的幀來(lái)交互通信）。API對通過(guò)串口數據幀進(jìn)行命令發(fā)送、命令響應， 以及模塊狀態(tài)信息的傳送與接收作了規定。

　�。�1） ZigBee發(fā)送請求

　　公交車(chē)到達站牌后， 應根據站牌的MAC地址將日期、時(shí)間、車(chē)號、公交線(xiàn)路、車(chē)內人數、行駛方向等信息發(fā)送到電子站牌。公交車(chē)ZigBee模塊發(fā)送模式的API幀結構定義如圖6所示。其中的Bytes6-13為站牌的MAC地址。

　�。�2） ZigBee發(fā)送狀態(tài)。 

　　為實(shí)現可靠傳輸， 當公交車(chē)傳送信息給電子站牌的請求完成后， 必須得到電子站牌的確認信息， 因此還必須得到電子站牌回饋給公交車(chē)的發(fā)送狀態(tài)信息。這個(gè)信息將指出數據包是否被成功發(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(chē)的信息， 直至發(fā)送成功。

　　電子站牌根據公交車(chē)的MAC地址， 不斷的向PAN內發(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(chē)加入網(wǎng)絡(luò )， 如果有， 則根據網(wǎng)絡(luò )地址識別公交車(chē)， 并將公交車(chē)的定位信息發(fā)送到監控中心， 從而實(shí)現對GPS定位方式的補充。

　　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(chē)發(fā)來(lái)的狀態(tài)信息數據包后便進(jìn)行解析， 并通過(guò)站牌的GPRS模塊發(fā)送到監控中心。電子站牌ZigBee模塊接收模式的API幀結構定義如圖8所示。圖中的Bytes5-12為公交車(chē)的MAC地址。 

　　3.3 GPRS網(wǎng)絡(luò )通信設計

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

　　GPRS DTU有透傳模式、AT+i命令模式、自動(dòng)IP注冊模式、遠程維護和流控五種模式。在系統的電子站牌終端中， DTU將使用透傳模式與服務(wù)器進(jìn)行信息的交互。通過(guò)透傳模式可將電子站牌異步串口通信轉換成基于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)單設備實(shí)現在IP網(wǎng)絡(luò )上的通信， 而數據格式不發(fā)生任何改變。這一點(diǎn)非常重要， 由于數據格式在經(jīng)過(guò)DTU前后均不發(fā)生任何變化， 由此， 電子站牌原有的設備及軟件不用作任何升級， 就可直接應用。

　　DTU的透傳模式可使電子站牌客戶(hù)端在發(fā)起通信請求時(shí)， 使DTU必須與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò )連接。也就是說(shuō)， 電子站牌下位機與服務(wù)器進(jìn)行數據傳輸時(shí)， 首先是電子站牌下位機要與DTU設備的串口相連， 在DTU進(jìn)入透傳模式后自動(dòng)被調用， 并與服務(wù)器建立網(wǎng)絡(luò )連接， 當網(wǎng)絡(luò )連接建立后， DTU將自動(dòng)完成串口到網(wǎng)絡(luò )通信的轉換， 以便所有數據可透明地在服務(wù)器軟件與電子站牌下位機之間雙向傳輸。

　　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。首先在服務(wù)器上建立一個(gè)監聽(tīng)Socket對象， 并綁定在一個(gè)固定端口上， 然后，每當電子站牌客戶(hù)端發(fā)送一個(gè)SOCKET連接請求，服務(wù)器端就會(huì )新開(kāi)啟一個(gè)線(xiàn)程， 并在其中創(chuàng )建一個(gè)socket與電子站牌客戶(hù)端的socket通訊， 直到電子站牌客戶(hù)端程序關(guān)閉， 該線(xiàn)程結束， 然后服務(wù)器主線(xiàn)程的socket在應用程序退出時(shí)關(guān)閉。通過(guò)多線(xiàn)程的Socket程序設計， 可以實(shí)現一個(gè)服務(wù)器與多個(gè)電子站牌客戶(hù)端的通信。

　　以下是服務(wù)器基于socket多線(xiàn)程的具體實(shí)現程序代碼：

　　DWORD WINAPI AnswerThread （ LPVOIDlparam） //收發(fā)線(xiàn)程入口

　　{//創(chuàng )建線(xiàn)程時(shí)把服務(wù)器建立的新套接字傳給lparam

　　SOCKET ClientSocket = （ SOCKET） （ LPVOID）lparam;

　　int bytesRecv;char sendbuf [ 32] = " " ;char

　　recvbuf [32] ="" ;

　　while （1）

　　{bytesRecv=SOCKET_ERROR;

　　for （ int i =0;i < （ int） strlen （ recvbuf） ;i ++ ）

　　{recvbuf [i] ='\0';}

　　while （bytesRecv==SOCKET_ERROR）

　　{ bytesRecv =recv （ ClientSocket,recvbuf,32,0） ;} //⑤接收電子站牌客戶(hù)端的數據

　　…

　　send （ ClientSocket,recvbuf,strlen （ recvbuf） ,0） ; //⑥向電子站牌客戶(hù)端發(fā)送數據

　　}

　　}

　　…

　　WSAStartup （MAKEWORD （2,2） ,&wsaData） ;//初始化Winsock

　　socket （ AF_INET,SOCK_STREAM,IPPROTO_TCP） ;//①創(chuàng )建一個(gè)監聽(tīng)socket

　　bind （ m_socket, （ SOCKADDR*） &service,sizeof（service）） //②綁定套接字

　　listen （m_socket,20） //③監聽(tīng)套接字

　　SOCKET AcceptSocket;

　　while （1） //一直等待客戶(hù)端的請求， 請求到來(lái)后，建立新的連接套接字

　　{ AcceptSocket=SOCKET_ERROR;

　　while （AcceptSocket==SOCKET_ERROR）

　　{ AcceptSocket =accept （ m_socket,NULL,NULL） ;} /*④等待客戶(hù)請求到來(lái)，請求到來(lái)后，接受連接請求， 返回一個(gè)新的對應此次連接的socket*/

　　hThread =CreateThread （ NULL,NULL,AnswerThread, （ LPVOID） AcceptSocket,0,&dwThreadId） ;} /*創(chuàng )建新線(xiàn)程， 將新的連接套接字傳給AnswerThread入口函數*/

　　}

　　4 結束語(yǔ)

　　本系統中， 公交車(chē)與電子站牌通過(guò)ZigBee網(wǎng)絡(luò )實(shí)現信息交互， 電子站牌與監控中心通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò )實(shí)現信息交互。公交車(chē)上用價(jià)格低廉的ZigBee模塊取代現有智能公交系統中的車(chē)載GPRS模塊， 可節約硬件成本， 而公交車(chē)與電子站牌之間的ZigBee網(wǎng)絡(luò )通信則可實(shí)現公交車(chē)的定位， 以作為GPS定位的補充， 從而增加了系統的可靠性。

　　今后， 隨著(zhù)3G、WiMAX、Wi-Fi等無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)的成熟以及更加優(yōu)化的衛星定位技術(shù)的出現， 定會(huì )出現越來(lái)越多的智能公交系統方案， 從而在更大程度上推動(dòng)智能公交系統的發(fā)展。

Xbee Pro和網(wǎng)絡(luò )技術(shù)的智能公交系統