基于物聯網的智能公交系統設計

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摘要：基于改善公交調度手段、提高公交運營效率，提高公交吸引力和分擔率目的，采用了基于物聯網的智能公交系統設計方法。基于物聯網的智能公交系統具有車輛監控調度、車載終端、電子站牌和通信網絡等功能模塊。系統通過RFID技術對公交車輛進行跟蹤、定位、監控和調度，站臺的觸摸屏統計各路次候車乘客數，及電子站牌實時發布各車次到站時間等信息，利用Zigbee無線網絡技術實現車載終端、站臺系統和調度監控中心之間的通信。基于物聯網的智能公交系統可以提高公交服務質量和效率，滿足市民的出行需求。
關鍵詞：物聯網；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、環境污染等問題，公交具有運輸能力大、節能環保等優點，因此大力發展城市公共交通已成為解決這一問題的共識。然而傳統的公共交通系統存在著候車時間長、乘車舒適度低等問題，不能滿足市民的出行需求。智能公交系統是集環保節能、城市公交監管、公交信息發布等幾大系統于一體的新一代智能、環保、數字化公交站亭和“車聯網”系統，它是實現城市交通現代化的關鍵環節之一。基于物聯網的智能公交系統具有車輛監控調度、車載終端、電子站牌和通信網絡等功能模塊，實現各車次到站時間等信息的實時發布，為市民乘車選擇和公交監控管理提供實時的公交到站信息。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網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公共交通系統的發展。
1 基于物聯網的智能公交系統
物聯網(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，如傳感器網絡、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)的短距無線自組織網絡，通過各種接入網與互聯網結合起來而形成的一個巨大智能網絡。物聯網在互聯網的基礎上，將任何時間、任何地點人與人之間的溝通和連接，擴展到任何時間和任何地點人與物、物與物之間的交互和連接。利用物聯網技術可以為人們提供智能服務，實現智能識別、定位追溯、在線監測、遠程控制等功能。
物聯網可分為3層：感知層、網絡層和應用層。感知層由各種傳感器以及傳感器網關構成，包括傳感器、二維碼標簽、RFID標簽和讀寫器、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。網絡層由各種私有網絡、互聯網、有線和無線通信網、網絡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。應用層是物聯網和用戶(包括人、組織和其他系統)的接口，它與行業需求結合，實現物聯網的智能應用。
1．1 智能公交系統的主要功能模塊
基于物聯網技術的智能公交系統，采用RFID技術采集公交車信息從而對公交車輛進行定位跟蹤，候車乘客在站點的觸摸屏上選擇要乘坐的公交車路次，通過無線傳感器網絡進行實時通信，實現乘客與公交車之間的信息交互。車載子系統可以實現公交車的自動定位、自動記錄行駛信息、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乘客信息，顯示各車次的動態信息，使出行者能夠通過電子站牌了解車輛的到達時刻。智能公交系統的主要功能模塊如下：
1)RFID公交車監控：射頻識別(Radio Frequency Identification)技術是一種無線的、非接觸的自動識別技術，RFID技術可以對公交車輛進行定位、跟蹤和監測。RFID系統由讀寫器、天線、電子標簽3部分組成。由于公交線路較固定，而且每個站點有多條線路的不同車輛停靠，在各站點安裝RFID閱讀器，在公交車上貼上RFID標簽，當公交車接近站點時，閱讀器就可以讀取相應公交車的數據，然后微波傳感器采集公交車的交通參數，并將公交站點的地址信息、公交車輛信息、公交車輛到達站點的時間信息聯系在一起。
2)Zigbee無線通信：Zigbee具有低功耗、低成本、低速率、近距離、短時延、高容量、高安全的特點，適合于智能公交系統的應用。Zig bee無線網絡技術將車載終端、站臺系統和調度監控中心連接起來，Zigbee收發芯片將采集到的各路次公交車輛信息和各站點候車乘客信息經無線傳感網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輛信息自適應地進行公交實時調度和動態監控。
3)車載子系統：車載子系統實現公交車的自動定位、語音自動報站、自動記錄行駛信息和故障報警等功能。在接近站點時，無線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行分析處理，得出相應的反應信號，該信號經串行接口到達音頻控制芯片，芯片根據信號驅動音頻驅動程序，通過外置語音輸出喇叭實現自動語音報站和溫馨提示。
同時，液晶顯示系統芯片對經主控微處理器傳輸過來的信號進行處理，驅動顯示驅動程序，在屏幕上顯示出相應站點的名稱和圖片，以及簡單的滾動提示語，同時也可以播放一些宣傳性的標語、公益性廣告、線路上臨近的景點信息。在某些節假日時，可以融入節日元素，增加乘客的娛樂性。當公交車輛遇到交通事故或者發生車輛故障的時候，司機可以通過設定的按鍵向調度中心發送故障信號請求幫助。
4)站臺子系統：站臺子系統實現各路次公交車到站時間的預估和候車乘客數的統計。及將經過站臺的車次以編碼的形式存入微處理器的存儲器中，當乘客來到站臺時，可通過觸摸屏B選擇所需乘坐的車次，主控微處理器將讀取車次編碼存儲器中的編碼并進行分析處理，分析處理完成后，主控微處理器一方面驅動高頻收發芯片將該車次的相應數據信號在可傳輸的范圍內進行不間斷的釋放；另一方面，主控微處理器將數據信號傳輸給顯示控制芯片。當相應車次進入無線信號范圍內時，該車次在接受并校驗了信息后，車載子系統會反饋相應的數據信號給站臺子系統，并通過顯示控制裝置消去該車次已有候車乘客數，使其重新還原成初始化狀態，并在顯示屏上顯示出“**路公交車即將到站，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 車載子系統
車載子系統由主控微處理器、高頻收發芯片、無線接收芯片、語音控制芯片、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
基于物聯網的智能公交系統的軟件是通過網絡層對底層(Zigbee、RFID等)功能進行封裝，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開發流程
①建立開發環境，在虛擬機中安裝Fedora8系統作為宿主機環境，安裝GCC交叉編譯器。
②配置開發主機。配置串口終端軟件參數，配置NFS網絡文件系統，配置SMB服務，建立引導裝載程序BOOTLOADER。
③下載已經移植好的LINUX操作系統。下載后再添加RFID、Zigbee、LCD等硬件的驅動程序，進行調試修改。
④建立根文件系統，從www．busybox．net下載使用BUSYBOX軟件進行功能裁減，產生一個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，需要根據應用規劃flash的分區方案。
⑥開發應用程序，可以下載到根文件系統中，也可以放入YAFFS、JFFS2文件系統中。
⑦燒寫內核、根文件系統、應用程序。
2)網絡服務層實現(Socket通信)
套接口(Socket)為目前Linux上最為廣泛使用的一種的進程間通信機制，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程間通信以外，還可用于不同機器之間的進程間通信。但是由于Socket本身不支持同時等待和超時處理，所以它不能直接用來多進程之間的相互實時通信。本文采用事件驅動庫libev的方式構建“一問一答”的服務器模型。Socket服務器端Libev是一種高性能事件循環／事件驅動庫，libev擁有更快的速度，更小的體積，更多功能等優勢。libev用ev_loop結構循環體來探測事件是否產生，并用void ev_loop(ev_loop* loop，int flags)來啟動。由于沒有考慮服務器端主動終止連接機制，所以各個連接可以維持任意時間，客戶端可以自由選擇退出時機。上述模型可以接受任意多個連接，且為各個連接提供完全獨立的問答服務。借助libev提供的事件循環／事件驅動接口，上述模型有機會具備其他模型不能提供的高效率、低資源占用、穩定性好和編寫簡單等特點。
服務器主要實現流程是：首先開啟一個Zigbee后臺線程(底層)監聽服務器調用信息，接著利用ev_io_start(loop，ev_io_watcher)啟動一個接收線程，專門用來接收客戶端發送過來的命令信息，然后按照相應的協議進行解析，跳轉到相應的接口，進一步調用底層Zigbee等信息并返回正確的信息給客戶端。客戶端程序用于同服務器端進行交互，實現為上層GUI提供封裝好的接口。
3)QT／E GUI界面設計
QT是一個跨平臺的C++圖形用戶界面(GUI)工具包，本設計上位機界面軟件采用QT／E4．6作為界面的開發軟件包，大體流程是首先調用網絡客戶端的Api_GetConneet(port)接口函數，連接到服務器的port端口，然后開啟了一個線程(zigbeetopo．cpp)，用來調用網絡客戶端的Api_Cliect_GetRfidId()接口函數，獲得RFID讀取的卡號。
2 結論
提出了基于物聯網的智能公交系統設計方案，從車輛監控調度、車載終端、電子站牌和通信網絡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。