基于ZigBee的智能公交报站系统
1． 引言
随着国内经济的迅猛发展，全国的大小城市也在迅速扩大，大量人口快速地涌入和人口出行的需求也出现几何的增长，这就导致了城市交通运输的日益紧张。发展公共交通是缓解城市交通运输压力的有效方法。我国目前使用最为广泛的公共交通工具还是公交车，因此利用科技发展智能公交是必然趋势。
为了能让更多的人选择公交出行，就必须改善公交的乘坐体验。这方面能做的工作有很多，其中智能报站功能是焦急等车的人们十分盼望的一个功能，能有效地提高乘车人的公交体验。众所周知，普通的公交站牌仅能为乘客提供公交路线信息，而乘客十分希望知道的车辆位置信息却没法提供。
于是，早期以GPS配合控制中心的智能公交系统应运而生：在公交车上安装GPS，为控制中心提供车辆位置信息；控制中心再通过有线网络或GPRS网络反馈到电子站牌，显示车辆到达的信息。这样的系统虽可以提供车辆位置信息，但是存在一个非常关键的不足就是系统成本太高：每辆公交车都必须安装GPS定位装置和无线数据传输系统，一条路线成本就是上百万，而且该系统由于城市交通运行的复杂性，车辆走走停停，它的预报时间也很不准确，影响乘车的体验。
本文所设计基于ZigBee无线模块智能公交报站系统使用ZigBee无线模块代替GPS定位装置，并且不用每台公交车配上一个DTU无线传输模块，而是一个站台配上一个DTU无线传输模块，这样能大大节省软硬件成本，费用只有原来系统的一半；而且本系统的报站是以告知乘车人下一趟车距离该站台还有几站的形式进行播报。所以可以做到报站精确无误。有了这两个关键的改进后就十分有利于该系统的推广和应用。
2． 系统组成
图1是智能公交报站系统的系统组成框图，它是一个三层结构。由三个部分组成，分别是公交监控中心，站台组件和车载组件。
图1 系统组成框图
公交监控中心通的主要功能是通过站台组件来获取车辆的到站、出站信息。通过综合分析这些信息可以对车辆的运行状况有清晰的了解，便于对公交车辆进行及时的管理、调度和维护；站台组件主要有三个功能。第一个功能通过DTU设备利用 2G /3G网络接收上一站台的公交车辆进、出站信息，对这些信息进行处理以后，得出公交车辆距离本站台的距离信息。之后通过LED显示屏进行车辆的到站情况预报；第二个功能通过站台上的ZigBee无线模块和公交车辆上的ZigBee无线模块通讯来获取该站台的公交车辆进、出站时间信息，并且通过DTU设备利用 2G / 3G 网络把这些信息传送给下一站点；第三个功能将获取的本站台公交车辆进出站信息传送给公交监控中心。
车载组件的主要功能是通过ZigBee模块向站台组件发送车辆进出站台信息。
2．1 ZigBee介绍
ZigBee译为"紫蜂"，它与蓝牙相类似，是一种新兴的短距离无线通信技术，用于传感控制应用(SensorandControl)，由于其网络可以便捷地为用户提供无线数据传输功能，因此在物联网领域具有非常强的可应用性。具体来说ZigBee有以下优点：
①低功耗：在低耗电待机模式下，2节5号干电池可支持1个节点工作6～24个月，甚至更长。
②低成本：通过大幅简化协议(不到蓝牙的1/10)，降低了对通信控制器的要求。
③短时延：ZigBee的响应速度较快，一般从睡眠转入工作状态只需15ms，节点连接进入网络只需30ms，进一步节省了电能。
④高容量：ZigBee可采用星状、片状和网状网络结构，由一个主节点管理若干子节点，最多一个主节点可管理254个子节点。
⑤高安全：ZigBee提供了三级安全模式，包括无安全设定、使用访问控制清单(AccessControlList，ACL)防止非法获取数据以及采用高级加密标准(AES128)的对称密码，以灵活确定其安全属性。
⑥免执照频段：使用工业科学医疗(ISM)频段，915MHz(美国)，868MHz(欧洲)，2.4GHz(全球)。
2．2 DTU设备介绍
DTU设备是本系统的一个关键设备，它起到了一个承上启下的作用，所以它工作的稳定性、可靠性就十分重要。本系统选用了在该领域的龙头企业广州致远电子有限公司所生产DTU设备，型号为：DTUZWW -36A 。该设备有以下一些特点：
①工业级高速RS-232电平串行接口，最高波特率921600bps，超大数据缓存区设计（收发各 10M 字节），采用动态划分技术，高效使用缓存区。
②支持串口配置和USB接口配置，方便没有串口的计算机使用支持短信配置与维护。
③内嵌完备可靠的协议栈，数据全透明传输，用户无需了解复杂的TCP/IP、PPP等协议，支持数据中心动态域名或IP地址访问，支持备用数据中心和断线自动重连功能，并且连接时机可控功能，节约流量。
④支持本地和远程图形化向导式配置与维护，支持数据中心虚拟串口功能，无缝衔接现有上位机软件，在主流组态软件中集成驱动，使用简便。
⑤使用工业级模块，+6V～+26V宽范围供电，多重软硬件可靠设计，复合式看门狗技术，使设备安全运行，可适应高温和低温工作环境，温度范围-25℃~+ 70 ℃ 。
2．3主控芯片介绍
车载组件和站台组件选择STC 15F 1K28AD芯片为主控芯片，管脚分布见图2。STC 15F 1K28AD单片机是宏晶科技设计生产的单时钟/机器周期(1T)的单片机，是高速/高可靠/低功耗/超强抗干扰的新一代8051单片机。这款芯片有以下特点：
图2 STC15F1K28AD管脚分布图
①高速：增强型8051CPU，1T，单时钟/机器周期，速度比普通8051快6～12倍。
②工作电压宽：可以5.5～3.8V之间正常工作（5V单片机）。
③内部高可靠复位：8级可选复位门槛电压，可彻底省掉外部复位电路。
④内置高精度R/C时钟，±1%温漂（ -40 ℃ ～+ 85 ℃ ），常温下温漂5%，内部时钟从5MHz～35MHz。
⑤低功耗设计：低速模式，空闲模式，掉电模式/停机模式(可由外部中断唤醒）支持掉电唤醒的管脚：INT0/P3.2，INT1/P3.3。
3． 站台组件的硬件电路组成
本系统的电路很简洁，关键核心部件都选用成熟可靠的成品模块，其中站台组件和车载组件选用了相同的主控芯片和ZigBee数传模块，所以电路基本相同。
图3 探测部分的主控、测温和测光电路
本文以站台组件的电路为例进行说明。路设计时就没有外接晶振。利用稳压芯片ASM117S来提供5V电源。二极管D1是用来防止电源反接的。电容C1、C2、C3和C4是用来进行电源滤波的，其中需要注意的是电容要按照大小搭配使用的原则，这样能取得更好的滤波效果。电容C5和C6在布板的时候要紧挨着主控芯片，这样既能有好的滤波效果还能起到去耦作用。电阻R4和电容C7组合形成一个上电复位电路，用来对主控芯片进行上电复位。
3．2站台组件的无线接收和发送
图4 站台组件的无线发送和接收电路
电路图4所示的是站台组件的无线发送和接收电路。U3是ZigBee数传模块，利用该模块能够实现串口数据和ZigBee数据透明互传。R5、R6、R7、D1、D2和D3组成ZigBee数传模块的工作状态指示电路，分别用来指示无线网络的连接情况、通讯情况和网络质量信息。U4是看门狗芯片，通过和外围的元器件的配合来实现转换模块的上电复位功能和死机唤醒功能，R8是限流电阻，R9是上拉电阻，确保正常情况下看门狗不会复位。电容C8是看门狗芯片的电源去耦合电容。
U5是串口LED显示屏，要显示的文字和位置信息通过串口进入，就能在屏幕上相应的位置显示想要显示的文字。
U6是DTU设备，它将串口接收的信息传输通过 3G 网络传输给下一个站台和公交控制中心。
3．4主控模块的软件设计
在这模块的软件设计中我们首先要设计一个合理的通讯机制，那么需要考虑在实际应用场合中的几点特殊情况：
① 正常运行过程中，不应该不断地发送数据，减少道路无线干扰；
②公交站点节点采用电池供电，需要休眠，如果进入休眠状态的时间控制得不合理，那么很有可能错过与公交车的数据交互，为此，我们通过分析，来制定基站节点的休眠时隙。
③实际可用的交互时间：因为不同的ZigBee节点的通讯范围不一样，我们取一个例子作为分析样本，ZigBee数传模块，安装上2dbi的天线，信号单边覆盖范围为200米，考虑到公交车内的发送节点受到车体的阻隔，我们将单边覆盖范围缩短为100米，公交车的车速一般在50公里每小时以内，也就是13M/S，加上车进站会减速，粗略计算下来，至少有10秒钟的时间，可以和公交站台的节点通讯。考虑到公交站台节点要采用电池供电，公交车在运行过程中尽量不向外辐射信号，以及实际可用于交互的时间，本方案采用的机制如图5所示。
图5 模块工作时间图
基站每隔3秒醒来，广播发送三次信息，每次间隔100ms，公交车节点收到来自基站的数据就以100ms间隔不断发送本车的数据信息请求，直到站台节点回复数据，确认信号，才停止。数据交互的一个来回，时间可以控制在15ms以内，只要公交车节点碰上一个醒来的时间，就能完成数据交互，即使有多台公交车同时通讯。软件的设计是通过C语言来实现的，整个程序设计包括显示、接收、信息处理、收发等程序，限于篇幅这里只给出车载组件和显示组件的程序流程图，图6是探测部分的车载组件的流程图，图7是站台组件的程序流程图。
图6 车载组件的程序流程图
图7 主控部分的程序流程图
4． 结束语
城市智能公交系统随着快速公交系统BRT（BusRapidTransit）的普及，带来了新一轮的公交智能信息化，而乘借物联网的浪潮，智能感知、物物联网的技术运用也对智能公交系统跃跃欲试，本公交报站系统就正好迎合了这个趋势，它集中运用了 3G 、ZigBee和移动互联网等最新的技术，具有报站准确、成本低廉，维护简单等优点、具有广泛的市场前景。