基于GPRS与ZigBee技术的公交车智能监控系统

引言

　　目前，除始发站和终点站外，中间的众多站无法保证公交车准点；依靠驾驶员按键操作报站，难免出现错误而误导乘客；候车人不知道等待的公交车运行状况。为此，本文开发了一种基于GPRS和ZigBee的公交车运行监控系统，以期能较好的解决这些问题。

      在该系统中，远距离无线通信采用的GPRS技术和近距离无线通信采用的ZigBee技术互为补充，在扩宽监测范围的同时也提高了监控系统的智能水平。这种监测网络模型具有一定的通用性，可以推广应用到石油和煤矿生产等工作地域范围较广的工业现场。

　　1　系统整体设计

　　该系统由公交车监控中心、公交车站台的站台监测器和公交车上的智能无线终端（以下简称监控中心、监测器和无线终端）组成，如图1所示。无线终端通过ZigBee技术向监测器报告公交车到达和离开的时间，监测器接收无线终端发送的信号，检验该车的“标识号”，识别到来车辆，并将该车的到达时间、车号等信息通过GPRS网络传送到监控中心。

　　公交车根据检测器发送的站台标识符识别站台名称，通过语音和LED屏报站。此后，监测器不断检测该无线终端发送的信号强度，当其减弱到一定程度时，即认为该车离开本站，随即向监控中心发出相关信息。监控中心对监测器发来的信息进行存储，根据接收的信息判断公交车行驶路段，并将信息发送给监测器，监测器通过运行状态指示灯显示给候车者。

　　2　硬件设计

　　2.1　监测器

　　2.1.1　整体设计

　　监测器组成如图2所示，该部分由CPU、无线GPRS通信模块、无线ZigBee通信模块、公交车运行状态指示灯和其他外围威廉希尔官方网站 组成。CPU选择三星公司的S3C44B0X,该处理器具有低功耗、高性能、高性价比的优点，同时具有丰富的内置部件，极大减少了系统威廉希尔官方网站 中除处理器以外的元器件配置，降低了成本并减少了系统的复杂度。同时具有大量I/O端口，可以实现对大量状态指示灯的控制。GPRS既能支持间歇的爆发式数据传输，又能支持偶尔的大量数据传输，数据传输速度快，按流量计费。因此GPRS适合于这种通信频繁、数据量大、实时性要求较高的监控系统。该设计选择GPRS作为监测器与监控中心无线连接方式，监测器与公交车终端通信采用ZigBee无线通信方式。ZigBee是一种近距离、低复杂度、低功耗、低速率、低成本的无线网络技术。设计中ZigBee通信模块选用Freescale公司的MC13192,其工作频率是21405～21480GHz,采用直接序列扩频的通信技术，数据传输速率为250kb/s,达到设计要求。

　　2.1.2　GPRS通信模块

　　GPRS模块选择法国WAVECOM公司生产的Q2403,该模块符合ETSI标准GSM0707和GSM0705,下载速度为5316kb/s,上传速度为2618kb/s。模块提供一个符合V24协议的异步串行通信接口，支持加密算法，集成射频威廉希尔官方网站 和基带于一体，性能稳定，可以快速、可靠的传输。Q2403和S3C44B0X通过串行接口相连接，如图3所示。

　　2.2　无线终端

　　无线终端主要由音频播放模块、按键响应威廉希尔官方网站 、无线ZigBee通信模块和LED屏显示模块组成，见图4。音频播放模块负责录制并播放语音报站信息。

　　按键响应威廉希尔官方网站 负责响应公交车司机的按键操作。

　　2.2.1　ZigBee无线通信模块

　　由于MC13192的射频信号采用差分方式，而倒F型天线为单端天线，所以在芯片和天线间需使用平衡/非平衡阻抗转换威廉希尔官方网站 ，以达到最佳收发效果。

　　威廉希尔官方网站 中使用了UPG2012TK和巴伦威廉希尔官方网站 专用芯片LDB212G4020C。UPG2012TK是NEC公司针对手机和其他L-波段应用制造的镓砷单刀双掷（SinglePoleDoubleThrow,SPDT）射频开关，其工作频率为015～215GHz,具有非常低的介入损耗和很高的隔离性能。MC13192和S3C44B0X的连接如图5所示。

　　2.2.2　LED屏显示模块

　　设计中的LED点阵屏幕由4个LED点阵模块构成，模块需要阳极与阴极共同控制，其行为阳极，列为阴极，所以把LED点阵屏幕驱动威廉希尔官方网站 分为行驱动威廉希尔官方网站 与列驱动威廉希尔官方网站 两部分设计，如图6所示。行驱动威廉希尔官方网站 采用16个8050D型NPN三极管和16个上拉电阻共同完成驱动。列驱动威廉希尔官方网站 则是由16个S8550D型PNP三极管和16个上拉电阻共同完成驱动。

　　因而失真小，使用方便，不需专用语音开发工具，成本低廉。键盘采用独立式键盘，驱动芯片采用ZLG7290。RS232通讯部分由MAX233A完成。复位部分采用专业复位威廉希尔官方网站 芯片IMP811来实现。

 　　3　软件设计

　　3.1　ZigBee网络地址分配

　　设计中使用分布式地址分配方案来分配ZigBee网络地址，采用对等网络结构构建网络，监测器作为父设备，无线终端作为子设备。终点站的父设备作为网络协调器启动网络的建立，选择一个信道，确定唯一的PAN地址并广播建立网络信息。该父设备建立网络后，设置自身地址为0X0000,其他监测器作为路由器、无线终端作为终端节点加入网络。网络地址的分配与3个参数有关，分别为允许的最大子节点数Cm、允许的最大路由节点数Rm和允许的最大网络深度Lm,根据这3个参数可自下而上地计算出每一级邻近节点间的地址间隔Is（d）：

 

      其中，An为同等级深度节点中序列为n的节点，1≤n≤Cm-Rm,Ap为其上一级父节点地址。

　　3.2　软件流程

　　系统的软件设计包含三部分：无线终端、监测器和监控中心软件设计，文中只介绍无线终端和监测站软件设计，监控中心软件设计请读者参阅其他资料。

　　监测器通电后，进行Q2403和ZigBee的初始化和ZigBee通信的准备工作，等待ZigBee设备的连接请求。当接收到某设备的连接请求后，确认是否为合法用户，如果是则发出允许连接的命令，实现无线终端和监测器的无线连接。建立连接后，监测器获得了公交车的唯一标识号，将该公交车进行登记，并将车号和时间信息通过GPRS网络发送给监控中心。当公交车离开站台后，信号强度下降到一定程度，公交车与该监测器断开连接，认为该公交车已离开该站。监测站还时刻接收监控中心发送的公交车运行状态信息，并通过运行状态指示灯显示给候车者。工作流程如图7所示。

　　无线终端通电后进行ZigBee初始化工作，寻找监测器，当检测到监测器的信号强度大于一定值时，向该监测器发出建立连接的请求，获得该监测器的标识符，从而知道是哪一站，并采用语音和LED屏实现自动报站。当驶离站台监测器时，检测到该监测器的信号强度弱小到一定程度，便向该监测器发出断开连接请求。其工作流程如图8所示。

　　4　结语

　　将GPRS和ZigBee技术应用到公交车智能监控系统，解决了多年来困扰公交车监控系统的诸多问题，使其作用更为突出，提高了公交车的服务质量和运行效率，具有很高的实用价值。