基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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摘要：基于改善公交調(diào)度手段、提高公交運(yùn)營效率，提高公交吸引力和分擔(dān)率目的，采用了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統(tǒng)具有車輛監(jiān)控調(diào)度、車載終端、電子站牌和通信網(wǎng)絡(luò)等功能模塊。系統(tǒng)通過RFID技術(shù)對(duì)公交車輛進(jìn)行跟蹤、定位、監(jiān)控和調(diào)度，站臺(tái)的觸摸屏統(tǒng)計(jì)各路次候車乘客數(shù)，及電子站牌實(shí)時(shí)發(fā)布各車次到站時(shí)間等信息，利用Zigbee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)車載終端、站臺(tái)系統(tǒng)和調(diào)度監(jiān)控中心之間的通信。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統(tǒng)可以提高公交服務(wù)質(zhì)量和效率，滿足市民的出行需求。
關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)；智能公交系統(tǒng)；RFID；Zigbee
目前，城市交通中存在交通擁擠、道路阻塞、環(huán)境污染等問題，公交具有運(yùn)輸能力大、節(jié)能環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，因此大力發(fā)展城市公共交通已成為解決這一問題的共識(shí)。然而傳統(tǒng)的公共交通系統(tǒng)存在著候車時(shí)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(tǒng)是集環(huán)保節(jié)能、城市公交監(jiān)管、公交信息發(fā)布等幾大系統(tǒng)于一體的新一代智能、環(huán)保、數(shù)字化公交站亭和“車聯(lián)網(wǎng)”系統(tǒng)，它是實(shí)現(xiàn)城市交通現(xiàn)代化的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統(tǒng)具有車輛監(jiān)控調(diào)度、車載終端、電子站牌和通信網(wǎng)絡(luò)等功能模塊，實(shí)現(xiàn)各車次到站時(shí)間等信息的實(shí)時(shí)發(fā)布，為市民乘車選擇和公交監(jiān)控管理提供實(shí)時(shí)的公交到站信息。智能公交系統(tǒng)可以改善公交調(diào)度手段、提高公交運(yùn)營效率，提高公交吸引力和分擔(dān)率。針對(duì)上述公共交通存在的不足之處，文中提出了采用基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交智能設(shè)計(jì)，以便提高城市公交系統(tǒng)的利用效率和促進(jìn)公共交通系統(tǒng)的發(fā)展。
1 基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統(tǒng)
物聯(lián)網(wǎng)(Internet of Things)是指將具有標(biāo)識(shí)、感知和智能處理能力的各種信息傳感設(shè)備及系統(tǒng)，如傳感器網(wǎng)絡(luò)、射頻標(biāo)簽閱讀裝置、條碼與二維碼設(shè)備、全球定位系統(tǒng)和其它基于物一物通信模式(M2M)的短距無線自組織網(wǎng)絡(luò)，通過各種接入網(wǎng)與互聯(lián)網(wǎng)結(jié)合起來而形成的一個(gè)巨大智能網(wǎng)絡(luò)。物聯(lián)網(wǎng)在互聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，將任何時(shí)間、任何地點(diǎn)人與人之間的溝通和連接，擴(kuò)展到任何時(shí)間和任何地點(diǎn)人與物、物與物之間的交互和連接。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)可以為人們提供智能服務(wù)，實(shí)現(xiàn)智能識(shí)別、定位追溯、在線監(jiān)測(cè)、遠(yuǎn)程控制等功能。
物聯(lián)網(wǎng)可分為3層：感知層、網(wǎng)絡(luò)層和應(yīng)用層。感知層由各種傳感器以及傳感器網(wǎng)關(guān)構(gòu)成，包括傳感器、二維碼標(biāo)簽、RFID標(biāo)簽和讀寫器、攝像頭、GPS等感知終端。感知層的主要功能是識(shí)別物體，采集信息。網(wǎng)絡(luò)層由各種私有網(wǎng)絡(luò)、互聯(lián)網(wǎng)、有線和無線通信網(wǎng)、網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)和云計(jì)算平臺(tái)等組成，負(fù)責(zé)傳遞和處理感知層獲取的信息。應(yīng)用層是物聯(lián)網(wǎng)和用戶(包括人、組織和其他系統(tǒng))的接口，它與行業(yè)需求結(jié)合，實(shí)現(xiàn)物聯(lián)網(wǎng)的智能應(yīng)用。
1．1 智能公交系統(tǒng)的主要功能模塊
基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的智能公交系統(tǒng)，采用RFID技術(shù)采集公交車信息從而對(duì)公交車輛進(jìn)行定位跟蹤，候車乘客在站點(diǎn)的觸摸屏上選擇要乘坐的公交車路次，通過無線傳感器網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行實(shí)時(shí)通信，實(shí)現(xiàn)乘客與公交車之間的信息交互。車載子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)公交車的自動(dòng)定位、自動(dòng)記錄行駛信息、乘客人數(shù)統(tǒng)計(jì)和故障報(bào)警等功能；站臺(tái)子系統(tǒng)可以采集不同路次的候車乘客信息，顯示各車次的動(dòng)態(tài)信息，使出行者能夠通過電子站牌了解車輛的到達(dá)時(shí)刻。智能公交系統(tǒng)的主要功能模塊如下：
1)RFID公交車監(jiān)控：射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification)技術(shù)是一種無線的、非接觸的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，RFID技術(shù)可以對(duì)公交車輛進(jìn)行定位、跟蹤和監(jiān)測(cè)。RFID系統(tǒng)由讀寫器、天線、電子標(biāo)簽3部分組成。由于公交線路較固定，而且每個(gè)站點(diǎn)有多條線路的不同車輛停靠，在各站點(diǎn)安裝RFID閱讀器，在公交車上貼上RFID標(biāo)簽，當(dāng)公交車接近站點(diǎn)時(shí)，閱讀器就可以讀取相應(yīng)公交車的數(shù)據(jù)，然后微波傳感器采集公交車的交通參數(shù)，并將公交站點(diǎn)的地址信息、公交車輛信息、公交車輛到達(dá)站點(diǎn)的時(shí)間信息聯(lián)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(shí)延、高容量、高安全的特點(diǎn)，適合于智能公交系統(tǒng)的應(yīng)用。Zig bee無線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)將車載終端、站臺(tái)系統(tǒng)和調(diào)度監(jiān)控中心連接起來，Zigbee收發(fā)芯片將采集到的各路次公交車輛信息和各站點(diǎn)候車乘客信息經(jīng)無線傳感網(wǎng)傳輸給公交調(diào)度管理中心，公交調(diào)度管理中心可以根據(jù)乘客流量和公交車輛信息自適應(yīng)地進(jìn)行公交實(shí)時(shí)調(diào)度和動(dòng)態(tài)監(jiān)控。
3)車載子系統(tǒng)：車載子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)公交車的自動(dòng)定位、語音自動(dòng)報(bào)站、自動(dòng)記錄行駛信息和故障報(bào)警等功能。在接近站點(diǎn)時(shí)，無線數(shù)據(jù)接收機(jī)將接受到的地理信息信號(hào)交給主控微處理器進(jìn)行分析處理，得出相應(yīng)的反應(yīng)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)串行接口到達(dá)音頻控制芯片，芯片根據(jù)信號(hào)驅(qū)動(dòng)音頻驅(qū)動(dòng)程序，通過外置語音輸出喇叭實(shí)現(xiàn)自動(dòng)語音報(bào)站和溫馨提示。
同時(shí)，液晶顯示系統(tǒng)芯片對(duì)經(jīng)主控微處理器傳輸過來的信號(hào)進(jìn)行處理，驅(qū)動(dòng)顯示驅(qū)動(dòng)程序，在屏幕上顯示出相應(yīng)站點(diǎn)的名稱和圖片，以及簡(jiǎn)單的滾動(dòng)提示語，同時(shí)也可以播放一些宣傳性的標(biāo)語、公益性廣告、線路上臨近的景點(diǎn)信息。在某些節(jié)假日時(shí)，可以融入節(jié)日元素，增加乘客的娛樂性。當(dāng)公交車輛遇到交通事故或者發(fā)生車輛故障的時(shí)候，司機(jī)可以通過設(shè)定的按鍵向調(diào)度中心發(fā)送故障信號(hào)請(qǐng)求幫助。
4)站臺(tái)子系統(tǒng)：站臺(tái)子系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)各路次公交車到站時(shí)間的預(yù)估和候車乘客數(shù)的統(tǒng)計(jì)。及將經(jīng)過站臺(tái)的車次以編碼的形式存入微處理器的存儲(chǔ)器中，當(dāng)乘客來到站臺(tái)時(shí)，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(chǔ)器中的編碼并進(jìn)行分析處理，分析處理完成后，主控微處理器一方面驅(qū)動(dòng)高頻收發(fā)芯片將該車次的相應(yīng)數(shù)據(jù)信號(hào)在可傳輸?shù)姆秶鷥?nèi)進(jìn)行不間斷的釋放；另一方面，主控微處理器將數(shù)據(jù)信號(hào)傳輸給顯示控制芯片。當(dāng)相應(yīng)車次進(jìn)入無線信號(hào)范圍內(nèi)時(shí)，該車次在接受并校驗(yàn)了信息后，車載子系統(tǒng)會(huì)反饋相應(yīng)的數(shù)據(jù)信號(hào)給站臺(tái)子系統(tǒng)，并通過顯示控制裝置消去該車次已有候車乘客數(shù)，使其重新還原成初始化狀態(tài)，并在顯示屏上顯示出“**路公交車即將到站，請(qǐng)乘客做好準(zhǔn)備”的溫馨提示。
1．2 智能公交系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)
1．2．1 車載子系統(tǒng)
車載子系統(tǒng)由主控微處理器、高頻收發(fā)芯片、無線接收芯片、語音控制芯片、液晶顯示屏、觸摸屏、存儲(chǔ)器等模塊組成，如圖1所示。

1．2．2 站臺(tái)子系統(tǒng)
站臺(tái)子系統(tǒng)由主控微處理器、高頻收發(fā)芯片、顯示控制芯片、存儲(chǔ)器和觸摸屏等模塊構(gòu)成，如圖2所示。

1．3 智能公交系統(tǒng)的軟件系統(tǒng)
基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統(tǒng)的軟件是通過網(wǎng)絡(luò)層對(duì)底層(Zigbee、RFID等)功能進(jìn)行封裝，給GUI上層界面提供統(tǒng)一的調(diào)用接口。功能框圖如3所示。

1)嵌入式Linux開發(fā)流程
①建立開發(fā)環(huán)境，在虛擬機(jī)中安裝Fedora8系統(tǒng)作為宿主機(jī)環(huán)境，安裝GCC交叉編譯器。
②配置開發(fā)主機(jī)。配置串口終端軟件參數(shù)，配置NFS網(wǎng)絡(luò)文件系統(tǒng)，配置SMB服務(wù)，建立引導(dǎo)裝載程序BOOTLOADER。
③下載已經(jīng)移植好的LINUX操作系統(tǒng)。下載后再添加RFID、Zigbee、LCD等硬件的驅(qū)動(dòng)程序，進(jìn)行調(diào)試修改。
④建立根文件系統(tǒng)，從www．busybox．net下載使用BUSYBOX軟件進(jìn)行功能裁減，產(chǎn)生一個(gè)最基本的根文件系統(tǒng)，再根據(jù)自己的應(yīng)用需要添加其他的程序。
⑤建立應(yīng)用程序的flash磁盤分區(qū)，使用JFFS2或YAFFS文件系統(tǒng)，并在內(nèi)核中提供這些文件系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)，需要根據(jù)應(yīng)用規(guī)劃flash的分區(qū)方案。
⑥開發(fā)應(yīng)用程序，可以下載到根文件系統(tǒng)中，也可以放入YAFFS、JFFS2文件系統(tǒng)中。
⑦燒寫內(nèi)核、根文件系統(tǒng)、應(yīng)用程序。
2)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)層實(shí)現(xiàn)(Socket通信)
套接口(Socket)為目前Linux上最為廣泛使用的一種的進(jìn)程間通信機(jī)制，與其他的Linux通信機(jī)制不同之處在于除了它可用于單機(jī)內(nèi)的進(jìn)程間通信以外，還可用于不同機(jī)器之間的進(jìn)程間通信。但是由于Socket本身不支持同時(shí)等待和超時(shí)處理，所以它不能直接用來多進(jìn)程之間的相互實(shí)時(shí)通信。本文采用事件驅(qū)動(dòng)庫libev的方式構(gòu)建“一問一答”的服務(wù)器模型。Socket服務(wù)器端Libev是一種高性能事件循環(huán)／事件驅(qū)動(dòng)庫，libev擁有更快的速度，更小的體積，更多功能等優(yōu)勢(shì)。libev用ev_loop結(jié)構(gòu)循環(huán)體來探測(cè)事件是否產(chǎn)生，并用void ev_loop(ev_loop* loop，int flags)來啟動(dòng)。由于沒有考慮服務(wù)器端主動(dòng)終止連接機(jī)制，所以各個(gè)連接可以維持任意時(shí)間，客戶端可以自由選擇退出時(shí)機(jī)。上述模型可以接受任意多個(gè)連接，且為各個(gè)連接提供完全獨(dú)立的問答服務(wù)。借助libev提供的事件循環(huán)／事件驅(qū)動(dòng)接口，上述模型有機(jī)會(huì)具備其他模型不能提供的高效率、低資源占用、穩(wěn)定性好和編寫簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。
服務(wù)器主要實(shí)現(xiàn)流程是：首先開啟一個(gè)Zigbee后臺(tái)線程(底層)監(jiān)聽服務(wù)器調(diào)用信息，接著利用ev_io_start(loop，ev_io_watcher)啟動(dòng)一個(gè)接收線程，專門用來接收客戶端發(fā)送過來的命令信息，然后按照相應(yīng)的協(xié)議進(jìn)行解析，跳轉(zhuǎn)到相應(yīng)的接口，進(jìn)一步調(diào)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(wù)器端進(jìn)行交互，實(shí)現(xiàn)為上層GUI提供封裝好的接口。
3)QT／E GUI界面設(shè)計(jì)
QT是一個(gè)跨平臺(tái)的C++圖形用戶界面(GUI)工具包，本設(shè)計(jì)上位機(jī)界面軟件采用QT／E4．6作為界面的開發(fā)軟件包，大體流程是首先調(diào)用網(wǎng)絡(luò)客戶端的Api_GetConneet(port)接口函數(shù)，連接到服務(wù)器的port端口，然后開啟了一個(gè)線程(zigbeetopo．cpp)，用來調(diào)用網(wǎng)絡(luò)客戶端的Api_Cliect_GetRfidId()接口函數(shù)，獲得RFID讀取的卡號(hào)。
2 結(jié)論
提出了基于物聯(lián)網(wǎng)的智能公交系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，從車輛監(jiān)控調(diào)度、車載終端、電子站牌和通信網(wǎng)絡(luò)等方面論述了智能公交系統(tǒng)的主要功能模塊，給出了系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件設(shè)計(jì)框架和流程。