毕业设计（论文）-BRT车道优化控制系统.doc

浙江财经大学本科生毕业论文（设计）此处为论文中文题目，要求居中填写主标题不超过24个汉字；可加副标题（副标题前加破折号），副标题与主标题间空一行的位置主标题：黑体，小二，居中副标题：楷体_GB2312，四号，居中阅后删除此文本框。本 科 生 毕 业 论 文（设计）题目：BRT车道优化控制系统学生姓名 徐彬学 号 100104200111指导教师 傅卫卫二级学院 信息学院专业名称 计算机科学与技术班 级 10计算机1班2014年05月II声明及论文使用的授权本人郑重声明所呈交的论文是我个人在导师的指导下独立完成的。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果。论文作者签名： 年 月 日本人同意浙江财经大学有关保留使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以上网公布全部内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。论文作者签名： 年 月 日浙江财经大学本科生毕业论文（设计）BRT车道优化控制系统的设计与实现摘 要：通过了解BRT车道的发展现状和发展前景，了解到BRT最大的问题是车道占用率过低，为了解决这一问题，设计一款基于STM32F103RBT6单片机的BRT车道优化控制系统，系统采用GPS模块采集移动公交的经纬度，经过无线收发模块讲数据传至接收端，接收端经过处理之后，通过不同颜色LED灯的暗灭给出其他小车是否可以临时占用BRT车道的指示。通过参考一些GPS模块与无线收发模块相关的文献，对各模块电路的选择及其电路工作原理进行相互比较并确定最终实现目标，并对该课题的设计过程进行了总结与展望。关键词：STM32F；GPS；无线收发；BRTDesign and Implementation of BRT Lane Optimization Control SystemAbstract: By understanding the development of BRT lane present situation and development prospect, I know the biggest problem of BRT is the lane occupancy rate too low. In order to solve this problem.I design a BRT lane optimization control system based on STM32F103RBT6 microcontroller, the system uses GPS module to obtain the latitude and longitude of mobile bus, through the wireless transceiver module will transmit the data to the receiver, the receiver after processing, through different LED lights to give other cars temporary occupation BRT lanes instructions. By reference to some GPS module and wireless transceiver module related literature, choice each module circuit and compare circuit principle of work and make the final goal, make the summary and prospect of the subject.Key words：STM32F；GPS；Wireless transceiver；BRT目录1 绪论11.1 开发背景和意义11.2 国内外研究现状及发展趋势11.2.1 国内发展研究现状11.2.2 国外发展研究现状21.2.3 当前BRT存在的问题21.3 本文主要研究内容22 系统需求分析42.1 系统设计总体要求42.2 系统总体结构设计42.3 硬件系统模块实现62.3.1 单片机的选型与比较62.3.2 GPS模块82.3.3 无线收发模块112.4 软件系统模块实现142.4.1 GPS模块142.4.2 无线收发模块162.5 设计过程中遇到的问题与解决183 本总结与展望19参考文献20致谢21浙江财经大学本科生毕业论文（设计）1 绪论1.1 开发背景和意义随着现代化建设的发展，私家车对于资源的的消耗过大，以及对环境的污染使得公交车成为一种更为绿色的出行方式，越来越多的人选择公交车作为自己的出行方式，其中快速公交是一种很便捷的方式，快速公交系统（BusRapidTransit）简称BRT1，是一种介于快速轨道交通（RapidRailTransit，简称RRT）与常规公交（NormalBusTransit，简称NBT）之间的新型公共客运系统，是一种大运量交通方式，通常也被人称作“地面上的地铁”。它是利用现代化公交技术配合智能交通和运营管理，开辟公交专用道路和建造新式公交车站，实现轨道交通运营服务，达到轻轨服务水准的一种独特的城市客运系统。快速公交车道（BRT）的使用率成为一个重要的问题，为了优化BRT的占用率，我们设计一款车道优化控制系统，能让小车司机看到路边的红绿灯就可以快速判断是否临时占用BRT。除此之外，BRT车道优化控制系统同时具备市场需求力和广泛应用力，加上科技高速发展的先决条件，以后的快速车道将会成为城市建设的一大重点，相信政府会发更大的精力来建设快速公交系统，我们也相信相信BRT车道优化控制系统的研究发展有着非常广阔的市场意义和非常深刻的现实意义。1.2 国内外研究现状及发展趋势1.2.1 国内发展研究现状20世纪末，我国开始引入快速公交理念，目前国内已经建设运营BRT的城市有北京、杭州、大连、常州、济南、合肥、昆明、厦门、重庆和广州。1997年6月25日，北京市首条公共交通专用车道正式开通，使我国“公交优先”这一城市交通发展迈出了第一步。2004年12月6日，正式开通的北京BRT示范线南中轴线是我国快速公交线路发展史上的第一个快速公交系统。杭州确立了以轨道交通和快速公交（BRT）为主导，常规公共汽车为基础，其他交通工具为辅的方便、快速、合理、先进的多层次、整体化公共交通系统的规划目标。昆明在置于道路中央的公交车专用道的基础上升级为BRT系统。下面简单介绍我国一些城市的快速公交系统：（一）北京快速公交中国大陆第一条典型的BRT线路于2005年12月30日在北京开通。北京BRT1号线路全长15.8公里，其中13.6公里为BRT系统成功运用的样板，另外2.4公里仍为混行的线路。（二）杭州快速公交2006年4月26日，杭州快速公交B1线就正式开始投入运营了。杭州快速公交B1线的筹备工作从2004年12月份开始，整个项目的工期包括规划、设计至运营仅仅用了16个月。B1线按“快速公交”的基础要求，结合杭州实际情况进行设计和建设，全长大约28公里。快速公交专用车道采用边侧专用道。杭州的快速公交在运营管理机构安排、车站的设计、售票、智能性等很多方面都有其独特的一面，值得其他城市学习。杭州计划随即着手建设快速公交二号、三号线。（三）昆明快速公交昆明是中国第一个建设中央公交专用道的城市。目前，昆明正开始将现有的公交优先系统升级为标准的快速公交。不仅设计新的快速公交走廊，还针对优化公交线路，加强运营的管理，改善公交专用车道基础建设以及在改革公交票制方面采取了一系列的措施。1.2.2 国外发展研究现状第一条BRT线路诞生于1974年的巴西库里蒂巴，伴随着库里蒂巴快速公交系统的成功，世界各个国家先后创建了快速公交系统作为城市公交的发展的方针和策略，截至目前为止，世界上已经有100多个快速公交系统。目前全世界大约30多个城市创建了快速公交系统，并已经取得了显著的成效，而且快速公交系统拥有很多元化的发展模式。既有严格意义上的快速公交，也有将传统公交系统进行升级和改造，并将BRT系统的成功元素部分引入其中的发展模式2。1.2.3 当前BRT存在的问题从现在国内外BRT车道的发展现状以及未来的发展趋势来看，车道的利用率过低是一个一直没有解决的问题，虽然有些城市采取了高峰时段让大客车临时占用快速公交车道的措施来缓解这一问题，但是车道的利用率跟城市发展建设比较起来，还是太低，经常出现拥堵的现象，使本来就不多的道路资源显得更加稀缺。1.3 本文主要研究内容本文主要是设计解决，如何通过STM32F103RBT6单片机3控制GPS模块4与无线收发模块5，使其成为一套完整的车道优化系统，来进一步提高车道的利用率实现自动化，不需要人为过多的控制。论文部分内容主要包括：绪论，介绍了国内外BRT的发展状况以及存在的问题。系统的需求分析，介绍了实现的具体目标，以及实现这个目标所需要的各个硬件模块和其相应的软件。总结和展望，介绍了完成这个系统所学到的知识，和对BRT车道以后的展望。2 系统需求分析2.1 系统设计总体要求该系统通过软件和硬件的设计最终要求实现以下功能目标：1.公交车端：装有GPS模块和无线收发模块（无线电），能定时获取移动公交车端的经度、纬度，并将这些数据发送出去。2.快速公交车道上的红绿灯端：装有无线收发模块与一对红绿灯，并在安装时设定相对位置的经纬度坐标，可以接收公交车端发送来的信息，并对信息进行处理，根据距离显示红灯或者绿灯（距离可调）。3.交警控制模块：通过导线与各个红绿灯相连接，并可以给红绿灯端发送命令，可以控制红绿灯为全红、全绿或者根据公交车端的距离自行判断灯的显示，这三种情况。该系统硬件系统平台为ARM单片机系列，具体型号为STM32F103RBT6单片机芯片。另外，实现相应功能还需要用到2.4G无线收发模块6、GPS模块NEO-6MU-BLOX等主要硬件元件。软件开发平台为在Windows7操作系统下使用KeiluVision3开发，语言为C语言开发。KeiluVision3使用汇编语言或C语言，要使用编译器，以便把写好的程序编译为机器码，这样才能把HEX可执行文件写入单片机内。KEILuVISION7是众多单片机应用开发软件中最优秀的软件之一，它支持众多不同公司的MCS51架构的芯片，甚至ARM，它集编辑、编译、仿真等于一体，它的界面和常用的微软VC+的界面相似，界面友好，易学易用，在调试程序，软件仿真方面也有很强大的功能。2.2 系统总体结构设计本测试系统硬件设计的总体思路为:主体分为5个模块，分别是单片机模块（收和发两个）、无线发送模块、无线接收模块、GPS模块。框架化来看，硬件系统总体结构图如图2.1所示。图2.1 硬件系统总体结构图这些模块分别实现各自模块的功能，如单片机模块实现程序的控制和判断，GPS模块接收移动端的经纬度，无线收发模块实现数据的传输。软件方面则由主程序控制数据的处理与提示灯的现实，GPS程序、无线收发模块程序等根据各元件的使用手册进行程序的编写。具体软件系统总体结构图如图2.2和图2.3所示。图2.2 软件系统总体结构图（发送端）图2.3 软件系统总体结构图（接收端）总得来说，各个硬件模块相对独立但是又在功能以及软件系统中相互交叉，LED等通过主程序实现，GPS模块的功能为接收实时的信号，无线收发模块则将GPS模块接收到的数据由接收端传输到接收端，接收端将数据进行处理并对LED作出相应的显示。2.3 硬件系统模块实现在这次硬件系统中，依靠各个模块来实现了系统的功能，下面一一为各个模块进行功能和硬件接口的介绍。2.3.1 单片机的选型与比较本次设计选用的单片机主要的功能为对GPS信号的接收，对无线收发模块的驱动以及对数据的收发，最后对数据进行处理，并且做出相应的反应。方案一：采用1块一块MSP4308的单片机作为其核心控制芯片，MSP430系列单片机9是一个16位的单片机，采用了精简指令集（RISC）结构，具有丰富的寻址方式（7种源操作数寻址、4种目的操作数寻址）、简洁的27条内核指令以及大量的模拟指令；大量的寄存器以及片内数据存储器都可参加多种运算；还有高效的查表处理指令；有较高的处理速度，在8MHz晶体驱动下指令周期为125ns，这些保证了MSP430强大的处理能力。MSP430还有如下特点：超低功耗；系统工作稳定；丰富的片上外围模块，它们分别是看门狗（WDT）、模拟比较器A、定时器A（Timer_A）、定时器B（Timer_B）、串口0、1（USART0、1）、硬件乘法器、液晶驱动器、10位/12位ADC、I2C总线直接数据存取（DMA）、端口O（P0）、端口16（P1P6）、基本定时器（BasicTimer）等的一些外围模块；方便高效的开发环境，可用仿真器下载程序到FLASH内，进行调试控制。方案二：采用1块一块实验用51的单片机9作为其核心控制芯片，51单片机是对所有兼容Intel8031指令系统的单片机的统称。该系列单片机的始祖是Intel的8031单片机，后来随着Flashrom技术的发展，8031单片机取得了长足的进展，成为应用最广泛的8位单片机之一，其代表型号是ATMEL公司的AT89系列，它广泛应用于工业测控系统之中。指令代码完全兼容传统8051单片机，12时钟/机器周期和6时钟/机器周期可以任意选择。工作电压为5.5V3.3V（5V单片机）/3.8V2.0V（3V单片机。工作频率范围：040MHz，相当于普通8051的080MHz，实际工作频率可达48MHz。用户应用程序空间为8K字节。片上集成512字节RAM。方案三：采用1块ARM系列的神州I号（STM32F103RBT6）单片机作为其核心控制芯片，STM32F103RBT6拥有PA、PB、PC三套端口，其采用ARMCortex-M3内核，主频为72Mhz，内部含有128K字节FLASH和20K字节的SRAM。其外部模块有USB_MINI全速接口、2.4/2.8寸TFTLCD接口、2.4G无线通信模块接口、315M无线通信模块接口、温度传感器接口、USB转串口接口、3个用户状态指示灯2个启动模式选择配置接口等。它支持从JLINK取5V电源或者3.3V电源。三种方案中所使用的单片机都是目前主流的型号，三种单片机的造价各不相同，对程序员要求掌握的知识要点也各不相同，每个方案都有它独特的优点和可能存在的缺点。基于ARM单片机功能更完善，技术新颖，本人拟定以神州I号（STM32F103RBT6）为系统控制器。下图为神州I号接口图：图2.4 神州I号接口图2.3.2 GPS模块本次设计用到了NEO-6MU-BLOX模块来接收移动端的地理位置信号。模块详细信息10：主要特性：（1）50个通道卫星接收功能（2）200万个以上的相关系引擎（3）可同步追踪GPS及伽俐略导航卫星信号性能参数：（1）接收器类型：50个接收通道（2）GPSL1频率，C/A码（3）SBAS：WAAS，EGNOS，MSAS，GAGAN（4）启动时间：冷启动29sec，热启动1sec，辅助启动1sec（5）首次定位时间：1sec（6）最大更新速率：4Hz（7）灵敏度：冷启动-144dBm（8）跟踪灵敏度-160dBm（9）捕获灵敏度-160dBm（10）定位精度：Auto2.5mSBAS2m（11）定时精度：RMS30ns99%60ns（12）极限速度：500m/s（13）运行温度：-4085（14）芯片尺寸：1612.22.4mm（15）模块尺寸：4.5cm4.5cm电气性能：（1）工作电压：2.7V3.6V（2）功耗：全速模式135mW3.0V（3）ECO模式129mW3.0V（4）备用电池：1.4V3.6V，25uA接口协议：（1）串行接口：1UART1USBV2.0全速12Mbit/s1IIC1SPI（2）其他接口：1时间脉冲输出1外部中断输入（3） 协议：NMEA，UBX二进制NEO-6MU-BLOX由射频（RF）以及基带（Baseband）两个部分组成。RF包括了输入匹配元件、SAW（声表面波）带通滤波器、u-blox6RF-IC（带集成的LNA）以及频率源。基带部分，包括了RTC晶体振荡器、u-blox6基带处理器和附加的元件例如：用于扩展编程和灵活性的可选FLASH内存。其结构图如下：图2.5 GPS模块结构图该模块的运行方式有两个连续运行模式（最大性能模式和ECO模式）和一个间歇运行模式（节电模式）。最大性能模式自由使用捕获引擎，导致最好的可能的TTFF（TimeToFirstFix），然而Eco模式优化捕获引擎的使用以降低电流消耗。在中等和强信号时，这些模式的捕获跟踪性能几乎没什么不同。u-blox6具有UART接口（RxD1/TxD1），支持波特率4.8到115.2kBit/s，但注意这个信号输入输出电平是0V到VCC范围，而不是标准的RS232接口电平，所以需要有电平转换IC，如MAX3232。不支持硬件握手信号和同步操作。图2.6 GPS模块主要原理图2.3.3 无线收发模块NRF24L01是一款新型单片射频收发器件，工作于2.4GHz2.5GHzISM频段。内置频率合成器、功率放大器、晶体振荡器、调制器等功能模块，并融合了增强型ShockBurst技术，其中输出功率和通信频道可通过程序进行配置。nRF24L01功耗低，在以-6dBm的功率发射时，工作电流也只有9mA;接收时，工作电流只有12.3mA，多种低功率工作模式（掉电模式和空闲模式）使节能设计更方便11。NRF24L01的电气特征如下表所示：表2.1 基本电气特性参数数值单位供电电压1.93.6VV最大发射功率0dBm最大数据传输率2000kpbs发射模式下电流消耗（0dBm）11.3mA接收模式下电流消耗（2000kpbs）12.3mA温度范围-40+85摄氏度传输速率为1000kpbs下的灵敏度-85dBmNRF24L01有20个引脚，其引脚图如图2.7所示，各个引脚说明如表2.2所示：图2.7 NRF24L01引脚图表2.2NRF24L01引脚说明表引脚名称引脚功能描述1CE数字输入RX或TX模式选择2CSN数字输入SPI片选信号3SCK数字输入SPI时钟4MOSI数字输入从SPI数据输入脚5MISO数字输出从SPI数据输出脚6IRQ数字输出可屏蔽中断脚7VDD电源电源（+3V）8VSS电源接地（0V）9XC2模拟输出晶体振荡器2脚10XC1模拟输入晶体振荡器1脚/外部时钟输入脚11VDD-PA电源输出给RF的功率放大器提供的+1.8V电源12ANT1天线天线接口113ANT2天线天线接口214VSS电源接地（0V）15VDD电源电源（+3V）16IREP模拟输入参考电流17VSS电源接地（0V）18VDD电源电源（+3V）19DVDD电源输出去耦电路电源正极端20VSS电源接地（0V）通过配置寄存器可将NRF24L01配置为发射、接收、空闲及掉电四种工作模式：表2.3NRF24L01工作方式模式PWR_UPPRIM_RXCEFIFO寄存器状态接收模式111-发射模式101数据在TXFIFO寄存器中发射模式1010停留在发送模式，直至数据发送完待机模式2101TXFIFO为空待机模式11-0无数据传输掉电0-NRF24L01的工作原理图如下图所示：图2.8 NRF24L01工作原理图2.4 软件系统模块实现本次系统设计在软件系统模块设计分工较为明确，系统上电之后，系统通过芯片处理器在各个软件模块的合作下正常工作，以实现系统最初的几点功能设计。下面将对为该系统功能实现而做出的软件系统设计的模块一一进行介绍。2.4.1 GPS模块GPS模块通过外部天线接收实时的地理坐标信息，其输出格式如下：GPGGA数据详解：$GPGGA,M,M,*xx$GPGGA：起始引导符及语句格式说明(本句为GPS定位数据)；UTC时间，格式为hhmmss.sss；纬度，格式为ddmm.mmmm(第一位是零也将传送)；纬度半球，N或S(北纬或南纬)经度，格式为dddmm.mmmm(第一位零也将传送)；经度半球，E或W(东经或西经)定位质量指示，0=定位无效，1=定位有效；使用卫星数量，从00到12(第一个零也将传送)水平精确度，0.5到99.9天线离海平面的高度，-9999.9到9999.9米M指单位米大地水准面高度，-9999.9到9999.9米M指单位米差分GPS数据期限(RTCMSC-104)，最后设立RTCM传送的秒数量差分参考基站标号，从0000到1023(首位0也将传送)。GPRMC数据详解：$GPRMC,*hhUTC时间，hhmmss(时分秒)格式定位状态，A=有效定位，V=无效定位纬度ddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)纬度半球N(北半球)或S(南半球)经度dddmm.mmmm(度分)格式(前面的0也将被传输)经度半球E(东经)或W(西经)地面速率(000.0999.9节，前面的0也将被传输)地面航向(000.0359.9度，以真北为参考基准，前面的0也将被传输)UTC日期，ddmmyy(日月年)格式磁偏角(000.0180.0度，前面的0也将被传输)磁偏角方向，E(东)或W(西)模式指示(仅NMEA01833.00版本输出，A=自主定位，D=差分，E=估算，N=数据无效)GPS模块软件流程图如下图所示：图2.9 GPS模块软件流程图以下为GPS模块解析数据的部分代码：for (i=0;i 50;i+)if(jiei=A)weidu=(jiei+2-0)*10+(jiei+3-0)+(1.0*(jiei+4-0)/10);printf(N:%lf,weidu);if(jiei=N)jingdu=(jiei+2-0)*100+(jiei+3-0)*10+(jiei+4-0)+(1.0*(jiei+5-0)/10);printf(E:%lf,jingdu); printf(nr);juli=Distance(jingdu,weidu,djingduj,dweiduj); printf(距离为：%lf,juli); if(juli200) GPIO_SetBits(GPIOC,GPIO_Pin_0);2.4.2 无线收发模块2.4G无线收发模块的软件编写使得两个无线模块可以在程序开始是通过按钮选择是接收还是发送状态，通过无线信号进行握手并成功发送数据。其软件流程图如下图所示：图2.10 无线收发模块软件流程图以下为无线收发模块部分代码：if(mode=0)/RX模式 printf(等待接收数据nr);RX_Mode(); while(1) if(NRF24L01_RxPacket(tmp_buf)=0)/一旦接收到信息,则显示出来.tmp_buf32=0;/加入字符串结束符printf(接收到数据为:);for (i=0;i 4;i+) printf(%c,tmp_bufi); printf(nr);else delay_us(100); t+;if(t=10000)/大约1s钟改变一次状态t=0;LED0=!LED0; ; else/TX模式 printf(NRF24L01 TX_Modenr);TX_Mode();mode= ;/从空格键开始 while(1) if(NRF24L01_TxPacket(tmp_buf)=TX_OK)printf(正在发送数据:nr);for (i=0;i 4;i+) printf(%c,tmp_bufi);else printf(请确认接收端是否正常nr); ;LED0=!LED0;delay_ms(1500); ; 设计过程中遇到的问题与解决在完成本次设计的过程中，遇到了很多的问题。设计一开始我采用的是51单片机与RF905无线模块，但是在设计过程中发现，无线发送模块与无线接收模块虽然可以握手，但是不能发送数据，后来询问了潘老师，发现是由于51单片机过于简单，电流的干扰很大，使得数据无法发送与接收，在老师的建议下，更换了ARM单片机与2.4G无线模块 ，解决了这一问题。在对GPS模块所采集的数据进行解析的时候，也遇到了问题，本次设计的一大难点就是GPS数据的解析，后来发现，本次设计所需要的数据仅仅为经纬度，所以可以丢弃其他很多的数据，使得设计难度降低。3 本总结与展望本设计通过GPS模块实现坐标信息的采集功能，利用无线收发模块实现数据的收发功能，利用了单片机对数据进行处理和对不同情况的显示，从而顺利完成了毕业论文所要求的各项计划。通过对系统的调试和设计，对单片机的理解有更深的理解，比如对keil等相应开发工具的使用能力进一步加强了，对软件代码的书写也有了进一步的提高，对外部设备的驱动电路设计也更加的熟悉，通过对于电路的设计和手动对电路板的焊接，进一步加强了自己的动手能力。由于毕业设计的设计时间有限，现在实现的系统还存在着可以进一步加强的地方，如果以后有时间，我一定在参加工作之后，利用自己的空余时间进一步完善这个系统。毕业论文设计实践让我收获很多，也学到了很多新的知识，巩固了大学期间所学的一些知识，我将在以后的生活之中继续坚持这种对知识的学习与巩固的方法。参考文献1 王波. 快速公交（BRT）系统设计的若干问题研究 D:（硕士学位论文）.四川成都:西南成都大学,2002.2 金凡. 快速公交(BRT)在中国的发展J. 国外城市规划,20