（机械制造及其自动化专业论文）基于无线令牌的公交管理系统及电子站牌开发.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 公交管理系统主要由管理中心、电子站牌和公交车车载终端等三个部分组成，通过 利用无线通信技术、计算机控制技术、g l s 技术以及数据库等多种信息技术，有机地将 公交车、候车乘客、电子站牌和管理中心有机的结合在一起，为广大乘客提供实时车辆 到站预报、公交管理以及天气预报、政府公告等实用周到的信息服务，大大提高了公交 运营效率和管理水平。 通过对现有的正在研制的几种公交网络的优缺点进行分析，在不影响系统功能的前 提下，提出了一套基于无线令牌的公交管理系统的设计。该系统通过射频传输技术，实 现了公交车与电子站牌、电子站牌与管理中心之间的双向数据交换。以射频方式实现的 公交管理系统不需要借用专用网络，自行组网，自行设置通信协议，不仅可以极大地降 低数据传输的费用，而且使得系统结构简单。为了避免系统中的各个无线终端产生同频 干扰，我们运用了无线令牌环技术( w t r p ) 以及时分复用技术，保证了在一定区域内 只有一个无线终端在使用信道。 本文主要完成了整个系统通信网络的构建、电子站牌的软硬件设计和管理中心的软 件开发工作。系统通信网络的构建包括系统组成、数据采集和传输方法、通信协议的制 定以及无线通信差错控制技术；电子站牌部分主要完成了基于单片机的硬件电路设计， 通过c 语言编制的软件程序支持，实现了丰富的显示和数据处理功能；管理中心系统软 件的开发从需求分析入手，利用m a p x 组件在v i s u a lc + + 开发环境下实现了公交车辆管理、 信息查询、统计分析、图形显示等功能； 关键词：公零管理系统；电子站牌；无线令牌环；通信协议；数据库 基于无线令牌的公交调度管理系统及电子站牌开发 t h ed e v e l o p m e n to f p u b l i ct r a f f i cm a n a g e m e n ts y s t e m a n de l e c t r o n i cs t a t i o nb o a r d b a s e do nw i r e l e s st o k e n a b s t r a c t p u b l i c 伽伍cm a n a g e m e n ts y s t e mi sm a i n l yc o m p o s e do ft h em a n a g e m e n tc e n t e r , t h e e l e c t r o n i cs t a t i o nb o a r d ，t h eb u st e r m i n a l i tu t i l i z e sm a n yk i n d so fi n f o r m a t i o nt e c h n o l o g i e s s u c ha qw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n , c o m p u t e rc o n t r o lt e c h n o l o g y ，g i st e c h n o l o g ya n dd a t a b a s e 1 1 舱b u s t h ew a i t i n gp a s s e n g e r , t h ee l e c t r o n i cs t a t i o nb o a r da n dt h em a n a g e m e n tc e n t e r i m i f i e si nt o g e t h e r , i tp r o v i d e st h er e a l - t i m ei n f o r m a t i o nf o rt h ec o n l i l 3 9b u sa n dt h ep r a c t i c a l i n f o r m a t i o ns e r v i c e ，s u c ha sp u b l i ct r a n s p o r t a t i o nm a n a g e m e n t , t h ew e a t h e rf o r e c a s ta n dt h e g o v e r n m e n ta n n o l n c c h l c n ti n f o r m a t i o n , g r e a t l ye n h a n c m g t h ep u b l i ct r a n s p o r t a t i o no p e r a t i o n e f f i c i e n c ya n dt h em a n a g e m e n t l e v e l a w a yo fd e s i g ni sb r o u g h tf o r w a r da b o u tp u b l i c 仃a 颤cm a n a g e m e n ts y s t e mb a s e do n w i r e l e s st o k e ni nt h i sp a p e r , c o m p a r e dt os o m ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so fr e s e a r c h i n g p u b l i ct r a f f i cn e t w o r k s t h es y s t e mb a s e do nr a d i ot r a n s p o r t a t i o nr e a l i z e sw i r e l e s sd a t as w i t c h b e t w e e l lt h eb u sa n dt h ee l e c t r o n i cs t a t i o nb o a r d ，a n db e t w e e nt h ee l e c t r o n i cs t a t i o nb o a r da n d t h en m n a g e m e n tc e n t e r ，i tn e e d n t 雄i p l ys p e c i a ln e t w o r k , b u tc o n s t i t u t e sn e t w o r ka n ds e t u p c o m m u n i c a t i o np r o t o c o lb yi t s e l f , s ot h a tt h ec o s ta b o u tc o m m u n i c a t i o no fd a t ac a r lb e d e c r e a s e da tl a r g e ，a n dm a k e st h ec o n s t r u c t i o no fs y s t e mb e c o m es i m p l e i nt h i ss y a e mt h e w i r e l e s st o k e nr i n ga n dt d mw e r eu s e df o ra v o i d i n gt h es a n - l ef r e q u e n c y sd i s t u r b a n c ea n d h a v ea s s u r e do n l yo n ew i r e l e s st e r m i n a lm a d eu s eo f c h a n n e li nt h ef i x e da r e a t h i sp a p e rm a i n l yc o m p l e t e st h ec o n s t r u c t i o no fs y s t e m sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k , t h e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g no fe l e c t r o n i cs t a t i o nb o a r d , a n dt h es o f t w a r ed e v e l o p m e n to f m a n a g e m e n tc o f l t e t n 圮p a r t o f c o m m u n i c a t i o n n e t w o r k a c c o m p l i s h e s c o m p o s i t i o n o f s y s t e m , t h ew a yo fd a t ac o l i c c t i o na n dt r a n s m i s s i o n , t h ee s t a b l i s h m e n to fc o m m u n i c a t i o np r o c t o c o l a n de r r o l c o n t r o lt e c h n o l o g yo nw i r e l e s sc o m m u n i c a t i o n1 1 地p a r to fe l e c t r o n i cs t a t i o nb o a r d a c c o m p l i s h e s t h ed i s p l a ya n dd a t a p r o c e s s i n g f u n c t i o nb yh a r d w a r ed e s i g nb a s e do n m i c r o c o n t r o l l e ra n dp r o g r a m m e db yc l a n g u a g e 1 1 地s o i = t 、】v a r ed e v e l o p m e n to fm a n a g e m e n t c e n t e ri ss t a r t e df r o mt h ea n a l y s i so fs y s t e mr e q u i r e m e n t , t h r o u g hm a p xc o n t r o li nt h e e n v i r o n m e n to fv ca n dc o m b i n e sw i t hg i sa n dd a t a b a s et e c h n o l o g y ，t h es y s t e mr e a l i z e s i n t e l l i g e n tm a n a g e m e n to f b u s ，i n f o n n a f i o nq u e r y ，s t a t i s t i c a la n a l y s i sa n dd i s p l a yf u n c t i o n k e yw o r d s ：p u b l i ct r a f f i cm m m l g e m e n ts y s t e m ；e l e c t r o n i cs t a t i o nb o a r d ；w 1 1 r p ： c o m m u n i c a t i o np r o c t o c o l ；d a t a b a s e i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，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，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 大连理工大学硕士研究生学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位 论文版权使用规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送 交学位论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阕。本人授权大连理 工大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，也 可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论文。 作者签名：家焉、哳 作者签名：望塑：望 导师签名： 么：i 五乏 、1 冶弘啦月疆日 k 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 课题背景 当今世界各国的大城市无不存在着交通拥挤问题。美国1 9 7 6 1 9 9 7 年间，年车辆公 里数以7 7 的速度上升，但道路建设里程的增长数却仅为2 9 6 。在城市交通的高峰时期， 5 4 的车辆处于拥挤状态。由于交通拥挤，人们每天消耗在上下班的时间比平时平均多 了1 5 小时，同时导致商业车辆在交通运输中延误，增加了运输成本l l 】。虽然城市道路 建设突飞猛进，然而仍然赶不上车辆的增长速度。公交车由于票价低廉、线路固定、又 有站牌指示沿途到站地点。因此，它成为我国大中城市市民出行的最重要的交通工具， 也是外来过往人员在城市旅程中首选的交通工具。然而，由于多种原因致使公交运营速 度由每小时1 2 1 4 公里下降至5 1 0 公里，新增的运输能力被下降的运输效率所抵消， 公交承担的运载量不断减退，居民出行方式逐年由公交向个体交通方式转移，这无疑加 剧了交通的拥挤程度。城市居民出行交通需求的不断增加与公共交通发展相对滞后的矛 盾成为摆在我们面前的一项迫切任务。优先发展城市公共交通，提高公交服务水平，吸 引更多乘客乘坐公交出行，减少私人交通出行量，这无疑是解决这一矛盾的首选途径。 此外，为了适应现代社会高节奏的生活，方便乘客的出行，使广大乘客在公交站台 提前知道所乘公交车的诸如车上乘客拥挤度、公交车与现在站点的距离、公交车到达该 站点的估计时间等相关信息，我们提出了基于无线令牌的公交管理系统及电子站牌开发 这一课题。 1 2 国内外研究现状 ( 1 ) 美国的研究现状 美国城市公共交通管理局( 切1 a ) 已经启动了先进的公共交通系统项目( a d v a n c e d p u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ，简称a p t s ) 。经过现场试验，u m t a 关于a p t s 的评价 是：“a p t s 可以显著提高公共交通服务水平，吸引更多乘客采用公交和合伙乘车的出 行模式，从而带来了减少交通拥挤，空气污染和能源消耗等一系列社会效益”。根据1 9 9 8 年美国运输都的联邦公共交通管理局( f t a ) 出版的“a p t s 发展现状”，美国的a i r r s 主要研究基于动态公共交通信息的实时调度理论和实时信息发布理论以及使用先进的 电子、通讯技术来提高公交效率和服务水平的实施技术。目前，美国一些开发公交车队 管理系统的公司，采用自动确定车辆位置的全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ， 简称g p s ) 和计算机辅助发车系统等，进行实时管理公共汽车的运营，并开发了一些先 进的系统，如p a t i - 球i n d e r 系统例。 基于无线令牌的公交调度管理系统及电子站牌开发 ( 2 ) 欧洲的研究现状 目前欧洲各国正在进行t e l e m a t i c s 的全面应用开发工作，计划在全欧洲范围内建立 专门的交通无线数据通信网。智能交通系统的交通管理、车辆行驶和电子收费等都围绕 t e l e m a t i c s 和全欧无线数据通信网来开展。在公共交通方恧，欧洲许多国家同中国一样 具有悠久的历史，城市街道一般比较狭窄。但是，他们通过实施公交优先政策，设立公 交专用道，为公交车提供优先通行信号，布设智能公交监控和调度管理系统等措施，提 高公交车辆运行速度和公交服务质量以吸引公众乘坐公交车出行，从而有效缓解了城市 交通压力，解决了城市交通问题，并取得了明显的社会经济效益。 在德国科隆，公共交通由k v b 经营。k v b 公司8 0 年在德国率先建立德国第一个 公交管理指挥中心，并在全部的运营车辆上安装了g p s 设备，应用g p s 、标杆和惯性 定位三种手段实现对运行车辆的实时监控。而且，在整个运营网络的区域设立了电子信 息显示屏，使站台上候车的乘客了解车辆准确的到达时间，还可以从标题信息栏了解影 响交通的时间和未来重要交通信息。管理指挥中心开发了一个相应的g i s 平台，平台通 过电子地图管理运营的公交车辆例。 ( 3 1 日本的研究现状 东京交通局开发了城市公共交通综合运输控制系统( c t c s ) ，旨在改进公共汽车 服务，重新赢得乘客。它将运营中的公共汽车和控制室之间建立信息交换，利用诱导和 双向通信的方法，将服务信息提供给公共汽车运营人员和驾驶人员，并把它提供给乘客。 目前，日本已成功地开发了智能导航系统和公共交通管理系统。智能导航系统向用 户提供道路通行情况及天气情况等有关交通信息、线路电子地图及g p s 服务，为出行 者优选路线、安排行程，如9 0 年代开发的v i c s 系统。而公共交通管理系统则提供公共 交通运行情况信息，协助管理公交运营【4 i 。 ( 4 ) 我国的研究现状 公交优先发展战略在我国的研究和实施起步较晚，于上世纪8 0 年代才逐渐受到人 们的关注，相应的公交管理优化理论和系统建设到目前为止都还处在探索和初步发展阶 段。8 0 年代，蒋光震等介绍了基于乘客分布的公共交通线路组合调度模型，张席洲在其 硕士论文中对公交调度优化问题进行了初步的研究。9 0 年代，西安公路交通大学孙芙灵 于1 9 9 7 年根据西安市公交公司客流调查数据，探讨了几种确定发车间隔的方法，1 9 9 9 年北方交通大学的刘云等在分析北京公交智能调度系统需求和槐对当前几种先进的计 算机网络技术进行比较的基础上，给出了北京市公交智能调度系统的计算机网络的设计 方案，并进行相关的性能分析。9 0 年代以后，东南大学杨新苗提出了基于准实时的公交 调度优化系统。北京航空航天大学张飞舟对公交车辆智能调度及相关技术进行了研究， 一2 一 大连理工大学硕士学位论文 提出了运用遗传算法和混合遗传算法来进行车辆调度优化的方法。青岛科技大学的童刚 建立了公交调度模型并求出均匀的发车间隔。 在系统建设和软件开发方面，北京市于9 0 年代末开展了我国第一个综合性公交i t s 项目“北京市公交总公司智能化调度系统总体方案设计及示范工程”。杭州、上海相继 率先将o p s 定位技术应用到公交管理中心。不久前由海信集团、青岛市公交集团和青 岛移动通信公司三方合作开发国家智能公交示范工程项目海信智能公交调度系统示 范工程，在青岛公交集团5 0 1 线路上正式启用了，据悉这是国内第一条通过o p r s 技术 实现智能调度的公交线路。近年来，广州、重庆、南京等城市陆续引进先进的技术设备， 逐步发展智能公交。 智能公交是城市交通发展的一个重要内容，我国在这方面的研究和应用还处在起步 阶段，尤其是关键技术的理论研究还有待成熟。另外，由于我国公交环境状况不同于国 外，在发展我国的智能公交系统时不能生搬硬套国外的理论和成果，因而，在适当借鉴 的前提下，必须研究并深化适合我国公交特点的智能公交管理系统。 1 3 课题的研究目的和意义 目前，由于城市规模不断扩大，公交网络急剧复杂化，基于传统的管理模式和简单 的m i s 系统已经不能满足管理者对城市交通系统进行有效管理的需求【5 j 。与发达国家相 比，我国大中城市的公交系统服务水平较低，公交营运服务还不能很好的满足乘客出行 的要求，乘客候车时只能被动的等待，公交车何时到站、现在停在哪个地方等信息都是 未知数，致使相当一部分人放弃乘坐方便实惠的公交车，而改换其他交通工具。本课题 研究的目的就是通过公交智能化管理提高公交运营效率和服务水平，吸引更多的人选择 乘坐公交车，从根本上缓解目前城市交通拥堵的状况。 对于一个城市来说，与出租车和私家车相比，公交车人均占道面积少、耗费低、效 能高，既节约能源又减少环境污染，在当前我国能源紧张、建设节约型社会的情况下， 实施公交优先的交通工具有重大的战略意义。 智能公交管理系统的建立不仅可以让乘客享受到最多的便利，而且为运营者提供了 高度的智能化管理平台。通过设置电子站牌动态显示公交车的位置信息，便于乘客及时 掌握候车时间和乘车时间，使换乘衔接更为高效，换乘方案可预见性更强。通过电子地 图实时掌握公交车的位置信息，使管理更加灵活，使车辆、人力资源开发运用更高效、 经济，对事故等紧急信息的处理更及时。总之，系统在改变落后的运营管理和调度模式、 实现公交资源的最优配置、提高公交企业效率、提升公交服务水平和吸引乘客等方面具 有重要的现实意义。 基于无线令牌的公交调度管理系统及电子站牌开发 1 4 课题的主要研究内容 智能公交系统通过综合利用信息技术、计算机技术、控制技术、传感器技术，使先 进公交系统具有了以下特点：高效的公交客运组织模式、快速灵活的应变能力、完善的 乘客信息服务，从而在信息、价格、速度、效率、舒适性等方而提高公交吸引力。 本课题借鉴了当前国际和国内在这方面的技术经验及其设计思想，开发了低成本的 基于无线射频模块的智能公交管理系统。主要的研究内容如下： 第一章简要的介绍了本课题研究的背景、意义及发展现状。 第二章主要的论述了无线令牌环技术的基本原理、工作流程及维护方法， 第三章简要论述了现有公交管理系统的数据传输方案，详细的论述了整个系统通信 网络的构建、工作流程，并进行了可行性的论证。 第四章详细的论述了系统通信协议的设计，包括单片机与无线数传模块之闻的通信 协议以及无线数传模块之问点对多点的通信协议模型的设计。 第五章主要论述了数据传输过程中的差错控制技术及纠错编码技术，并给出了具体 的实现方法。 第六章重点论述了电子站牌系统的各个模块电路的硬件结构及其实现方法。 第七章重点论述了电子站牌系统的软件流程及关键代码。 第八章详细论述了公交管理中心系统软件的设计与实现。首先介绍了管理中心系统 软件所实现的功能；然后给出了各个组成模块的实现方法；最后介绍了g i s 基于m a p x 的组件式开发思想，并给出了电子地图实现方法。 大连理工大学硕士学位论文 2 无线令牌环技术 2 1无线令牌环的基本原理 无线令牌环w t r p ( w i r e l e s st o k e n 融i l gp r o t o c 0 1 ) 接入技术一种基于调度的分布式媒 体接入控制机制，是控制接入的一种，它最初由美国加利福尼亚大学伯克利分校提出并 且应用于智能交通系统中的无线m a c 协议嘲。它通过预留带宽来支持高质量的服务。 w t r p 因为减少了由于信息冲突产生的信息重发，效率较高。对于信息的传递是公平的， 每一个终端轮流传输信息，并且在传送特殊信息时强制放弃传输权限。基本原理为： 当无线令牌环网成功建立之后，由网络中的主节点进行网络的初始化，并且产生一 令牌，然后将令牌放在网络上传输。当某一节点收到令牌时，则说明该节点占有了无线 信道，从而具有了传输信息的权利，然后进行信息传输。传输完之后，再将令牌发往下 一节点。如果该节点没有信息传输，则直接将令牌发往下一节点。下一节点获得令牌进 行信息传输，传完之后将令牌发往再下一节点。以此类推，直到所有节点传递完之后再 回到头，周而复始，实现全网信息传输【”。令牌帧的帧格式为： 无线令牌中包含了维护网络正常运行所需的各种信息，如网络节点总数、令牌环创 建者地址、令牌循环的序号等等，各个字段的含义及其用途如表2 1 所示。 表2 1 无线令牌帧的字段含义 t a b 2 1t h es e g m e n t d e f i n i t i o no f w i r e l e s st o k e nf r a n e 缩写字段名称字段含义 f c 帧控制标识令牌的类型，以及请求和应答信息 r a 令牌环创建者地址标识创建令牌环的节点的地址 d a 目的地址标识令牌接收方的地址 s a源地址标识令牌发送方的地址 n o n 节点总数标识当前网络中节点个数 g e n s e q 令牌序号令牌循环的轮次。令牌环创建者在创建令牌环网络时将它设置 为0 。此后令牌每循环一周增加1 s e q 节点序号节点在令牌环中的顺序，令牌环创建者每次收到令牌后将它设 置为0 ，其它节点收到令牌后依次将他增加1 根据本系统的要求和实际应用的需要，我们重新定义了无线令牌帧，其格式如下： 基于无线令牌的公交调度管理系统及电子站牌开发 在这种网络中，只有当前持有令牌的节点才能发送数据包，因此不存在竞争和冲突； 持有令牌的节点必须在有限的时间内把令牌传递给网络中的下一个节点，实现了无线信 道使用的公平性；令牌环绕网络一周的时间受到门限的制约，保证了信息传输的实时性。 2 2 系统环连接列表 每个节点都维护着一张系统环连接列表，其中存放了该节点在系统环上与其它节点 的连接情况，该连接列表在系统初始化的时候通过令牌的传递来完成。环上主节点是一 个有业务要求的节点，并负责令牌的产生及环的初始化，( 因为每个节点都会有业务要 求，因此各个节点将会分时成为环上的主站) 令牌的r a 即为主节点的m a c 地址，因此 可以保证每个环的地址唯一。由主节点产生一个令牌将其传递给它的后续节点，后续节 点收到令牌后对s e q 加1 ，并记录加l 后的值，作为自己的位置标识，然后将令牌传递 给它的后续节点，以此类推，最后令牌将传回主站，主站检查s e q 就可以知道系统环上 有多少个节点，然后修改令牌的f c 字段中的类型，再把令牌发出，把节点总数通知环 上节点，这样，每个节点就可以建立起一张完整的连接列表，如表2 2 所示。 表2 ，2 节点1 连接链表 t a b 2 2 c o n n e c t i v i t yt a b l eo f n n d e1 s e q = i + la d d r e s s = 2 s e q = i + 2a d d r e s s = 未知终端 s e q = i + 3a d d r e s s = 未知终端 s e q = i + 4 a d d r e s s = 5 以节点1 为例，各个节点通过查看令牌上的s e x l 来建立和维护它的连接列表。假设 节点1 发出的令牌的s e q 为i ，节点2 收到令牌后如果有服务要求则可以占用信道，服 务结束后s e q 加1 ，然后送出。此时s e q 变为i + l ，以此类推。由于节点1 的覆盖范围有 限，它无法检测到3 和4 存在。但当1 收到5 传来的令牌就会发现，s e x l 增加了4 ，而 不是2 ，因此可以断定，在节点2 和5 之有两个节点存在。 2 3 无线令牌环的工作流程 无线令牌环协议的基本工作流程可以通过状态转移图来描述。如图2 1 所示，节点 加电后从b e g i n n i n g 状态进入f l o a t i n g 状态，开始侦听信道。如果它在一定时间 内侦听到某个令牌环网络的存在，则进入j o i n i n g 状态，通过竞争方式申请加入该网 络；否则，它将建立一个只有它自己的令牌环，进入i d l e 状态并且周期性的邀请其他 节点加入。节点加入令牌环之后，它将保持i d l e 状态直到接收到令牌。这时候节点进 一6 一 大连理工大学硕士学位论文 入h a v et o k e n 状态，在一段时间内发送一个或多个数据包，发完之后把令牌传递给 网络中的下一个节点进入m o n i t o r i n g 状态。m o n i t o r i n g 状态通过隐含应答方式 ( i m p l i c i ta c k ) 推测数据包是否发送成功。如果该节点交出令牌后侦听到网络中某个 节点开始发送数据包，表明令牌已经成功传递给网络中的下一个节点，它重新进入i d l e 状态等待下个发送机会嘲。 图2 1w t p , p 状态转移图 f i g 2 1 m a i nf l o wo f w t r p 如果节点接收到令牌时没有数据包等待发送，它将根据当前网络的状况决定是否允 许新节点加入令牌环。如果新节点的加入不会导致令牌环绕时间超过门限，节点进入 s o l i c r r 玳g 状态，通过广播方式邀请其它节点加入令牌环。 基于无线令牌的公交调度管理系统及电子站牌开发 2 4 无线令牌环的维护 无线令牌环协议的正常运行很大程度上依赖于令牌的操作，因此维护令牌的稳定高 效运行是提高令牌环网络性能的一个关键因素。无线令牌环网络中的每个节点都有义务 维护令牌的正常运行。 当某个节点创建一个无线令牌环网络后，它就成为这个令牌环网络的创建者，它的 地址也就成为令牌环网络的地址。同时，该节点将令牌序号( g e n s e q ) 初始化为o ，并且 设定令牌环的其它工作参数，如令牌环的最大令牌环绕时间和节点的最大令牌持有时间 等等。在后面的每个令牌循环中，令牌环的创建者再次接收到令牌后将令牌序号( g e n s e c 0 依次加l ，并且将节点序号( s e e 0 重新设置为0 。如果无线令牌环网络中的某个节点在最 大令牌环绕时间内没有收到有效的令牌。则认为令牌已经丢失。这时候该节点产生一个 新令牌，将自己的地址设为令牌环网络的地址，然后重新开始令牌循环过程。 当无线令牌环网络中存在多个令牌时，多余的令牌可以通过区分令牌序号( g e n s e q ) 得到删除。每当节点收到令牌时，它都要检查令牌中的令牌序号并且记录其中的最大值。 如果当前令牌的令牌序号低于记录中的最大值，则认为该令牌时多余的令牌，于是节点 不再向网络中的下个节点转发这个令牌。通过这种方式能确保网络中只有一个令牌。 2 5 通信链路中断问题的解决 因为城市公交站点的间距一般都在5 0 0 1 0 0 0 m 之问，而本系统采用的无线数传模 块的无障碍传输距离为3 0 0 0 m ，这样就可保证当某一节点出现故障，不能正常工作时， 可暂时将该节点从通讯链路中删除，使得与之相邻的上下两节点仍然能够正常通信，从 而维持系统的正常工作，待该节点维修之后重新加入通信链路。 冒夕乡冒 图2 2 通信范围重叠示意图 f i g 2 2o v e r l a l 印i n go f c o m m u n i c a l i o na m 大连理工大学硕士学位论文 3 公交管理系统无线通信网络的分析与设计 3 1公交管理系统中的无线通信 公交管理系统的建设要考虑监控覆盖范围、实时性、调度业务、车辆容量、成本费 用等多方面的要求。无线数据传输设备作为管理中心与公交车进行信息交换的枢纽，是 整个系统中的重要组成部分，那么选择合适的传输方式就显得尤为重要。目前的车辆监 控系统采用的传输方式主要有无线电台、集群通信系统、g s m 短消息服务和g p r s 无 线数据网通信系统。 ( 1 ) 无线电台 采用车载无线电台，就是利用音频调制解调器将数字信号调制到音频带宽，由车载 电台进行数据传送。其主要有以下几方面的缺陷： 首先，由于移动通信业务的迅速发展，频率资源非常紧张，常规无线电台可用的频 率资源非常有限，一般的部门要申请专用频点相当困难，而且由于管理不到位，有些地 方申请到的频点亦因干扰太严重而不能很好地工作；其次，巡检速率较低，不适宜于车 辆较多的系统。由于我国移动通信两个频点间的间隔只有2 5 k h z ，如果调制方式不合适， 或者码速率过高，将造成误码率增大；再次，由于车载台本身天线架设高度较低，而作 用距离主要受控制中心天线架设高度的限制，因而覆盖范围较小，而且容易受到外界无 线电信号的干扰。这种方式对容量不大的系统来说还是较为实用的。 ( 2 ) 集群移动通信系统 集群通信系统是一种高级移动调度系统，主要用于调度通信频率在1 5 0 8 0 0 m h z 之间；控制方式有集中控制和分散控制，集中控制是要用一条专用信道作为控制信道， 由中心统一管理系统话务和呼叫请求；分散控制则是每一话音信道都有自己的随路信令 完成信道控制与信令转发。集群系统一种是共享资源、分担费用、共用信道设备及服务 的多用途、高效能的无线调度通信系统 9 】。其主要缺点如下： 第一、占用有限的频率资源。第二，通信误码率较高，集群通信系统和单信道系统 一般都采用大区制，单中心，这样在人城市中山于地形和建筑物等原因，通信盲区较多， 多径效应影响严重通信误码较高。第三，系统容量有限。对于集群通讯系统而言，有限 的频率资源是限制系统容量提高的瓶颈，目前在有些专业频率十分拥挤的地方己无频率 可以申请。第四，系统覆盖范围有限。集群通信系统和单信道系统都属于专用移动通信 网，由某一都门独立建造和使用，一般都只能是在某一特定区域、特定部门中使用，覆 盖范围较小。 基于无线令牌的公交调度管理系统及电子站牌开发 ( 3 ) g s m 公用移动通信网通信系统 由于g s m 数字公众移动通信网覆盖范围特别广，系统可靠性高，无需架设基站等 优点，它受到许多用户的青睐。 利用g s m 网来传输g p s 信息的系统有人简称为“双g “系统，它是利用移动通信 的短消息服务功能( s m s ) 来实现g p s 信息传输的。由于短消息服务是g s m 中唯一不要 求建立端对端路径的业务，而且它是通过信令控制信道进行信息传输的。在仅有话音传 输时，信令信道十分空闲。 由于g s m 蜂窝网的每一个基站的信令信道都可以为多个移动终端迅速传送短消 息。每一个基站只需管理它的一个很小服务区内的车辆，而一个g s m 蜂窝网，通常都 有很多个基站。显然，系统可以容纳的移动终端数可以很大。事实上，蜂窝g s m 网就 是在原有时分多址的基础上增加了空分多址能力，它的容量大大扩充了。 但是，这种“双g ”系统目前还存在较多缺点，主要是：系统运营费用较高，对那 些需要经常不断发送定位信息的系统，难以承受。例如：某市的公交车辆一天运行1 8 个小时( 从早5 点到晚1 1 点) ，如果要求每个车1 分钟发1 次g p s 信息，按照目前我国 移动通信公司的规定0 1 元每条信息的收费标准，那么每天每辆车要交1 0 8 元。 “双g ”系统的另一个缺点是，对某些系统来讲，延时较长仍是一个问题，实时性 无法保证，并不太适合于传输定位信息这种实时性要求较高的系统。 ( 铆g p r s 无线数据网通信系统 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称，是介于第二代和 第三代移动通信技术的一种过度通信技术，通常称为2 5 g 。g p r s 是在现有的g s m 网 络基础上增加一些硬件设备和软件升级，利用分组交换的概念所发展出的一套无线传输 方式。所谓分组交换就是将数据分成若干个组，然后再一个一个传送出去。g p r s 在无 线资源分配上采用了动态信道分配方式，在数据通信时占用物理信道资源，提高了频率 资源利用率。g p r s 对于i n t e m e t 的其他组成部分来说，只是一个普通的子网。可以接 入基于t c p 的外部网络和x 2 5 网络，无线接口资源可根据业务流量和运营者的选 择在语音和数据业务之间共享，从协议结构上提供了和m 网络的互通功能，且能向用 户提供i n t e m e t 所能提供的一切功能【l o 】。其数据传输速率可高达l1 5 k b p s ，而其链路建 立时间非常短，号称是“永远在线，永远连通”的技术。然而本系统需要对公交车进 行实时监测，数据刷新频繁，因此数据量大，所需费用较高，因此目前还没有得到广泛 应用。 根据以上分析和研究，本文提出了一种新的无线数据传输方式一基于无线令牌的数 据传输方案。 大连理工大学硕士学位论文 3 2 无线网络拓扑结构 公交管理系统主要包括公交车车载终端、电子站牌和管理中心三部分组成，是整个 无线网络的基本组成单元，无线网络的拓扑结构如图3 1 所示： 命鑫 压神 。j 同 i 一 一沙b 叫 图3 1 无线网络拓扑结构 f i g ，3 1 t h es 订1 l 咖 o f w i r e l e s sn e t w o r kt o p o l o g y 各部分的主要功能如下： ( 1 ) 公交车车载终端 公交车车载终端是公交管理系统的数据来源，主要负责采集各个车辆的实时位置数 据及车辆状态信息，并且通过无线通讯网络发向管理中心，其可靠性、实用性直接影响 着整体的工作性能。定位数据及车辆状态信息通过无线通讯网络发向管理中心，同时接 收管理中心发来的信息或参数设置命令或控制命令，进行相应的操作。 ( 2 ) 电子站牌 电子站牌是组成的无线通信网络的基本单元，是系统数据传输的重要渠道，主要负 责整个系统数据的双向传输及公交服务信息的发布。 ( 3 ) 管理中心 管理中心是整个系统的核心，采用无线通讯技术、微机控制技术、g i s 、数据库等 技术实时接收公交车辆的位置、状态等信息，实时监控每辆公交车的运行状态，利用 g i s 地图匹配技术在大屏幕电子地图上实时显示车辆的位置信息，并根据公交车辆的运 行情况，实现车辆的自动调度与指挥。通过对公交车车载终端采集的里程、速度、载客 量与g i s 基础地理数据相匹配，实时分析出车辆所处的路段、站点、公交车辆的间隔、 下一站的到站时间f l l 】。 基于无线令牌的公交调度管理系统及电子站牌开发 其整个系统的工作过程如下所述：网络建立后首先由管理中心进行系统初始化并产 生令牌，然后将令牌传给站牌1 ，当站牌l 收到令牌后发送广播消息呼叫其通信范围内 公交车，站牌与公交车之间依赖点对多点传输协议进行数据传输。然后站牌l 将采集的 数据及令牌发给站牌2 。站牌2 获得令牌后，采用相同的方式采集信息，再将采集到的 数据、站牌l 发来的数据和令牌一起发给站牌3 ，依此类推，最后由站牌n 将令牌和所 有数据发给管理中心，经过分析处理，一方面在管理中心的大屏幕上显示各车此刻所处 位置，另一方面将实时数据发给各个电子站牌，为乘客提供及时、全面的乘车信息。 在站牌迸行数据采集时，做出如下规定：根据由管理中心和站牌形成的环形网络， 按照令牌的传递方向将各个站牌距离管埋甲心的实际距离( 我们称之为站牌的绝对距 离) 在系统运行前分别保存至各自的存储器当中，该距离并非站牌与管理中心之间的直 线距离，而是公交车实际运行轨迹的长度，该距离可由公交车的里程表在系统运行前测 量获得。同时，要求公交车每次从管理中心出发之前都将里程表清零，从而可以获得每 辆车相对管理中心的绝对距离。每个站牌只采集公交车绝对距离小于该站牌的绝对距离 的公交车数据，至于大于该站牌绝对距离的公交车数据可由后续站牌采集。 根据上述工作过程不难发现一个问题，即当令牌从前一个站牌传到后一个站牌的时 候，已经与前一站牌成功通信之后的公交车仍然可能在后一站牌的覆盖范围之内，仍然 满足其绝对距离小于后半圈站牌的绝对距离，这就造成了数据重复采集的问题，从而增 加了数据采集时间，降低了系统的实时性。因此我们采用如下方式解决该问题，具体方 法如下： 当某一站牌收到前一站牌传来的令牌和数据之后，首先记录前面站牌已经采集过的 公交车的d 号，然后发出广播消息，呼叫其通信范围以内的公交车，进行数据传输的 同步，各个公交车收到同步信号后采用分时方式上传本车数据，站牌分别接收。接收之 前要做两个判断：第一，该车的d 号是否已经存在于前一站牌传来的数据中；第二， 该车上传的数据帧中的里程值是否小于站牌的绝对距离。如果同时满足这两个条件，则 确定接收该车数据，保存到相应的数据寄存器中，等待收集完所有车数据一起传给下一 站牌。否则，如果两个条件当中有一个不满足，则不与该车进行通信。 利用这种方式，不仅解决了公交车数据重复采集的问题，同时还便于管理中心分析 处理数据，可以直接获得在某站牌车行方向上距离该站牌最近的公交车数据，在按照公 交车的平均车速即可算出到达某站牌的运行时间。 大连理工大学硕士学位论文 3 3 系统方案可行性的论证 在无线令牌环系统中，令牌的合理产生和使用是保证整个系统能否正常工作的关 键。因此，令牌什么时候产生、由谁产生便成为设计中的一个关键问题【。本系统中由 管理中心在系统上电以后，首先进行系统的初始化，并按规定产生令牌。 1 )无线终端之问通信模型 因为无线模块在发送数据时要进行收发转换及时钟同步，因此正常通信时发送终端 发出数据的时刻与接收终端收到数据的时刻是有时间间隔的。这个时问间隔就叫延时时 间1 1 3 】，记为t d 。本系统选用的无线数传模块f 2 9 d m 延时时间1 仁1 5m s 。 假设终端a 与终端b 之间要进行通信，其正常通信时间包括： a 向b 发送命令的延时时间t d ( 假设a 开始工作在接收状态) a 传送命令字节的时间t 。 b 分析处理命令的时间t a b 发送数据a 接收数据的延时时间t d b 传送应答数据的时间l 为了论证该方案的可行性，我们有必要对系统的实时性做出大致的估算，这也正 是该方案能否得到实际应用的关键所在。因此我们做出如下设定： 首先，单片机与模块间的通信是通过异步串口来完成的。其数据格式为：1 个起始 位，8 位数据位，1 个停止位，无奇偶校验。传输速率为9 6 0 0b j t ，s ，通信方式为半双工 方式，其差错控制技术采用前向纠错技术，其编码方式采用c r c 汉明码，有关差错控 制技术及编码方式在第5 章中做了详细介绍。其次，根据实际情况设定某公交线路单方 向共2 0 个站牌，站牌间距在5 0 0 1 0 0 0 米左右，前后两辆车的发车时间在5 1 0 分钟 左右，公交车的平均车速按照2 0k m h 计算。 2 )站牌与公交车之间通信时间t 1 的估算 本系统中站牌与公交车之间的通信属于广播型的点对多点通信，当某一站牌收到前 一站牌传来韵无线令牌以后，标志着它拥有了独占无线信道的权力，然后向该站牌通信 覆盖范围内的公交车发送广播消息，各车监听到广播消息以后开始根据自身的d 号选 择不同的时隙上传数据，从而避免了信号碰撞情况的发生。各公交车在自己的时隙内， 便将该公交车的诸如里程、车速等相关信息传给该站牌，站牌在接收到信息后进行f e c 纠错，将纠错之后的数据保存到相应的存储空间，之后等待接收下一公交车数据，直到 其覆盖范围内的所有公交车将数据上传完毕为止。 根据之前的设定，我们可以算出先后发出的两辆车大该相差3 个站