（机械设计及理论专业论文）基于无线通讯的智能公交信息系统研究.pdf

摘要 随着我国城市化的发展，城市交通问题日趋严重。造成城市交通问题的主要原因是 城市路网建设不能满足城市交通需求增长的要求，城市交通结构不合理。城市交通问题中 最突出的是公共交通阀题，丽大力发展城市公交则是解决城市车辆拥堵、空气污染、居民 出行难的个有效途径，快速大量运用公共汽车为主体的常规公共交通是智能交通系统中 发展城市公共交通的重点。但是目前公共汽车由于硬件设施不完善、信息化水平低等问题， 在发展过程中受到了很大阻碍。建立一个良好的公共信息网路则是解决城市交通问题的关 键 论文提出了一套基于短距离无线通讯和g p r s 无线通讯技术的公交信息系统的设计 充分利用短距离无线通讯技术、g p r s 通讯技术、数据库技术、计算机应用管理技术等多 种信息技术手段，构建完整的公交信息采集、传输、处理和发布的服务和管理平台。 论文中第一章介绍了当前我国的公交系统状况与国内外的研究方向。在第二章中介绍 了本公交信息系统的功能与总体框架，并且介绍了公交信息系统中每个单元的功能。在第 三中详细介绍了本课题中使用短距离无线通讯和g p r s 无线通讯技术，重点介绍了短距离 射频通讯芯片n r f 2 4 0 1 的工作原理、工作特性，在此基础上详细阐述了基于该芯片的点 对点与点对多点模型无线射频通讯。在第四章中详细介绍了公交信息系统车载单元和站台 中央控制单元的软硬件设计，不仅根据各单元的功能给出了设计原理图，而且给出各个单 元之间通讯的协议和软件设计流程图。在第五章中，介绍了信息管理中心的设计，包括信 息管理中心的硬件构成、软件功能等，并且详细介绍了信息管理中心数据库的具体设计过 程。 本系统，采用射频的方式采集公交车进出站信息，不需要借助专用网络，自行组网， 自行建立通信协议，降低了数据传输的费用，也使得系统结构简单。系统中无线通讯通过 轮询的方式实现了点对多点通讯，避免了无线数据的碰撞。信息管理中心管理软件设计精 炼，达到设计功能要求。 关键词：n r f 2 4 0 1 ，公交信息系统，g p r s 通讯，s q ls e r v e r 数据库 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fc h i n a su r b a n i z a t i o n , t h et r a f f i cp r o b l e mi nc i t i e sb e c o m em o r e a n d m o r es e r i o u s t h e m a j o rc a u s eo f c i t y w a f f i cp r o b l e m i s t h es p e e d o f r o a d s b u i l d i n g c a n n o t k e e pu p 、i t ht h ei n c r e a s i n gr e q u i r e m e n t si nc i t y 昀伍c ，a n dt h ew h o l el a y o u t so f 的伍c s u u c t u r ea r en o tw e l lc o n s i d e r e da sw e l l 。n l ep u b l i c 蝴cp r o b l e mi st h em o s ts e r i o u so n e a m o n ga l lc i t yt r a f f i cp r o b l e m s a n dt od e v e l o par o b u s tc i t yt r a n s p o r t a t i o ns y s t e mi g 锄 e f f e c t i v ew a yt os o l v es u c hp r o b l e m sa st r _ a 伍ci a m , a i rp o l l u t i o na n dt r a v e l i n gb l o c k q u i c ka n d l a r g er a n g eu s eo fb u s e sa st h ep r i m a r yv e h i c l ei nt h eg e n e r a lp u b l i c 蝴cs y s t e mi st h ef o c a l p o i n ti nd e s i g n i n gt h ec i t i e s i n t e l l i g e n tt r a m cs y s t e m o w i n gt ot h ed r a w b a c k so fh a r d w a r e f a c i l i t i e sa n dl o wi n f o r m a t i o ns t a n d a r d sa tp r e s e n t , t h eb u ss y s t e mh a ss u f f e r e dav e r yb i g h i n d r a n c e b u i l d i n gag o o dp u b l i ci n f o r m a t i o nn e t w o r ki st h ek e yt os o l v et h ep r o b l e m sc a u s e d b yc i t yu a f f i c t h et h e s i sp u t sf o r w a r dad e s i g no fap u b l i ct r a f f i ci n f o r m a t i o ns y s t e mb a s e do nt h es h o r t d i s t a n c e w i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dg p r st e c h n o l o g i e s b yt a k i n ga d v a n t a g eo fs e v e r a l t e c h n o l o g i e sa st h es h o r td i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y , g p r sc o m m u n i c a t i o n t e c h n o l o g y , d a t a b a s et e c h n o l o g ya n dc o m p u t e ra p p l i c a t i o nm a n a g e m e n tt e c h n o l o g yc t c ，t h e s y s t e mc o n s t r u c t sac o m p l e t es e r v i c ea n dm a n a g e m e n tp l a t f o r ma b l et og a t h e r s , t r a n s m i t sa n d d e a l sw i t i la l lk i n d so f p u b l i ct r a 伍ci n f o r m a t i o ni s s u e s 1 1 璩f i r s tc h a p t e ro ft h et h e s i st e l l su st h es i t u a t i o no ft h ep u b l i ct r a 伍cs y s t e mn o w a d a y s a n dt h er e s e a r c hd i r e c t i o nh o m ea n da b r o a d n 忙f u n c t i o n sa n do v e r a l lc o n f i g u r a t i o n so ft h i s p u b l i ct r a f f i ci n f o r m a t i o ns y s t e ma r ed e s c r i b e di nt h es e c o n dc h a p t e r , t o g e t h e rw i t ht h ef u n c t i o n o fe v e r yu n i t t h et h i r dc h a p t e re x p l a i n st h es h o r td i s t a n c ew i r e l e s sc o m m u n i c a t i o na n dg p r s t e c h n o l o g i e sd e t a i l e d l y , e m p h a s i z i n go np r i n c i p l e sa n dc h a r a c t e r i s t i co ft h es h o r td i s t a n c er a d i o f r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o nc h i pl 江2 4 0 l ，m o r es u b j e c t ss u c ha sp o h - t 0 - p o i n ta n dp o i n t - t o m u l t i - p o i n t sw i r e l e s sr a d i of i e q u c n e yc o m m u n i c a t i o na r ed i s c u s s e do nt h eb a s i so ft h i sc h i p d e t a i l e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r ed e s i g n i n gp r i n c i p l e so ft h ep u b l i ct l a 伍ci n f o r m a t i o ns y s t e m s o n b e a r da n dc e n t r a lc o n t r o lu n i t sa r ei n t r o d u c e di nt h e4 t hc h a p t e r 1 1 1 ed e s i g ns c h e r n a t i c d r a w i n go f e a c hu n i ta n dt h ef l o wc h 舡 t so f t h ec o m m u n i c a t i o np r o t o c o l sb c t w c e ne a c hu n i ta g e a l s og i v e no u t f i n a l l y , t h e5 t hc h a p t e ri n t r o d u c e st h ed e s i g no ft h ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n t c e n t e r , w h i c hi n c l u d e st h eh a r d w a r ec o n f i g u r a t i o n sa n ds o f t w a r ef u n c t i o n s ，e r e t h ed e t a i l so f t h ed e s i g n i n gp r o c e s s e so f i n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tc e n t e ra r ee m p h a s i z e d u s i n gt h em e t h o do fr a d i of r e q u e n c yg a t h e r i n gb u s e s i na n do u ti n f o r m a t i o n , t h i sp u b l i c t r a f f i ci n f o r m a t i o ns y s t e mn e e d n tt h e a i do fs p e c i a ln e t w o r k s b ys e l fn e t w o r ko r g a n i z a t i o na n d s e l fc o m m u n i c 髓i o np r o t o c o le s t a b l i s h n a e n t , i th a sr e d u c e dt h ec o s to fd a mt r a n s m i s s i o n , a n d a l s om a d et h ec o n f i g u r a t i o no f t h ew h o l es y s t e mm u c hm o r cs i m p l e b yp o l l i n g ，t h i ss y s t e mr e a l i z e dp o i n t - t om u l t i p o mc o m m u n i c a t i o n , a v o i d e dc o l l i d e so f t h ew i r e l e s sd a t a 1 1 1 ei n f o r m a t i o nm a n a g e m e n tc e n t e rm a n a g e m e n ts o f t w a r ew a sw e l ld e s i g n e d , a n da l r e a d ya c h i e y e dt h er e q u i r e m e n to f r e a la p p l i c a t i o n k e yw o r d s ：n r f 2 4 0 1 b u si n f 0 订n a d o ns y s t e m , g p r sc o m m u n i c a t i o n , s q ls e r v e rd a t a b a s e 本学位论文知识产权声明 本学位论文是在导师( 指导小组) 的指导下，由本人独立完成。 文中所引用他人的研究成果均已注明出处。对本论文研究有所帮助的 人士在致谢中均己说明。 基于本学位论文研究所获得的研究成果的知识产权属于南京林 业大学。对本学位论文，南京林业大学有权进行交流、公开和使用。 签名躺拱干 导师签名 日期 耀 岬占27 致谢 在论文完成之际，我要特别感谢我的两位导师张建红研究员和陆荣经老师。在三年的 求学过程中，有幸得到两位导师的关怀和指导。 论文的完成离不开两位导师的精心指导，我有幸聆听导师的教诲，于专业和做人方面 均受益良多，在此谨向两位导师致以诚挚的谢意。在今后的人生旅途中，我将牢记两位导 师豹教诲，不断鞭策自己努力前行。 特别感谢陆荣缓老师，自论文选题到研究内容安排、技术路线的选择、实验设备的设 计制作直至论文撰写各个环节都得到了陆老师的精心指导。陆老师渊博的专业知识、严谨 的治学态度、求真务实的工作作风给我留下了深刻的印象。 感谢自动化教研室各位老师给与的无私帮助 感谢过程装备教研室徐兆军老师在课题攻坚阶段中给与的帮助与鼓励。 感谢师弟吴富民、师妹宴芳在课题开展过程中给与的帮助与鼓励。 在整个的研究过程中，得到了同学万夙鸣的鼎力协助。 最后，我要感谢我的家人和女朋友，在我求学期间给予的无尽的关怀和支持，他们的 亲情是我不断前进的动力，促使我更好的投入到学习和研究工作中去。 各方支持，未能尽列，值此论文完成之际，谨向上述各位老师和所有关心支持我的人 表达我最诚挚的谢意。 作者：何旭平 2 0 0 7 年4 月于南林 第一章绪论 1 1 课题研究的背景 随着我国经济建设的快速发展及人们生活水平的不断提高，人们对交通的需求越来 越大。特别是我国入世后，汽车的价格不断下降，人均小汽车的拥有量也在近年快速增长， 这些因素都给我国城市交通管理不断带来新的压力。若不采取有效对策，我国城市交通现 有的堵车、低效、环境污染等问题必然会进一步恶化。解决城市交通问题的关键是要引导 人们在出行时尽量使用公共交通工具，比如公共汽车等。要达到这一目的，就必须要提高 公交服务质量，让出行人真正感觉到公共交通工具方便、省钱、可靠甚至快捷等优点l l 】。 城市人口日益增加膨胀，机动车辆相应急剧增加。城市交通运输压力越来越大，环 境污染加重。无论在发达国家还是发展中国家，这一瓶颈问题日益突出。只靠扩建、新建 道路已经不能完全解决城市交通的所有问题。 为了解决这一系列问题，近年世界各国都比较重视对交通系统管理和控制技术的研 究与开发，致力于通讯技术、自动化技术以及计算机信息技术等现代化高新技术来系统地 解决道路交通问题。于是提出了智能交通系统( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，i t s ) 的 概念。i t s 通过对有关交通信息的实时采集、传输和处理，把握当前交通运行状况以及预 测未来的交通状况，借助多种手段和设备对各种交通情况进行处理。通过有力的信息交流 手段，使用户迅速获知交通信息，从而有效地提高交通效率和安全，并使交通设施得到充 分利用，实现交通系统的集约式发展。 城市公共交通是城市运输体系的一个重要组成部分，是客运交通的主体，是城市建 设和发展的基础，是城市生活和居民生活必不可少的社会公共设施，而且公共交通在疏散 客流缓解交通压力方面有着其它城市交通工具无法比拟的优点。公共交通入均占道路面积 少( 大约是小汽车的1 1 0 、自行车的1 6 ) 【，相对众多的小型机动车辆具有节省能源和 减少污染的优势。因此将i t s 技术应用于城市公共交通有非常重要和积极的意义。 随着社会的发展，人们对公交系统的要求也越来越高，虽然有一些新的技术已经应 用到城市公共交通系统中，但我国的城市公交系统的智能化、信息化还相对落后。科技日 新月异的发展着，将会有很多新的高科技应用到城市公交系统中，因此城市公交系统将会 有很大的发展空间。 1 1 课题研究的意义与目的 目前我国大部分城市的公交营运服务还不能很好的满足乘客出行的要求这主要是 城市居民对高质量的公共交通服务的要求和落后的营运方式、调度模式、公交信息采集之 问存在着矛盾。现代城市的居民需要更准确和更快捷的出行参考信息，从而满足自己的出 行需求而目前的公交无论是调度模式还是公交信息的采集都无法满足出行居民的这种高 的服务要求 目前我国大多数城市公交系统中，调度中心无法实时解公交车的在路上的行驶情 况、乘客流量、交通环境等情况。只能机械式地按照行车时刻表进行调度。而在站台上的 乘客无法实时了解自己所乘的公交车的到站情况，只能在站台上焦虑地等待。 如何让调度中心能“看的着”每个站台不同路数车辆的到站情况，如何使乘客在站台 上可以直接了解到自己所要乘坐的公交车辆的到站信息? 这就需要一个公交信息系统，它 能够快速、准确地采集到公交车辆的进出站信息。公交信息系统的建立，不仅可以为调度 中心提供调度依据，它还可以通过电子显示牌为乘客提供服务，它可以在站牌上显示离乘 客比较近的几个站台和站台之间公交车数量信息，使乘客可以根据自己的需要选择所要乘 坐的车次。在乘车比较拥挤时更可以根据站牌提供的信息，选择判断是否要乘坐当前的车 辆。在夜间或者偏远的地方，更可以通过显示牌来判断是否还有车经过该站，避免不必要 的等待与焦虑。 在应用公共交通信息系统的基础上，以后还可以扩展一些其它的功能，比如设置单 独的显示牌用来显示天气、车况路况、重大新闻事件等。所有这些都是为了方便乘客出行， 进一步减少交通拥挤，提高交通系统的满意度。 因此，公交信息系统在提高公交系统智能化、信息化的同时，提高了公交系统的服 务质量。它不仅具有良好的经济效益，同时它也有良好的社会效益。 1 3 国内外研究现状与动态 国外在公交信息智能化方面要比国内起步早、技术新、发展快。日本在上世纪8 0 年 代就开始发展公交系统信息化，在公交车信息采集方面，它采用下面的方式：公交车和公 交站台采用弱电波通讯，公交站台之间或公交站台和信息中心之间用电话线通讯。9 0 年 代中后期，日本公交系统中进一步引入了无线通讯技术和g p s 导航技术，实现了公交车 辆的动态监控。由于国外g p s 运行费用较低，日本的公交公司大多采用g p s 的形式采集 公交车的信息，站台通讯采用g s m s m s 的方法，方便乘客，也有利于公交公司进行公交 车调度。近几年由于通讯技术的发展，在采集公交车辆信息时，站台和站台或站台和公交 公司控制中心的通讯采用g s m ，g p r s 的方法迸一步节省了成本。 现在国外城市交通的研究重点是放在整个i t s ( 智能交通运输系统) 上，它不仅将数 据进行采集、分析、显示，而且建立了一个公交查询系统，乘客随时可以在i n t e 鼢岖t 上查询到所要乘坐的公交车的运行情况。这几年，国外正在研究发展并建立快速公交系统 ( b r t ) 。b r t 是一套完整的快速交通系统，在技术方面包括先进的公共汽车、车外检票、 优先通行信号、乘客信息系统等。 国内现在有很多部门及个人对公交信息化、智能化进行了相关的研究。中国兵器工业 勘查设计研究院计算机中心的陈百涛、赵术强的概念人研究了公交车辆g p s 定位跟踪系 统的实践：华中科技大学计算机学院的王曦研究了基于g i s 的公交换乘管理系统开发与 研究：北京大学的张飞舟研究了智能公交系统中的公交车辆动态调度技术；东南大学的陆 振波、黄卫研究了g i s 系统在城市公交管理中的应用，设计了城市公交问路系统的框架 和数据分类；杭州公交总公司的黄志耀研究了公交智能化停车的基本构想等 2 1 。 从公交系统信息化这一点来说，近几年我国的公交信息化已经取得一定的发展，在国 内，近几年为了方便乘客、降低工作量，采用了i c 卡方式付费。这两年有些大城市开始 2 在公交站台设置电子站牌，用于显示公交路线上公交车的运行情况，采用的系统大概有以 下几种第一种：采用g p s + g s m g p r s c d m a 的采集通讯方法；第二种：采用 g p s + g s m s m s 采集通讯的方法；第三种：短距离无线射频通讯+ g s i v d g p r s c d m a 的 采集通讯方法。现在采用第一种方法的公司很多，国内有许多城市已经在使用，如上海、 北京、深圳、苏州等。2 0 0 3 年上海在9 8 1 路、8 1 路和9 8 3 路3 条路线试运行。2 0 0 5 年内 上海将在本市的1 0 4 条公交路线上给3 0 0 0 辆公交车安装g p s 系统，到2 0 0 6 年底，巴士 集团所有线路近9 0 0 0 辆公交车将被全部安装g p s 系统。第二种方法国内部分城市也在用， 它主要是利用现有的g s m 网络的s m s ( 短消息平台) 。但它受到数据量和网络覆盖范围 的限制，应该说它是市场不成熟产品，现在正在慢慢的淘汰。第三种方法短距离无线射频 通讯+ g s m g p r s ，现在已经有相关的产品，但各个公司在选择自己的短距离无线通讯技 术产品上不尽相同，所以各有各的优势，而且它们的成熟产品推出也不久，市场应用还不 太多现在国内做的比较成熟的是北京颐信科技生产的d b s 智能数字公交站亭，它不仅 可以显示最近的公交车距离，还可以在一定误差范围内预测出到站时间，同时还可以显示 一些社会信息：如天气预报，交通法规等，它的成本相对低廉。这套系统2 0 0 4 年末已经 在北京4 2 0 路线，而且该公司已经和北京公共交通控股( 集团) 有限公司签署了5 个亿的项 目，用来购买该公司5 0 0 0 套d b s 系统”j 。 1 4 课题的研究内容 本课题参考了许多公交信息系统方案，结合目前最新的技术进行设计本课题所做 的主要工作有以下几个方面： l 、根据公交信息系统的要求，进行车载单元软硬件。 2 、根据系统要求进行站台中央控制单元硬件设计。 3 、根据公交信息系统的功能要求和n r f 2 4 0 1 芯片的特性，设计车载单元和站台中央控制 单元的点对多点无线通讯 4 、根据公交信息系统的功能要求设计站台控制单元与远端信息管理中心的g p r s 通讯协 议。 5 、信息管理中心硬件设计。 6 、信息管理中心软件设计 1 5 课题的可行性分析 本课题所设计的智能公交信息系统主要难点是解决基于n r f 2 4 0 1 芯片的点对多点无 线通讯、g p r s 无线通讯和s q ls 盯 v e r 数据库设计。随着近几年无线通讯技术的发展，国 内已经有开发无线通讯的设备和技术支持，而g s m g p r s 技术经过多年的发展，已经被 实践所证明，基本上不存在任何的问题。s q ls e r v a 数据库技术已经应用的很成熟，因此， 本智能公交信息系统在技术上是可行的。在经济实用方面，本课题设计的系统运用短距离 无线通讯和g p r s 通讯，不需要购买、铺设其他设施，在经济性也是完全可行的。综合以 上两个方面，本课题所设计的智能公交信息系统是完全可行 3 第二章智能公交信息系统的总体设计 2 1 智能公交信息系统的研究目的与目标 本课题研究目的是设计一套利用短距离无线通讯模块和中国移动的g p r s 无线通讯 网络，充分利用短距离无线通讯技术、g p r s 通讯技术、计算机应用管理技术、数码管安 全显示控制技术等多种信息技术手段，构建完整的公交信息采集、传输、处理和发布的服 务和管理平台。本课题预期实现的智能公交信息系统如图2 1 所示。途中d s r c 指的是短 距离无线射频通讯。 本课题的最终日标是在每个公交站台的站牌上显示经过该站的所有路公交车的运行 情况，即显示公交车途经的每个站点有多少辆车，站点之问有多少辆车，按不同路数用数 码管分别显示在对应站台的站牌上，使站台上的乘客一目了然。考虑到乘客只关心在本站 之前的若干站台上公交车辆进出站的信息，而且这样的站点也不能太远，因此本课题中， 只显示该站前8 站和在这8 个站台间的公交车的数量。在信息管理中心电脑屏幕上显示的 则是所有站台上和站台之间公交车的数量，供调度中心参考，具体显示的模式如图2 - 1 ， 站台信息显示将在第五章中详细介绍。 图2 - 1 智能公交信息系统示意图 4 图2 - 2 公交信息系统车辆信息动态显示 2 2 智能公交信息系统的组成 由图2 - l 可以看出，公交信息系统主要包括：车载单元、站台中央控制单元、无线通 讯系统、信息管理中心当车载单元感应到站台中央控制单元的无线信号后，立即发送所 在车辆的特定信息给站台中央控制单元。后者通过g p r s 模块经过中国移动公司的 g s m g p r s 网络传递到远程信息管理中心，信息管理中心经过分析处理信息后，反馈相 应的车辆状态数据信息给站台中央控制单元，经过相应处理后显示在站台站牌上，考虑到 利用现有的公交站牌，本课题中采用数码管进行显示。本课题中，在站点名下和站点名间 放置数码管用来显示当前时刻该站点处和站点间有多少辆公交车。 2 3 车载单元 车载单元( 又叫车载终端) ，即o b u ( o n - a o a r du n i t ) ，当公交车( 装有车载单元) 进入站台中央控制单元的d s r c 覆盖范围内时，o b u 和站台中央控制单元自动进行信息 交互，以完成车辆进站和出站信息登记及其它的信息传递功能。它具有灵敏度高、发射功 率低、抗干扰能力强、数据传输速率快等特点。 2 4 站台中央控制单元 中央控制单元是智能公交系统的一个核心环节，它包括控制器、短距离无线通讯模 块、g p r s 无线通讯模块电源转换模块等。它主要通过短距离无线通讯完成对公交车辆进 站离站登记，实时信息的采集处理，然后将处理过的信号通过g p r s 网络传输给信息管理 中心，信息管理中心分析处理后再把相应信息反馈给站台上的中央控制单元，信息再经处 5 理后，由中央控制单元进行控制显示。 2 5 信息管理中心 信息管理中心的设计包括建立信息管理中心g p r s 网络和设计管理中心软件，其中 管理中心软件设计比较复杂，其功能是对所采集到的车辆进出站的信息进行分析、查询、 存储、反馈，它的功能设计主要包括车辆信息系统管理、司机信息管理、数据中心控制、 数据查询、车辆信息显示、帮助等。信息管理中心就像是系统的大脑，系统采集的信息经 它处理后才能反馈到公交站台去显示当前的车辆信息。 2 6 车载单元与站台中央控制单元的通讯 车载单元与站台中央控制单元采用短距离无线通讯的方式，室外通讯的可靠距离在 4 0 m 左右，公交车辆在接近站台时速度一般不快，即进站出站共计时间最少也要6 秒， 基本上可以满足系统运行的要求。公交系统中不同路数车辆和同路数不同车次车辆会同时 进站，车载单元与站台中央控制单元采用了频率分割和地址轮询相结合的通讯方式来解决 无线通讯难点，利用了两种方式进行点对多点通讯，在第四章将详细说明这两种无线通讯 流程和通讯协议。 2 7 站台中央控制单元与数据中心的通讯 站台中央控制单元与信息管理中心之间距离相对比较远，两者之间通过中国移动的 g s m g p r s 网络作为通讯媒介。站台中央控制单元采用g p r s 无线数传模块收发数据， 信息管理中心采用无线m o d e m 模块收发数据。本课题设计采用信息管理中心( 点) 对多 个站台中央控制单元( 多点) 的通讯方式，因此数据中心需要一个固定的口地址。在课 题中d t u ( 无线数传模块) 和无线m o d e m 均采用厦门桑荣科技发展有限公司的产品，分 别是g p r s ，c d m a d t us a r o1 0 1 0 p 和g s m g p r s 工业m o d e m 。 6 第三章无线通讯技术 随着通讯技术的发展，无线通讯技术已经越来越成熟，开发也越来越容易，在本课题 中采用了短距离无线通讯和g p r s 通讯技术，可以说是无线通讯是连接整个课题的桥梁， 在介绍各单元设计前，有必要先了解一下本课题中采用的两种无线通讯技术，尤其是短距 离无线通讯，车载信息采集正是基于其功能来实现无线数据传递。 3 1g p r s 无线通讯技术 3 1 1 g p r s 技术概述 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 ) 的英文简称，是在现有g s m 系 统上发展出来的一种新的承载业务，目的是为g s m 用户提供分组形式的数据业务 4 1 。g p r s 采用与g s m 同样的无线调制标准、同样的频带、同样的突发结构、同样的跳频规则以及 同样的t d m a 帧结构，这种新的分组数据信道与当前的电路交换的话音业务信道极其相 似。因此，现有的基站子系统( b s s ) 从一开始就可提供全面的g p r s 覆盖。g p r s 允许用户 在端到端分组转移模式下发送和接收数据，而不需要利用电路交换模式的网络资源。从而 提供了一种高效、低成本的无线分组数据业务。特别适用于间断的、突发性的和频繁的、 少量的数据传输，也适用于偶尔的大数据量传输。 g p r s 理论带宽可达1 7 1 2 k b p s ，实际应用带宽大约在4 0 1 0 0 k b p s ，在此信道上提供 t c p 口连接，可以用于i n t e r n e t 连接、数据传输等应用。g p r s 是一种新的移动数据通 信业务，在移动用户和数据网络之间提供一种连接，给移动用户提供高速无线p 或x 2 5 服务。g p r s 采用分组交换技术。每个用户可同时占用多个无线信道，同一无线信道又可 以由多个用户共享。资源被有效的利用，数据传输速率高达1 6 0 k b p s 。使用g p r s 技术实 现数据分组发送和接收，用户永远在线并且按流量计费，迅速降低了服务成本 3 1 2g p r s 数据收发模块 本课题中各个公交站台中央控制单元使用的厦门桑 荣科技发展有限公司的g p r sd t u 模块外观和原理框 图如图3 1 、3 - 2 。信息管理中心使用的是厦门桑荣公司 的g s m g p r st 业m o d e m 模块，它们是基于最新的 g p r s 数字移动通讯网络，克服了通讯距离短，性能不 稳定的缺点，真正实现无缝覆盖，并且没有距离限制， 实现全国漫游而且两种模块都采用工业级标准设计， 可以在条件恶劣的工业环境中这两种g p r s 模块都具 有以下特点删：图3 1g p r sd t u 外观图 ( 1 ) 实现串口透明的无线数据传输，稳定可靠； ( 2 ) 实现实时数据传输：当r s 2 3 2 口接收到数据时，通过g p r s 将数据传送到中心服 务器，或接收中心服务器发送的串口数据，实现对终端设备的控制。 ( 3 ) 内嵌t c p ，m 协议栈，包括t c p 、l i d p 、f t p 、s o c k e t 、t e u q e t 、p o p 3 、s m t p 、 h t r p 等，适用于更全面和更广阔的应用。 ( 4 ) 高速传输：g p r s 网络的传输速度最快将达到1 7 1 2 5 k b p s ，速率的高低取决于移 7 动运营商的网络设置，根据中国移动的网络情况，目前可提供4 0 - - - 1 0 0k b p s 的稳定数 据传输。 ( 5 ) 永远在线、按流量计费：s a r o1 0 1 0 p 上电后立即自动拨号上网，一直在线，断线 重拨连接；按照接收和发送数据包的数量来收取费用，没有数据流量传递时，不收费用。 ( 6 ) 组网简单、迅速、灵活：不依赖于运营商交换中心的数据接口设备，通过斟t e r n l t 网络随时随地的构建覆盖全中国的虚拟移动数据通讯专用网络。 ( 7 ) 动态m 地址管理，自动识别终端设备，保证虚拟专用网络的连接和安全性。 图3 - 2s a r o l 0 1 0 系列g p r sd t u 原理框图 3 2 n r f 2 4 0 1 芯片介绍 3 2 1 n r f 2 4 0 1 芯片概述及主要特点 n r f 2 4 0 1 无线收发一体芯片和蓝牙一样，都工作在2 4 g h z 自由频段，能够在全球无线 市场畅通无阻。n r f 2 4 0 1 支持多点间通信，最高传输速率超过i m b i t s ，而且比蓝牙具有更高 的传输速度。它采用s o c 方法设计。只需少量外围元件便可组成射频收发电路。与蓝牙不 同的是, n r f 2 4 0 1 没有复杂的通信协议，它完全对用户透明，同种产品之间可以自由通信。 更重要的是n r f 2 4 0 1 比蓝牙产品更便宜。所以n r f 2 4 0 1 是业界体积最小、功耗最少、外 围元件最少的低成本射频系统级芯片。n r f 2 4 0 1 的引脚排列如图3 3 所示。它采用 5 m m * 5 m m 的2 4 引脚q f n 封装。 n r f 2 4 0 1 的主要特点如下嘲： 采用全球开放的2 4 g h z 频段，有1 2 5 个频道，可满足多频及跳频需要 速率( 1 m b p s ) 高于蓝牙，且具有高数据吞吐量； 发射功率和工作频率等所有工作参数可全部通过软件设置； 电源电压范围为i 9 , - , 3 6 7 , 功耗很低 8 电流消耗很小，一5 d b m 输出功率时 的典型峰值电流为1 0 5 m a ； 每个芯片均可以通过软件设置最 多4 0 b i t 地址，而且只有收到本机地 址时才会输出数据( 提供一个中断 指示) ，同时编程也很方便 内置c r c 纠检错硬件电路和协议 采用s h o c k b u r s t 模式时，能适用极 低的功率操作和不严格的m c u 执行 内置看门狗 可l o o r f 检验 3 2 2n r f 2 4 0 1 芯片工作原理 n r f 2 4 0 1 的内部结构原理及外部 组成框图如图3 4 所示f 7 1 【。) 囝圈团囹回回 d a t aa mm 图3 - 3n r f 2 4 0 1 芯片引脚图( 顶视图) 图3 4n r f 2 4 0 l 的内部结构原理及外部组成框图 图中芯片主要管脚的功能如下：p w r - u p 为上电，c e 为工作状态使能端，c s 为片 选端，控制通过对n r f 2 4 0 1 的p w r - u p 、c e 、c s 管脚状态组合对n r f 2 4 0 1 工作模式进 行配置。其工作模式如表3 1 所示。n r f 2 4 0 1 通过c l k 、d a t a 、d r 接收与发送数据。 9 表3 - 1n r f 2 4 0 1 作模式表 工作模式p w rc e c s 收发模式 1lo 配置模式 l0l 空闲模式 l00 掉电模式 o ， n r f 2 4 0 1 具有1 4 4 位状态字如表3 - 2 所示1 9 1 ，控制器通过软件设置来配置其中的1 2 0 位的配置位，包括其发射功率、工作频率等所有工作参数。如何配置这1 2 0 位状态字的程 序见附录l 当控制器n r f 2 4 0 1 设为配置方式，出通道l 向n r f 2 4 0 1 写入状态字的配置值， 写时高位在前。配置方式下，控制器写状态字的过程与激活方式下向n r f 2 4 0 1 写入数据 的过程完全一样，都是通过c l k 、d r 和d a t a 组成的三线接口完成。 表3 - 2n r f 2 4 0 1 的1 “位状态字 位置个数名称功能 s h o e k b 惦r t1 4 3 1 2 0 2 41 b x t测试保留 模式设置1 1 9 1 1 28d a = r a 2w通道2 数据段长度 1 1 1 1 0 48d a i ：a 1w通道1 数据段长度 1 0 3 6 44 0a d d i 也 通道2 硬件地址 6 3 2 44 0a d d r l通道1 硬件地址 2 3 1 86a d d rw地址段长度 1 7lc r cl检验段长度，值为1 ，是1 6 b i t ，为0 是8 b i t 1 6lc r ce n检验使能，值为l ，是检验有效，为0 是无效 一般设置1 5lr x 2e n启动通道数，值为l 是两通道，为0 是单通 道 1 4lc m通信模式，值为l 表不哭发模式，为0 表示 直接传递模式 1 3lr f d rs b通信数率，值为1 表示l k b w s ，为0 表示 2 5 0 k b i t s 1 2 1 0 3x of晶振频率，值为0 1 1 ，表示1 6 m h z 9 82r fp w r输出功率，值为1 l 7 17 r fc h 撑设置工作频率，值为x ，则通道l 为 2 4 0 0 m h z + x 1 o m h z olr n工作状态，值为1 表不搔收状态，为u 表不 发送状态 p i l e - a m b l e 为数据包头，可设为4 b i t 或8 b i t 。它的值与a d d r e s s 的第一位有关。 当a d d r e s s 第一位为0 时，包头取值为“0 1 0 1 0 1 0 1 ”，反之则为“1 0 1 0 1 0 1 0 ”。一帧数 l o 据从a d d r e s s 到c r c 最多包含2 5 6 b i t 。a d d r e s s 为接收方通道硬件地址段，可设为 8 b i t - - 4 0 b i t ，只有符合本机硬件地址的数据帧才会被接收c r c 为数据校验段，可设定8 b i t 或1 6 b i t 校验位。p i 。a o a d 段为待发送数据段，长度为：帧长度a d d r e s s 段- c r c 段的长度。本论文中公交车要发送的车载信息就放在p l 触l ，l o a d 中。 n r f 2 4 0 1 具有突发( s h o e k b u r s t ) 传递和直接传递两种工作模式【6 j f 9 j ，本课题中主要 采棒的是突发( s h o c k b u r s ) 传递模式，本论文主要介绍一下突发( s h o e k b - s t ) 传递工 作模式。 n r f 2 4 0 1 的s h o c k b u r s tr x t x 模式采用片上先进先出( f i f o ) 来进行低数据率的时钟 同步和高数据率的传输，因此极大的降低了功耗。s h o c k b u r s t 发射主要通过m c u 接口引脚 c e 、c l k l 和d a t a 来完成。当m c u 请求发送数据时。置c e 为高电平，此时的接收机 地址和有效载荷数据作为n r f 2 4 0 1 的内部时钟，可用请求协议或m c u 将速率调至 1 m b p s l 6 1 ；置c e 为低电平可激活s h o c k , b u r s t 发射。s h o c k b u r s t 接收主要使用m c u 接口 引脚c e 、d k i 、c l k l 和d a l _ a 来实现。当正确设置射频包输入载荷的地址和大小后， 置c e 为高电平可激活r x 。此后便可在n r f 2 4 0 1 监测信息输入2 0 0 u s 嘲，若收到有效数 据包，则给m c u 一个中断并置d r l 为高电平，以使m c u 以时钟形式输出有效载荷数据， 待系统收到全部数据后，n r f 2 4 0 1 再置d r l 为低；此时如果c e 保持高电平，则等待新 的数据包。若c e 置低电平，则开始接收新的序列。$ h o c k b u r s t 方式下接收、发送流程如 图3 5 、3 - 6 r 巧1 9 j 配置n r f 2 4 0 i n n n 掣否夕 收到数据， iy - arf240 i e i 判断 地址是否确 i y 赢c r c 渺 接收数据井判、： 是