（通信与信息系统专业论文）城市公交智能管理调度系统关键技术研究与开发.pdf

摘要 本学位论文的研究课题来源于南京市专利技术产业化项目“基于蓝牙技术的城市公交智能管理 调度系统”( 项目编号：2 0 0 7 0 1 0 8 4 ) ，主要研究城市公交智能管理调度系统( i u t m s s ，i n t e l l i g e n t u r b a n t r a n s p o r t a t i o nm a n a g i n ga n ds c h e d u l i n gs y s t e m s ) 中的关键技术。课题中综合运用嵌入式技术、数据 库技术、蓝牙技术和通用无线分组业务( g p r s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 技术，以实现城市公 交的智能化，旨在提高公交公司的管理水平，向乘客提供优质的公交服务。 论文在深入研究城市公交智能化需求的基础上，提出一种i u t m s s 的总体解决方案，阐述该方 案中车载系统和站台系统的设计与实现方法，详细论述其硬件和软件设计中的关键部分。为满足公 交客流数据统计的需求，提出一种基于新型检测模块的全新客流数据采集方法，与现有方法相比， 该方法能以较低成本有效地获得准确的客流数据。所研制车载系统充分利用蓝牙模块，在站台系统 辅助下，实现公交车定位、自动报站、数据传输等功能，解决了其他车载系统方案实现上述功能时 存在的成本较高问题。为满足多个车载系统同时接入站台系统的要求，提出在站台系统中使用多蓝 牙模块协同工作的方法。 全文共分五章。第一章主要介绍课题背景、研究意义以及论文的章节安排。第二章首先分析系 统设计的总体要求，然后提出两种设计方案，并指出各自的优缺点，最后简要介绍采用方案中涉及 的相关技术。第三、四章分别详细介绍车载系统和站台系统的软硬件设计与实现方法，是全文的核 心内容。第五章首先讨论在一般场景下车载系统与站台系统之间的通信过程，接着详细分析多种特 殊场景下出现的问题，并提出相应解决方案，然后针对车载系统接入站台系统的接入性能，运用排 队理论建立数学模型，随后进行计算机仿真，仿真结果表明站台系统所采用的方案能够满足车载系 统的接入要求。 关键词：车载系统，站台系统，自动报站，公交车定位，多蓝牙模块 a b s t r a c t t h er e s e a r c hs u b j e c to ft h i st h e s i si ss u p p o r t e db yt h ef o u n d a t i o no fl n d u s t r i a l i z a t i o nf o rp a t e n t t e c h n o l o g yo fn a n j i n g ( n o 2 0 0 7 0 10 8 4 ) ，w h i c hi sn a m e dt h ei n t e l l i g e n tu r b a nt r a n s p o r t a t i o nm a n a g i n g a n ds c h e d u l i n gs y s t e m s ( i u t m s s ) b a s e do nb l u e t o o t ht e c h n o l o g y f o rt h ep u r p o s eo fi n t e l l i g e n t i z i n g u r b a nt r a n s p o r t i o n , t h em a i nt a s ko ft h i st h e s i si st or e s e a r c ho nt h ek e yt e c h n o l o g i e so ft h ei u t m s si n w h i c he m b e d d e dt 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 y , b l u e t o o t h t e c h n o l o g ya n dg p r st e c h n o l o g ya r eu s e d i t i sd e s i g n e dt oi m p r o v et h em a n a g e m e n tl e v e lo fb u sc o m p a n i e sa n dt op r o v i d eh i g h - q u a l i t y p u b l i c t r a n s p o r t a t i o ns e r v i c e sf o rp a s s e n g e r s a f t e rs t u d y i n gt h en e e d so fi n t e l l i g e n tu r b a nt r a n s p o r t a t i o nt h r o u g h l y , at o t a ls o l u t i o nf o rt h ei u t m s s i sp r o p o s e d t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eb u s - m o u n t e ds y s t e ma n ds t a t i o ns y s t e ma r ed e s c r i b e d , a n dt h e ns o m ek e yp a r t si nh a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g na r ed i s c u s s e di nd e t a i l t h en e wm e t h o df o r p a s s e n g e rf l o wc o l l e c t i o nb a s e do nt h ed e s i g n e dn e wm o d u l ei sp r e s e n t e d i ti ss h o w nt h a tt h en e w a p p r o a c hc a nc o l l e c ta c c u r a t ed a t aa tl o wc o s ta n dh i g hp e r f o r m a n c ec o m p a r e d 、 r i t l lo t h e rm e t h o d s t h e d e s i g n e db u s m o u n t e ds y s t e m ，w h i c hc o o p e r a t e s 、v i mt h es t a t i o ns y s t e m ，m a k e sf u l lu s eo ft h eb l u e t o o t h m o d u l et oi m p l e m e n tt h ef u n c t i o n so fb u sl o c a l i z a t i o n , a u t o m a t i cb u s - s t o pr e p o r ta n dd a t at r a n s m i s s i o n a n di t sc o s ti sl o w e rt h a no t h e re x i s t i n gb u s m o u n t e ds y s t e m s i no r d e rt om e e tt h es i m u l t a n e o u sa c c e s s r e q u i r e m e n t so fs e v e r a lb u s - m o u n t e ds y s t e m s ，as c h e m ei nw h i c hm u l t i - b l u e t o o t hm o d u l e s c o - w o r k t o g e t h e ri nt h es t a t i o ns y s t e mi sg i v e n t h i st h e s i si sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r sa sf o l l o w s i nc h a p t e r1 ，t h eb a c k g r o u n do f t h er e s e a r c hs u b j e c ta n dt h ea r c h i t e c t u r eo f t h i st h e s i sa r ei n t r o d u c e d t h er e q u i r e m e n t so ft h ei u t m s sa r ea n a l y z e di nc h a p t e r2 t h e n , t w os o l u t i o n sa r ep r o p o s e da n d t h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e sa l ep o i n t e do u t f i n a l l y , ab r i e fo v e r v i e wo fr e l a t e dt e c h n o l o g i e si s d i s c u s s e d t h ec o r eo ft h i st h e s i si sc h a p t e r3a n dc h a p t e r4 t h ed e s i g na n di m p l e m e n t a t i o no ft h eb u s - m o u n t e d s y s t e ma n dt h es t a t i o ns y s t e ma r ep r e s e n t e di nd e t a i li nc h a p t e r3a n dc h a p t e r4r e s p e c t i v e l y i nt h el a s tc h a p t e r , t h ec o m m u n i c a t i o np r o c e s sb e _ 七、) w 七nt h eb u s m o u n t e ds y s t e ma n dt h es t a t i o n s y s t e mi nt h en o r m a ls c e n a r i oi sd i s c u s s e d s u b s e q u e n t l y , t h ep r o b l e m si nt h es p e c i a ls c e n a r i o sa r e a n a l y z e d , a n dt h e nt h es o l u t i o n sa r ef o l l o w e d b a s e do nq u e u et h e o r y , am a t h e m a t i c a lp e r f o r m a n c em o d e l o f t h eb u s m o u n t e ds y s t e ma c c e s s i n gt h es t a t i o ns y s t e mi sc o n s t r u c t e da n ds i m u l a t e d 1 1 1 er e s u l ts h o w st h a t t h es t a t i o ns y s t e mu s i n gm u l t i b l u e t o o t hm o d u l e sc a nm e e tt h ea c c e s sr e q u i r e m e n t so ft h eb u s - m o u n t e d s y s t e m k e yw o r d s ：b u s m o u n t e ds y s t e m , s t a t i o ns y s t e m , a u t o m a t i cb u s - s t o pr e p o r t , b u sl o c a l i z a t i o n , m u l t i b l u e t o o t hm o d u l e s 缩略语 异步无连接( a c l ，a s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o n l e s s ) 接入点( a p ，a c c e s sp o i n t ) 接入点网络( a p n ，a c c e s sp o i n tn e t w o r k ) 应用编程接口( a p i ，a p p l i c a t i o np r o g r a m m i n gi n t e r f a c e ) 公交车识别码( b i n ，b u sl d e n t i f i c a t i 伽n u m b e r ) 中国移动互联网( c m 卜e t ，c h i n am o b i l en e t w o r k ) 清除发送( c t s ，c l e a rt os e n d ) 设备识别码( d i n ，d e v i c el d e n t i f i c a t i o nn u m b e r ) 载波检测( d c d ，d a t ac a r r i e rd e t e c t ) 数据请求( d r e q ，d a t ar e q u e s t ) 数据准备好( d s r ，d a t as e tr e a d y ) 数据终端准备好( d t r ，d a t at e r m i n a lr e a d y ) 数据缓冲区( f i f o ，f i r s ti nf i r s to u t ) 高斯频移键控( g f s k ，g - a u s s i a nf r e q u e n c ys h i rk e y i n g ) 全球定位系统( g p s ，g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 通用无线分组业务( g p r s ，g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 全球移动通信( g s m ，g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n ) 图形用户界面( g u i ，g m p l l i cu s e ri n t e r f a c e ) 工业、科学、医学频段( i s m ，i n d u s t r ys c i e n c em e d i c i n e ) 智能交通系统( i t s ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) 城市公交智能管理调度系统( i u t m s s ，i n t e l l i g e n tu r b a nt r a n s p o r t a t i o nm a n a g i n ga n ds c h e d u l i n g s y s t e m s ) 操作系统( o s ，o p e r a t i n gs y s t e m ) 个域网( p a n ，p e r s o n a l a r e a n e t w o r k ) 点对点协议栈( p p p ，p o i n tt op o i n tp r o t o c 0 1 ) 振铃指示( r i ，r i n g i n gi n d i c a t o r ) 请求发送( r t s ，r e q u e s tt os e n d ) 接收数据( r x d ，r e c e i v ed a t a ) 串行命令接口( s c i ，s e r i a lc o m m a n di n t e r f a c e ) 同步面向连接( s c o ，s y n c h r o n o u sc o n n e c t i o no r i e n t e d ) 串行数据接口( s d i ，s 鲥a ld a t ai n t e r f a c e ) 信号地线( s g ，s i g n a lg r o u n d ) 特别兴趣小组( s i g ，s p e c i a li n t e r e s t i n gg r o u p ) 站台识别码( s i n ，s t a t i o nl d e n t i f i c a t i o nn u m b e r ) 短消息业务( s m s ，s h o r tm e s s a g es e r v i c e ) 时分双工( t d d ，t i m ed i v i s i o nd u p l e x ) 发出数据( t ) 【d ，t r a n s m i td a t a ) 通用异步收发器( u a r t ，u n i v e r s a la s y n c h r o n o u sr e c e i v et r a n s m i t t e r ) 通用同步，异步数据收发器( u s a r t ，u n i v e r s a l a s y n c h r o n o u s s y n c h r o n o u s r e c e i v e r t r a n s m i t t e r ) 芯片内执行( x i p ，e x e c u t ei np l a c e ) v 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 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 表或撰写过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用 过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明 并表示了谢意。 研究生签名：蜱日期：掣 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的 复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文档的内 容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可 以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研 究生院办理。 研究生签名：幛导师签名：乏雌日期： 第1 章绪论 1 1 课题的背景和意义 第1 章绪论 随着城市经济的迅速发展和城市规模的不断扩大，机动车拥有量及道路交通流量急剧增加，与 此同时公交车数量逐年增加、线路延长、车次增多，使得城市交通运行不畅状况日益突出，该问题 在大城市尤为突出。 城市化进程的加快造成了城市居民出行量的逐年递增，2 0 0 4 年城市居民的交通总量已达2 5 0 0 亿人次，而现在每天居民出行总量超过1 0 0 0 万的城市已经有很多，超过两千万的有北京、上海、武 汉、广州以及深圳等，然而，由于多种原因致使公交车辆运营速度大幅下降，新增的运力被运输效 率下降抵消，公交承担运量不断减退，居民出行方式逐年由公交向私家车、电动车等个体交通方式 转移，这无疑加剧了交通需求的不断增加与公共交通发展相对滞后的矛盾，这也成为各大城市必须 解决的城市问题之一 1 j 。 尽管政府为了解决上述问题修建或扩建了很多城市道路，购买了很多新型公交车辆，进行了浩 大的无车日活动，但交通不畅以及公交出行占整个交通出行比率很低的问题依然存在。 国内外多年实践经验表明，解决上述问题的重要途径在于发展公共交通，建立先进的智能交通 系统( i t s ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m s ) ，提高道路通行能力和公交车辆运营管理水平。为此， 国内外的相关政府机关、研究院所对此投入了大量的人力、物力、财力，希望在理论研究和工程实 践上取得重大突破【2 。4 1 。 虽然我国一些城市的公共运输系统已经逐步引入先进的高新技术，但总体水平仍然较低。基本 上还是采用“定点发车、两头卡点”的手工作业的调度方式，时常出现“串车”、“大间隔”等现象， 严重影响了公交客运的服务质量。尤其是缺乏现代化通信手段，调度人员无法实时了解运营车辆情 况，难以及时有效地采取调度措施，公交车辆调度具有较大的盲目性和滞后性。 实施城市公交智能管理调度系统( i u t m s s ，i n t e l l i g e n tu r b a nt r a n s p o r t a t i o nm a n a g i n ga n d s c h e d u l i n gs y s t e m s ) 可以显著提高城市公交客运的服务水平，吸引更多乘客采用公交的出行模式， 从而减少交通拥挤、空气污染和能源消耗等；公交公司可以及时掌握公交车的运行情况，根据客流 数据和调度算法，实现高效的动态的车辆调度，提高发车效率，降低运营成本；候车市民根据电子 站牌上发布的公交车位置信息，及时调整乘车计划，改善了公交公司的企业形象1 1 。 1 2 论文的主要内容以及各章节安排 智能交通系统的研究已经成为国内外的一个研究热点，而本论文所研究的基于蓝牙的i u t m s s 属于其中的一个重要分支。 本论文对i u t m s s 的要求和现有的解决方案进行了研究，提出了融合嵌入式技术、无线通信技 术和数据库技术的整体解决方案，细致研究了该方案中的一些关键技术，并研制了方案中的车载系 统和公交站台系统等关键设备。 本文共分五章，各章的主要内容如下： 第1 章：绪论。介绍课题背景和意义、论文的主要内容以及各章节安排。 l 东南大学硕士学位论文 第2 章：城市公交智能管理调度系统的总体方案设计。本章首先分析i u t m s s 的设计要求，然 后提出两种总体解决方案，并分析各自的优势，最后概述课题中涉及的嵌入式系统技术、蓝牙技术 以及g p r s 技术等相关内容。 第3 章：车载系统的设计与实现。本章首先阐述车载系统硬件电路的总体设计方案，详细介绍 各模块的设计与实现方法，然后对车载系统中各功能模块的软件实现方法进行深入探讨，最后简要 介绍硬件设计过程中的一些注意点。 第4 章：站台系统的设计与实现。本章给出站台系统中软硬件平台的设计与实现。针对站台系 统的设计需求，首先给出两种设计方案，并分析两者的优缺点，最终采用多蓝牙设计方案。本章对 硬件平台中的关键电路做了详细说明，该硬件平台以嵌入式处理器a t 9 1 r m 9 2 0 0 为核心。在软件方 面，本章简要概述软件平台的搭建，并详细阐述应用软件的实现方法。 第5 章：站台系统数学模型与性能分析。本章首先介绍车载系统与站台系统在一般场景下的通 信过程，接着针对特殊场景下出现的问题进行详细分析，并提出相应的解决方案。最后，运用排队 理论对车载系统接入站台系统的性能建立数学模型，并进行计算机仿真和性能分析。 2 第2 章城市公交智能管理调度系统的总体方案设计 第2 章城市公交智能管理调度系统的总体方案设计 本章首先分析了智能公交系统需要实现的功能，然后介绍两种实现方案，并给出各自的优缺点， 最后概述了本课题中涉及的嵌入式系统技术、蓝牙技术以及g p r s 技术等相关内容。 2 1 系统设计要求 实施i u t m s s 系统的目的主要有以下几点：提高城市公共交通服务水平，吸引更多乘客采用公 交的出行模式；使公交公司及时掌握公交运行情况，动态调整发车问隔：使候车市民掌握公交车行 驶位置，能够及时调整出行计划：使乘车市民及时获知停靠站台名称，提前做好下车准备。因此我 们设计的系统应该满足以下几个方面的功能要求，分别论述如下。 ( 1 ) 自动报站功能 当公交车驶近站台时，系统设备不需要驾驶员干预，能够自动播报站名，提醒乘客做好下车准 备。当有特殊提示时，司机可使用按键手动控制，比如播报“请主动给老、弱、病、残、孕和需要 帮助的乘客让个座，谢谢! ”等特殊语音。 ( 2 ) 车辆定位功能 为了实现高效的动态调度和对公交车行驶状况的监控，控制中心需要及时获知公交车的位置信 息。控制中心可以使用系统提供的车辆定位功能，在监控室大屏幕上了解公交车的运行信息。一旦 出现堵车等情况，造成前后车辆间隔时间过长时，控制中心可及时采取有效补救措施。 ( 3 ) 客流数据统计功能 由于实现动态调度功能的前提是控制中心及时获取公交车位置信息和客流数据，因此系统需要 实现客流数据统计功能。 ( 4 ) 公交车位置信息发布功能 为了使候车市民能够及时知道所等候公交车的大致位置，系统需要能够将公交车的位置信息及 一些公益信息( 比如天气预报等) 发布到公交站台的电子站牌显示屏上。 ( 5 ) 数据无线传输功能 控制中心需要及时获得公交车的乘客数据和公交车的位置信息，电子站牌显示屏也需要及时获 得公交车位置信息，而上述设备处于不同地点，且公交车处于移动中，因此数据传输只能采用无线 方式。 ( 6 ) 动态调度功能 目前，大部分公交公司仍采用落后的人工调度方式，不能保证每辆公交车的出车效率，本课题 所研究的系统需要能够根据客流量情况动态地调度车辆。 2 2 系统设计方案 为了满足上述系统设计要求，i u t m s s 系统由四部分组成：车载系统、站台系统、控制中心系 统和车场系统。无线通信技术、公交车定位技术和自动报站技术的多样性给系统的设计带来了多种 3 东南大学硕士学位论文 选择，下面给出两种设计方案，并分析了它们的优缺点。 2 2 1g p r s g p s 方案 全球定位系统( g p s ，g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 是以卫星为基础的无线电导航系统，具有全能 性( 陆地、海洋、航空、航天) 、全球性、全天候、连续性、实时性的导航、定位和授时等多种功能， 能为各类静止或高速运动的用户提供精密的瞬间三维空间坐标、速度矢量等多种服务5 1 。 该方案车载系统中使用g p r s g p s 模块，通过g p s 模块实现公交车定位和自动报站功能，使用 g p r s 模块实现与控制中心数据交互；站台系统中使用g p r s 模块接收控制中心发布的公交车位置 信息等，并在电子站牌中显示；车场系统与控制中心之间通过g p r s 或i n t e m e t 网实现数据交互睁7 1 。 该系统方案的总体框图如图2 1 所示。 * 厂 t u ( 3 1 ) 1 5 东南大学硕士学位论文 咒 ( i ) 当式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 、( 3 3 ) 都成立时，该输入信号为有效刷卡信号； ( 2 ) 当式( 3 1 ) 或式( 3 2 ) 不成立时，该输入信号为外界干扰信号； ( 3 ) 当式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 成立但式( 3 3 ) 不成立时，该输入信号为无效刷卡信号。 ( 3 2 ) ( 3 3 ) 上述决策方法的依据是：当死介于死和之间时，该信号有可能为刷卡信号，低电平结束后， 控制器继续采集输出电平值，只有当珀超过时，该信号才为一次有效刷卡信号，即同时满足式 ( 3 1 ) 、( 3 2 ) 、( 3 3 ) ；如果死小于死或不小于乃，这时已经能够断定该信号为无效刷卡信号，则 不检验是否满足式( 3 3 ) ，判定此次为外界干扰造成的误触发，如图3 8 ( b ) 所示；如果死介于死 和之间，但珏不超过，即满足式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 但不满足式( 3 3 ) ，则为无效刷卡信号造成的 误触发，如图3 8 ( c ) 所示。只有同时满足式( 3 1 ) 、( 3 2 ) 、( 3 3 ) 时，控制器才累加刷卡人数， 否则不累加。 3 2 2 自动报站模块 与现有基于g p s 的自动报站方法不同，本文提出的自动报站方法是根据站台s i n 来播放相应的 语音数据。自动报站功能的实现依赖于车载系统是否能够及时获取站台s i n 。 当站台系统与车载系统成功建链后，车载系统的蓝牙模块立即将s i n 传送给主控制器，控制器 在站台s i n 列表中查找是否有该s i n ：如果线路中有此识别码，则随即获得该站台对应的语音曲目 号，自动报站模块根据该曲目号播放相应语音文件；如果没有此识别码，则进行出错处理。 下面详细介绍v s l 0 0 3 播放报站语音的软件设计。 v s l 0 0 3 主要通过串行命令接口( s c i ，s e r i a lc o m m a n di n t e r f a c e ) 和串行数据接口( s d i ，s e r i a l d a t ai n t e r f a c e ) 来接收s 1 8 9 l e 5 8 r d + 的控制命令和m p 3 语音数据。通过x c s 、x d c s 引脚的置高、 置低来确认是哪一个接口处于传送状态( 低电平时片选输入有效，高电平时强制使串行接口进入 s t a n d b y 模式，结束当前操作) 。 对于v s l 0 0 3 芯片的功能控制，如初始化、音量控制等，都是通过s c i 写入到内部特定寄存器 实现，根据数据请求( d r e q ，d a t ar e q u e s t ) 引脚电平值来判断上次处理是否完成。当d r e q 引脚 的值为高电平时，v s l 0 0 3 的f i f o 能够接收数据，此时，v s l 0 0 3 可获取3 2 b y t e s 的s d i 数据或一个 s c i 命令：当d r e q 变低时，发送器必须停止发送新的数据。 自动报站控制器有两种工作模式：正常工作模式和数据更新模式。正常工作模式指自动报站模 块完成自动报站功能，数据更新模式指自动报站模块完成对s d 卡中数据的无线更新。s t c 单片机 通过检测p i o 口( p 2 2 ) 电平高低判断当前所处模式。自动报站软件流程图如图3 9 所示。 3 2 3 数据传输 当车载系统与站台系统中蓝牙建立数据链路后，为了实现公交车定位功能，我们将公交车识别 码( b i n ，b u si d e n t i f i c a t i o nn u m b e r ) 和客流数据一起发送给站台系统。数据帧结构组成如图3 1 0 所示，数据帧中各字段的相应解释如表3 1 所示。 1 6 第3 章车载系统的设计与实现 图3 9 自动语音报站软件流程图 1 7 东南大学硕士学位论文 帧头标识i 帧长度l b i n l 刷卡数据l 投币数据l 下车数据i 保留i 校验码l 结束符 图3 1 0 数据帧结构组成图 表3 i 数据帧格式 信息项字节数 注解 帧头标识 l 标识通信包的开始 帧长度 2 通信包包体长度 b i n6 公交车识别码，即车载系统内蓝牙模块地址，用于公交车定位 刷卡数据 2 刷卡检测模块获得数据 投币数据 2 投币机数据 下车数据 2 下车人数数据 保留 2用于后期功能扩展，默认以0 填充 校验码 l 前面所有字节的异或值 结束符 l 标识通信包的结束 3 3 客流统计的具体实现方法 如图3 2 所示，客流统计模块由刷卡检查模块、下车乘客统计模块以及投币机组成。其中，刷 卡检测模块由麦克风、带通滤波电路、放大电路、单向导通电路、r c 滤波电路、比较电路组成。 本文提出的客流统计方法具体实现包括以下步骤并按所述顺序进行： ( 1 ) 麦克风采集刷卡信号后，将其送至带通滤波电路，带通滤波电路起到抑制外界干扰信号的 作用； ( 2 ) 将步骤( 1 ) 所得信号送至放大电路，放大带通滤波器通带内的信号电压； ( 3 ) 将步骤( 2 ) 所得信号依次送至单向导通电路、r c 滤波电路，获得刷卡声音的包络信号： ( 4 ) 将步骤( 3 ) 所得包络信号送至比较电路，得到与各种刷卡信号相对应的具有不同占空比 的方波信号； ( 5 ) 将步骤( 4 ) 所得信号送至主控制器，主控制器根据方波信号的不同占空比特性，决定是 否累加刷卡人数，即若确认当前方波信号为有效刷卡信号，则累加刷卡人数值，否则不累加。该累 加结果即为刷卡客流量，再结合投币机数据( 投币机直接给出投币数据) ，统计得到上车客流数据； ( 6 ) 由下车乘客统计模块获得下车客流数据，结合步骤( 5 ) 所得上车客流数据，最终统计出 公交客流数据。 使用一种圆锥状机械外观的装置将麦克风紧紧靠在刷卡器的扬声器上，麦克风将采集的刷卡信 号送入带通滤波器，经上述两种措施处理后，减少了外界信号对刷卡信号的干扰，大大降低了由于 外界干扰引起的虚警概率。 为了提高后级电路信号处理的准确性，降低漏警概率，将带通滤波器处理后信号送至放大电路， 1 8 第3 章车载系统的设计与实现 将带通内信号电压进行适当放大，放大倍数取决于麦克风所采集信号的幅值。 由于后级电路仅仅需要刷卡信号的包络，因此可以通过隔直电容隔离直流电压，并通过单向导 通电路截止前级电路输出的负值电压，然后通过r c 滤波电路获得刷卡信号的包络。包络信号经过 比较电路后，得到不同占空比的方波信号。 根据方波信号占空比不同、刷卡器对前后两次刷卡间隔的最小要求以及现实中两次刷卡问隔不 可能很小的实际情况，微控制器能够检测出喇叭声等外界干扰或“刷卡太快，请重刷”等无效刷卡 与有效刷卡的区别。仅当发生有效刷卡时才将此次刷卡计入刷卡乘客总数中，大大降低了系统的虚 警概率，具体实现方法如下： 当比较电路输出信号出现低电平( 有刷卡信号或者干扰信号) 时，微控制器则连续采集比较电 路的输出信号电平值，只有当低电平值持续时间死超过t t , ( 实测死4 4 0 m s 。该值取决于比较电路 中门限值) 才可能为刷卡信号，低电平结束后，继续采集比较电路的输出值，只有当高电平时间珀 超过( 实测2 0 0 m s ，该值取决于比较电路中门限值) 时，才是有效刷卡信号，如图3 8 ( a ) 所示。这是因为如果低电平时间小于死，此次为喇叭声、手机铃声等外界干扰造成的误触发，如图 3 8 ( b ) 所示；如果高电平时间珀小于，则此次为“刷卡太快，请重刷 、“余额不足，请充值” 等无效刷卡信号造成的误触发，如图3 8 ( c ) 所示。实际实现过程中没有判断死是否小于。 上车客流数据由刷卡客流数据和投币机数据共同组成。下车乘客统计模块采用主动红外方式， 完成下车乘客数统计工作。将下车客流数据与上车客流数据结合使用，最终实现公交客流数据统计。 3 4 硬件设计注意要点 在车载系统中，既有高速数字电路，又有敏感的模拟语音电路，还有2 4 g h z 的蓝牙射频电路， 因此在设计p c b 时必须注意相互间的隔离。 p c b 板外形确定后，要合理分布各种元器件：数字电路、模拟电路尽可能各自集中。蓝牙模块 和模拟音频电路尽可能远离。 在布线方面，弱信号处理部分尽可能靠近信号的输入端或检测端，这样可以为后续信号处理提 供更“干净”的信号。由于本系统中采用双单片机的模式，单片机之间通信通过p i o 口组成的并口 进行通信，因此各个数据线的长度要保持尽量等长。 为了增加p c b 板的抗干扰能力，对数字电路采用大面积敷铜的方法，两面的敷铜使用多个过孔 相连。而对模拟电路没有进行大面积敷铜，因为大面积敷铜反而可能会引入干扰。在设计中，对模 拟电路部分地线单独布线，最后通过0 欧电阻和数字地点相连。 在设计过程中，为了便于p c b 硬件测试以及软件调试，可以适当增加测试焊盘或者增加l e d 指示灯，在系统调试过程中这种方法对我起了很大帮助【1 9 - 2 0 。 3 5 本章小结 车载系统是城市公交智能管理调度系统的关键子系统之一，本章中对车载系统的硬件和软件进 行了设计和实现。在所设计的硬件电路基础上，对软件设计进行了详细介绍和分析，并对关键的程 序设计给出程序流程图。本章还对硬件设计过程中的注意点做了简要阐述。 1 9 第4 章站台系统的设计与实现 第4 章站台系统的设计与实现 上一章详细介绍了城市公交智能管理调度系统中车载系统的硬件设计和软件设计。这一章中将 详细分析城市公交管理调度系统中另一关键子系统站台系统的硬件设计和软件设计。本章中首 先给出站台系统的总体设计方案，然后分别对硬件设计和软件设计进行了详细讨论。 4 1 站台系统功能定义 根据站台系统的需求，综合考虑功能、实用、价格等多方面因素，我们设计的站台系统应该满 足以下几个方面的要求： ( 1 ) 蓝牙无线接入功能 在城市公交智能管理调度系统的总体设计方案中，车载系统采用蓝牙通信技术作为传输车载数 据的无线通信技术，因此站台系统设计过程中必须保证车载系统的蓝牙无线接入。 ( 2 ) 蜂窝网络互连功能 站台系统接收车载端数据后，必须将其转发至控制中心系统，而蜂窝网络是目前覆盖范围最广 的无线网络，通过蜂窝网可以方便快捷地将上述数据发送至控制中心系统；同时站台系统可以通过 蜂窝网接收控制中心系统的数据。 ( 3 ) 以太网互连功能 在一些布线方便或没有蜂窝覆盖的区域，站台系统可以通过以太网与控制中心系统相连，实现 数据的交互。 ( 4 ) 信息显示功能 目前，绝大部分公交站台仅提供候车亭，候车市民只能盲目等待，无法及时判断是否需要换乘 其他车辆或改换其他交通方式。为了方便在公交站台候车市民能够及时掌握所等公交车的位置信息， 站台系统有必要将这些信息通过l e d 屏显示出来，引导乘客候车。 4 2 站台系统总体设计方案 为了实现4 1 小节所述功能，必须合理地进行方案设计。下面给出了站台系统的两种设计方案， 并对它们的优缺点进行比较。 4 2 1 单蓝牙方案 该方案中系统主要组成部分包括：控制器( 单片机) 、蓝牙模块、g p r s 模块以及l e d 显示屏 模块，如图4 1 所示。 系统工作原理如下：当站台系统的蓝牙与车载系统的蓝牙成功建链后，车载系统将客流数据发 送给站台系统：站台系统通过g p r s 模块将数据发送至控制中心系统。l e d 显示屏显示来自控制中 心的信息。 该方案具有如下特点： 2 l 东南大学硕士学位论文 ( 1 ) 采用单片机作为控制器，软件开发过程较为简单； ( 2 ) 硬件成本较低，便于大规模推广； ( 3 ) 单片机的硬件接口种类较少，当进行功能扩展时，需要通过软件模拟硬件的方法实现与外 围设备的数据交互； ( 4 ) 当有多辆公交车驶进站台时，该方案站台系统无法保证蓝牙无线接入( 第5 章将对此做详 细阐述) ，并最终导致车载系统无法实现自动报站、公交车定位等功能。 ak 蓝牙模块 y i g p r s 一卜 控匍器 模块 ： l e d 显示屏 图4 1 单蓝牙方案结构图 4 2 2 多蓝牙方案 该方案主要组成部分包括：处理器( a r m 9 ) 、多蓝牙模块、g p r s 模块以及l e d 显示模块，如 图4 2 所示。 蓝牙模块。k = = 令 刮存储器 f 蓝牙模块。k = = 令 | n - - - - v 嚣杏 a 剐m 吲一祸处理器 蓝张毙l 吲扩展口 g p g s 模i ka - - - 刮- n 电源模块 图4 2 多蓝牙方案结构图 该方案与上一方案的主要区别在于：( 1 ) 增加了蓝牙模块数量；( 2 ) 使用a r m 处理器代替单 片机。 该方案具有如下特点： ( 1 ) 采用a r m 9 处理器作为主控单元，指令执行效率更高，可以运行嵌入式操作系统，易于 实现复杂的功能； 第4 章站台系统的设计与实现 ( 2 ) 采用多蓝牙模块后，能够保证多辆公交车驶近站台时，实现蓝牙无线接入功能，从而保证 车载系统能够实现自动报站功能； ( 3 ) a r m 9 处理器接口丰富，系统的可扩展性好； ( 4 ) 硬件成本略高于单蓝牙方案。 虽然多蓝牙方案的硬件成本比单蓝牙方案略高，但其所带来的系统整体性能的提升足以弥补上 述不足，且该方案的可扩展性也是很大优势，因此，本文选用多蓝牙方案作为最终实施方案。 4 3 站台系统硬件模块设计 本文采用核心板+ 底板+ 子板的方案实现站台系统的硬件平台：核心板包括处理器电路和存储器 电路；底板包括以太网接口电路、串口电路、g p r s 模块电路和电源电路；子板为蓝牙模块电路。 核心板采用d i m m l 4 4 ( d u a li n l i n em e m o 哆m o d u l e1 4 4 ) 接1 3 与底板相连，子板采用排线与底板相 连。下面详细介绍各模块的具体选型、设计以及模块问的接口。 4 3 1a i u 讧处理器 虽然目前市场上有多款a r m 9 处理器，但g p r s 模块、l e d 显示屏模块都使用串口与处理器通 信，蓝牙模块可以使用u a r t 口或u s b 口与处理器通信，在综合比较多款处理器的硬件接口、性能 参数后，本文最终选用a t m e l 公司的a t 9 1 r m 9 2 0 0 处理器。 a t 91 r m 9 2 0 0 的主要性能参数如下【2 l l ： 基于a r m 9 2 0 t 内核，可工作于18 0 m h z ，指令执行速度可达2 0 0 m i p s ； 1 6 k b 数据c a c h e 、1 6 k b 指令c a c h e 、写缓冲区； 虚拟内存管理单元m m u ； 1 6 k b 的内部s r a m 和1 2 8 k b 的内部r o m ； 支持s d r a m 、s r a m 、b u r s tf l a s h 和c o m p a c t f i a s h 、s m a r t m e d i a t m 和n a n df l a s h 的无缝 连接： 包括周期性中断、看门狗和第二计数器的系统定时器； 带有8 个优先级、可单个屏蔽中断源、7 个外部中断源和1 个快速中断源； 4 个3 2 位可编程输入，输出控制器，1 2 2 个可编程i o 线，各线均具有输入变