（电子科学与技术专业论文）基于gprs的公交电子站牌设计与开发.pdf

硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc h i n a se c o n o m ya n dt h ep r o c e s so fu r b a n i z a t i o n a c c e l e r a t e d p e o p l ea r ed e m a n d i n gm o r ea n dm o r ef o rt h eu r b a ni n f r a s t r u c t u r e t h e t l a d i t i o n a le l e c t r o n i cb u ss t o pc a nn o tm e e tt h eh i g h e rd e m a n do ft h ep a s s e n g e r so n t h eb u ss e r v i c e q u a l i t ya n ym o r e e l e c t r o n i cb u ss t o pi sas e to fe l e c t r o n i c s c o m m u n l c a t i o n sa n dc o m p u t e rt e c h n o l o g yi no n es y s t e m w h i c hw i l ln o to n l yi m p r o v e t h eo p e r a t i o n a le f f i c i e n c yo fu r b a np u b l i c t r a n s p o r t b u ta l s op r o v i d et h eb a s i sf o r r a t l o n a l m a n a g e m e n ta n ds c i e n t i f i cs c h e d u l i n go ft h er e l e v a n td e p a r t m e n t s i t i m p r o v e st h eq u a l i t yo fp u b l i ct r a n s p o r ts e r v i c e sa sp a r to ft h ec o r eo ft h ec i t yo f i n t e l l i g e n tp u b l i ct r a n s p o r t h o w e v e r t h ec o m p l e x i t yo fp u b l i ct r a n s p o r ts e r i o u s l y a f 佗c tt h ev e h i c l er u n n i n gt i m e t h e r e f o r e an e w s t u d yo fr e a l t i m ea c c u r a t et r a n s i t v e h i c l ea r r i v a lt i m ep r e d i c t i o nm e t h o di nt h ef i e l do fi n t e l l i g e n tp u b i i ct r a n s p o r th a s v e r yi m p o r t a n ts i g n i n c a n c e t h i sp a p e rs t u d i e st h ed e s i g na n dd e v e l o p m e n tp r o c e s so ft h ee l e c t r o n i cb u s s t o p t h es y s t e mi sm a d eu po ft h r e ep a r ti n c l u d i n gt h ed a t ar e c e i v e rm o d u l e t h em a i n c o n t r o lm o d u l ea n dd a t ad i s p l a ym o d u l e t h ea r m c h i ps t m 3 2 f 10 3w i l lr e c e i v e i n f o m a t i o nf r o mt h ew i r e l e s sd a t ar e c e i v e rm o d u l ea n dd e a lw i t hi t t h e ns o m eo ft h e i n f o r m a t i o nd i s p l a y e dt h r o u g ht h el e ds c r e e no u tu s i n gg p r sn e t w o r k w i t hf u l l a n a l y s i so ft h ev a r i o u sf a c t o r st h a ta f f e c tt h ep u b l i ct r a n s p o r tv e h i c l e sr u n n i n gt i m e t h l sp a p e rp r o p o s e sab u sa r r i v a lt i m ep r e d i c t i o nm o d e lb a s e do ns v ma n dh n l t e r m e t h o di no r d e rt o i m p r o v et h e t r a n s i tv e h i c l ea r r i v a lt i m ep r e d i c t i o na c c u r a c v c h a n g s h ac i t y3 0 5 l i n ed a t aa r eu s e di ne x p e r i m e n t s a n dr e s u l t ss h o wt h a t t h eb u s a r r i v a lt i m ep r e d i c t i o nm e t h o db a s e do ns v ma n dh 矗l t e rh a sab e t t e rp e r f o r m a n c e t h a nt h ee x i s t i n gp r e d i c t i o na l g o r i t h m s u c ha ss v m s v m k a l m a n b u ta l s oh a sa g o o dr o b u s tp r o p e r t y i tc a np r e d i c tt r a n s i tv e h i c l ea r r i v a lt i m e si nc o m p l e xt r a f h c e n v i r o n m e n te f 琵c t i v e l yw h i c hh a sav e r yi m p o r t a n ts i g n i 6 c a n c ei nt h ep r o m o t i o no f t h ed e v e l o p m e n to f i n t e l l i g e n tp u b l i ct r a n s p o r t w h i c hh e l p si m p r o v i n gs e r v i c eq u a l i t y o fp u b l i ct r a n s i tv e h i c l e sa n db u sm a n a g e m e n tl e v e l f i n a l l y a f t e rt h ec o m p l e t i o no ft h ee n t i r ee l e c t r o n i cb u ss t o pd e s i g n i ti st e s t e d i nt h ea c t u a la p p l i c a t i o na n dh a sb e e no p t i m i z e da n du p g r a d e d t h ee l e c t r o n i cb u s s t o ph a sa c h i e v e ds o m ef u n c t i o n s s u c ha sb u ss t a t i o nt i m eu p d a t ea n dr e a l t i m et r a m c i n f o r m a t i o ni s s u e s a n dh a sag o o dp e r f o r m a n c ei nt r i a lr u ni nc o m p a n yo fc h a n g s h a 基于g p r s 的公交电子站牌设计与开发 c i t vb u s k e yw o r d s e l e c t r o n i cb u s b o a r d a r m t i m ep r e d i c t i o n g p r s s v m h f i l t e r i v 硕士学位论文 1 1引言 第1 章绪论 随着社会经济的快速发展 人们生活节奏的不断加快 公共交通拥堵 阻塞 等现象日益加剧 交通事故 能源短缺 环境污染等现象亦显的日益严峻 这些 社会现象已经引起了人们的强烈关注 公共交通问题不仅影响到人们生活质量的 提高而且制约了国民经济向前发展 已经严重影响了城市的发展 这些问题不但 困扰着第三世界国家 而且严重影响了欧美等发达地区国家l l j 当前 为了促进社会的发展和城市的进步 解决城市公共交通问题就显得刻 不容缓 而解决公共交通问题的最佳途径就是提高现有交通资源的利用效率 相 对于其它交通工具来说 城市公共交通由于具有运载量大 占有资源少 相对污 染少等优点 能够提高对公共交通资源的利用效率 并且在很大程度上能够减轻 公共交通压力 因此 关键的问题是引导人们优先选择公共交通工具作为出行方 式 但是为了提高公共交通工具的吸引力 务必提高公共交通的运营效率和服务 水平 使得市民真正体会到公共交通的高效 舒适 省钱和便捷等优点 所以 研究和开发先进的公交电子站牌以提高公交运营效率和服务质量 从而促进了城 市公共交通的发展与社会经济的进步 智能交通系统川 i n t e l l i g e n tt r a n s p o r ts y s t e m 的概念是在2 0 世纪末才提出 来的 在这之前许多欧洲国家 如美国 法国以及英国等曾经对车辆智能化和公 共交通智能化等问题进行过许多的探讨和研究 并取得了非常好的成就 美国并 将其命名为i v h s 项目 即为i n t e l l i g e n tv e h i c l e h i 曲w a ys y s t e m 的简称例 随着 社会的进步 交通产业信息化的压力日益加大 人们对城市交通智能化的要求曰 趋增强 确定了在水路 铁路及航空等领域实施交通智能化方案 并从多方面 多角度探讨公共交通智能化的问题 逐渐形成了建立智能交通系统的新概念m j 目前 日本 美国和欧洲是作为全世界智能交通系统研究的核心阵营 它们 对于先进的公交系统和公交电子站牌的研究给予了高度重视和非常大的投入 并 且取得了大量研究成果和先进技术应用到实践 这些国家通过大量地应用通讯 控制等领域的新技术手段 使得控制中心能够获得实时信息 确保了控制中心与 公交车辆之间的信息交流畅通 使得控制中心能够根据实时车况实现车辆的动态 调度 并且大大地提高了公交车辆的运营效率和服务质量 但这些国家各自研究 的重点不同 但大体一致 到目前为止 美国的i t s 研究开发体系在智能交通领 域最为成功 已得到世界各个i t s 研发机构的普遍认可 各地区研究的分类和内 容如表1 1 所示 基于g p r s 的公交电子站牌设计与开发 表1 1 智能交通研究分类及研究内容 研究类别主要研究内容 先进的交通管理系统 先进的出行者信息系统 先进的公共交通系统 先进的乡村运输系统 商业车辆运营 先进的车辆控制盒安全系统 自动公路系统 1 城市区域的中央化交通信号控制系统 2 高速公路管理系统 3 交通事故管理系统 4 电子收费及交通管理系统 1 出行者信息系统 2 车载路径诱导系统 3 停车场停车引导系统 4 数字地图数据库 1 车队管理系统 2 乘客出行信息系统 3 电子支付系统 4 公交优先系统 5 运输需求管理系统 1 出行者的安全与保护 2 紧急情况管理系统 3 旅游和出行者信息服务系统 4 基础设施的运营和保养 5 商业车辆运营 6 车队运营与管理系统 7 公共性的出行者服务系统 1 商业车辆的电子通关系统 2 车载安全监控系统 3 路边安全检查的自动化系统 4 商业车队管理系统 5 商业车辆的行政管理程序 6 危险品的应急响应系统 1 防碰撞系统 2 智能化行车控制系统 3 驾驶员视野加强系统 4 车辆防抱死系统a b s 5 驾驶员安全监控系统 6 车辆安全监控系统 7 车载路线诱导系统 8 协作驾驶 a h s 有三种研究理念 a 基于车辆智能化的匿名驾驶系统 b 基于公路基础设施智能化的公路控制自动驾驶 c 前两者的综合 日本在这两方面的研究最为先进内容有 1 公路与车辆 车辆与车辆之间的通信系统 2 事故检测与警告 3 用视频雷达的车辆间距控制 4 最大速度控制 5 自动停车控制 相对于欧美 日本等发达地区来说 我国的智能交通系统总体发展比较缓慢 在19 9 7 年时 我国城市公交客车的拥有量为16 3 万辆 到2 0 0 0 年时 城市公交 客车的拥有量为2 3 万辆 每千人拥有公交车o 7 辆 与发达国家每千人拥有1 2 5 辆公交车相比 还存在一定差距 而且我国公共交通智能化水平不高 大多数地 区仍沿袭旧的运营模式垆j 但是 近几年来 国内的智能交通事业发展迅速 尤其是在国家大力发展城 市公交的优惠政策引导下 城市交通产业的电子化和信息化发展速度在加快 其 中 城市公交电子站牌的出现对智能交通的发展有重要的促进作用 1 2公交电子站牌概述 公交电子站牌 是指安装在各个公交站点 以l e d 屏显示公交车辆实时信息 的指示牌 公交电子站牌集成了许多功能 能够为乘客提供直观 快捷 方便的 2 硕士学位论文 最佳媒介 它主要的功能是实现信息的接收及显示实时信息 不仅能实时显示车 辆的位置信息 而且还能够实时更新显示车辆预到站时问 其它信息等功能 通 常 为了降低显示模块成本 公交车辆的一些基本信息 例如始末车时间 行车 线路 行车区间和站点等均是直接印刷在电子站牌上面 相对普通站牌来说 新 型站牌下部以l e d 光点的形式向乘客显示目前车辆的动态位置信息 一个光点代 表一个站点信息 同时 并以l e d 屏动态显示公交车辆预到站信息 公交电子站牌是智能公交发展的必然结果 它是城市公交智能化 信息化的 重要标志 融合了计算机 通信及现代控制等技术 它能够使得乘客及时了解公 交车辆目前的实时运行信息 并能够掌握公交车辆预到站时间 依据预到站时间 乘客可以根据自己所需选择其它交通工具 从而合理地利用了自己的时间1 6 j 同 时 很大程度上提高了公交车的服务质量 加快了智能公交的发展进程 1 3国内外公交电子站牌的发展动态 在智能交通研究领域 美国 英国 日本 加拿大等发达国家都投入了较大 的成本 它们目前已取得了很大的成功 均处于国际领先水平 白2 0 世纪末开始 很多国家和地区的交通部门开始利用计算机 通信 信息等技术 并将其用于车 辆监控 车辆定位 无人驾驶 智能调度及交通信息获取等方面 大大地提高了 公交服务质量 7 垲j 美国城市交通管理局 u m t a 已经启动了先进的公共交通系统项目 a d v a n c e dp 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 经过实际测试与应用 u m t a 对a p t s 的评价为 a p t s 能够大大提高公共交通服务质量 使得更多 的乘客选择公共交通作为出行工具 从而减少了公共交通堵塞 能源消耗 噪声 污染等 从美国联邦公共交通管理局 f t a 出版的 a p t s 发展现状 可知 美 国的a p t s 主要从事以下三个方面的研究 基于车辆动态实时信息发布 基于车 辆动态实时信息调度 基于电子与通讯技术的公交车辆服务质量的提高 具体内 容主要包括电子收费 车辆管理 交通需求管理 出行者信息等 其中 车辆管 理主要包括车辆之间的通信 乘客上下车人数统计技术 车辆定位系统 电子地 图系统 公交车辆优先通行技术 当前 美国部分研究公交车队管理系统的公司 以车辆管理系统和车辆定位系统等为基础 实现了公交车辆的实时管理运营 同 时并研究出了新型系统 如p a t h f l n d e r 当前 许多欧洲国家正在大力进行t e l e m a t i c s 的研究与开发 目的是为了建 立一条专用的交通无线数据通信网 且该网络能够遍布欧洲的每一个角落 智能 公交系统中的交通管理 电子收费 车辆调度等都围绕t e l e m a t i c s 和专用的交通 无线数据通信网来开展 与我国一样 欧洲许多国家在公共交通方面有着几千年 的历史 城市道路比较狭窄 但是 他们通过实施一系列措施 例如实行公交先 基于g p r s 的公交电子站牌设计与开发 行 设立公交专用道 公交车辆优先放行等 并通过公交视频监控 公交智能调 度等措施 大大地提高了公交车辆运营效率和服务水平 吸引了更多市民选择公 交车作为出行工具 从而大大地减轻了公共交通压力 解决了公共交通拥堵问题 并促进了的社会经济的快速发展 在德国 k v b 公司在8 0 年代率先建立了第一 个公交调度中心 并一直负责管理德国科隆市的公共交通 其在所有的公交车辆 上都装上了g p s 设备 并利用g p s 标杆和惯性定位三种方法达到了对车辆运 行进行实时监控的目的 并且 在城市中的各个公交站点都设立了公交电子站牌 使得乘客能够清楚地了解车辆预到站时间 同时还能够通过滚动的l e d 屏未来重 要的交通信息及其它生活资讯 后台控制中心开发了一个带有电子地图的g i s 平 台 并能够通过此平台调度公交车辆的运营 在日本 城市智能公交的发展分为3 个阶段 在2 0 世纪7 0 年代末 公交管 理部门才开始利用公交车辆定位系统 到8 0 年代初 公交管理部门开始采用公 共交通运行管理系统 此系统主要由三部分组成 车辆运行监视 乘客自动统计 车辆运行控制 进入9 0 年代 随着城市规模不断扩大及车辆保有量急剧上升 严重影响了城市公共交通问题 要维持车辆的正常行驶速度也显得十分困难 因 此大大地降低了公交车辆的服务质量 导致许多乘客选择其它交通工具作为出行 方式 为了提高公交车辆服务质量 吸引更多的乘客选择公共汽车 日本交通管 理部门开发了一种先进的公交运输控制系统 c t c s 它采用诱导和双向通信的方 法 能够交换公交车辆与调度中心之间的信息 并将实时信息反馈给调度人员 驾驶人员 乘客等 目前 日本己建立了先进的车辆导航系统和公交管理系统 车主能够通过车辆导航系统提前查询公路畅通情况及天气等交通信息 并能够通 过系统附带的电子地图及g p s 服务 选择最优出行路线 而调度人员则能够通 过公交管理系统查看实时公共交通运行情况 并依据实时车况调度管理公交运营 相对欧美等发达国家来说 我国的智能交通系统研究起步较晚 发展速度比 较缓慢 在国家十五计划中 实现城市智能公交 己被列为了关键任务 并以北京 广州 青岛 珠海 深圳 上海等6 大城市作为试点城市 以此为契机 我国的 许多城市加快了智能公交的发展速度 其中 城市公交电子站牌是作为智能公交 的显著发展成果一j 深圳 大连 杭州等大城市已在部分线路的公交站点上安装了公交电子站牌 并在车辆上安装了g p s 定位系统及建立了公交车辆调度系统 实现了对公交车 辆的实时定位 调度及车辆预到站时间实时显示等功能 上海的四平路一中山南路公交专用道上 电子站牌的l e d 屏每10 秒钟更新 一次信息 显示下班车到站时间 同时还能够显示新闻 交通 天气等信息 乘 客可通过站牌了解到生活资讯及交通信息 到2 0 1 2 年上海市所有公交车辆都会 配备智能公交系统 电子站牌将覆盖全市8 0 的线路 硕士学位论文 1 4 本课题的研究背景及意义 当前 市民出行的首选工具是公交 人们出行的便捷性 安全性等与公共交 通环境息息相关 近几年虽然我国在大力发展电子信息产业 但也在大力开发智 能交通中的高新技术 公交电子站牌便是作为智能公交中的重点开发项目 它能 够直观地为管理部门和出行者提供所需的交通信息 能够为乘客出行前提供最优 的路线选择 同时能够疏导城市交通 引导整个城市交通环境走向理想状态 确保整个交通的通畅和安全 大大地提高了城市道路的使用效率 从城市发展方 面来讲 公交在一定程度上反映了城市交通的建设和管理水平 而公交电子站牌 作为计算机 网络通信 现代控制等技术的融合 是城市公交智能化 信息化 现代化的重要标志 城市快速发展 公交网络急剧复杂化 传统的管理模式和简单的m i s 系统已 经不能满足管理部门和乘客的需求 相对于发达国家来说 我国目前大部分城市 的公交服务质量较低 公交运营服务还远远跟不上乘客出行的要求 乘客候车时 只能被动的等待 公交车辆当前具体位置及预到站时间等信息都是不可知的 从 而导致部分乘客改乘其他交通工具 本项目研究的目的就是通过开发新型公交电 子站牌来提高公交运营效率和服务质量 从而使得更多的乘客选择公交车作为出 行工具 并且能够在一定程度上缓解当前城市交通现状 公交电子站牌的开发主要有两方面的意义 1 能够让乘客享受到更加方便 的服务 2 能够为运营者创造更加智能化的管理平台 公交电子站牌动态更新 车辆的实时信息 方便乘客及时了解当前车辆的实时状态 能够为换乘乘客提供 更加方便 快捷 直观的信息 同时电子地图实时更新公交车辆的位置信息 使 得后台控制中心的智能调度更加直观 提高了车辆 人力资源的利用效率 并且 能够实时处理各种交通事故 总之 相对于以前的公交电子站牌而言 本设计提 高了公交运营管理的效率 确保了公交资源的最优分配 提升了公交服务质量及 对促进智能交通的发展有重要的意义 1 5本论文的主要内容 本论文提出了基于g p r s 的公交电子站牌总体设计方案 重点介绍了公交电 子站牌的软硬件设计及公交车辆到站时间预测 以及电子站牌与后台控制中心的 通信等功能的实现 完成的主要工作包括 公交电子站牌总体设计 公交电子站 牌软硬件设计 调试及公交车辆到站时间预测与模型仿真 本论文主要内容包括 第1 章 绪论 先介绍了智能公交系统的发展进程公交电子站牌的概念 然 后描述了国内外公交电子站牌的研究动向及发展概况 重点分析了本课题的研究 背景与意义 基于g p r s 的公交电子站牌设计与开发 第2 章 公交电子站牌总体设计 介绍了公交电子站牌总体设计方案 并对 系统的功能需求及性能指标进行了简单的描述 然后对系统通信网络的特点及选 择进行了概述 最后 对系统主要模块的功能及模块选型进行了详细的阐述 第3 章 公交电子站牌硬件设计 介绍了公交电子站牌硬件设计的方案和原 理 并对系统主要硬件模块进行了设计 对模块的工作原理进行了详细的说明 第4 章 公交电子站牌软件设计 介绍了公交电子站牌软件设计方案及流程 并对系统主要模块的软件设计原理进行了详细的描述 最后对部分模块的功能进 行了相应的测试 第5 章 公交车辆到站时间预测分析 介绍了当前已有的公交车辆到站时间 预测模型及算法 并综合分析了影响公交车辆运行时间的多种因素 最后针对目 前算法的不足 提出了基于s v m 和h 滤波车辆到站时间预测算法 并以长沙市 3 0 5 线路实测数据为基础建立模型进行仿真 并验证了本文算法可靠性与实用性 硕士学位论文 第2 章公交电子站牌总体设计 当今世界是一个高速发展的世界 时间被人们视为最重要的财富 等公交车 是件盲目烦心之事 而智能交通几十年来发展速度一直很慢 公交电子站牌作为 智能公交发展的必然 它是智能公交信息化的重要标志 融合了计算机 网络通 信 现代控制等技术 公交电子站牌能够将车辆实时信息进行更新显示 让乘客 及时掌握车辆到站时间 依据车辆到站时间 乘客可以根据自己的所需改乘其它 交通工具 从而合理的利用了时间 本章首先提出了系统设计目标与性能指标 然后依据性能需求提出了系统的总体设计方案 2 1 公交电子站牌设计目标 目前的公交电子站牌的功能大部分十分简单 能够提供的信息非常少 对于 出行者来说 没有直接的公交车辆实时运行信息作为出行依据 相对于后台控制 中心来说 也没有公交车辆实时运行路线图作为智能调度的参考 在当前高速发 展的信息时代 对智能公交的需求越来越强烈 为了解决当前智能公交存在的问 题 本设计以 服务乘客 为目的 将乘客所需要的各种交通信息通过公交电子 站牌显示出来 同时 该设计将完善后台控制中心对公交电子站牌的远程监控与 管理 管理员能够对系统进行实时管理与维护 系统设计目标如下 1 高效率 进一步完善公交电子站牌功能 确保公交电子站牌直观化 减 轻管理人员的工作量 减少乘客候车时间 提高运营效率 2 安全稳定 提供的运行环境必须安全可靠 系统硬件设备成熟 能够使 得系统安全稳定地运行 3 开放型 系统分模块进行开发 开发过程慢慢深入 从简单到复杂 逐 步完善各方面的功能 方便系统升级和优化 4 移植性高 可以确保系统在不同的微机和系统平台上运行 并且在其它 工作站上系统能够稳定运行 提高系统的适应能力 5 综合有效信息 由于公交车辆众多且运行环境复杂 必须综合考虑一些 复杂情况 因此一定要多考虑突发情况以适应各种复杂环境 2 2 公交电子站牌性能指标 车载终端将g p s 信息发送到后台控制中心 后台控制中心将接收到的g p s 信息进行分析 计算 而后将得到的公交车辆运行时间 位置等信息发送到公交 基于g p r s 的公交电子站牌设计与开发 电子站牌 然后公交电子站牌将接收到的信息进行实时显示 同时为候车乘客提 供实时准确的车辆到站预报 信息发布等服务 有效地提高了车辆运营效率 1 公交电子站牌技术指标 1 l e d 灯动态显示公交车辆的行驶进程 2 数字显示公交车辆到站时间 到站距离 3 断电自动重启 自动复位 自动上网连接 4 基于g p r s 平台无线数据传输 无需铺设数据线路 永远在线 5 低成本 嵌入式系统设计 2 l e d 屏技术参数 1 l e d 规格 妒4 7 6 2 显示屏尺寸 2 0 0 m m 5 6 0 m m 每次可显示4 个文字 3 l e d 亮度 2 0 0 0 m c d 4 l e d 角度 水平 1 2 0 度 垂直 6 0 度 5 防水结构 防水屏 6 使用环境 温度 3 0 6 0 2 3 公交电子站牌通信网络的选择 2 3 1公交电子站牌通信网络特点 由于公交电子站牌对信息的时效性要求较高 所以通信系统的选择显的尤为 重要 此外 公交电子站牌必须与后台控制中心属于同一通信平台 这样 二者 才能够相互进行通讯 后台控制中心才能将各项信息通过通信网络发布到公交电 子站牌 公交电子站牌通信网络主要特点如下 1 公交车辆密集 通信频繁 从目前公交车辆的现状来看 公交车辆的通信大都聚集在城市 含城郊 的 一定范围内 而车辆密度大 大多数城市都面临同样的问题 即在城市的某个繁 华区域 会存在许多条公交线路从该区域经过 2 通信数据频繁但很小 公交车辆发送信息频繁 但发送信息少 大多数情况下是根据用户的需求 每间隔4 秒传输一次数据 并每时每刻与后台控制中心保持数据的传输 3 通信网络应该有较高的稳定性 电子站牌的信息发布系统应该具有实时 精确 稳定的特性 以方便公众出 行 所以 不论是车辆与后台控制中心之间的通信还是后台控制中心与电子站牌 硕士学位论文 间的通信都对通信网络要求较高 这是确保信息实时准确发布的前提和保障 2 3 2通信网络对比及选择 在目前的网络体系中 主要有两类通信网络 11 1 公共网络 包括g s m 和c d m a 2 专用网络 公交电子站牌可以依据自身通信的特点来选择网络 公网和专网的优缺点对比如表2 1 所示 表2 1 公网和专网优缺点对比 以前的通信网络技术主要有两种 1 2 2 高速电路交换数据业务 h s c s d h s c s d 两种通信技术 1 蜂窝数字分组数据通信 c d p d 上一代公交电子站牌大都采用c d p d 和 相对于c d p d 通信技术来说 g p r s 的可用带宽大 信道数量多 在标准化 程度兼容性和厂家支持等方面更加优越 且组建g p r s 网络更加经济 对于 h s c s d 而言 g p r s 更适合广泛的突发性的数据访问 资源利用效率更高 目前 虽然3 g 通讯网络已经非常成熟 更加适合于网络数据的传输 但是由于3 g 网络 在我国刚建设不久 网络覆盖度以及各终端模块的成熟度仍然欠佳 且价格比较 昂贵 因此 综合以上因素 在新型公交电子站牌中 选择了覆盖范围广 通信 能力强 传输速率高且资费便宜的g p r s 网络 2 4 公交电子站牌总体设计 本章在综合分析国内外公交电子站牌的基础上 开发了一种新的公交电子站 牌 该系统主要由电源模块 主控模块 无线通信模块 显示模块 数据存储模 块等组成 公交电子站牌总体框图如图2 1 所示 基于g p r s 的公交电子站牌设计与开发 图2 1 公交电子站牌总体框图 2 4 1主要模块基本功能介绍 公交电子站牌由若干功能模块组成 各个功能模块之间相互配合与协调 实 现了公交电子站牌的整体功能 1 电源模块 电源是公交电子站牌稳定工作的保障 它直接决定系统能否 正常工作 2 m c u 主控模块 该模块是公交电子站牌的核心控制模块 实现了与后 台控制中心进行通信 能够将接收到的g p r s 数据转换成文字信息 然后将文字 信息发送到显示模块 实现了信息的实时更新显示 因此 本设计对m c u 的性 能有着较高的要求 选择合适的a r m 芯片是系统设计成功的关键 3 g p r s 模块 该模块是系统的数据发送与接收模块 它负责将接收后台 控制中心发送过来的数据信息 实现了后台控制中心与公交电子站牌之间的通信 4 显示模块 该模块主要负责信息显示 将公交车辆到站时间等信息进行 实时显示 5 f l a s h 模块 公交电子站牌的主要功能是接收后台控制中心的数据 在数据传输过程中 需要将一部分数据存储起来 以便于掉电保护或差错重传 6 u s b 模块 u s b 口主要用来与其它设备的连接 以方便系统功能升级 7 j t a g 模块 j t a g 接口主要用于系统功能调试 根据调试结果可以实 现系统的优化 2 4 2主要芯片及模块选型 1 m c u 芯片 m c u 是系统核心组件 是实现系统所需功能的关键 本设计选用了意法半导 1 0 硕士学位论文 体公司s t m 3 2 增强型系列的s t m 3 2 f 10 3 作为主控芯片 s t m 3 2 f 10 3 基于 c o r t e x m 3 内核 并采用了哈佛架构 具有高性能 低功耗的特点 s t m 3 2 f 1 0 3 采用6 4 引脚的l q p f 封装 主频最高可以达到7 2 m h z 该芯片 具有丰富的片上资源 包括2 5 6 k b y e t 程序存储空间 4 8 k 片上r a m 5 个u s a i h 接口 3 个s p i 接口 2 个1 2 c 接口 1 个r t c 2 个w a t c hd o g 和1 个u s b 接口 2 g p r s 模块 华为g t m 9 0 0 c 模块是一款两频段的无线通信模块 它内嵌了t c p i p 协议 支持a t 命令和增强型a t 命令 具有电路设计简单 集成度高等特点 产品开发 周期短 并已经在工业管理 交通监控 通信等行业广泛应用 3 显示模块 显示模块是由若干块l e d 小点阵组成 显示模块驱动芯片选用专用l e d 驱 动芯片s d l 6 7 2 6 该芯片采用了先进的硅工艺 由移位寄存器 锁存器 恒流驱 动器三部分组成 有16 个输出恒流源 电流范围通常为2 8 0 m a 4 s d r a m 模块 s d r a m 模块选用s a m s u n g 公司的k 4 s 5 6 1 6 3 2 e t c 7 5 工作电压为3 3 v 存 储容量为3 2 m 具有单位空间存储容量大 运行速度快 抗干扰性强及价格便宜 等优点 5 f l a s h 模块 f l a s h 模块采用三星k 9 f 1 g 0 8 芯片 1 2 8 m 木8 b i t 属于n a n d 型f l a s h 单芯 片容量高达1 2 8 m b 价格比较便宜 芯片写入典型时间为3 0 0 u s 数据读出时间 约为每字节5 0 n s 数据的擦除典型时间约为2 m s 能满足系统存储大量数据的要 求 2 5 本章小结 本章首先根据公交电子站牌设计目标及性能指标 提出了公交电子站牌总体 设计方案 后来综合分析了目前两种网络体系的优缺点 并对当前几种无线通信 技术进行了对比分析 然后结合公交电子站牌网络通信的特点选择了g p r s 作为 系统的通信网络 最后 对各模块的主要功能及模块的选型进行了简单的介绍 基于g p r s 的公交电子站牌设计与开发 第3 章公交电子站牌的硬件设计 3 1公交电子站牌硬件总体架构 为了提高城市公交的运营效率和服务质量 让乘客及时了解公交车实时车况 本文设计了一种基于s t m 3 2 f 10 3 微处理器的新型公交电子站牌 本章将对系统 中各模块的工作原理 硬件设计等进行详细的阐述 公交电子站牌硬件架构如图 3 1 所示 3 2a r m 主控模块 图3 1 公交电子站牌硬件架构图 a r m 微处理器是系统的核心 是系统设计成功与否的关键 本文根据公交电 子站牌的功能需求 微处理器 m c u 的选择应能够达到以下条件 1 m c u 具有低功耗 有多种可选择的低功耗模式 内置多个功能单元 方便电路设计 同时能够大大地减少外围器件 使得功耗进一步降低 2 m c u 具有较大的内存 系统要及时处理公交车辆信息 数据量大 因 此需要较大的空间来存储数据 3 m c u 的工作频率高 处理速度快 本系统中的m c u 需要将各种不同 信息及时送到显示模块 以保证系统实时性的要求 因此 处理器要有较高的处 硕士学位论文 理速度 4 成本要尽可能的低 作为一种市场上比较成熟的产品 成本的降低是 一个非常大的竞争优势 因此本设计中在微处理器选型时充分考虑这一点 从上述的四个要求出发 综合考虑系统的功耗 处理器速度及系统复杂程度 本设计选用了3 2 位的基于a r m v 7 体系结构的s t m 3 2 增强型系列的 s t m 3 2 f 1 0 3 v c 这是一款由意法半导体公司推出的新型微控制器 s t m 3 2 系列的微处理器具有以下优点 l3 j 1 内核结构功能强大 c o r t e x m 3 的内核是3 级流水线结构 并采用了哈佛架构 该内核具备单周 期乘法 分支预测 硬件除法等特性 运算速度能够达到1 2 5d m i p s m h z 而 功耗仅为o 1 9 m w m h z 2 功耗控制能力强 高性能并不等同于耗电量高 s t m 3 2 针对目前市面上的3 种主要能耗需求进 行了处理器的优化与升级 1 在正常工作时 启用高效的动态耗电机制 在外部时钟打开的情况下 当程序以7 2 m h z 的速度在f l a s h 中运行时 c p u 电流消耗仅为2 7 m a 电流 2 在待机情况下 电能消耗能够降到最低 通常的耗电值仅为2 u a 3 在电池供电的情况下 正常工作的电压范围能够保持在2 o 3 6 v 之间 s t m 3 2 处理器不仅拥有先进的时钟控制机制而且还具有3 种低能耗模式 用户可 自行配置成满足自己系统所需的能耗 性能要求 s t m 3 2 内部实时时钟 r t c 的 频率基准 不仅可由3 2 k h z 外部晶体产生 而且可由内部r c 电路产生 r t c 具 有一个内置开关 这个开关使其既可由外接纽扣电池供电 又可由主电源供电 且r t c 还具有独立的供电电路 在正常工作电压 3 3 v 下 其通常的电流消耗 仅为1 4 u a 此外 r t c 还自带一个2 0 字节r a m 可用来备份数据 s t m 3 2 处理 器能够在短短7 u s 时间内从非工作模式唤醒 而从待机模式或复位状态到正常工 作模式只需5 5 u s 3 片上外设不仅性能强大而且功能创新 s t m 3 2 处理器片上外设的优势来源于双a p b 总线结构 其中有一个高速a p b 速度可达c p u 的运行频率 能够使连接到该总线上的外设运行速度更高 1 u s b 接口速度最高可达1 2 m b i t s 2 u s a i h 接口速度能够达到4 5 m b i t s 3 s p i 接口速度能够达到18 m b i t s 4 1 2 c 接口速度能够达到4 0 0 k h z 5 g p i o 的最大翻转频率为1 8 m h z 6 p w m 定时器最高时钟输入为7 2 m h z 基于g p r s 的公交电子站牌设计与开发 4 整合集成度高 s t m 3 2 处理器集成整合度高 能够大大减少对外设的要求 1 内嵌电源监控器 具有四个典型特性 能够实现上电复位 能够完成低 电压检测 能够实现掉电检测 拥有一个自带时钟的看门狗定时器 2 主晶振能够实现整个系统的驱动 一个4 16 m h z 的晶振便可实现c p u u s b 及其它所有外设的驱动 内嵌p l l 能够产生多种不同的时钟频率 能够选择 3 2 k h z 晶振作为内部实时时钟的晶振 3 内嵌8 m h zr c 振荡电路 且精确度非常高 可选择为主时钟源 同时 不仅有针对r t c 的低频率r c 电路而且还存在针对看门狗的低频率r c 电路 4 只需7 个外围滤波电容就可实现l q p f l0 0 封装芯片的最小系统 3 3电源电路 电源是公交电子站牌稳定工作的前提和保障 电源电路设计的好坏直接影响 到系统能否正常工作 在该系统中 每个子模块需要的工作电压都不相同 因此 需要电源模块能够输出多种不同的电压 同时系统的各子模块存在干扰问题 所 以还必须对系统中的一些模块进行单独供电 由于系统中a r m 芯片工作电压为3 3 v 本文选用了a m s l l1 7 3 3 作为电源 芯片 a m s l1 1 7 3 3 是低压差线性稳压器 能够提供1 a 的电流且工作压差可降 低至1v 具有成本低 电路设计简单 精度高等特点 同时可以通过调节片上微 调 使得电流限制得到调整 减小了因稳压器和电源电路超载带来的影响 并能 确保基准电压的误差调整到1 以内 a m s l l17 3 3 电平转换电路如图3 2 所示 其输入电压为5 0 v 输出电压为3 3 v 渔一 愆 i i u 44v l 计 l 1 4 v 一 v 0 巧 3 nv 0 2 v033 33日ad 四c 7 j 圆上 q 一 一 2 1 黑擘 d 1 1 2 一 o p 一 一 k 一一 p l 征 舌 i o 吲l o vo l u f 悄0 a 峭p 餐m a 卫 q al 渊1 0 v l 一 jg n d r 1 mna r 仆j n 图3 2a m s l1 17 3 3 电平转换电路 g p r s 模块g t m 9 0 0 c 典型工作电压为4 o v 当其处于正常工作时电压范围 为3 3 4 8 v 其工作时最大峰值瞬间电流为2 a 在空闲状态时 其电流一般为 3 5m a 此外 相对于g t m 9 0 0 a b 模块 0 0 0 m s 的启动电平来说 g t m 9 0 0 一c 模块至少需要持续5 0 m s 的低电平才能启动 其要求变得更加规范和严格 g p r s 模块对电源的要求比较严格 本文选用电源芯片s p x 2 9 3 0 2 稳压输出给 g t m 9 0 0 c 提供典型工作电压 s p x 2 9 3 0 2 具有以下特点 输出精度可到达1 输出电压可调至1 2 5 v 输出电流为3 a 低压差为3 7 0 m v g p r s 模块供电电路 1 4 硕士学位论文 如图3 3 所示 u 5 3 4复位和时钟电路 图3 3g p r s 模块供电电路 3 4 1 复位电路设计 为了确保公交电子站牌能够稳定工作和可靠复位 本文选用了m a x 8 1 1 作为 系统的复位芯片 其能够完成系统的上电 手动复位操作 m a x 8 1 1 可作为微处 理器监控电路 能够监控许多系统的电源 并且大范围应用于无线通信 智能仪 表 嵌入式系统等领域 系统复位电路如图3 4 所示 当m a x 81 1 的尺e 距丁的引 脚输入一个低电平信号时 此时便产生了一个复位信号 该信号的有效时间为电 源电压上升到阈值后的1 4 0 m s 内 当脚输入一个低电平信号时r 嬲e 丁复位信号 才有效 并且当脚引脚接收到一个高电平信号后的1 4 0 m s 后 尺嬲e 丁状态才失 效 芯片内部自带了一个2 0 七q 的电阻 其主要作用是将电平拉高 当不需要使 用脚时 可以直接将该管脚悬空 在复位时 为了确保r 脚丁状态可知 本文 接了一个10 0 尼q 的电阻在r e 距丁和g n d 之间 其作用是将电平拉低 图3 4 系统复位电路 3 4 2 时钟电路设计 主振荡器可以通过两种途径作为s t m 3 2 f 1 0 3 的时钟源 一种是在使用p l l 的情况下作为时钟源 另一种是在不使用p l l 的情况下作为时钟源 频率范围都 为1 2 4 m 本文将12 m 的外部晶振的作为系统的时钟源 s t m 3 2 f 10 3 内嵌了实 时时钟跟看门狗 r t c 振荡器不仅可用于驱动p l l 和c p u 而且可用于r t c 和 看门狗的时钟源 系统时钟电路如图3 5 所示 基于g p r s 的公交电子站牌设计与开发 3 5j t a g 接口电路 鼍 jr 图3 5 系统时钟电路 j t a g j o i n tt e s ta c t i o ng r o u p 是一种国际标准测试协议 主要用途有两种 一种是可用于芯片内部测试 另一种是可以对系