【《基于物联网的智能公交系统设计》9200字（论文）】

基于物联网的智能公交系统设计摘要随着近些年城市化的飞速发展，越来越多的农村人口涌向城市，导致城市人口呈指数性增长。面对如此巨大的人口流量，原有的城市交通早已不堪重负，而作为城市交通中最重要的城市公交系统也在上下班高峰期十分拥堵。城市公交拥堵的主要原因在于车内客流特性与站台不能互通，客流特性影响着城市公交的长远规划，因此对其研究并解决非常重要。该文章基于物联网，用智能公交系统中的车载系统和智能站牌为研究对象，通过对车门进行添加红外传感器进行车内人数的查询，再利用智能车载终端将红外传感器收集到的信息利用NB-IOT网络发送到电子站牌，可以实时向站台乘客提供车内人数信息，提醒站台人数能否继续乘坐，能够很好的缓解城市公交拥堵的问题。关键词：物联网；红外传感器；NB-IOT;智能公交目录15183第一章引言 第一章引言1.1研究背景与意义1.1.1研究背景随着城市化的不断推行，人们对美好生活的追求也逐步提升，城区不断扩大，人口也随之增长，虽然经济也在不断的增长，但是城市智能公交的发展现状却并不好，主要体现在以下几方面：公共交通的速度慢、拥挤、乘坐不方便；公共交通时间段死板，不管上下班高峰期还是平时都按照既定时间发车，满足不了上下班高峰期乘客乘车需求；高峰期车内拥堵，而空闲期公交车资源闲置，浪费资源。就目前而言，从我国城市交通的发展来看，公共交通依旧是交通拥堵和城市人口出行的主要解决办法。虽然大多城市的公交线路和规划已经比较完备，但是在公共交通设施和服务上略有欠缺。当前的公交系统由公交调度中心、公交站牌和公交车三部分组成。老式的公交站牌比较死板，内容形式比较单一，公交车行进的线路一旦张贴就不能修改，如果公交车出现变动，乘客不能及时知晓。公交调度中心也没有办法及时发现公共交通运行中出现的问题，无法随时做出调度。公交车设备比较落后，没有办法获取车内信息。站台乘客无法了解公交车的情况。1.1.2研究意义城市公共交通有很多其他交通代替不了的优势，比如其运输量较大、运输效率很高、汽车对能源的消耗低、对环境污染小，大型客车在城市中相比小客车更为划算。物联网技术的出现使得越来越多的行业变得更加智能化，城市公交作为城市现代化发展的一个要素，加入物联网技术，既为公共交通注入人性化的魅力，还能使公共交通变得更加智能，因此构建智能城市公共交通十分必要。公交车内的乘客流动数据是公交调度中心制定行车路线、行车时间段的重要指标，也是乘客为了避免拥堵问题所需知道的重要数据，所以对乘客流动数据进行准确的查询很关键。老式的乘客流动数据不仅耗时耗力，而且对比统计到的数据发现数据准确度不高，且无法实时向中心报告，例如：利用刷卡统计虽然可以统计上车人数，但是却忽略了投币上车的人数；利用人们的体重统计人数会发现每个人体重不同，而且忽略了每个人随身携带物品的重量。而智能公交系统不但可以通过红外线被遮挡的此时准确统计人数，并且可以实时的通过无线网络发送到云平台上，可以作为公交调度中心实时调度的参考数据。1.2国内外发展现状1.2.1国外发展现状国外对于智能公交的初步发展比国内早许多，自从互联网产业兴起之后，许多西方发达国家，比如日本、美国以及许多欧洲国家随着国家总体汽车数量的增长，城市交通的运行状况变得越来越不稳定，这些国家便开始了对公共交通行业的精细化管理和规范，从此开始了对公共交通行业的研究发展工作。全世界范围内，最先研究智能公共交通的国家是日本，自20世纪70年代起，日本就利用全球定位系统实现了对汽车的导航，在公交车内安装导航系统，再通过无线传输技术将车辆位置发送到车站，形成了一个最初的智能公交系统。随后，日本还在统计公交车内客流量上做出研究，通过这一手段，公交调度中心可以更好的分析出公交系统存在的问题等，可以及时的采取解决措施，提高公交服务水平。之后十年，美国也自20世纪80年代开始了对公共交通智能化的研究，美国在研究公共交通智能化时方向与日本有所不同，美国更注重于对乘客信息、收费优化和对公交服务队伍等方面的研究，以求能够改善拥堵的城市环境。欧洲对智能公交的研究从20世纪90年代开始，由于欧洲古老城堡众多，公路相对狭小，因此欧洲在研究时注重联系实际情况，推行了公交车道路高优先级的模式，以求可以最大程度的满足用户的乘车体验。1.2.2国内发展现状我国对于城市公交系统的研究发展起步较晚，21世纪之前，我国城市公交的数量仅仅只有二十几万辆，而且在发展方面也没有引起政府的重视，从这些角度来看我国公共交通事业还存在着严重的不足。但是城市公共交通是城市发展的血液，是城市美化的关键，是城市现代化的主要标志，也是人们赖以代步的重要工具。根据我国经济增长的速度和城市化发展的速度，预计城区将会大规模扩大，将来会有越来越多的农村人口定居城市，这对城市公共交通的发展带来了不少麻烦，但是又为城市公共交通带来了极大的发展机遇。城市公共交通是人们生活中十分重要的基础设施，事关人们的正常生活和工作。而且公共交通无法在短时间内被其他交通工具所取代，公共交通在之后很多年里依然是大多数市民选择的代步方式。因此，继续发展城市公共交通依然是一项很艰巨的任务。总体而言，城市公共交通仍然需要结合最新技术进行发展，才可以支撑人们的生活工作和社会的进步。1.3论文结构框架该论文分为五个章节，通过五个章节的内容对系统进行了说明：第一章为引言部分，该部分介绍了城市公共交通的背景和进行城市公共交通智能化的必要性；第二章为系统设计方案及关键技术概述部分，该部分简单介绍了系统的总体设计方案和需求，另外对系统中的各个关键技术进行了解释说明；第三章为智能公交系统的硬件平台部分，该部分介绍了系统内各个部分所使用硬件的介绍和各个模块的任务介绍；第四章为系统测试部分，该部分对系统进行实验测试，验证系统功能的健全性。第五章为总结与展望部分，对本系统进行全面的总结概括，并对未解决的问题进行展望。第二章系统设计方案及关键技术概述2.1智能公交系统智能公交系统属于智能交通系统的一个分类，它比较智能化的实现了对公交车的实时调度运营。能够较大程度的减少成交车的运营成本，而且提升了乘客乘坐公交车的满意度,为人们的便捷出行做出贡献。智能公交系统利用无线通信、实时监控等技术，使公交车的整体运行趋于现代化、智能化，公交车内的各类信息都可以向乘客实时公开，实现了公开化和信息化，通过网络可以查询到各加油站和停车站的系统，可以提升公交车的灵活性。智慧公交系统通过向公交车内安装定位系统可以实现对车辆的统一调度，可以对公交车行进的路线进行跟踪，确保行进路线的准确和快速，同时可以减少大量的人力物力，在服务水平上升的同时大大减少了公交车的运营成本。智能公交系统的主要特点有：在安全方面：(1)可以有效的限制公交车驾驶员危险驾驶的行为；(2)监控公交车在行驶中出现的突发的危害状况；(3)可以进行车辆内部监控，保证乘客财产安全；在效率方面：(1)可以自动分配发车时间，提高车辆运输能力；(2)可以准确的查询到站和车内人数的信息；(3)能够准确统计公交车乘客客流量；2.2需求分析该智能公交系统主要目的是通过准确获取车内人数并发送到电子站牌提醒乘客车内是否拥挤，根据系统需求，需要实现车内红外传感器人数查询、调度中心信息正常发送和电子站牌实时显示等功能。红外传感器人数查询为了能够准确查询到车内人数，需要有以下功能：红外传感器被从车外向车内的物体遮挡，人数加一、红外传感器被从车内向车外的物体遮挡，人数减一。调度中心信息发送和电子站牌实时显示为了实现信息发送和实时显示，需要有以下功能：车载终端可以按时通过NB_IOT网络发送数据到云平台；电子站牌可以实时接受到云平台发送的数据并通过OLED屏显示。2.3NB-IOT技术NB-IOT是近些年新发展起来的属于IOT领域的一项新技术，它由于在广域网的数据连接中可以使用低功耗的设备，被成为低功耗广域网。NB-IOT设备的电池耐久度极高，一般一个电池可以连续使用十几年，而且NB-IOT的待机时间久，在拥有这些优势的同时还可以提供较高的数据连接覆盖面积。NB-IOT无线通信模块包含了一款高度集成、处理能力强、耗能相对其他模块较低的BC28芯片，其芯片大小只有2.0mm×15.8mm×17.7mm，可以满足广大用户对小尺寸、高性能的中端产品的要求，同时还可以极大的降低购买成本。BC28可以支持市面上大多数通信模块，能极大的满足客户的需求。BC28的生产工艺相对其它芯片更易于封装量产，可以通过SMT标准设备实现高效量产。凭借者这些优势，BC28芯片成为广大消费者的首选，经常用在无线抄录数据、无人值守的自动泊车、智慧家具和农产品自动化管理等许多系统中，为客户提供可靠、智慧、高效的数据分析和数据收发服务。2.4红外线技术红外线技术在多个领域得到了应用，在测速系统中，红外线已经可以帮助交警进行高速公路上车辆速度的检测。其实，红外线在刚刚涉足测速领域时，存在着许多技术发展上的困难，其中最难解决的就是外界光线的干扰，正因如此，导致红外线技术难以实现在户外应用。为了解决这个问题，研究者设计出了红外线传感器，该技术补充了之前短板的同时还增加了多点测速功能，使得红外线技术可以更好的应用在各类速度的测量工作中。红外传感技术早已步入大众的视野，就目前而言，此项技术已熟练的运用在了各行各业之中，例如：现代军工科技、智慧农业和智慧交通等领域。红外传感系统的原理是使用红外线作为技术手段，利用其特性可以用于测量，按功能可分为：热成像功能，可以识别出图像中温度不均的坐标轴并将其在图像中标注出来；追踪和检索系统，用于在空间中找到并追踪目标的位置；测量距离和信息传输系统；按照其测量机制，可将红外传感器分为基于热效应的热成像探测器以及基于光电效应的光子探测器。本系统使用的是光子探测器，用光线被遮挡的次数统计上下车人数，从而计算出车内人数。2.5本章小结本章讲解了系统实现的需求和系统的总体方案设计结构，之后讲解了系统内使用到的关键技术。解释了智能公交系统的概念；对该系统应当实现的功能进行了简单梳理；对NB-IOT中的BC28芯片进行了解释；对红外线技术以及红外传感器进行了解释和选择。智能公交系统的总体设计3.1总体设计架构构建该智能公交系统的目的是实现车内和车外信息的共享，为了实现该目的，该系统使用了NB-IOT技术、红外传感器技术相结合的方式，由公交调度中心（云平台）、智能电子站牌和车载终端三部分组成，整个系统框架如图3-1所示：图3-1系统框架3.2车载终端硬件车载终端硬件模块主要包括：电源、两个红外传感器组成的人数统计模块、主控制器、信息显示模块和NB-IOT通信模块四部分，硬件结构如图3-2所示：图3-2车载终端硬件模块根据系统总需求，车载终端的主要内容是信息采集，信息采集分为车内人数的信息采集和车内人数信息的发送，车载终端接收到红外传感器发送的数据后每隔2秒通过NB-IOT通信模块向云平台发送数据，再由云平台发送到智能电子站牌，再通过信息显示模块将信息提供给站台乘客。3.2.1主控制器主控制器是智能公交系统设计的核心，此系统的车载终端主控制器采用了stm32f103c8t6单片机。stm32单片机是由STMicroelectronic公司开发的32位微处理器集成电路，其内核是Arm的Cortex架构，拥有大量传输接口，数据处理能力强。stm32f103c8t6共有48个引脚，特点有：CPU的传输速度高达71.6MHz、存储速度高达1024KB；包含可操控的外设以及USB和CAN全速接口；低耗能、高电流，具有高效实时的性能；电源电压：1.9V至3.4V；可承受温度：-35至+80摄氏度。3.2.2NB-IOT通信模块该系统设计时选择了NB-IOT技术中比较成熟的BC28模块进行无线传输，BC28的优势在于可以通过AT指令工作，BC28使用的电源是一种低压差线性稳压器，低压差线性稳压器可以使用电流低达0.75A的低电流，同时BC28也可以使用锂电池供电；低压差线性稳压器的电压范围处于3.0V-3.3V。模块要想正常工作，其电压需要高于模块的最低电压3.0V。为了让电源供电性能得到进一步的提升，我选择了并联一个低等效串联电阻的电容（49uF）。与此同时，为了提高电压承受能力，在接近VBAT输入端添加一个瞬态二极管。VBAT输入端参考电路如下图3-3所示。图3-3VBAT输入端参考电路BC28模块共有58个引脚，其中14个为LGA引脚，其余44个为LCC引脚。引脚分配如图3-4所示：图3-4BC28引脚分配图3.2.3红外传感器模块该系统主要功能为准确查询到车内人数，在红外传感器的选择方面，我选择了智能小车避障碍传感器，这款传感器基本不会受到来自外界的光源影响，结构上含有红外线的发射管和接受管，主要原理为是由红外线发射管发射出红外线，在遇到不透光的物体时会被反射回来，继而被接收管接收，之后被比较器进行电路处理后，绿灯点亮，输出一个低电平信号。另外，该传感器的探测距离可以通过电位器进行调节，调节的范围在2到30cm。综上所述，其具有干扰小、便于装配、使用方便等特点。红外传感器参数：当模块在2-30cm的范围内探测到异常物品时，模块上方绿色灯亮，同时在输出端口不断发送低电平信号，该模块的检测距离可通过顺逆时针调节电位器，顺向调节探测距离增大，逆向调节探测距离减小；传感器模块通过发射和接受红外线确定探测的距离，因此被探测物品的物理特性也会影响探测的距离，例如：物品呈黑色时探测到的距离小，呈白色时探测到的距离大；物品面积大时，探测距离大，面积小时探测距离小；传感器模块输出端口OUT可以直接与单片机IO口连接，也能安装一个5V的继电器，继电器的连接方式为：VCC接VCC:GND接GND;OUT接I0；比较器采用LM393，工作稳定；具有3mm的螺丝孔，便于固定、安装；可以使用3-5V的直流电源对模块进行供电；电路板尺寸：3.2CM*1.4CM该传感器电路图如图3-5所示：图3-5避障传感器模块电路图模块接口说明：VCC外界3.2V-4.8V电压（可以和5V单片机或3.3V单片机相连）；GND外接GND；OUT小班数字量输出接口（0和1）。3.2.4信息显示模块本系统采用有机发光二极管（OLED）进行信息的实时显示，OLED又被称为有机电激光显示和有机发光半导体，是电场驱动下载流子的注入和复合导致有机半导体材料和发光材料出现发光现象。OLED的驱动电压不是很高，而且容易制成，这也使得OLED能够被广大消费者所接受。OLED与其他显示屏相比，有以下几点：易制作，OLED的原理主要为塑胶材质，可塑性强，因此OLED可以制作成尺寸大的屏幕；亮度更亮，OLED的发光不需要使用玻璃，减少了玻璃反光带来的影响，且OLED的有机层要更薄；OLED视野广，由于是自身发光，因此OLED没有遮挡光影的缺点。3.3智能电子站牌硬件智能电子站牌硬件主要包括：电源、信息显示模块、主控制器和NB-IOT通信模块。电子站牌通过接受NB-IOT发送来的信息后实时在信息显示模块上显示。智能电子站牌如图3-7所示：图3-7智能电子站牌硬件3.4通信协议以及云平台3.4.1通信协议以及云平台的选择BC28通信模组可选用的通信协议有很多种，其中阿里云物联网平台使用MQTT协议接收数据；电信云使用CoAP/LWM2M协议接收数据等，在所有大物联网平台当中，以阿里云和移动的ONENET平台功能比较全面。本系统使用的通信协议是使用移远的BC28模组通过MQTT协议接入到移动ONENET平台。3.4.2云平台的搭建在PC机上登陆移动ONENET平台，登陆成功后找到MQTT对应的位置并点击阅读MQTT接入文档，按流程操作，创建产品和添加设备。打开开发者中心界面，在界面中找到创建产品进行产品创建，填写选项创建产品：联网方式选择wifi，设备接入协议为MQTT协议，操作系统选择无，网络运营商选择其他。如图3-8产品创建过程。图3-8产品创建过程产品创建成功后添加设备，本次我结合系统构架添加了两个设备分别对应终端设备和智能站牌，如图3-9：图3-9设备添加3.5软件设计该系统的软件编译运用了C语言。使用C语言编程、KeiluVision5软件烧录的方式实现了终端设备上红外传感器采集人数的功能，并且实现了将采集到的数据显示在信息显示模块和使用NB-IOT通信模块发送的功能。如图3-10为终端设备软件设计流程图：图3-10终端设备软件设计流程图另外还实现了智能站牌上NB-IOT通信模块接受到的数据可以实时显示在信息显示模块上的功能。3.6本章小结本章对该系统用到的所有硬件设施的各类参数和如何搭建云平台进行了讲解。为系统功能的实现介绍了车载终端和智能电子站牌应有的结构，对主控制器、NB-IOT通信模块、红外传感器模块、信息显示模块和电子站牌分别承担的任务进行了说明。对该系统软件编程进行了简单介绍。并对如何在云平台上创建产品进行了详细的介绍。系统测试4.1智能公交系统环境本次系统测试运用到的工具有PC机、两个stm32f103c8t6开发板、两个智能小车避障碍传感器、两个OLED显示屏、两个BC28芯片、USB连接线和串口调试工具。本次测试主要由三部分组成：由一个stm32f103c8t6开发板、两个智能小车避障碍传感器、一个OLED显示屏和一个BC28芯片组成的模块代替公交车载终端；由一个stm32f103c8t6开发板、一个OLED显示屏和一个BC28芯片组成的模块代替智能电子站牌；由PC机登陆移动ONENET平台，搭建控制台代替公交调度中心。4.2通信测试打开之前搭建好的云平台，按步骤添加设备，然后进行信号发送测试，将准备好的NB卡插入BC28模块中，确保其可以入网。然后在PC端获取串口，通过串口调试工具进行AT指令测试，检测网络通信功能，如图4-1AT指令：图4-1CoAP模式下AT指令发送“AT+WKMOD=CoAP”的指令，将工作模式选择为CoAP模式。然后发送“AT+NMGS=字节数”的指令，查看返回的数据，若为OK，证明模块运行正常，若为ERROR，则表明网络不正常，应该检查问题。如图4-2所示。图4-2通信网络正常4.3红外传感器检测人数测试进行红外传感器检测人数模块时，首先将两个红外传感器平行安装在主控制器上，如图4-3所示：图4-3红外传感器的安装当实物从两个传感器前方移动时，若传感器2先检测到遮挡，传感器1后检测到遮挡，此时判定为有人上车，OLED屏幕数量加一；相反，当传感器2先检测到遮挡，传感器1后检测到遮挡时，判定为有人下车，OLED屏幕数量减一，也可以使用左边按键对人数进行清零。如图4-4所示：图4-4传感器查询人数测试4.4整体系统测试安装好车载终端和智能站牌的所有硬件并连接好电源，在PC机上登陆移动ONENET平台，打开之前创建好的产品，为两个设备下载好运行代码并将两个设备调试为在线状态并确保网络通信正常，如图4-5所示：图4-5设备在线在车载终端上进行红外传感器人数检测，首先从右向左移动实物，在车载终端的OLED屏幕上出现人数，初始人数为00，进行一次检测后变为01，多次添加人数后改变实物移动方向，此时OLED屏幕上显示的人数经过实验的次数开始减少，直至减少为00。车载终端上的BC28模块不停闪烁绿灯，一直向云平台发送数据。智能站牌上的BC28模块一直闪烁绿灯，一直接收数据，并且OLED屏幕显示数据与车载终端显示一致，前后时间差不超过2s，如图4-6所示：图4-6整体测试4.4本章小结本章主要内容有：搭建了系统测试过程中的开发环境；测试了NB-IOT通信模块的通信；测试了红外传感器检测人数；连接整个框架并做测试。最终结果系统内的各项功能基本完善，达到了预期的标准。第五章总结与展望在经济不断发展和人口数量不断增长的形势下，我国公共交通的质量也要随之上升，应当在原有的基础设施上不断地添加高技术的设备和应用，使得当前的公共交通效率更高、服务更好。根据这种需求，本文设计了一个能够实现车内信息与站台信息共享的基于物联网的智能公交系统。该系统的主要内容如下：本文首先对城市公共交通的背景和国内外的现状进行了分析和研究，找到了当前城市公共交通所存在的问题，根据这些问题构建了一个智能公交系统的框架，对现有的公交车和老式死板的站牌进行了设计。为现有的公交车加入终端设备，添加红外传感器及时获取车内人数的具体信息，终端设备可以通过NB-IOT模块将数据信息发送到远端的云平台；对老式的公交站牌进行改造，加入NB-IOT模块和信息显示模块，使站台可以接收到云平台的信息并通过屏幕显示。完成车载终端设备、传感器和NB-IOT模块的硬件选型：终端设备为stm32f103c8t6单片机，传感器为智能小车避障碍传感器，NB-IOT模块选择为BC28芯片。还有公交站牌的开发板、NB-IOT模块和信息显示模块的硬件选型：开发板选为stm32f103c8t6单片机，NB-IOT模块选择为BC28芯片，信息显示模块选为OLED模块。在移动ONENET平台上搭建了控制台用来代替公交调度中心。根据所需功能，对终端和电子站牌开发板进行了软件设计，使终端上的红外传感器可以准确识别到上下车人数，并可以通过NB-IOT模块将人数信息发送到云平台上。电子站牌的NB-IOT模块可以接收到云平台发送的信息并实时显示在信息显示模块上。对系统进行了测试，分别测试了车载终端传感器信息的采集、终端的发送数据、云平台的信息接受与发送和电子站牌信息的接受和显示等功能，确保了系统可以正常运行。虽然该系统已经可以运行功能，但还可以补充一些内容使之更加完善。需要补充的内容有：可以在现有的系统上加入温湿度传感器和烟雾传感器，可以实时地向车内和站台的乘客提供信息。温湿度传感器可以向乘客提供车内环境；烟雾传感器可以实时检测车内烟雾