1． 引言
隨著國內經濟的迅猛發展，全國的大小城市也在迅速擴大，大量人口快速地涌入和人口出行的需求也出現幾何的增長，這就導致了城市交通運輸的日益緊張。發展公共交通是緩解城市交通運輸壓力的有效方法。我國目前使用最為廣泛的公共交通工具還是公交車，因此利用科技發展智能公交是必然趨勢。
為了能讓更多的人選擇公交出行，就必須改善公交的乘坐體驗。這方面能做的工作有很多，其中智能報站功能是焦急等車的人們十分盼望的一個功能，能有效地提高乘車人的公交體驗。眾所周知，普通的公交站牌僅能為乘客提供公交路線信息，而乘客十分希望知道的車輛位置信息卻沒法提供。
于是，早期以GPS配合控制中心的智能公交系統應運而生：在公交車上安裝GPS，為控制中心提供車輛位置信息；控制中心再通過有線網絡或GPRS網絡反饋到電子站牌，顯示車輛到達的信息。這樣的系統雖可以提供車輛位置信息，但是存在一個非常關鍵的不足就是系統成本太高：每輛公交車都必須安裝GPS定位裝置和無線數據傳輸系統，一條路線成本就是上百萬，而且該系統由于城市交通運行的復雜性，車輛走走停停，它的預報時間也很不準確，影響乘車的體驗。
本文所設計基于ZigBee無線模塊智能公交報站系統使用ZigBee無線模塊代替GPS定位裝置，并且不用每臺公交車配上一個DTU無線傳輸模塊，而是一個站臺配上一個DTU無線傳輸模塊，這樣能大大節省軟硬件成本，費用只有原來系統的一半；而且本系統的報站是以告知乘車人下一趟車距離該站臺還有幾站的形式進行播報。所以可以做到報站精確無誤。有了這兩個關鍵的改進后就十分有利于該系統的推廣和應用。
2． 系統組成
圖1是智能公交報站系統的系統組成框圖，它是一個三層結構。由三個部分組成，分別是公交監控中心，站臺組件和車載組件。
圖1 系統組成框圖
公交監控中心通的主要功能是通過站臺組件來獲取車輛的到站、出站信息。通過綜合分析這些信息可以對車輛的運行狀況有清晰的了解，便于對公交車輛進行及時的管理、調度和維護；站臺組件主要有三個功能。第一個功能通過DTU設備利用2G/3G網絡接收上一站臺的公交車輛進、出站信息，對這些信息進行處理以后，得出公交車輛距離本站臺的距離信息。之后通過LED顯示屏進行車輛的到站情況預報；第二個功能通過站臺上的ZigBee無線模塊和公交車輛上的ZigBee無線模塊通訊來獲取該站臺的公交車輛進、出站時間信息，并且通過DTU設備利用2G/3G網絡把這些信息傳送給下一站點；第三個功能將獲取的本站臺公交車輛進出站信息傳送給公交監控中心。
車載組件的主要功能是通過ZigBee模塊向站臺組件發送車輛進出站臺信息。
2．1 ZigBee介紹
ZigBee譯為"紫蜂"，它與藍牙相類似，是一種新興的短距離無線通信技術，用于傳感控制應用(SensorandControl)，由于其網絡可以便捷地為用戶提供無線數據傳輸功能，因此在物聯網領域具有非常強的可應用性。具體來說ZigBee有以下優點：
①低功耗：在低耗電待機模式下，2節5號干電池可支持1個節點工作6～24個月，甚至更長。
②低成本：通過大幅簡化協議(不到藍牙的1/10)，降低了對通信控制器的要求。
③短時延：ZigBee的響應速度較快，一般從睡眠轉入工作狀態只需15ms，節點連接進入網絡只需30ms，進一步節省了電能。
④高容量：ZigBee可采用星狀、片狀和網狀網絡結構，由一個主節點管理若干子節點，最多一個主節點可管理254個子節點。
⑤高安全：ZigBee提供了三級安全模式，包括無安全設定、使用訪問控制清單(AccessControlList，ACL)防止非法獲取數據以及采用高級加密標準(AES128)的對稱密碼，以靈活確定其安全屬性。
⑥免執照頻段：使用工業科學醫療(ISM)頻段，915MHz(美國)，868MHz(歐洲)，2.4GHz(全球)。
2．2 DTU設備介紹
DTU設備是本系統的一個關鍵設備，它起到了一個承上啟下的作用，所以它工作的穩定性、可靠性就十分重要。本系統選用了在該領域的龍頭企業廣州致遠電子有限公司所生產DTU設備，型號為：DTUZWW-36A。該設備有以下一些特點：
①工業級高速RS-232電平串行接口，最高波特率921600bps，超大數據緩存區設計（收發各10M字節），采用動態劃分技術，高效使用緩存區。
②支持串口配置和USB接口配置，方便沒有串口的計算機使用支持短信配置與維護。
③內嵌完備可靠的協議棧，數據全透明傳輸，用戶無需了解復雜的TCP/IP、PPP等協議，支持數據中心動態域名或IP地址訪問，支持備用數據中心和斷線自動重連功能，并且連接時機可控功能，節約流量。
④支持本地和遠程圖形化向導式配置與維護，支持數據中心虛擬串口功能，無縫銜接現有上位機軟件，在主流組態軟件中集成驅動，使用簡便。
⑤使用工業級模塊，+6V～+26V寬范圍供電，多重軟硬件可靠設計，復合式看門狗技術，使設備安全運行，可適應高溫和低溫工作環境，溫度范圍-25℃~+70℃。
2．3主控芯片介紹
車載組件和站臺組件選擇STC15F1K28AD芯片為主控芯片，管腳分布見圖2。STC15F1K28AD單片機是宏晶科技設計生產的單時鐘/機器周期(1T)的單片機，是高速/高可靠/低功耗/超強抗干擾的新一代8051單片機。這款芯片有以下特點：
圖2 STC15F1K28AD管腳分布圖
①高速：增強型8051CPU，1T，單時鐘/機器周期，速度比普通8051快6～12倍。
②工作電壓寬：可以5.5～3.8V之間正常工作（5V單片機）。
③內部高可靠復位：8級可選復位門檻電壓，可徹底省掉外部復位電路。
④內置高精度R/C時鐘，±1%溫漂（-40℃～+85℃），常溫下溫漂5%，內部時鐘從5MHz～35MHz。
⑤低功耗設計：低速模式，空閑模式，掉電模式/停機模式(可由外部中斷喚醒）支持掉電喚醒的管腳：INT0/P3.2，INT1/P3.3。
3． 站臺組件的硬件電路組成
本系統的電路很簡潔，關鍵核心部件都選用成熟可靠的成品模塊，其中站臺組件和車載組件選用了相同的主控芯片和ZigBee數傳模塊，所以電路基本相同。
圖3 探測部分的主控、測溫和測光電路
本文以站臺組件的電路為例進行說明。路設計時就沒有外接晶振。利用穩壓芯片ASM117S來提供5V電源。二極管D1是用來防止電源反接的。電容C1、C2、C3和C4是用來進行電源濾波的，其中需要注意的是電容要按照大小搭配使用的原則，這樣能取得更好的濾波效果。電容C5和C6在布板的時候要緊挨著主控芯片，這樣既能有好的濾波效果還能起到去耦作用。電阻R4和電容C7組合形成一個上電復位電路，用來對主控芯片進行上電復位。
3．2站臺組件的無線接收和發送
圖4 站臺組件的無線發送和接收電路
電路圖4所示的是站臺組件的無線發送和接收電路。U3是ZigBee數傳模塊，利用該模塊能夠實現串口數據和ZigBee數據透明互傳。R5、R6、R7、D1、D2和D3組成ZigBee數傳模塊的工作狀態指示電路，分別用來指示無線網絡的連接情況、通訊情況和網絡質量信息。U4是看門狗芯片，通過和外圍的元器件的配合來實現轉換模塊的上電復位功能和死機喚醒功能，R8是限流電阻，R9是上拉電阻，確保正常情況下看門狗不會復位。電容C8是看門狗芯片的電源去耦合電容。
U5是串口LED顯示屏，要顯示的文字和位置信息通過串口進入，就能在屏幕上相應的位置顯示想要顯示的文字。
U6是DTU設備，它將串口接收的信息傳輸通過3G網絡傳輸給下一個站臺和公交控制中心。
3．4主控模塊的軟件設計
在這模塊的軟件設計中我們首先要設計一個合理的通訊機制，那么需要考慮在實際應用場合中的幾點特殊情況：
① 正常運行過程中，不應該不斷地發送數據，減少道路無線干擾；
②公交站點節點采用電池供電，需要休眠，如果進入休眠狀態的時間控制得不合理，那么很有可能錯過與公交車的數據交互，為此，我們通過分析，來制定基站節點的休眠時隙。
③實際可用的交互時間：因為不同的ZigBee節點的通訊范圍不一樣，我們取一個例子作為分析樣本，ZigBee數傳模塊，安裝上2dbi的天線，信號單邊覆蓋范圍為200米，考慮到公交車內的發送節點受到車體的阻隔，我們將單邊覆蓋范圍縮短為100米，公交車的車速一般在50公里每小時以內，也就是13M/S，加上車進站會減速，粗略計算下來，至少有10秒鐘的時間，可以和公交站臺的節點通訊?？紤]到公交站臺節點要采用電池供電，公交車在運行過程中盡量不向外輻射信號，以及實際可用于交互的時間，本方案采用的機制如圖5所示。
圖5 模塊工作時間圖
基站每隔3秒醒來，廣播發送三次信息，每次間隔100ms，公交車節點收到來自基站的數據就以100ms間隔不斷發送本車的數據信息請求，直到站臺節點回復數據，確認信號，才停止。數據交互的一個來回，時間可以控制在15ms以內，只要公交車節點碰上一個醒來的時間，就能完成數據交互，即使有多臺公交車同時通訊。軟件的設計是通過C語言來實現的，整個程序設計包括顯示、接收、信息處理、收發等程序，限于篇幅這里只給出車載組件和顯示組件的程序流程圖，圖6是探測部分的車載組件的流程圖，圖7是站臺組件的程序流程圖。
圖6 車載組件的程序流程圖
圖7 主控部分的程序流程圖
4． 結束語
城市智能公交系統隨著快速公交系統BRT（BusRapidTransit）的普及，帶來了新一輪的公交智能信息化，而乘借物聯網的浪潮，智能感知、物物聯網的技術運用也對智能公交系統躍躍欲試，本公交報站系統就正好迎合了這個趨勢，它集中運用了3G、ZigBee和移動互聯網等最新的技術，具有報站準確、成本低廉，維護簡單等優點、具有廣泛的市場前景。