智能公交站无线数据通信系统研制

1摘要现有的公交车语音文字报站系统是为公交车内的乘客服务，而没有顾及站台上乘客也需要了解到站车辆信息的需求。虽然站台有站牌提示，但对于某些人群仍然不是很方便，而且，当同时到达站台的公交车较多时，也很容易引起乘客的混淆。虽然基于GPS定位的自动报站系统现在已经得到一些应用，但由于成本昂贵，难以实现普及。为了解决这一问题，本文中设计了一款低成本、高性能的公交车到站自动提示系统，通过在站台增加语音播报以及动态文字显示，可以较大程度地为人们乘车转车提供便利，有效提高公交运营服务质量。完整的作品由车载系统和站台系统组成。车载系统由写入了公交车路线编码标识的单片机、无线收发模块和上下行转换开关构成。站台系统由单片机、无线收发模块、LED显示屏以及语音报站系统构成。在站台系统接收信号时，如果附近有多辆公交车同时发送到站信号，就可能会发生通信碰撞。为了防止这种现象，我们采用了一种基于时分的“随机延时”防碰撞方法。车载系统每间隔100ms向外发射一次携有自身公交线路标识的信号，然后在这段时间（100ms）内等待站台系统的反馈信号，若获得反馈信号则对其进行分析判断是否停止发送信号，否则继续向外发送线路标识信号。当公交车进入站台的有效范围内，站台系统就可以接收到它发出的信号，然后送给主控单片机处理，通过对接收的编码信号的分析识别，判断出公交车线路，并通过终端显示以及播报。可提前预告来车情况，有利于减少城市交通安全事故，尤其在视线情况不好时，为待车的乘客提供极大的便利。本课题的主要研究内容是“智能公交站无线数据通信系统”。作为城市智能交通管理系统的重要组成部分，本系统可以构建智能公交站台系统，实现公交车辆进站车次预报，便于疏导客流，方便公交车辆进站和乘客乘车。有效地改善在交通繁忙地区的公交车站拥挤状况，有利于营造安全乘车环境。同时可以提醒公交车辆进站，避免乘客错过乘车。该系统提供人性化乘车环境，具有较大的社会效益和经济效益。本系统由站台模块和车载模块两部分组成，控制核心采用单片机技术，信息传输采用无线通信技术。该系统采用模块化设计，具有结构简单，使用方便，便于推广的特点。对于提高公交服务质量，促进公共交通发展，解决城市交通拥挤具有重要的社会意义。关键词智能交通，无线通信，单片机，信息处理21导言随着城市化的进展和经济的快速发展，汽车越来越普及，伴随而来的交通运输问题变得日益严重，道路车辆拥挤，交通环境不断恶化。与出租车和私家车相比，公交车人均占道面积少、成本低、运载能力高，同时它的通行线路覆盖面广，在缓解交通拥堵，节能减排方面都有积极作用，因此在未来将得到进一步的应用。可以肯定地说，城市公共交通在今后一个时期内将得到迅速地发展。然而，现有的城市公交车运输方面存在如下一些问题：首先，目前公交车报站系统设计是为公交车内的乘客服务，没有考虑到在站台等车乘客的需求，在天气恶劣或是视线不好的时候，乘客往往无法分辨到达的车辆路线，出现众多乘车不便的现象：有的乘客下到机动车道伸头观望，更多的是常常一拥而上，前后跑动、追赶，找寻自己要上的车辆，很容易造成盲目拥挤，秩序混乱的场面。我国城市特别是大城市的交通问题极其严重，如果不能得到有效解决和根本治理，必将对我国经济的持续、快速、健康发展构成严重威胁。目前大多数公交车报站系统设计主要考虑为公交车内的乘客服务，没有考虑到在站台等车乘客的需求。虽然站台有站牌，但对于盲人、识字不多以及对乘座公交车不太熟悉的人来说，还不是很方便；再加之，到达同一站台的公交车较多，也很容易引起乘客的混淆。有关专家在原公交报站系统的基础上应用射频芯片设计无线公交车报站系统，在该系统中，公交车内通过半自动报站设计的同时把该车的相关信息通过无线电路传送到站台，完成即将到站车辆的预报以及显示该车所经路线基本情况。通过在站台增加语音播报和动态文字显示设计，使原来仅有一个站牌来提供简单静态线路信息的站台成为一个公交信息亭。方便了乘客乘车，有效地提高了公交运营公司的服务质量。基于以上使用公交不便的情况以及引起的交通秩序问题和安全隐患，本项目致力于设计出一种公交车到站提示系统。当公交车驶入站台附近100m的有效距离以内时，站台系统就可以接收到车载系统发送的具有该路车的标识信息编码，经过主控单片机处理后获取该路车的相关信息，在LED显示屏上显示出来，并通过语音系统进行语音播报。这样便可使候车的人们提前得知来车情况并做好上车准备。这种图文声并茂的报站方式使公交搭乘更为方便，同时也有利于提高公交运营公司的服务质量。32设计原理2.1项目简介本系统由智能站台单元、车载单元等两部分组成。系统方案见图1所示。基于这种设计思想，构建的智能站台单元结构包括了无线通信模块、电源、单片机及配套键盘、显示屏幕等部分。智能站台单元接收接近的车载单元发出的信息，经过信息识别，将进站车辆信息进行显示提示，为公交乘客提供方便。车载单元包括无线通信模块和控制单元等部分，为了保证单元模块的通用性，该单元具有手动设定功能，以适应不同的公交线路。无线收发模块采用短距离无线数传模块，使智能站台单元与车载单元组成近距离的通信系统。本系统综合利用无线数据通信技术和单片机控制技术，为候车者提供一种可以预报到站公交车信息的智能交通系统。具有如下功能：1）自动识别路线，可识别上下行车辆，准确度高。2）可实现在公交车到站之前自动报站。3）系统提供语音、文字双重提示，更好地提醒乘客到车情况。发送设备：图1系统发送端方案图接收设备：图2系统接收端方案图键盘公交站台控制单元RXD无线通信模块TXD无线通信模块车载控制单元8位数码管显示系统语音提示系统4主要研究问题：1）研究单片机系统软件编程与硬件接口2）针对系统的需求选择合适的无线数据传输模块3）根据选择的器件设计外围电路和单片机的接口电路，编写控制无线数据传输器件进行数据传输的程序4）编写单片机程序，控制无线数据传输模块实按要求工作5）系统样机试验2.2无线通信模块的主要技术指标2.2.1产品特点：1）提供3个串口3种接口方式，COM1为TTL电平UART接口，COM2为标准的RS-232接口和标准的RS-485接口。2）晶体稳频，内置数字锁相环，频点根据用户需要在300—1000MHz范围内可以灵活设置3）自动过滤噪声，发送一字节，接收一字节，决不多收一个多余字节的噪声，简化了用户接口的编程，做到与有线一样方便。4）“收”“发”自动切换，无需专用的收发控制线，不发数据时为常态“收”状态；发数据时自动转换为“发”状态，“发”完后自动回到“收”。5）微发射功率:最大发射功率10mW6）模块有自动避让功能，避免同频率同时发送而干扰，类似载波侦听2.2.2主要应用场所：1）水、电、煤气等计量表计的无线抄表、油井及水情测报系统2）消防安全报警、楼宇自动化、门禁系统、安全防火系统、小区传呼3）仓储物流、物流无线盘点系统、激光枪、条码阅读器4）长距离非接触RF智能卡、无线标签、不停车收费、只能交通身份识别、车辆监控5）无线遥控、自动化数据采集系统、小型无线数据终端、工业数据采集系统6）无线吊秤、无线电子衡器、医疗仪器、机房设备无线监控7）无线RS323/无线RS485接口、生物信号采集、水文气象监控8）无线现场总线、无线会议投票表决系统图1ZF02系列无线模块59）餐饮点菜、PDA等无线智能终端、机器人控制、测绘2.2.3主要技术指标：1）频段：433MISM频段内，8个信道，信道通过用跳线自行设置2）通信方式：FSK半双工3）波特率：根据客户需求，可提供（1200bps、2400bps、4800bps、9600bps、19200bps）4）输出功率：10mW(毫瓦)5）接口数据格式：TTL和RS232（或485）接口，数据格式8E1/8N1，用户可通过跳线自行选择8位或9位数据6）传输距离：800米（室外空旷地），室内100--300米7）通信接口：异步串行，一位起始位，8位数据位，一位停止位；三种电平接口：TTL(CMOS)，RS232，RS4858）电源:直流3.3V---5V9）电流：接收时25mA；发送时35mA10）外形尺寸：47X26mm图3无线模块接口与尺寸62.3．无线通信模块的工作原理：2.3.1接器说明：模块提供一个9针的连接器，如图3所示，连接器的定义及连接方法如表1：表1无线模块9针连接器连接信号序号模块端说明电平连接终端备注1GND电源地电源地2VCC电源（DC）+3.3-5v3RXD串行数据接收口TTLTXD4TXD串行数据发送口TTLRXD5SGND信道地模拟地可与电源地相连6D+(TXD)RS-232的TXD，RS-485的D+D+(TXD)7D-(RXD)RS-232的RXD，RS-485的DDD-(RXD)8SLEEP模块休眠控制（输入）模块休眠信号低有效（低电平持续时间大于10ms）9RESET模块唤醒控制（输入）模块唤醒信号(复位信号)负脉冲，脉冲宽度大于1ms资料来源：上海兆富有限公司.ZF02系列无线数传模块说明书.2.3.2信道设置：ZF02系列模块的右下角有一组5位的短路跳线,（如表2所示）分别定义为①②③④⑤，①②③是用来设置信道的，有8个(23=8)信道，收发双方模块只要①②③的跳线方式相同，（即在同一个信道）就可相互通信。设定跳线开路（不插短路跳线）为状态1，跳线短路（插入短路跳线）为状态0，则0--7信道所对应的频点配置方法如表2：表2ZF02频点配置跳线①②③信道号频率跳线①②③信道号频率0422.05MHz4433.53MHz1443.35MHz5430.95MHz2441.72MHz6428.60MHz3435.98MHz7425.97MHz资料来源：上海兆富有限公司.ZF02系列无线数传模块说明书.7注：各信道所对应的频点，可根据用户的需要进行调整。例：①②③对应“”为1信道,这时①、②插上短路跳线，③悬空2.3.3通信接口说明：1）模块与外部单片机通信(TTL,CMOS电平)：单片机的发送连无线模块的RXD（PIN3）;单片机的接收连无线模块的TXD（PIN4）;2）模块与RS232接口通信RS232的发送连无线模块的RXD_232（PIN7）;RS232的接收连无线模块的TXD_232（PIN6）;④=1(④不插上短路跳线)3）模块与RS485接口通信4）RS485的D+连接无线模块的D+（PIN6）5）RS485的D-连接无线模块的D-（PIN7）6）④=0(④插上短路跳线)7）模块的RS-485接口与RS-232是同一个接口，由如表2所示中的①②③④⑤五个插针跳线中的④来决定是RS-232接口还是RS-485接口，当悬空时为RS-232接口用，当插跳线时为RS-485接口用。图4无线传输应用框图2.3.4接口速率设定波特率由硬件决定，用户不可自行设置，订货时需说明。可提供1200bps，2400bps，4800bps，9600bps，19200bps等常用波特率，还可以订做一些特殊波特率的模块。82.3.5校验位选择模块支持两种数据格式，8E1/8O1和8N1。用户可通过如图（一）中所示的①②③④⑤五个跳线中的⑤跳线自己选择。⑤＝1（⑤不插上短路插）：不带位校验位⑤＝0（⑤插上短路插）：8E1/801带一位校验位8E1/8O1：1位起始位8位数据位，1位停止位8N1：1位起始位，9位数据位（其中第9位可以用户自定义），1位停止位2.3.6注意事项1）要传送的信号只能是标准的异步串口信号，即：一位起始位，8位数据位，一位停止位，或者一位起始位，8位数据位，一位校验位，一位停止位。建议用“串口调试助手”（去网上下载）或“超级终端”进行通信测试。2）RS485接口用户注意：收到对方数据后要延时1.2毫秒后才能回音，TTL,RS232没有这个限制。在对模块的①②③④⑤五个设置跳线进行设置后必须重新上电，设置方可生效。93硬件电路设计3.1单片机及其扩展模块：3.1.1串行通信的基本原理串行端口的本质功能是作为CPU和串行设备间的编码转换器。当数据从CPU经过串行端口发送出去时，字节数据转换为串