基于Xbee Pro模塊和ZigBee/GPS/GPRS的智能公交系統(tǒng)設計

　　公共交通具有個體交通無法比擬的強大優(yōu)勢，優(yōu)先發(fā)展城市公共交通系統(tǒng)是解決大、中城市交通問題的最佳途徑。近年來， 城市公交系統(tǒng)的智能化已成為公共交通研究領域的主要方向。國內現有試運行的智能公交系統(tǒng)大部分都采用GPS全球定位系統(tǒng)進行定位， 同時采用GPRS網絡進行數據傳輸。車載GPS模塊可以實時獲取位置、方向、時間等導航定位數據， 然后通過車載GPRS模塊將數據傳至監(jiān)控中心， 從而實現車輛的定位和監(jiān)控。監(jiān)控中心則可將車輛的實時信息或公告信息通過電子站牌的GPRS模塊發(fā)送給電子站牌，以估算到站時間和距離， 然后顯示在電子站牌上。盡管現有試運行的智能公交系統(tǒng)定位覆蓋面廣、精度高， 可以實現車輛的全范圍定位和監(jiān)控。但在實際運行過程中， 仍然存在以下不足：

　　◇ GPS信號在隧道和高架橋等環(huán)境下會存在盲點；

　　◇ 運行中需將GPS信息通過GPRS發(fā)到監(jiān)控中心， 再由監(jiān)控中心通過GPRS發(fā)送顯示信息給電子站牌， 因此運營費用較高；

　　◇ GPRS模塊價格昂貴， 公交車數量眾多且都必須安裝GPRS模塊， 硬件成本高；

　　◇ 不能實現公交車與站牌的通信， 也不能實現提前報站等服務。

　　1 系統(tǒng)總體方案

　　由于西安城市面積較小， 道路集中， 公交線路密集， 電子站牌間距大多在500米左右， 因此，監(jiān)控中心沒有必要對公交車進行實時全范圍的監(jiān)控， 而只需知道公交車的站牌區(qū)間范圍便可大致定位。

　　為吸取現有智能公交系統(tǒng)方案的優(yōu)點， 克服其缺點， 并結合西安城市自身特點， 本文把ZigBee短距離無線通信技術引入到智能公交系統(tǒng)中， 對國內現有試運行的智能公交系統(tǒng)普遍采用的GPS定位、GPRS信息傳輸的方案進行了數據傳輸方式的改進， 改進后的智能公交系統(tǒng)方案的整體架構如圖1所示。

圖1 智能公交系統(tǒng)的總體方案

　　本系統(tǒng)主要由公交車終端、電子站牌終端和管理監(jiān)控中心服務器三部分組成。

　　公交車終端可根據車載GPS模塊實時定位公交車的位置信息， 并與各個站牌的位置信息進行對比， 當其到達某個站牌時， 公交車自動語音報站， 同時用LCD屏顯示到站信息。

　　電子站牌終端和公交車終端可通過ZigBee短距離無線通信網絡進行通信。公交車可實現提前報站。當公交車到達某個站牌后， 便把自己的車輛信息、狀態(tài)信息等打包發(fā)送給站牌。電子站牌收到管理中心的信息后， 便將公交車的位置信息顯示在站牌的電子地圖上。

　　管理中心服務器和電子站牌終端可通過GPRS無線通信網絡進行通信。電子站牌終端通過GPRS模塊的無線聯網， 以對收到的公交車信息進行處理并重新封裝， 然后發(fā)送到無線網絡中。服務器端一般是連接Internet的PC機， 可通過TCP/IP協(xié)議接收互聯網上的信息， 同時可向電子站牌終端發(fā)送運行線路上公交車的實時位置信息和公告信息。服務器可通過數據庫進行信息的管理和查詢， 以方便公交公司的管理和調度。

　　2 系統(tǒng)硬件設計

　　2.1 車載終端的硬件組成

　　本系統(tǒng)中的車載終端硬件主要包括電源模塊或電源接入模塊、ARM處理器、RAM、FLASH、GPS定位模塊、ZigBee射頻傳輸模塊、視頻監(jiān)控模塊、LCD顯示模塊、串口和調試模塊、車內人數統(tǒng)計模塊和語音模塊等。圖2所示是系統(tǒng)中車載終端的硬件組成框圖。

圖2 車載終端硬件組成框圖

　　ARM嵌入式處理器是整個車載終端的核心，可通過各種接口與各功能模塊相連接。本車載終端選用韓國三星公司的一款基于ARM920T內核的16/32位RISC嵌入式微處理器S3C2410.S3C2410的運行頻率可以達到203 MHz， 主要面向手持設備等高性價比、低功耗的應用。

　　在智能公交系統(tǒng)中， 系統(tǒng)定位模塊一般采用GPS-OEM （ Original Equipment Manufacture） 板。

　　在嵌入式車載終端系統(tǒng)中， 選用GPS模塊時， 通常應考慮定位精度、價格、功耗、體積、抗干擾能力等幾個因素。根據以上原則， 本設計選用LEADTEK公司的GPS三代SiRF star III7855模塊來實現定位。該模塊的主要性能指標如下：

　　◇ 有20個并行通道， 可同時接收20顆衛(wèi)星；

　　◇ 定位時間： 重捕時間為0.1 s， 熱啟動《1s， 冷啟動《42 s， 自動搜索少于30 s;

　　◇ 輸出差分精度可達10米， 功耗小于1 W;

　　◇ 可通過RS232接口輸出NEMA-0183協(xié)議的ASCII碼語句， 包括GPGGA、GPGSA、GPGSV、GPRMC、GPVTG、GPGLL等；

　　◇ 采用5 V電源， 可通過TX、RX引腳連接一個DB9的接口來與嵌入式微處理器的串口進行通信。

　　2.2 ZigBee射頻模塊

　　在智能公交系統(tǒng)中， GPS模塊只完成信息采集功能， 而在公交車到站時， 還需要通過ZigBee模塊信息發(fā)送給站牌。

　　經過市場調研發(fā)現， Freescale的MC1319x平臺功耗低、價格低廉、硬件集成度高， 而且方便二次開發(fā)， 射頻通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性也比較高。所以， 本設計選用了MaxStream公司與ZigBee兼容的、以Freescale MC1319x芯片組為核心的XBeePro RF模塊。XBee Pro模塊設計滿足IEEE802.15.4標準， 工作頻率為2.4 GHz， 其基本性能參數如下：

　　◇ 發(fā)送功率l00 mW;

　　◇ 室內傳輸距離為300 m， 室外傳輸距離為1500 m;

　　◇ RF數據傳輸速率為250 kbps;

　　◇ 在3.3 V電源下， 發(fā)送電流為215 mA， 接收電流為55 mA.

　　圖3所示是XBee Pro模塊的引腳排列圖， 該模塊有20個引腳。RS232接口電路板的引腳可連接到VCC、GND、DOUT和DIN引腳。其中VCC是電源引腳（2.8~3.4 V）； GND接地； DIN是信號輸入引腳， 可作為UART數據輸入， 通常與處理器的UART接收端TX相連； DOUT為信號輸出引腳，可作為UART數據輸出， 通常與處理器的UART接收端RX相連。此外， 在XBee/XBee Pro模塊中還集成了一個UART接口， 該接口的內部數據控制流程如圖4所示。

圖3 XBee Pro模塊的引腳排列圖

圖4 XBee Pro模塊的UART內部數據控制流程