城乡便捷巴士运营状态自动监测系统

随着我国经济的快速发展、居民生活水平和综合素质的日益提高，居民所追求的生活标准已经发生了巨大的变化，健康的生活标准已经是生活标准中的第一位，我国越来越多的居民为避免城市中喧闹的、污染的环境而到离市区较远的郊区居住。除此之外，市区的房价日益攀升，具有市区购房能力的人也越来越少，因而有更多的人选择了到郊区去居住。
同样，政府部门为更好地、更科学地加快城市建设，减小城市污染，许多企业工厂搬到了市区周边发展；同时国家重点推行的新农村建设，支持城镇布局调整和农村城镇建设以及农村城镇经济建设。这样在中小城市市区、市区周边工厂以及郊区（乡镇）就建立一条生活链。正是这条生活链的存在，使得城市公交到农村，实现城乡公交一体化交通势在必行，这样势必产生一些新的问题：如收费问题，车辆的规范运行等。
1 问题提出
1.1 城乡便巴运营特点
城市便捷巴士与城市公交有着许多差异，从而导致便捷巴士在管理方式上不能像城市公交一样，城乡便巴运营时特点包括：便巴为有人售票车；行车路程上，便巴在行车路程上远大于城市公交行车路程；便巴计费标准的多样性，有按里程数计费和按途经站台数计费等；便巴运营性质不同，有承包给司机和汽运公司自主运营；便巴乘客的多样性和分时段高峰期；乘客不按照先下后上原则等等。
1.2 出现的问题
我们在对我国便捷巴士进行多省市调研后，发现我国便捷巴士在营运时，售票员上交费用与实际乘客买票费用存在巨大差异。汽运公司为防止这类事件发生，做了巨大的工作，一是汽运公司将便捷巴士承包给司机，司机定期上交给汽运公司一定的费用，其结果是司机为争抢乘客而导致交通事故频频发生，目前采用该方法运营的城乡便巴管理是交通部门重点管理的对象；二是汽运公司采取自行运营方式，要求售票员必须给每位乘客票据，并用摄像头录像监督售票员是否给每一位乘客票据，汽运公司根据售票上交的票据存根进行费用计算，并观看实时的录像，该方法务必增加汽运公司的工作人员，并且长时间观看录像将会对工作人员造成心里和生理上的伤害。
为此，我们利用单片机以及红外光电技术实现对便捷巴士运行情况进行实时监控，包括乘客上下车、汽车载客数、汽车运行速度、汽车停靠站、汽车开门关门情况，并提供串行通信接口、IC卡数据读取通信接口，配合计算机后台分析软件将快速的分析出汽车在运行中的情况，以及管理在一天中获得的乘客乘车状态信息，并给出上交费用的参考值，起着监督作用。
2 系统的总体设计
为达到便捷巴士运营状态自动监测系统的功能，提高运行可靠性和计费准确度要求以及对乘客上下车信息进行统计和分析，本系统设计总体上包括两大部分：便巴运营状态自动监测记录系统和PC机端的后台数据处理和分析系统，系统总体设计方案设计框图如图1所示。
500)this.style.width=500;" border="0" />

图1 总体设计方案结构框图
    该系统采用串行数据通信接口和IC卡数据通信接口两种方式提供给后台数据处理和分析系统。串行接口还用于设定车牌号（用于后台分析系统对数据的索引管理）和行车路线号，串行通信波特率为19200bps。PC机后台分析系统从监测记录系统接收到的数据包括：便巴停靠站总次数，上下车总人数，车牌号，行车路线号各次停靠站时的里程数，各次停靠站乘客上下车顺序状态，各次停靠站的时间和行车方向代码。
3 自动监测记录系统的硬件设计
自动监测记录系统硬件由六部分组成：MCU系统，电源模块，车速检测模块，乘客上下车动作识别模块，行车方向识别模块，时钟显示模块和报警模块。
3.1电源模块
由于便捷巴士上提供的电源为24V，而MCU系统工作电压5V左右，我们利用TI公司生产的DC－DC电源模块PT3104A实现电压转换，该模块输入电压18V～40V，输出5V，最大功率达15W[1]。
3.2车速检测模块
不同类型便巴的车速检测方法是不同的，检测元用的器件也不同，主要分两种：一种是装有机械式里程表的车辆，另一种是电子式车速表的车辆。前一种是没有电脉冲速度信号输出，需要加装车速传感器，一般采用霍尔车速传感器，后一种直接从车速表的数度信号输入端取信号即可。这两种连接方式如图2和图3所示。
500)this.style.width=500;" border="0" />

图2 装机械式里程表速度检测连接示意图    图3 装电子式车速表速度检测连接示意图
要注意的是图2电源是由自动监测记录仪提供，而图3中电源端由电子式里程表电源端提供。
3.3上下车动作识别模块
     乘客上下车动作识别采用红外光电开关来实现，由于便捷巴士本身的特性，各乘客上下车动作规范性及完成动作的时间差异，携带物品的不规则，都有可能导致动作的误识别。因此，对红外光电开关有一些特定的要求：反应速度，抗汽车震动干扰，光控范围，张角尺寸及其在车辆上的安装位置。
     前后门各安装两对PNP型光电开关，要求一个是常开型，一个是常闭型，工作电压为24V，动作时间<=2ms，检测距离60～80cm，两个安装同一水平线上，间距k控制在10～15cm之内（减少其他物体产生误识别），如图4所示。
500)this.style.width=500;" border="0" />

图4 光电开关安装示意图                     图5 系统与外围检测器件连接原理图
假设1＃光电开关为常开（无动作输出状态为1），2＃为常闭（无动作输出状态为0），乘客在上车过程中产生状态为依次为：10（初始态），00，01，11，10（返回初始态），下车状态为依次为：10（初始态），11，01，00，10（返回初始态）。获取的乘客上下车顺序、停靠站时间和本站上下车总人数记录于MCU系统外部扩展的NVRAM－DS1235Y存储器中，采用二进制存放，用于后台分析软件的数据统计。
3.4行车方向识别模块
行车方向识别模块主要用于识别车辆是从起始站出发还是从终点站出发，主要是考虑到不同方向计费方式不同而设计的。该模块主要利用DF无线收发模块实现，利用SC2262和SC2272编码和解码芯片实现，发送模块安装在进站或出站口，接收模块安装在监测记录系统端，接收到信号给MCU系统。
3.5时钟及显示模块
便捷巴士停靠站的时间就是由该模块提供，采用掉电保护的日历时钟芯片DS12887来实现，该芯片为24引脚，具有时钟，闹钟及到2100年的日历功能，可选择12小时或24小时制计时，有AM和PM、星期及闰年自动补偿功能[2][3]。显示模块用于显示当前时间和当前汽车行驶状态，使用LCD12864制作实现。
整个监测记录系统与光电开关和开关门检测的部分电路原理图如图5所示。其中K1和K2用于检测门开关的继电器，继电器电源由汽车24V电源供电，4个光隔离耦合用于接收前后门4个光电开关信号，2个用于接收门开关信号，1个用于接收车速脉冲信号，一个预留用。获取的各个信号送到SN74HC244锁存，MCU系统从读取244获得实时信号。
4 软件设计
MCU系统核心器件使用SST89C58，该器件具有看门狗功能定时器[4]。开发环境使用KeilC51，该环境下具有强大的指针功能和子程序设计功能，使得整个设计周期缩短。图6和图7是系统的整个工作流程和串行中断处理流程。与PC后台数据统计分析系统的数据通信采用串行通信和IC卡（目前预留）。

500)this.style.width=500;" border="0" />

图6 系统总程序流程图                         图7 串行中断处理流程图
前后门开否检测基本上类似，下面程序是前门开否检测程序：
void Forward_Door_Check(void)
{   if(FORWARD_DOOR == OPEN) // 门开检测
    {   if(Forward_Door_Opened == FALSE)
        {   Delay_500Ms();
         if(FORWARD_DOOR == OPEN)
             Forward_Door_Opened = TRUE;
     }
}
else  // 门关检测
    {    if(Forward_Door_Opened == TRUE)
     {   Delay_500Ms();
         if(FORWARD_DOOR == CLOSE)
             Forward_Door_Opened = FALSE;
     }
    }
}
当便捷巴士停靠站后再次起动行驶时，这时需要将本站停靠信息（停靠时间、里程数和乘客上下车信息）添加到外部扩展的NVRAM－DS1235Y数据记录中，程序如下：
void ThisStation_Update(void)
{   byte xdata *ptr0;
ptr0 = START_ADDRESS + Total_Record_Length; // 添加记录的起始地址
*ptr0++ = Mileage >>8; // MSB 里程
*ptr0++ = Mileage;     // LSB里程
*ptr0++ = UpDown_Number_This_Station; // 本站上下车总人数
………   // 停靠站时间更新
Total_Record_Length=Total_Record_Length+RECORD_HEAD_LENGTH+ UpDown_Number_This_Station/8;
if((UpDown_Number_This_Station%8)!=0)
  Total_Record_Length++;
UpDown_Number_This_Station = 0;
Current_Stop_Times = Current_Stop_Times+1;
Mileage = 0;
}
5结束语
本系统利用SST89C58单片机，光电开关，无线收发模块研制了便捷巴士运营状态自动监测系统，包括车辆行驶的速度，里程，乘客上下车的动作识别，并利用串行口与PC机通信，配合后台分析软件作数据统计。通过实际的随车实验，统计的数据准确度较高。
本文作者创新点是利用光电开关解决乘客的动作识别，并利用无线收发模块解决车辆行驶路线识别，这对车辆运营管理和乘客计费管理有着重要的作用。