基于物联网的智能公交系统设计

摘要：基于改善公交调度手段、提高公交运营效率，提高公交吸引力和分担率目的，采用了基于物联网的智能公交系统设计方法。基于物联网的智能公交系统具有车辆监控调度、车载终端、电子站牌和通信网络等功能模块。系统通过RFID技术对公交车辆进行跟踪、定位、监控和调度，站台的触摸屏统计各路次候车乘客数，及电子站牌实时发布各车次到站时间等信息，利用Zigbee无线网络技术实现车载终端、站台系统和调度监控中心之间的通信。基于物联网的智能公交系统可以提高公交服务质量和效率，满足市民的出行需求。
关键词：物联网；智能公交系统；RFID；Zigbee

    目前，城市交通中存在交通拥挤、道路阻塞、环境污染等问题，公交具有运输能力大、节能环保等优点，因此大力发展城市公共交通已成为解决这一问题的共识。然而传统的公共交通系统存在着候车时间长、乘车舒适度低等问题，不能满足市民的出行需求。智能公交系统是集环保节能、城市公交监管、公交信息发布等几大系统于一体的新一代智能、环保、数字化公交站亭和“车联网”系统，它是实现城市交通现代化的关键环节之一。基于物联网的智能公交系统具有车辆监控调度、车载终端、电子站牌和通信网络等功能模块，实现各车次到站时间等信息的实时发布，为市民乘车选择和公交监控管理提供实时的公交到站信息。智能公交系统可以改善公交调度手段、提高公交运营效率，提高公交吸引力和分担率。针对上述公共交通存在的不足之处，文中提出了采用基于物联网的智能公交智能设计，以便提高城市公交系统的利用效率和促进公共交通系统的发展。

1 基于物联网的智能公交系统
    物联网(Internet of Things)是指将具有标识、感知和智能处理能力的各种信息传感设备及系统，如传感器网络、射频标签阅读装置、条码与二维码设备、全球定位系统和其它基于物一物通信模式(M2M)的短距无线自组织网络，通过各种接入网与互联网结合起来而形成的一个巨大智能网络。物联网在互联网的基础上，将任何时间、任何地点人与人之间的沟通和连接，扩展到任何时间和任何地点人与物、物与物之间的交互和连接。利用物联网技术可以为人们提供智能服务，实现智能识别、定位追溯、在线监测、远程控制等功能。
    物联网可分为3层：感知层、网络层和应用层。感知层由各种传感器以及传感器网关构成，包括传感器、二维码标签、RFID标签和读写器、摄像头、GPS等感知终端。感知层的主要功能是识别物体，采集信息。网络层由各种私有网络、互联网、有线和无线通信网、网络管理系统和云计算平台等组成，负责传递和处理感知层获取的信息。应用层是物联网和用户(包括人、组织和其他系统)的接口，它与行业需求结合，实现物联网的智能应用。
1．1 智能公交系统的主要功能模块
    基于物联网技术的智能公交系统，采用RFID技术采集公交车信息从而对公交车辆进行定位跟踪，候车乘客在站点的触摸屏上选择要乘坐的公交车路次，通过无线传感器网络进行实时通信，实现乘客与公交车之间的信息交互。车载子系统可以实现公交车的自动定位、自动记录行驶信息、乘客人数统计和故障报警等功能；站台子系统可以采集不同路次的候车乘客信息，显示各车次的动态信息，使出行者能够通过电子站牌了解车辆的到达时刻。智能公交系统的主要功能模块如下：
    1)RFID公交车监控：射频识别(Radio Frequency Identification)技术是一种无线的、非接触的自动识别技术，RFID技术可以对公交车辆进行定位、跟踪和监测。RFID系统由读写器、天线、电子标签3部分组成。由于公交线路较固定，而且每个站点有多条线路的不同车辆停靠，在各站点安装RFID阅读器，在公交车上贴上RFID标签，当公交车接近站点时，阅读器就可以读取相应公交车的数据，然后微波传感器采集公交车的交通参数，并将公交站点的地址信息、公交车辆信息、公交车辆到达站点的时间信息联系在一起。
    2)Zigbee无线通信：Zigbee具有低功耗、低成本、低速率、近距离、短时延、高容量、高安全的特点，适合于智能公交系统的应用。Zig bee无线网络技术将车载终端、站台系统和调度监控中心连接起来，Zigbee收发芯片将采集到的各路次公交车辆信息和各站点候车乘客信息经无线传感网传输给公交调度管理中心，公交调度管理中心可以根据乘客流量和公交车辆信息自适应地进行公交实时调度和动态监控。
    3)车载子系统：车载子系统实现公交车的自动定位、语音自动报站、自动记录行驶信息和故障报警等功能。在接近站点时，无线数据接收机将接受到的地理信息信号交给主控微处理器进行分析处理，得出相应的反应信号，该信号经串行接口到达音频控制芯片，芯片根据信号驱动音频驱动程序，通过外置语音输出喇叭实现自动语音报站和温馨提示。
    同时，液晶显示系统芯片对经主控微处理器传输过来的信号进行处理，驱动显示驱动程序，在屏幕上显示出相应站点的名称和图片，以及简单的滚动提示语，同时也可以播放一些宣传性的标语、公益性广告、线路上临近的景点信息。在某些节假日时，可以融入节日元素，增加乘客的娱乐性。当公交车辆遇到交通事故或者发生车辆故障的时候，司机可以通过设定的按键向调度中心发送故障信号请求帮助。
    4)站台子系统：站台子系统实现各路次公交车到站时间的预估和候车乘客数的统计。及将经过站台的车次以编码的形式存入微处理器的存储器中，当乘客来到站台时，可通过触摸屏B选择所需乘坐的车次，主控微处理器将读取车次编码存储器中的编码并进行分析处理，分析处理完成后，主控微处理器一方面驱动高频收发芯片将该车次的相应数据信号在可传输的范围内进行不间断的释放；另一方面，主控微处理器将数据信号传输给显示控制芯片。当相应车次进入无线信号范围内时，该车次在接受并校验了信息后，车载子系统会反馈相应的数据信号给站台子系统，并通过显示控制装置消去该车次已有候车乘客数，使其重新还原成初始化状态，并在显示屏上显示出“**路公交车即将到站，请乘客做好准备”的温馨提示。
1．2 智能公交系统的硬件系统
1．2．1 车载子系统
    车载子系统由主控微处理器、高频收发芯片、无线接收芯片、语音控制芯片、液晶显示屏、触摸屏、存储器等模块组成，如图1所示。

1．2．2 站台子系统
    站台子系统由主控微处理器、高频收发芯片、显示控制芯片、存储器和触摸屏等模块构成，如图2所示。

1．3 智能公交系统的软件系统
    基于物联网的智能公交系统的软件是通过网络层对底层(Zigbee、RFID等)功能进行封装，给GUI上层界面提供统一的调用接口。功能框图如3所示。

    1)嵌入式Linux开发流程
    ①建立开发环境，在虚拟机中安装Fedora8系统作为宿主机环境，安装GCC交叉编译器。
    ②配置开发主机。配置串口终端软件参数，配置NFS网络文件系统，配置SMB服务，建立引导装载程序BOOTLOADER。
    ③下载已经移植好的LINUX操作系统。下载后再添加RFID、Zigbee、LCD等硬件的驱动程序，进行调试修改。
    ④建立根文件系统，从www．busybox．net下载使用BUSYBOX软件进行功能裁减，产生一个最基本的根文件系统，再根据自己的应用需要添加其他的程序。
    ⑤建立应用程序的flash磁盘分区，使用JFFS2或YAFFS文件系统，并在内核中提供这些文件系统的驱动，需要根据应用规划flash的分区方案。
    ⑥开发应用程序，可以下载到根文件系统中，也可以放入YAFFS、JFFS2文件系统中。
    ⑦烧写内核、根文件系统、应用程序。
    2)网络服务层实现(Socket通信)
    套接口(Socket)为目前Linux上最为广泛使用的一种的进程间通信机制，与其他的Linux通信机制不同之处在于除了它可用于单机内的进程间通信以外，还可用于不同机器之间的进程间通信。但是由于Socket本身不支持同时等待和超时处理，所以它不能直接用来多进程之间的相互实时通信。本文采用事件驱动库libev的方式构建“一问一答”的服务器模型。Socket服务器端Libev是一种高性能事件循环／事件驱动库，libev拥有更快的速度，更小的体积，更多功能等优势。libev用ev_loop结构循环体来探测事件是否产生，并用void ev_loop(ev_loop* loop，int flags)来启动。由于没有考虑服务器端主动终止连接机制，所以各个连接可以维持任意时间，客户端可以自由选择退出时机。上述模型可以接受任意多个连接，且为各个连接提供完全独立的问答服务。借助libev提供的事件循环／事件驱动接口，上述模型有机会具备其他模型不能提供的高效率、低资源占用、稳定性好和编写简单等特点。
    服务器主要实现流程是：首先开启一个Zigbee后台线程(底层)监听服务器调用信息，接着利用ev_io_start(loop，&ev_io_watcher)启动一个接收线程，专门用来接收客户端发送过来的命令信息，然后按照相应的协议进行解析，跳转到相应的接口，进一步调用底层Zigbee等信息并返回正确的信息给客户端。客户端程序用于同服务器端进行交互，实现为上层GUI提供封装好的接口。
    3)QT／E GUI界面设计
    QT是一个跨平台的C++图形用户界面(GUI)工具包，本设计上位机界面软件采用QT／E4．6作为界面的开发软件包，大体流程是首先调用网络客户端的Api_GetConneet(port)接口函数，连接到服务器的port端口，然后开启了一个线程(zigbeetopo．cpp)，用来调用网络客户端的Api_Cliect_GetRfidId()接口函数，获得RFID读取的卡号。

2 结论
    提出了基于物联网的智能公交系统设计方案，从车辆监控调度、车载终端、电子站牌和通信网络等方面论述了智能公交系统的主要功能模块，给出了系统的硬件设计和软件设计框架和流程。