【正文】 1........................................................................................................................... 21 1 引言 現(xiàn)在汽車已經(jīng)越來越智能化，公交管理系統(tǒng)是不是也該如此呢？毫無疑問這是非常必要的。世界各地的城市都急需完善基礎(chǔ)設(shè)施來滿足人民需求，但往往都是心有余而力不足。就以美國為例， 1982 到 2020 年人口增長了約 20%，而交通流量卻暴增了 236%。 鋪設(shè)更多新的道路和車道也許不太現(xiàn)實，但是將智能工具運 用到道路和汽車中無疑是可以實現(xiàn)的，例如，增設(shè)路邊傳感器、射頻標(biāo)記和全球定位系統(tǒng)。公交系統(tǒng)的 自動報站、 GPS 定位、行車記錄、整車實時監(jiān)控、車輛調(diào)度 等功能的智能化、自動化正在人們?nèi)粘Ｉ钪邪l(fā)揮著越來越大的作用，其中加裝車載終端是實現(xiàn)整個管理系統(tǒng)智能化的必經(jīng)途徑，車載終端的質(zhì)量直接影響了整個系統(tǒng)的指標(biāo)。 智能公交系統(tǒng)的發(fā)展 所謂智能公共交通管理系統(tǒng) (ITS),就是在公交網(wǎng)絡(luò)分配、公交調(diào)度、預(yù)測算法等關(guān)鍵理論研究的前提下，利用系統(tǒng)工程的理論和方法，將現(xiàn)代通信、信息、電子、控制、計算機、網(wǎng)絡(luò)、定位技術(shù)、 GIS 等新技術(shù)集成應(yīng)用于公共交通系統(tǒng)，通過構(gòu)建現(xiàn)代的信息管理系統(tǒng)和控制調(diào)模式，實現(xiàn)公共交通調(diào)度、運營、管理的信息化、現(xiàn)代化和智能化，增強公交企業(yè)管理水平和服務(wù)水平，提高公交企業(yè)的運營效率和效益；同時為出行者提供更加安全、舒服、使捷的公共交通服務(wù)信息服務(wù)。 七十年代國外因為發(fā)達的公交網(wǎng)絡(luò)運轉(zhuǎn)流暢，已經(jīng)提出應(yīng)用各種技術(shù)措施來實現(xiàn)公交車定位，車輛運行監(jiān)控，自動報站等功能，例如增設(shè)路邊傳感器、射頻標(biāo)記和全球定位系統(tǒng)。八十年代初期部分發(fā)達城市已經(jīng)實現(xiàn)了這些功能，目前公交管理系統(tǒng)的智能化研究主要集中在一些細節(jié)優(yōu)化方面，比如更加 實時的路況監(jiān)控設(shè)備，最優(yōu)車輛調(diào)度算法，設(shè)備的性能以及降低系統(tǒng)的建設(shè)和維護經(jīng)費上。 我國的公交系統(tǒng)到了 21世紀才在部分大城市初具規(guī)模，才有部分城市實現(xiàn) IC繳費，車輛實時定位，電子站牌等基本智能化功能。目前我國所有的城市車輛監(jiān)控系統(tǒng)，都在逐漸實現(xiàn)智能化，例如， 自動報站、 GPS定位、行車記錄、整車實時監(jiān)控、車輛調(diào)度 等功能的智能化、自動化，部分大城市也已經(jīng)趕上世界發(fā)達國家的公交智能化水平，智能車載終端的研究和生產(chǎn)也初具規(guī)模。 所涉及的各種技術(shù)介紹 GSM網(wǎng)絡(luò) GSM(Global System for Mobile Communication，全球移動通訊系統(tǒng)）是基于時分多址技術(shù)的移動通訊系統(tǒng)，是目前發(fā)展比較成熟、完善、應(yīng)用最為廣泛的通訊系統(tǒng)。目前已建成的覆蓋全國的 GSM數(shù)字蜂窩移動通訊網(wǎng)（主要包括中國移 動和中國聯(lián)通兩家大型運營商），是我國公眾移動通訊網(wǎng)的主要方式，它主要提供話音、短信息、數(shù)據(jù)等多種業(yè)務(wù)。其中基于 GSMSMS和 GPRS功能可以開發(fā)出傳輸各種檢測、監(jiān)控數(shù)據(jù)信號和控制命令的數(shù)據(jù)通訊系統(tǒng)。由于 GSM網(wǎng)絡(luò)在全球范圍內(nèi)實現(xiàn)了聯(lián)網(wǎng)和漫游，不需組建專用通訊網(wǎng)絡(luò)，就可以完成遠程數(shù)據(jù)通訊，而且具有 較好的實時性 ，所以 GSM網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用越來越廣泛。 全球定位系統(tǒng)（ GPS） GPS(global positisioning system) 簡單地說，這是一個由覆蓋全球的 24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。這個系統(tǒng)可以保證在任意時刻，地球上任意一點都可以同時觀測到 4 顆衛(wèi)星，以保證衛(wèi)星可以采集到該觀測點的經(jīng)緯度和高度，以便實現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時等功能。這項技術(shù)可以用來引導(dǎo)飛機、船舶、車輛以及個人，安全、準確地沿著選定的路線，準時到達目的地。全球定位系統(tǒng) (GPS)是 20 世紀 70 年代由美國陸?？杖娐?lián)合研制的新一代 空間衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng) 。其主要目的是為陸、海、空三大領(lǐng)域提供實時、 全天候和全球性的導(dǎo)航服務(wù)，并用于情報收集、核爆監(jiān)測和應(yīng)急通訊等一些軍事目的，是美國獨霸全球戰(zhàn)略的重要組成。經(jīng)過 20 余年的研究實驗，耗資 300 億美元，到 1994 年 3 月，全球覆蓋率高達 98%的 24 顆 GPS 衛(wèi)星星座己布設(shè)完成。 GPS 全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)由三部分組成：空間部分 —— GPS 衛(wèi)星 ；地面控制部分 —— 地面監(jiān)控系統(tǒng)；用戶設(shè)備部分 —— GPS 信號接收機。 GPS定位技術(shù)具有高精度、高效率和低成本的優(yōu)點，使其在各類大地測量控制網(wǎng)的加強改造和建立以及在 公路工程測量和大型構(gòu)造物的變形測量中得到了較為廣泛的應(yīng)用。 地理信息系統(tǒng)（ GIS） 物質(zhì)世界中的任何地物都被牢牢地打上了時空的烙印。人們的生產(chǎn)和生活中百分之八十以上的信息和地理空間位置有關(guān)。 地理信息系統(tǒng) （ Geographic Information System, 簡稱 GIS ）作為獲取、處理、管理和分析地理空間數(shù)據(jù)的重要工具、技術(shù)和學(xué)科，近年來得到了廣泛關(guān)注和迅 猛發(fā)展。從技術(shù)和應(yīng)用的角度， GIS 是解決空間問題的工具、方法和技術(shù)；從學(xué)科的角度， GIS 是在地理學(xué)、地圖學(xué)、測量學(xué)和計算機科學(xué)等學(xué)科基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一門學(xué)科，具有獨立的學(xué)科體系； 從功能上， GIS 具有空間數(shù)據(jù)的獲取、存儲、顯示、編輯、處理、分析、輸出和應(yīng)用等功能；從系統(tǒng)學(xué)的角度， GIS 具有一定結(jié)構(gòu)和功能，是一個完整的系統(tǒng)。 2 系統(tǒng)設(shè)計方案 車載終端 硬件整體設(shè)計主要由 七 部分組成： 微處理器（ MCU） ， 顯示屏 ，GSM通信模塊 ， GPS模塊，語音報站電路，行車記錄接口，鍵盤接口；終端系統(tǒng)整體框圖如 圖 1所示。 圖 1 車載終端系統(tǒng)框圖 GPS 接收器由 RCB4H 構(gòu)成，以每秒一次的速率更新車輛位置信息，車輛位置信息由 MCU 讀取并控制 GSM 收發(fā)器，把當(dāng)前位置信息發(fā)送給管理中心，同時 MCU 根據(jù)當(dāng)前位置控制語音報站實現(xiàn)語音報站功能；另外 RCB4H 還可以獲得精確的世界時間來校準時間，顯示屏可以提供時鐘顯示和消息報告功能，行車記錄電路可以記錄當(dāng)前行車的速度，乘客數(shù)量等等，并存儲在片外存儲器中，當(dāng)出現(xiàn)交通事故時可以提供具體的數(shù)據(jù)；另外還設(shè)置了部分功能鍵和擴展接口，狀態(tài)指示等電路。 3 方案論證 通信方案論證 目前的 遠程 無線通道的數(shù)據(jù)傳輸方案主要分為兩種，一種是通過專用網(wǎng)進行數(shù)據(jù)傳輸，如 RF（ Radio Frequency，射頻）數(shù)傳電臺和無線局域網(wǎng)（ WLAN）；一種是通過公共無線通信網(wǎng)絡(luò)，如 2G 和 3G 網(wǎng)絡(luò)的成熟度較高、覆蓋面較廣，因而 公共無線通信 網(wǎng)絡(luò)被選為該無線通道總體方案的通信基礎(chǔ) [4]。 其中 3G 網(wǎng)絡(luò)日趨成熟，信息流量大而且實時性好，但是目前 3G 網(wǎng)絡(luò)還不完善，初期業(yè)務(wù)費用較高，將來可以使用； 2G 網(wǎng)絡(luò) 供 的數(shù)據(jù)傳輸 業(yè)務(wù)最常用 種方式，一種是短消息 業(yè)務(wù) (Short Messaging Service)， 第二種是 通用 分組無線業(yè)務(wù) (General Packet Radio Service)。 SMS（ Short Messaging Service）是最早的短消息業(yè)務(wù)，也是現(xiàn)在普及率最高的一種短消息業(yè)務(wù)。目前，這種短消息的長度被限定在 140字節(jié)之內(nèi)，這些字節(jié)可以是文本的。 SMS以簡單方便的使用功能受到大眾的歡迎，卻始GSM 收發(fā)器 微處理器 （ MCU） 顯示電路 GPS 接收器 語音報站電路 鍵盤接口 行車記錄接口 終是屬于第一代的無線數(shù)據(jù)服務(wù)，在內(nèi)容和應(yīng)用方面存在技術(shù)標(biāo)準的限制 ，SMS 消息按消息收費，因此要比通過基于 IP 的網(wǎng)絡(luò)（例如，使用 GPRS）發(fā)送的數(shù)據(jù)昂貴得多（每字節(jié)）。 GPRS是通用分組無線業(yè)務(wù) (General Packet Radio Service)的簡稱，它是GSM移動電話用戶可用的一種移動數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。 它經(jīng)常被描述成 ―‖，也就是說這項技術(shù)位于第二代（ 2G）和第三代（ 3G）移動通訊技術(shù)之間。它通過利用 GSM網(wǎng)絡(luò)中未使用的 TDMA信道，提供中速的數(shù)據(jù)傳遞。 GPRS突破了 GSM網(wǎng) 絡(luò) 只能提供電路交換方式，只通過增加相應(yīng)的功能實體和對現(xiàn)有的基站系統(tǒng)進行部分改造來實現(xiàn)分組交換，這種改造的投入相對來說并不大，但得到的用戶數(shù)據(jù)速率卻相當(dāng)可觀。 GPRS(General Packet Radio Service)是一種以全球手機系統(tǒng)（ GSM）為基礎(chǔ)的數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，可說是 GSM的延續(xù)。 GPRS和以往連續(xù)在頻道傳輸?shù)姆绞讲煌且苑獍?Packet）式來傳輸，因此使用者所負擔(dān)的費用是以其傳輸資料單位計算，并非使用其整個頻道，理論上較為便宜。 而且車輛與管理中心的每次通信所要傳輸?shù)臄?shù)據(jù)很少（幾十個字節(jié)左右），但是通信次數(shù)比較頻繁（會達到每秒一次），每次通信占用一條短信是很昂貴的，所以采用按流量計費的 GPRS業(yè)務(wù)通信是最佳選著。 將來 3G網(wǎng)絡(luò)的成熟將會帶來更加高的通信速率，更低的通信費用，更大的信息流量，也會使我們的公交管 理系統(tǒng)更加完善。 車輛定位方案論證 在公交管理系統(tǒng)發(fā)展的初期，國外很多城市采用增設(shè)路邊射頻傳感器，汽車加裝射頻標(biāo)志來定位汽車的位置的方法來判斷汽車所在路段，這種方法成本價格較低，而且汽車不產(chǎn)生通信費用，在要求不高的年代是很好的實現(xiàn)方法；但是，當(dāng)汽車開出市區(qū)或者?？吭诟浇鼪]有射頻傳感器的地方就發(fā)現(xiàn)不了汽車，顯然是不能夠滿足現(xiàn)代人的需求。 到了 20世紀，隨著經(jīng)濟和科技的不斷發(fā)展， GPS器件的性能的不斷改善，精度不斷提高；而且隨著無線網(wǎng)絡(luò)通信費用的不斷降低，為了滿足人們的需要，在汽車上加裝性能更加優(yōu)良的 定位系統(tǒng)是非常必要。 GPS器件的定位誤差現(xiàn)在已經(jīng)低于 5米，而且隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，基于 地理信息系統(tǒng)（ GIS） 技術(shù)，可以實時得到路況信息，可以實時查詢到每一量車的具體信息。 隨著計算機科學(xué)的發(fā)展，圖像識別技術(shù)也有了很高的發(fā)展，有人提出在路邊增設(shè)電子眼來識別車牌號，進而可以查詢到汽車的具體位置，但是電子眼與路邊傳感器一樣不可以到處都涉及到，大量的電子眼已經(jīng)產(chǎn)生很高的費用，而且作為高新技術(shù)，圖像識別技術(shù)還不是十分的成熟，所以采用該方法也不能很好實現(xiàn)車輛定位，但是可以用來監(jiān)控一些繁忙路段的實時路況，這樣加上 GPS車載終端可 以完善智能公交系統(tǒng)的功能。 近距離無線通信方案論證 近距離通信可以用來提供車輛與近距離的電子站牌和管理中心的數(shù)據(jù)傳輸，而且不產(chǎn)生通信費用，主要方式有： （ 1） 采用 射頻識別 技術(shù)實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸 ； （ 2） 采用 紅外線 技術(shù)實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸 ； （ 3） 采用藍牙技術(shù)實現(xiàn)無線數(shù)據(jù)傳輸 ； 其中射頻識別設(shè)備可以做的很簡單，成本價格也比較低，是較好的選擇。 4 硬件設(shè)計 車載產(chǎn)品由于工作于特殊的環(huán)境，必須符合一定公家或者國際標(biāo)準， GPS器件需要很高的射頻性能，特別是 GSM 產(chǎn)品經(jīng)常會出現(xiàn)意想不到的錯誤，所以硬件 的設(shè)計顯得尤其的重要。它主要包括控制電路，通信模塊， GPS 接收電路，人機交互電路幾部分。 控制 電路的設(shè)計 控制系統(tǒng) 的 主要 功能 （ 1） 接收由 GPS接收器接收到的定位信息，并實現(xiàn) 協(xié)調(diào)世界時 （ Coordinated Universal Time ，簡寫為 UTC）與我國北京時間的轉(zhuǎn)化，并利用轉(zhuǎn)化后的時間校準系統(tǒng)時間。 （ 2）與 GSM模塊建立通訊，完成對 GSM模塊的初始化 ， 完成單片機系統(tǒng)與GSM模塊之間的數(shù)據(jù)協(xié)議轉(zhuǎn)換，包括將 定位 信息轉(zhuǎn)換成符合 SMS/GPRS協(xié)議的數(shù)據(jù)格式并傳遞給 GSM模塊進行發(fā)送 ，以及將 GSM模塊收到的短信 顯示在屏幕上 。 （ 3）根據(jù)定位信息確定當(dāng)前站點，以及下一站點，從而控制語音電路實現(xiàn)自動語音報站。 （ 4）當(dāng)定位信號不好時關(guān)閉自動報站功能并轉(zhuǎn)入人工報站。 （ 5）提供人機接口電路，實現(xiàn)人性化操作。 MCU的選用 AT89S52是一種低功耗、高性能 CMOS8位微控制器，具有 8K 在系統(tǒng)可編程Flash 存儲器。使用 Atmel公司高密度非易失性存儲器技術(shù)制造，與工業(yè) 80C51產(chǎn)品指令和引腳完全兼容。片上 Flash允許程序存儲器在系統(tǒng)可編程，亦適于常規(guī)編程器。在單芯片上，擁有 靈巧的 8 位 CPU 和在系統(tǒng)可編程 Flash，使得 AT89S52為眾多嵌入式控制應(yīng)用系統(tǒng)提供高靈活、有效的解決方案。 AT89S52具有以下標(biāo)準功能： 8k字節(jié) Flash， 256字節(jié) RAM， 32 位 I/O 口線，看門狗定時器， 2 個數(shù)據(jù)指針，三個 16 位定時器 /計數(shù)器，一個 6向量 2級中斷結(jié)構(gòu)，全雙工串行口，片內(nèi)晶振及時鐘電路。另外， AT89S52 可降至 0Hz 靜態(tài)邏輯操作，支持 2種軟件可選擇節(jié)電模式。空閑模式下， CPU停止工作，允許 RAM、定時器 /計數(shù)器、串口、中斷繼續(xù)工作。掉電保護方式下， RAM內(nèi)容被保 存，振蕩器被凍結(jié)，單片機一切工作停止，直到下一個中斷或硬件復(fù)位為止。為了產(chǎn)生高穩(wěn)定的串行口速率，這里選擇 。 串口擴展的實現(xiàn) 雖然整個系統(tǒng)設(shè)計主要按照 ，然而像 RS485電路的輸入、輸出需要 5V電平，同時 GSM終端需要向用戶提供 TTL電平的串口輸出。因此需要進行 5V～ ～ 5V的電平轉(zhuǎn)換。我們選用 MAX232電平轉(zhuǎn)換電路實現(xiàn)了電平的相互轉(zhuǎn)換 。 RS232是由美國電子工業(yè)協(xié)會（ EIA）正式公布的、在異步串行通訊