基于无线网的公交车进站预报系统及公交拥挤状况分析与决策研究.docx

学科类别：工 基于无线网的公交车进站预报系统及公交拥挤状况分析与决策研究北京邮电大学 王尧 窦仁银 孟祥辉 曹天昊周慧玲 副教授摘要：该项目基于无线射频技术并对其功能进行扩展从而搭建无线网络，完成信息的处理、传递，构建智能公交报站系统。包括建立在底层网络上的报站和预报站系统、建立在GPRS和internet网络的数据采集系统和基于数据库和web技术的用户服务和决策管理系统。关键词： 无线射频；射频放大；数据库；web前端应用；单片机项目研究的背景与意义美国城市规划专家Dom Nozzi曾说过一句著名的话：聪慧式增长的城市就是使小汽车成为一个选项，而不是唯一答案。在国外的大部分城市，公共交通是出行的主要手段，人们并非买不起车，而是公共交通更节省时间和金钱，高额的燃油税以及停车费，私家车绝对不是明智的选择。然而在国内的大城市（香港除外），公交出行率一般不足40%，包括北京。即使在公交更经济的情况下，人们大多还是愿意自己驾驶，因为公交太慢了！公交出行率较低的最重要的原因就是恶劣的公交状况大量浪费了乘客的时间。而现有的公交对出行的影响可以大致归纳出以下两种情况：1) 人们在乘坐公交车时遇到最多的事就是某一路车等了半天没有来，浪费了大量的时间在等车上。2) 人们虽然坐上了公交车，可是车在路上遇上了交通拥堵，半天不动一步。而乘客们也进入了一种进退维谷的境地，把大量的时间浪费在了公交车上。针对以上两种情况，我们所设想的解决方法包括：首先就是能够实现公交车的进站预报，可以预测所有将要经过该站的公交车还有几站才能到，并以LED显示和声音广播的形式通知站内等车的乘客，从而决定是继续等待还是选择其他线路或者交通方式的选择问题，从而节省乘客的时间。而利用zigbee技术组成的无线网系统可以将预报信息沿着网络依次传递到各个站点。针对第二个问题，我们提出的解决办法是收集公交车各个线路的运行信息，从而知道各个时段每一路车所经过不同地段的交通情况。当信息得到了长期的积累，拥有了统计学意义后，可以利用这些数据帮助乘客们选择最佳出行线路。不但能解决以上两个问题，同时我们可以把采集到的所有实时信息同步放在网页上，以直观的形式反映给广大市民，并且根据出行时间段的不同，帮助乘客选择最佳线路（用时最少）。以方便大家出行。最后，公交车调度管理者也可以根据长期积累数据对整个公交系统做出更优的规划和调度。项目研究的主要内容该项目主要建立在无线射频技术，单片机技术，GPRS技术，数据库技术以及web技术之上。主要研究内容有如下几个方面：Ø 公交车与公交车站模型数学化，提出必要的信息传输模型，提出合理算法Ø 基于CC1110无线射频模块的软件设计与实现，完成公交车站点串行网络的搭建Ø 运用ACK、CRC校验、AES加密技术等技术确保无线串行网络信息传输的可靠性与安全性Ø 研究和实现公交车站点通用算法，并实现系统对多路多交叉复杂路况的支持Ø 嵌入式系统的人机交互界面设计与实现，完成公交信息实时设置更新，实现公交进站报站与预报站Ø Uart串口扩展技术Ø 通过RS232串口实现单片机的协同工作，以弥补单一CC1110无线单片机可扩展性与处理能力的不足Ø 基于嵌入式系统的GPRS通讯技术完成底层网络向上位机的数据传输Ø 前端交互式电子地图的设计与实现Ø 上位机数据采集及数据分析决策系统。项目研究的特色1.基于CC1110芯片的带功放的无线射频模块的使用本系统无线组网部分所使用的是基于CC1110芯片的无线射频模块。CC1110有高性能和低功耗的8051微控制器核，并有强大和灵活的开发工具，便于开发，性能稳定。，CC1110的RF射频收发器集成了一个高度可配置的调制解调器。这个调制解调器支持不同的调制格式，其数据传输率可达500kbps。通过开启集成在调制解调 器上的前向误差校正选项，能使性能得到提升。CC1110为数据包处理、数据缓冲、突发数据传输、清晰信道评估、连接质量指示和电磁波激发提供广泛的硬件支持。尤为重要的是其可工作在433M免费频段内。然而，单独CC1110无线射频所能支持的通讯距离大约为几十米至几百米，此距离不能满足实际应用需求（两公交站点之间的距离），因此项目选择了带射频放大的CC1110无线模块，其稳定通信距离为2公里，基本解决了通讯距离的问题。在一些障碍物较多，路线较复杂或是通讯距离要求更长的地方，还可以通过加无线中继节点的方法来保证通讯的稳定性。带功放的无线射频模块的选择无论在性能上还是在成本上都具有很大优势。2软硬件部分通用性、稳定性与灵活性软件部分的编写考虑到使用的方便性与实用性，克服了一模块对应一程序，不可在线编辑，掉电重要数据丢失等缺陷。各站点模块所烧写程序一致，可动态增减站点关键信息，并且依据相关编码方式，系统网络支持首次初始化部分站点关键信息，来保证网络的初始化的正确性。经过编辑后的站点信息使用eeprom备份来保证意外掉电所带来的数据丢失，并支持上电自动读取再次初始化。总之，系统的通用性与稳定性得到了保证。 算法编码部分独立于具体软硬件之外，因此支持硬件的升级，改造，甚至可将此项技术应用于其他方面，其灵活性可见一斑。3底层网络，GPRS网络与Internet网络的衔接公交车站的报站与预报站依靠的是底层网络，而GPRS网络负责将汇总的公交车到站数据经由GPRS网络，Internet网络传至上位机数据库，3层网络独立开来但又联系精密，花费较小的代价完成了数据底层传输，数据采集，与数据应用三大块功能。在不降低系统稳定性的前提下，大大节约了成本，增加了实用性。4.数据处理，路面拥塞状况分析与决策上位机通过Socket与站点节点GPRS模块想连接，直接获取实时参数，并存储到本地MySQL服务器上。客户端与用户直接交互的电子地图，主体由Flash实现，应用actionscript2.0为主题，辅助以actionscript3.0的一些新特性，并通过xml，php，javascript和myslq共同构建的当前较为流行的ajax框架，为用户提供实时，直观，清晰的显示。用户在可以通过前段电子地图查看当前个公交路线实时运行状态，而且可以以自己需要对指定时间范围内的数据进行查询，服务器端数据分析与决策系统在收到用户查询请求后，抽象出所需参数，并根据用户的精度要求数据范围规模选择不同时间、空间复杂度的算法进行计算，如直接暴力搜索，应用floyd或dijstra等最短路算法，或对大量数据采用蚁群等高级算法，以实现高速的决策分析。 项目成果及其性能分析 该项目基于无线射频技术并对其功能进行扩展从而搭建无线网络，完成信息的处理、传递，构建智能公交报站系统。GPRS技术的使用，能将公交车进站实时信息传送至上位机终端，不但能达到对公交车的站点定位，而且通过对长时间积累的公交到站信息数据进行充分挖掘，既可以很好的的体现整个公交系统运行状况，又能可将此数据加以利用提供给乘车者以直观界面协助乘客选车选择路线等。下面将对整个系统进行详细介绍：1.智能公交网络普通节点 底层网络数据传输、报站显示模块 普通节点主要有两部分组成，以CC1110为核心的无线收发部分与以Mega16为核心的系统界面与报站与报站系统，两部分通过RS232串口协同工作，具体功能块如图1所示： 如图1所示,CC1110部分主要负责与前后站点的数据传输，当其收到并确认信息后，一方面会将其通过串口发送给Mega16单片机，另一方面会对数据进行相应处理发送给相邻站。CC1110本身并不带有站点信息，其所存站点信息是可有由系统开机或经由Mega16添加或删除后实时改变。无线收发有ACK功能、重发机制以保障信息传输的稳定。 Mega16的外围硬件有LCD12864,4*4矩阵键盘用于完成简单人机界面，支持对公交车站站点信息设置和报站与预报站的显示。2.智能公交网络高级站点 底层网络数据传输、报站显示与数据上传模块 高级节点与普通节点的功能基本相同，不同的是高级节点能将采集到的公交车进站信息经由GPRS上传至上位机数据库，这就要求当位于高级站点之后的站点收到公交车到站信息后能够信息回传之高级站点。其结构图如图2所示： 如图2，GPRS的联网与数据传送均由Mega16单片机控制。Mega16对GPRS模块的控制是通过串口实现的，由于Mega16的串口只有一对，故使用串口扩展技术解决了Mega16与CC1110和GPRS的一对多的串口连接问题。3.公交车节点 公交车信息携带与传输模块 公交车节点是整个无线网络信息传输的开始，系统要完成的最根本任务即时是对公交车进站这一事件的跟终，这一事件有无线网络来感知，其所包含关键信息也决定了网络中所传递有用数据的长度，影响到网络的负载。因此，公交车节点的设计虽较简单单也是至关重要的。其具体结构如右图所示： 如图3，公交车节点的数据发送是由外部按键触发的，当公交车进站时，按下进站键（此键是公交车语音系统对车上乘客提醒到站所需），此时公交车会向相应站点发送到站信息。车站节点会对数据进行处理和转发。4.交互式电子地图，上位机数据采集及服务器端数据分析决策系统 用户通过可登陆web的入电脑，手机等终端设备访问服务器，服务器通过提供给用户电子地图实现用户与数据的交互。交互式电子地图可以实时地提供给用户各个公交线路上公交车的到站信息，地图上不同颜色的线段反映了各公交站间车辆的运行状态（这种颜色可由服务器维护人员设置），同时，用户还可以在这张地图上通过选择特定的线路和时间区段，来获得指定条件下的公交线路拥塞评估以及服务器端通过设定的模型所得出的最优出行路线，这些结果也可以通过地图上线段，标注或其他直观清晰地方式呈现给用户。并且，用户在设置查找条件的时候可以直接从地图上选出所需路线或标示，具有较强的互动性。上位机的数据采集则是通过Socket与站点GPRS模块相连接，直接接受实时数据，并存储在本地数据库上，供分析决策系统使用。服务器端数据分析与决策系统通过用户给出的查找条件，抽象出所需参数，并应用建立好的模型对数据进行测试与结果分析，最终的出最优结果，返回给用户。这个返回结果在客户端上也是以电子地图的形式出现的。5.系统工作流程 如上图，以387路公交车行驶路线为例，“西直门南”、“索家坟”等表示387路公交车行驶路线上的各站，车到站时，会给站“到站信息”，此信息经处理后成为“站站信息”，经各“无线设备”依次向前传递，各站会自行处理信息后做出相关反应（报站与预报站）并接力。而且此公交车到站信息（公交车标识，站名，到此站时间）会通过“高级站点”的“GPRS”传输设备传输至远处PC终端，存储至数据库。正如上图所示，高级站点之前的站点是单向传递，而之后是双向的，这使得公交车进站信息总能汇总至高级站点传至上位机。根据需要设定信息的单双向可以大大减少了系统的冗余，减轻了网络的负载。 上位机会将数据库中的数据分析整理，并以web前端应用的形式展现给乘客，以方便乘客出行。同时，数据经过长时间的积累后，会对整个公交系统有一个整体的了解，这些数据也对公交系统的规划有很好的参考价值。6.系统对多路多交叉等复杂路况的支持图6其为系统的具体模拟展示方案，图上所标每一站均放置一普通节点（明光桥北除外，其放置高级节点）。最终成果包括4个部分。用来放在公交站点的智能公交网站点模块9个，用来放在汽车上的公交车模块5个，GPRS通讯模块1个，上位机管理系统。该演示方案模拟了由304路、21路、80路、498路和387路五路公交车组成的网络，体现了公交线路重叠，交叉等复杂状况下的运行情况。而且系统软件算法可以支持更多路的复杂情况该演示方案模拟了由304路、21路、80路、498路和387路五路公交车组成的网络，体现了公交线路重叠，交叉等复杂状况下的运行情况。而且系统软件算法可以支持更多路的复杂情况。同时，为了防止干扰，我们使用了一个不常用的通讯频率，同时使用CRC校验并纠错，并且我们定义了自己的帧头和帧尾，最大限度的防止无线通讯的干扰对整个系统的影响。项目研究的技术架构项目主要涉及到单片机技术、无线射频技术、数据库技术、web技术、GPRS技术等，其间的联系系如下图所示： 项目成果的测试情况及数据处理 为了了解相邻两个车站之间的距离，经过我们实际测试，两节点平均稳定通信距离是1.5公里。而且统计了一些站点所要通过的车的线路数和平均每分钟内所通过的车辆数，这些数据便于我们了解芯片的数据处理量和确定反馈延迟等算法的大概时间（毫秒级）。我们对节点的信号强度做过测试，随着距离的增加，信号强度在一定范围内衰减，并且在1500m的时候还能保持足够的强度值。此外，我们在实际车站点进行了实际测试，在相邻的两个车站间，信息能顺利传输。为了测试系统的整体效果，我们把所有节点组成了几条交叉路线，并设置一个中心节点，最初信息的传递在某些节点间不能顺利进行，比如会出现延时、丢包、卡死或者不能转发等情况，经过对算法的改善和对硬件的改进，最终测试情况良好，能顺利运行整个系统。 项目成果的社会效益我们的成果解决了广大市民等待公交车的诸多不便，很多时候我们在等待公交车的时候往往不知道我们要等的那路车距离我们所在的站牌有多远，因此会很焦急和浪费了时间。应用我们组建的系统，能明确的在站牌处显示各路公交车距离此站有多远，还能实时的把公交车运行的各种数据以及交通情况上传给上位机，这样便于人们做出各种决定以及分析，最终确定自己的乘车路线。这样，就方便了广大市民的出行，节省了大量的时间，给大家的日常生活带来巨大方便。参考文献：1 李文仲 段朝玉等，CC1110/CC2510无线单片机和无线自组织网络入门与实践M，北京航天大学出版社，2008年2 雷伏容 张小林 崔浩，51单片机常用模块设计查询手册M，北京，清华大学出版社，2010年3 李文仲 段朝玉等，PIC单片机与ZigBee无线网络实战M北京大学出版社，2007年4 高守玮 吴灿阳，ZigBee技术实践教程-基于CC2430/31的无线传感器网络解决方案M,航空航天大学出版社，2009年