研究论文-基于ARM的智能公交系统设计.pdf

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在城市的交通系统中,公共交通系统毫无疑问是其中的重要组成部分,欲缓解日益严重的城市交通拥堵现象,改善乘客的用户体验,公交系统智能化是一种有效解决途径。设计了一种基于先进精简指令机(advanced RISC machines,ARM)的智能公交系统,该系统以ARM为处理器并将GPS、GSM、RFID等技术有效融合,给出了实现智能交通的系统解决方案。首先,在详细分析系统所需性能指标的基础上制定系统的总体设计方案;然后,根据各功能模块的工作原理,给出了智能车载终端和智能站牌终端的设计方法,并完成了系统硬件电路设计;之后,给出了智能公交系统的软件设计方法和实现流程;最后,搭建了系统调试平台并进行调试
应 用 科 技 第44卷 统中,我们需合理选择一款微控制器芯片,所选取的 在本系统选取了HC05蓝牙模块作为RFID标 微控制器应支持UART串口、多种中断、具备相应的签,它具有较宽的波特率,可以很好地兼容单片机系 处理性能等。我们在系统中采用了SIM32统。HC05蓝牙串口通讯模块具有2种⊥作模式: H103上6这款微处理器。SIM32Hl系列芯片是意命令工作模式和自动连接工作模式。在自动连接工 法半导体(ST)公司出品的中低端的32位ARM做作模式下我们可以将其设置为主机、从机和回环工 控制器,其内核是 Cortex-M3。芯片内集了GPIO、作模式。当模块处于自动连接工作模式时,将自动 SPI UART等多种外设,可以满足设计需求。在低按照在命令模式下对模块的配置进行工作;当需要 功耗设计上具有睡眼、停机和待机3种模式,合理配对模块进行配置时,需要将模块切换至命令工作模 置后极大降低了系统的功耗,在封装上则使用了式并使用MT指令对其进行配置。在实际设计中, ECOPACK封装,具有封装体积小、可靠性高的要先在命令响应L作模式中将模块进行配置,包括 特点。 工作模式和波特率等必要信息。然后利用模块的自 2.2GPS定位模块硬件设计 动连接模式进行RFI标签的读写。RFID模块与 在车载终端机中采用的CPS模块是 UBLOX公 STM32的连接图如图3所小 司的NEO-6M芯片,该模块的追踪灵敏度高,数据的 回传速度最高可达5Hz,采用贴片的无源陶瓷天 TXD RXD 线,并自带可充电后备电池(支持温启动或热启动, 蓝牙|RXD TXD 模块sT PIN制器 在电源中断后依然可以保持30min左右的位置数据 KEY POUT 采集)等特点 全球定位系统( lobal positioning system,GPS) 图3RFID模块与STM32的连接图 模块同微处理器之间的通信接口采用串口方式,输 在本系统中,RFI阅读器和电子标签分别是由 出的定位数据采用美国国家海洋电子协会( The na蓝才主机和蓝牙从机实现的。考虑到RFID的碰撞 tional marine electronics association)制定的0183协问题,我们需要定义蓝牙标签的连接规则。首先蓝 议。模块与处理器连接只需要2根信号线以及电源牙主机获取周围处在连接范围内的所有蓝牙从机的 线即可,全球定位系统模块与微控制器的连接方式蓝牙地址,然后按照预先设好的优先级进行蓝牙 如图2所示。 通信。蓝牙主机与每个从机的通讯时间设定为 100ms由于公交车的移动速度有限,这样可以在短 GPS TXD RXD 时间内将所有标签的信息读取完而不会造成遗漏。 模块 RXD TXD 2.5LCD液晶显示模块的硬件设计 为了达到良好的显示效果,选用了LCD12864 图2GPS与微控制器的连接方式 液晶屏作为站牌终端机的显示模块。该模块成本 2.3无线通信模块硬件设计 低、显小效果良好。鉴于STM32丰富的接口资 设计中采用的是市场上常见的SIⅥ900A模块, 源和提高液晶屏的显示速度,我们采用了并行方式 可以低功耗实现信息发送和接收的功能。采用SM来动液品屏。对LCD12864的所有操作概括起来 接口,利用通用的手机卡就可以进行远距离通信.山有4种: 于当前蜂窝网络覆盖率很髙,可以保证数据传输的 1)读忙状态(同时读出指针地址内容)。为了 可靠性。SIM900A模块同微处理器的连接可以采用保证对LCD的操作不会干扰到模块的正常工作,在 UART和RS232两种方式,为了方便布线和提高兼每次写指令前我们都要进行忙检测。 容性,采用了使用范围史广的UART(串口)连接方 2)写命令。向LCD驱动芯片与入命令,配置其 式。SIM9O0A模坎需要一个稳定的供电模块,在通 工作模式和显示模式等。 讯时所需要的电流较大,为了满足这个需求,选择 3)写数据。向动态随机存储器( dynamie ran- 个线性稳压源来满足系统设计的需求121。通过性 lom access memory,DRAM)写入数据。 能对比和系统需求,采用SPX29302来提供足够的 4)读数据。读取DRAⅥ中的数据。 发射电流,它具有精度高、电压可调、静态电流人、输 在使用液晶屏时,需要对液晶屏驱动芯片写入 入电压范围大的特点并且与MIC29302完全兼容。 命令和写入数据。写命令操作和写数据操作分别用 24RFID模块硬件设计 两个独立的函数来完成,函数内部唯一的区别就是 液晶数据命令选择端的电平。当对DRAM中的某 第2期 官俊涛,等:基于AHM的智能公交系统设计 81 ·个单元写入一个宇符的编码吋,该宇符就在对应时运用修正因子进行修正,使得数据更加贴合J实 的位置显示出来。所以夏显示的字符就必须把字符际13。实际测得客观修正因子对预测到站时间准 的编码写入DRAM中,也就是写入对应的字符产生确度提升23.7% 冇储器中。当进行读写数据时,我们需要先将地址 数据输入 写人然后才能将数据写入。在进行每项操作时,都 要询问液品屏驱动芯片是否忙碌,当返回忙碌位时, 则要进行等待操作,直到忙碌位消失才能写人新数 GPS实时信弓 GPS历史数 据。液晶屏与STM32的硬件连接图如图4 修正因子 所示。 拟合 数学模型 位置 到站时间 善百器 LCD12864 数据输出 图4液晶屏与STM32的硬件连接图 图6数据处理过程图 3系统的软件设计 3.2站牌终端机的软件设计 车载程序分为主程序和中断服务程序两部分, 软件开发采用德国Keil公司开发的MDK开发软件沇程如图7所示。 套件,该开发套件是目前业界最受欢迎的ARM嵌 (开始 入式处理器的软件开发工具。集成了业内最领先的 技术。与ARM之前的工具包ADS等柑比,编译器 初始化系统 中断 的最新版本可将性能改苦超过20%。 收到调度 读取TFID信息 中心指令 3.1车载终端机的软件设计 发送信息至调度心 系统的软件部分包含系统运行主程序、报警中 LCD显示 断程序组成,主程序流程图如图5所示。 中斯结東 等待渎取电子标答 开始 b)中断服务程序 接收GPS 关闭系分、N 启动系统 定位信息 等待信号 结束 Y (a)主程序 有信号 报站 图7站牌终端机的软件流程 信号解码 激活RFD 在这个过程中需要初始化LCD显示模块,激活 闭系统>> RFT标签以及配置GSM模块,使他们处于正常的工 作状态,特别是RFID模块,待系统初始化完成后便进 入读写电子便签的主程序,为降低功耗和提高系统的 图5车载终端机的软件流程 识别率,对RIID的读写过程配置了中断系统。 为了达到良好的报站以及预报站效果,我们需4智能公交系统的验证 要充分利用收集数据,并将相关数据进行处理数据, 处理的过程如图6所示。利用GPS实时的位置信 在完成了硬件以及软件的设计后,需要对我们的 息通过拟合得到公交车当前的位置,将实时的GP 设计方案进行验证,为了使系统更好地运行,需要对软 信息与历史数据相结合,应用汽车实时速度模拟模 硬件进行协同调试,以获得良好的工作效果。为此组 型得到预到达的公交的到站时间,但在实践运行中製丁智能公交系统的车载终端机和站牌终端机样机, 我们会受到诸多因素的干扰,因此我们在数据处理智能公交系统的样机如图8所小。 应 用 科 技 第44卷 站胛终端机站牌终端机|站牌终端机 车载终端机 人进站车载终端机 图10站牌终端机的软件流程 5智能公交系统的性能测试 (a)载终端机 针对车载终端机的GPS定位系统,对多个不同 的地点进行」测量,得到了如表1所示的信息。 表1GPS定位精度测量结果 实际值 测量值 误差/m 经度 纬度经度度 126.6583345.72516126.6582945.725183 126.6565245.72696126.6564245.727008.79 咖 126.6567045.72857126.6568045.728618.91 126.6569345.73132126.6566945.731203.6 从测量的结果可以得出,车载终端机的GPS定 (b)站牌终端机 位系统具有较高的精度,并且误差在10m之内。经 图8智能公交系统的车载终端机与站牌终端机 过测试,该系统具有识别率高、传输速度快等优点, 在软件开发时,运用徵处理对系统进行自测,并符合设计方案,可以达到实际应用的要求 将测试结果通过调试串口打印出来。图9则是系统 运行后,微处理器的自测结果。 6结束语 CK 本系统将GSⅥ无线通讯、GPS全球定位系统结 sg="068 合起来,并辅以RFID标签的识别功能,实现了一个 REC UNREAT","+8615004549486”,"\3∵,“130 10+32 智能化的公交系统。通过该系统,乘客可以通过智 rber;+8615160443038 能公交电子站牌上实时了解自己所要乘坐车辆的具 P095045,00A4543.07249M1邵638,71區51器 体到站信息,公交调度中心也可以看到车辆的到站 .如四13,APiv 信息,既能方使调度中心进行车辆的调度,监控车辆 Latitude: 4543. 07249 12638.87122 的行为又能提高乘客的出行体验。若将文中所设计 的系统应用到城市交通系统中,可以有效缓解城市 图9微处理器的自测结果 的交通压力。与此同时,本系统的设计也为城市公 通过观察打印结果发现:GPs、sM、RFD模块父系统的智能化提供一种系统的解决方案,对其他 初始化正常。RFID模块可以正常读取车辆的信息,智能系统的设计具有一定的参考作用 S900模块也可以正常读取和发送车辆的到站的参考文献: 信息。GPS模块可以比较准确得获取GPS经纬度 信息。 [1]余海钦,谷锐.基于RFID的智能公交通讯系统设计与 智能公交系统的测试采用如图10所用的方式 实现[J].信息技术,2015(9):76-79. 用车载终端机的移动来模拟公交车的运行。每隔 [2]程望斌,项姣,姚旭,等.基于GPS的公交车智能报 段距离设置1个站牌终端机,为了区分各个站点,我 站系统设计J.湖南理工学院学报:自然科学版, 2016,29(1):37-41 们将站点距离设定为200m。通过模拟运行,发现[3]王璞,姚晨雨,冷明鑫,等一种高精度双模定位的智能公 各个系统可以正常工作,达到了预期效果 交报站系统[J].导航定位学报,2016,4(1):55-58 第2期 官俊涛,等:基于AHM的智能公交系统设计 [4]肖瑞雪,王竹梅,干珩,等.基于物联网技术的智能公 代电子技术,2015,38(9):104-105 交车系统设计[冂].科技广场,2016(3):166-168 [IO]程悦.基于GS和GPH5的智能公交系统的设计[D [5]李本玉.GPS/ GLONASS精密单点定位技术模型与算法 呼和浩特:内蒙古大学,2016:7 的研究[D].济南:山东农业大学,2010:17-18 [I]刘国忠.基于GPRS的无线数据采集与传输系统设计 [6]刘宾,陈占帅,褚忐鹏.基于GPRS的智能公交站牌显示 [D].山东:山东科技大学,2011:13-15 系统设计[J].电子设计工程.2014,11(2);134-136.[12]刘強,贾鸿莉.基于单片机的公交车自动报站器的设计 「7]文立家.基于GPRS的电子公交站脾系统的设计[D].哈 「J].中国科技信息.2011(9):106-108 尔滨:哈尔滨理工大学,2015:7 [13]姜涛,王学文,马家威,等.基于 Zigbee和APP技术的 [8 AGUSTINE L, PANGALIELA E, PRANJOTO H. 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