太阳能电子公交站牌设计

摘要：文章设计了基于太阳能供电的智能公交站牌系统，该系统主要由电子公交站牌，车载系统和公交监控中心组成。该系统利甩Zigbee和GSM无线通信技术，通过具体软硬件设计，实现车辆与站牌之间、站牌与站牌之间的无线连接。该系统可为乘客及公交管理人员提供各种服务，并在监控中心上实时监控各公交站及车辆运行数据，实现公交车智能管理。
关键词：太阳能；智能公交；Zigbee

0 引言
    随着时代的发展，人们生活水平不断提高，使得城市交通发展越来越快，因此对城市交通的管理提出了更高要求。目前国内公交系统在信息化建设方面取得了初步成效，己在部分公交线路上建成公交车辆跟踪调度系统，安装了电子站牌与车载GPS定位设备，实现了对车辆的跟踪和定位，为乘客进行实时报站。考虑到现行公交系统要求较高的技术支撑，而且工程庞大，安装和运营费用高等因素，提出了太阳能智能公交系统。该系统具有技术要求低、工程小、安装方便、运营费用低等特点。在整个设计中，电子站牌是实现这些功能的关键环节，采用太阳能给站牌供电，并利甩Zigbee和GSM无线通信技术解决系统通信问题。

1 系统工作原理
    太阳能智能公交系统由电子公交站牌、车载系统和公交监控中心组成，见图1。系统采用Zigbee无线组网技术和GSM通信方式实现公交车与公交站台、站牌与站牌之间、站牌与监控中心之间的通信。

1．1 电子公交站牌
    负责通信的是Zigbee模块和GSM模块。其中，站牌上的Zigbee模块作为协调器，即网络的发起者，构建一个无线网络，等待公交车上Zigbee模块的加入，接收公交车发送信息，将信息处理，再通过显示屏显示，同时将信息通过GSM模块发送到下一站牌和监控中心。公交站上的GSM模块还要接收其他站牌和监控中心发送来的信息。
1．2 车载系统
    使用Zigbee模块作为通信节点。将抵达一个车站时，就主动寻找并加入已经由公交站布置的Zigbee网络中，把本车的线路和车辆编号信息发出去，等待确认信号，任务完成后则退出本站网络，并准备寻找下站网络。
1．3 公交监控中心
    使用GSM模块进行通信。GSM模块接收公交车到站信息，并发送公交车调度信息，实现智能监控和调度。

2 电子公交站牌硬件电路设计
    电子公交站牌是智能公交系统重要的组成部分，主要完成两个功能：站台乘客可预知自己所乘的车辆的最新信息；完成站牌之间及站牌与监控中心的通信连接，组成整个公交系统网络。
    电子公交站牌由太阳能供电模块，嵌入式微处理器，无线收发设备及显示LED屏等模块组成，见图2。
2．1 嵌入式微处理
    本系统采用S3C2440，具有高的时钟频率(最高可达400MHz)、较大的存储空间、方便灵活的指令系统和强大的I／O处决能力等优点。此外，还可以嵌入实时多任务操作系统，方便对模块控制。主要完成如下功能：
    (1)接收Zigbee模块和GSM模块上传的信息，并对信息进行处理后送入电子站牌显示屏，显示车辆到站和车辆行车路况。
    (2)通过GSM无线模块将相应的信息送到其他站牌和监控中心。
    (3)对太阳能供电装置进行管理，控制充电和放电并优化其过程。
2．2 无线通信模块
    系统中无线收发设备的可靠性和有效的通信距离是设计的关键。为此，电子站牌采用了Zigbee模块和GSM模块，完成公交车与站牌、站牌与站牌、以及站牌与控制中心之间的通信。
    Zigbee模块由集成收发芯片CC2430及简单外围电路组成。CC2430集成符合IEEE802．15．4标准的2．4GHz的RF无线电收发机，具有优良的无线接收灵敏度和强大的抗干扰性，因此具有很强的可靠性。其工作频率范围为2．400～2．4835GHz，数据速率可达250kb／s，可完成良好的无线数据传输。该模块通过RS232串口方式与嵌入式微处理器之间进行通信。
    本系统采用型号为GTM900-C的GSM模块，该模块将GSM射频芯片、基带处理芯片、存储器、功放器件集成在一块线路板上，具有独立的操作系统并提供标准接口。在实际使用中，利用标准AT命令通过短信进行通信，实现站牌与监控中心间的通信。
2．3 太阳能供电装置
    电子公交站牌采用太阳能电源供电。太阳能供电系统由太阳能光伏板、太阳能控制器和蓄电池三部分组成，见图3。太阳能电池板输出的电压经过DC／DC变换后输送给蓄电池充电，为最大化利用太阳能电池的性能，采用最大功率点跟踪(MPPT)控制方法。A／D采样电路将采集到的电压与电流信号经过变换送入微控制器进行分析计算。微控制器S3C2440通过驱动电路输出PWM脉冲控制信号调节DC／DC转换电路内部开关管的通断，实现对转换电路输出电压及电流的控制。此外，微控制器S3C2440还能实时测量蓄电池的端电压，对蓄电池进行充放电保护，防止蓄电池过充或过放。

2．4 LED显示模块
    LED点阵显示屏是一种简单的汉字显示器，具有价廉、易于控制、使用寿命长等特点，可广泛应用于各种公共场合。本系统采用型号为P10及大小为16×64的LED显示屏。系统中ARM通过动态扫描方式对LED进行控制，完成公交车位置显示。

3 软件设计
    软件设计是建立在硬件设计的基础上，电子公交站牌的软件设计包括主控芯ARM9的软件设计和无线通信模块中的Zigbee模块软件设计两部分。Zigbee模块软件设计主要包括协调器即站牌上的Zigbee和节点的设计，由于它们设计过程类似，故只介绍协调器，它负责组成一个网络，等待公交车节点加入并接受公交车发送过来的信息。软件流程如图4所示。

    ARM9处理器除了接收公交车的信息和控制显示刷新之外，还要负责公交车信息的处理、GSM模块控制、公交站牌间和监控中心通信，以及对太阳能智能管理。对于ARM9，采用ucos-ii操作系统进行开发。在系统中，设计了5个任务，见图5。分别是：1)接收公交车和其他站牌信息任务完成接收Zigbee和GSM模块上传的信息；2)信息处理任务完成对接收信息处理；3)发送信息到其他站牌任务是通知余下站牌公交车已经到本站；4)LED屏显示任务将显示公交车位置；5)太阳能管理任务负责太阳能监控，对蓄电池合理充电与放电。由于以上任务之间存在共享数据和通讯，系统采用消息队列实现任务之间数据的共享和通信。

4 测试与结束语
    本文最后测试公交车与站牌能通信时需要的通信距离和通信时间，因为通信距离与通信时间是影响电子站牌能否正确判断公交车进出站情况和处理其他相关信息的关键。具体测试数据如表1所示。

    由测试数据可知，公交车与站牌通信距离平均86．9m，通信时间平均3．2s。根据距离和通信时间及公交车进站离站的速度可得出通过Zigbee方式能准确检测到进站与出站的情况，并有充裕时间进行相关信息处理和发送。
    本文设计的太阳能电子公交站牌系统，使用Zigbee和GSM无线通信技术，用一种新的方式实现了智能公交系统中的信息传递。此外，电子站牌采用太阳能供电，节约了能源，并能在暂无市电供应的公交区路线上快速部署。