程元斌

（江漢大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430056）

基于GPS與GPRS的城市公交監(jiān)控系統(tǒng)

程元斌

（江漢大學(xué) 數(shù)學(xué)與計(jì)算機(jī)科學(xué)學(xué)院，湖北 武漢 430056）

建立完善的城市公交監(jiān)控系統(tǒng)是提高城市公交系統(tǒng)管理水平、運(yùn)行效率和服務(wù)質(zhì)量的迫切要求。城市公交監(jiān)控系統(tǒng)需隨時(shí)獲取行進(jìn)中車輛的位置信息與運(yùn)行狀況，以直觀易懂的方式告知管理調(diào)度人員及相關(guān)乘客，并將可能的調(diào)度指令傳達(dá)給司乘人員。城市公交監(jiān)控系統(tǒng)屬于一種典型的CPS或帶有控制功能的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。提出一種以GPS與GPRS為基礎(chǔ)、經(jīng)濟(jì)實(shí)用的城市公交監(jiān)控系統(tǒng)方案，并分析了實(shí)施過程中應(yīng)注意的若干問題。

GPS；GPRS；城市公交；監(jiān)控系統(tǒng)；物聯(lián)網(wǎng)；CPS

隨著交通擁堵現(xiàn)象的愈演愈烈，越來越多的人意識(shí)到，提高城市公交在人們出行方式選擇中的比重，是治理城市交通擁堵現(xiàn)象的根本措施之一。為此，需要大幅度提高城市公交的管理水平、運(yùn)行效率和服務(wù)質(zhì)量。建立完善的城市公交監(jiān)控系統(tǒng)則是提高城市公交系統(tǒng)管理水平、運(yùn)行效率和服務(wù)質(zhì)量的迫切要求。在過去乃至今后相當(dāng)長的時(shí)間內(nèi)，公共汽車是城市公交的主力，也是建立完善的城市公交監(jiān)控系統(tǒng)的難點(diǎn)。

對(duì)此，筆者提出一種針對(duì)公共汽車交通、基于GPS與GPRS的城市公交監(jiān)控系統(tǒng)方案。

1 系統(tǒng)基本方案

1.1 系統(tǒng)基本結(jié)構(gòu)

顯而易見，一個(gè)相對(duì)完善的城市公交監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)當(dāng)具備如下功能：首先，可隨時(shí)獲取行進(jìn)中車輛的位置信息與運(yùn)行狀況。在此基礎(chǔ)上，以直觀易懂的方式告知管理調(diào)度人員，同時(shí)讓正在前方站點(diǎn)等車的乘客知曉，這是基本功能。其次，應(yīng)能將可能的調(diào)度指令傳達(dá)給司乘人員。顯然，這是一種典型的CPS或帶有控制功能的物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)。

可以用圖1所示系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)上述功能。其中，每輛公交車有一個(gè)車輛子系統(tǒng)，每個(gè)公交車站有一個(gè)車站子系統(tǒng)。各子系統(tǒng)主要功能分述如下：

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

監(jiān)控中心負(fù)責(zé)以下任務(wù)：① 基本數(shù)據(jù)管理與發(fā)送。包括線路基本數(shù)據(jù)與車站基本數(shù)據(jù)。線路基本數(shù)據(jù)包括物理位置—邏輯位置轉(zhuǎn)換表、站間距離與其運(yùn)行時(shí)間表等；車站基本數(shù)據(jù)主要是每個(gè)車站所經(jīng)過的線路數(shù)據(jù)，其中包括本站的始發(fā)、終發(fā)預(yù)計(jì)時(shí)間等。② 運(yùn)行數(shù)據(jù)接收、處理。③有限制的語音通信服務(wù)。

車輛子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)以下任務(wù)：① 周期性地獲取本車位置數(shù)據(jù)及運(yùn)行狀態(tài)信息。②將上述數(shù)據(jù)作適當(dāng)處理后分別發(fā)送到監(jiān)控中心和前方車站的車站子系統(tǒng)。③司乘人員與監(jiān)控中心間有限制的語音通信。

車站子系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)以下任務(wù)：①接收車輛位置或狀態(tài)信息。②接收線路數(shù)據(jù)等系統(tǒng)數(shù)據(jù)，向監(jiān)控中心發(fā)送狀態(tài)報(bào)告。③顯示各路車到達(dá)時(shí)間或狀態(tài)信息。

1.2 兩個(gè)基本問題及其解決方案

要實(shí)現(xiàn)上述功能，首先要解決兩個(gè)基本問題：車輛位置的獲取與信息的傳輸。

顯然，使用GPS是自動(dòng)獲取車輛位置的理想選擇。不過，車輛子系統(tǒng)應(yīng)將GPS坐標(biāo)信息轉(zhuǎn)換為調(diào)度與乘客所希望形式的信息，例如前方到站的距離或時(shí)間。

其次，由于一條公交線路往往長達(dá)數(shù)十公里，顯然不適于用無線局域網(wǎng)傳輸。所以，只能選GPRS或G3網(wǎng)絡(luò)，而在滿足功能與性能的前提下，從經(jīng)濟(jì)實(shí)用方面考慮，目前GPRS顯然是最佳選擇。

使用GPRS進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸有兩種可供選擇的方式：GPRS數(shù)傳或GPRS短信。依據(jù)以下分析，筆者建議采用GPRS短信進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸。

1）公交車發(fā)送的數(shù)據(jù)包括發(fā)往監(jiān)控中心及發(fā)往前方公交車站的位置信息和運(yùn)行狀態(tài)信息，盡管發(fā)往監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)與發(fā)往前方公交車站的數(shù)據(jù)有所不同，但都相當(dāng)短小，適于用一條短信傳輸。

2）包括上下乘客的時(shí)間，目前公交車在兩站間的運(yùn)行時(shí)長基本上在2 min左右。所以，可將監(jiān)控周期設(shè)定為15 s。這樣的周期完全可以滿足監(jiān)控中心及乘客的信息需求。另一方面，以相距站數(shù)計(jì)，高峰期前后兩輛車的間隔通常只有1～2站，空閑期的間隔一般在5～6站，這意味著每輛車每周期最多只需發(fā)送7條短信，因?yàn)楸拒囆畔⒅恍柰ㄖ奖拒嚺c前車之間的那些車站。根據(jù)筆者的測試，因所處位置、環(huán)境的不同，成功發(fā)送一條短信所需的時(shí)間會(huì)有很大差別，不過，通過一定的輔助手段，保證在2 s內(nèi)成功發(fā)送一條短信是基本上可以做到的。所以，15 s的監(jiān)控周期是可以滿足車輛子系統(tǒng)發(fā)送短信的時(shí)間需求的。事實(shí)上，監(jiān)控周期是很容易動(dòng)態(tài)調(diào)整的，將本車信息發(fā)往前方車站也是可以有所取舍的。

根據(jù)以上分析可見，采用短信通信方式完全可以滿足公交車發(fā)送信息的需求。而監(jiān)控中心需要向運(yùn)行中的公交車發(fā)送的信息很少，公交車站則不需要向公交車發(fā)送信息。而司乘人員與監(jiān)控中心間的必要的語音通信可以限制在故障、等紅燈、站內(nèi)等停駛階段進(jìn)行。所以，短信通信完全可以滿足公交車子系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸需求。

3）短信通信的最重要特性就是無連接、無沖突。發(fā)送方可隨時(shí)向接收方發(fā)送短信，但該短信并不是直接發(fā)到接收方，而是經(jīng)短信中心轉(zhuǎn)發(fā)。短信中心將收到的短信暫存到其緩存中，在接收方能夠接收時(shí)才進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。所以，短信一般也不會(huì)丟失，除非緩存超過一定期限。所以，基本上可以認(rèn)定短信通信是一種無連接 （對(duì)發(fā)收雙方而言）、無沖突、無丟失的可靠通信。唯一要注意的是，接收方所接收到的短信的時(shí)間順序有可能與發(fā)送的時(shí)間順序不一致，所以，監(jiān)控系統(tǒng)中的短信均應(yīng)含有時(shí)間信息，或者短信處理程序應(yīng)處理短信本身所含的系統(tǒng)時(shí)間信息。

2 子系統(tǒng)

考慮到各子系統(tǒng)所處的環(huán)境特點(diǎn)以及可能的功能擴(kuò)展，3個(gè)子系統(tǒng)采用不同的系統(tǒng)平臺(tái)。監(jiān)控中心以通用計(jì)算機(jī)PC機(jī)為系統(tǒng)平臺(tái)；車輛子系統(tǒng)以單片機(jī)為系統(tǒng)平臺(tái)；車站子系統(tǒng)則以ARM機(jī)為系統(tǒng)平臺(tái)。

由于篇幅所限，筆者僅介紹車輛子系統(tǒng)。

2.1 車輛子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

車輛子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 車輛子系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)

圖2中，GPS模塊采用FASTRAX UC430，GPRS模塊采用具有音頻接口的 HUAWEI GTM900-C。單片機(jī)采用Atmaga128單片機(jī)。該單片機(jī)具有128 kB系統(tǒng)內(nèi)可編程存儲(chǔ)器，4 kB EEPROM，4 kB SRAM，53個(gè)通用I/O口 （其中16個(gè)可用作外接存儲(chǔ)器地址線兼數(shù)據(jù)線（8根）），2個(gè)同異步串行通信接口（US-ART）等。

圖2中所示的按鈕（未全部畫出）分別用于司乘人員請(qǐng)求與監(jiān)控中心進(jìn)行語音通信、請(qǐng)求發(fā)送車輛故障、乘客過多、道路擁堵、去行始發(fā)、回行始發(fā)、請(qǐng)求線路表等短信（至監(jiān)控中心），以及系統(tǒng)復(fù)位、退出系統(tǒng)等。

2.2 車輛子系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

車輛子系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3中，系統(tǒng)上電或復(fù)位后從啟動(dòng)程序開始運(yùn)行。啟動(dòng)程序首先調(diào)用初始化程序進(jìn)行系統(tǒng)初始化，若成功則調(diào)用運(yùn)行主模塊。

初始化模塊執(zhí)行所有硬件接口及全局?jǐn)?shù)據(jù)區(qū)的初始化。

圖3 車輛子系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)

這里需要特別指出的是線路表的初始化。線路表副本存儲(chǔ)于flash存儲(chǔ)器中，設(shè)備出廠時(shí)為空。由于首次運(yùn)行時(shí)不知道監(jiān)控中心的短信號(hào)碼，所以，系統(tǒng)首次初始化時(shí)必須等待監(jiān)控中心發(fā)送線路表 （一種變通辦法是事先將監(jiān)控中心的短信號(hào)碼存入SIM卡中，然后初始化時(shí)可主動(dòng)請(qǐng)求監(jiān)控中心發(fā)送線路表）。若線路表已存在于flash中，初始化程序只簡單將其調(diào)入數(shù)據(jù)區(qū)。若線路表需要更新，可由司乘人員啟動(dòng)更新過程（見圖4）。

本軟件設(shè)計(jì)的大部分思想體現(xiàn)在運(yùn)行主模塊流程圖中。運(yùn)行主模塊流程圖如圖4所示。下文略作說明。

首先，主模塊分為起始循環(huán)與運(yùn)行循環(huán)兩大部分，考慮到線路表更新的需求，在進(jìn)入運(yùn)行循環(huán)前，司乘人員可按“線路表請(qǐng)求”按鈕請(qǐng)求監(jiān)控中心發(fā)送線路表。監(jiān)控中心也可由監(jiān)控人員操作某車的線路表發(fā)送程序，由車輛子系統(tǒng)來信處理，如圖3所示。

其次，所有按鈕事件將引起相應(yīng)中斷，這些中斷服務(wù)程序只是簡單地設(shè)置相應(yīng)標(biāo)志，而由圖4中“按鈕事件處理”程序處理。這些處理是有條件的，例如，語音服務(wù)只能在車輛停駛時(shí)進(jìn)行。所以，如果車輛開始有效移動(dòng) （即GPS數(shù)據(jù)表明車輛已前行），就要關(guān)閉正在進(jìn)行的語音服務(wù)。

第三，當(dāng)車輛到達(dá)終點(diǎn)（或回到起點(diǎn)）時(shí)，除非司乘人員關(guān)閉系統(tǒng)，將退出運(yùn)行循環(huán)，回到起始循環(huán)。為簡化起見，圖4中未畫出。

3 GPS與GPRS應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)

如圖3所示，GPS與GPRS子系統(tǒng)分別由對(duì)應(yīng)的服務(wù)模塊、串口通信模塊、以及用戶設(shè)備模塊組成。限于篇幅，筆者介紹幾個(gè)要點(diǎn)。

圖4 運(yùn)行主模塊流程圖

3.1 讀取GPS數(shù)據(jù)

雖然GPS的原理及核心計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜[2-3］，但運(yùn)用GPS接收機(jī)讀取GPS數(shù)據(jù)則相對(duì)簡單。

GPS接收機(jī)一旦通電工作并初始化后，便會(huì)周期性地輸出各種GPS數(shù)據(jù)。所謂“讀取GPS數(shù)據(jù)”就是讀取這些數(shù)據(jù)，并從中提取出應(yīng)用所需的部分。通常，GPS接收機(jī)的輸出遵循NMEA0183協(xié)議[4］。該協(xié)議規(guī)定了各種導(dǎo)航系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸標(biāo)準(zhǔn)。該協(xié)議規(guī)定，GPS接收機(jī)以ASCII碼形式向串口輸出GPS數(shù)據(jù)或者從串口接收工作指令數(shù)據(jù)。NMEA0183將每一幀數(shù)據(jù)稱為一個(gè) “語句”，并規(guī)定了3大類語句：

1）Talker Sentences；

2）Query Sentences；

3）Proprietary Sentences。

其中，Talker Sentences用于GPS接收機(jī)輸出數(shù)據(jù)；Query Sentences用于向GPS接收機(jī)發(fā)送查詢指令數(shù)據(jù)；Proprietary Sentences則是制造商添加的非標(biāo)準(zhǔn)語句。

語句的基本格式如下：

＄ttsss，d1，d2，....＜CR＞＜LF＞

即每個(gè)語句均以符號(hào)“＄”開頭，其后緊跟標(biāo)志語句類型的5個(gè)英文字母，然后是以逗號(hào)分隔的若干數(shù)據(jù)字段，最后以回車換行符結(jié)束。其中，tt為發(fā)送者標(biāo)識(shí)，sss為語句標(biāo)識(shí)。NMEA0183協(xié)議給出語句多達(dá)數(shù)十種，不過通常只用其中少數(shù)幾種。

本系統(tǒng)只需提取最常用的位置信息幀，其語句格式為：

＄GPGGA，d1，d2，d3，d4，d5，d6，d7，d8，d9，d10d，d11，d12，*d13＜CR＞＜LF＞

其中，GP即代表GPS設(shè)備，GGA表示本語句給出的是GPS的基本數(shù)據(jù)，d1是UTC時(shí)間，d2是經(jīng)度，d3是經(jīng)度方向，d4是緯度，d5是緯度方向，d6至d12為進(jìn)一步的信息，d13是校驗(yàn)數(shù)據(jù)，校驗(yàn)對(duì)象是＄與*之間的所有數(shù)據(jù)[4］。

相應(yīng)地，可在初始化時(shí)向GPS接收機(jī)發(fā)送查詢語句：

＄CCGPQ，GGA＜CR＞＜LF＞

其中，CC代表計(jì)算機(jī)設(shè)備，GP代表GPS設(shè)備，Q是固定的。整個(gè)語句表達(dá)的就是：CC要求GPS發(fā)送GGA語句。

NMEA0183還規(guī)定，除非有新的查詢指令，GPS將每隔1 s發(fā)送一次所要求的數(shù)據(jù)。所以，查詢語句在初始化時(shí)成功發(fā)送一次就可以了。

3.2 收發(fā)GPRS短信

由于車輛子系統(tǒng)以單片機(jī)為核心，顯然只能通過串口及AT命令與GPRS模塊通信，以控制GPRS模塊的工作模式及收發(fā)短信等。這也正是GPRS服務(wù)模塊要實(shí)現(xiàn)的內(nèi)容。從功能上劃分，主要有以下方面：

1）GPRS設(shè)備初始化。

GPRS設(shè)備初始化，主要就是設(shè)置短信中心號(hào)碼以及設(shè)置短信格式等。設(shè)置短信中心號(hào)碼的命令格式如下：

AT+CSCA=”短信中心號(hào)碼”＜CR＞＜LF＞

例如，當(dāng)短信中心號(hào)碼為+8613800270500（中國移動(dòng)武漢局）時(shí)，則從串口發(fā)往GPRS模塊的命令字串為

AT+CSCA=”+8613800270500”＜CR＞＜LF＞

設(shè)置短信格式的命令格式如下：

AT+CMGF=0

這里，參數(shù)0表示選擇PDU短信格式。這是我國通用的短信格式。此外還有文本格式 （AT+ CMGF=1）與塊格式（AT+CMGF=2）。

PDU短信發(fā)送前需要按照協(xié)議格式進(jìn)行封裝，接收后則需要進(jìn)行解析。看起來比較煩瑣，但其包含的信息相當(dāng)豐富。除了用戶號(hào)碼和短信內(nèi)容外，還包括一些也十分有用的信息。例如有效期（發(fā)送時(shí)）或時(shí)間戳（接收時(shí)）。由于網(wǎng)絡(luò)的原因，短信到了短信中心（發(fā)送成功）后，可能會(huì)延誤相當(dāng)長的時(shí)間，然后才成功發(fā)到接收機(jī)上。這很類似于IP包在因特網(wǎng)上的傳輸。對(duì)于監(jiān)控信息，延遲到達(dá)的短信不僅過期無用，而且可能會(huì)造成接收方的混亂。有了有效期和時(shí)間戳，就可以讓短信中心丟棄過期的短信，讓接收方按時(shí)間處理短信。再比如，短信PDU中含有編碼信息字段，使得用戶可以根據(jù)不同的需要采用不同的編碼。

此外，若不使用缺省的短信接收模式，也可在初始化時(shí)設(shè)置。

2）發(fā)送PDU短信。

發(fā)送一條PDU短信需要以下幾個(gè)步驟：

①封裝好PDU協(xié)議包 （通常表現(xiàn)為一個(gè)字符串）。

②發(fā)送AT命令：

AT+CMGS=n，

其中，n為PDU協(xié)議包的字節(jié)數(shù)。

③等待GPRS模塊應(yīng)答。當(dāng)收到“〉”符號(hào)時(shí)，立刻發(fā)送PDU協(xié)議包，并接著發(fā)送一個(gè)文終符號(hào)“^Z”。

④等待GPRS模塊應(yīng)答。若成功，則應(yīng)答為“+CMGS，＜mr＞[，ackpdu］OK”，否則為“ERROR”。通常，只要檢測收到的應(yīng)答行中是否包括“+CMGS”和“OK”或是否包括“ERROR”就可以了。

3）接收短信及刪除短信。

在缺省模式下，GPRS收到的短信會(huì)自動(dòng)存到SIM卡中，等待用戶通過AT命令讀取。有2種AT命令可以讀取SIM卡中的短信，分別是AT+CMGR命令和AT+CMGL命令。根據(jù)筆者的經(jīng)驗(yàn)，后者用起來更方便[5］。下面簡要介紹。

首先，發(fā)送命令

AT+CMGL=0

其中，參數(shù)0表示讀取所有未讀的短信。

然后，如果有未讀短信，模塊會(huì)返回類似下列信息：

上列信息表明讀取到2條短信，索引號(hào)分別為1和2（索引號(hào)是刪除短信必不可少的數(shù)據(jù)）。每條短信的第2行即為PDU協(xié)議包，是需要提取出來進(jìn)行解析的數(shù)據(jù)，其他部分一般沒有實(shí)際用途。

存儲(chǔ)于SIM卡中的短信，不會(huì)自動(dòng)刪除，無論已經(jīng)讀取與否。所以，短信讀取后，需要發(fā)送短信刪除命令將其刪除。短信刪除命令的格式為：

AT+CMGD=＜index＞

若命令執(zhí)行成功，則GPRS模塊返回“OK”，否則，返回“CMS ERROR＜err＞”。其中，err是錯(cuò)誤代號(hào)。

短信AT命令的用法，可參見文獻(xiàn)[6-7］。

4 結(jié)語

筆者所描述的是一個(gè)城市公交監(jiān)控系統(tǒng)的基本方案，在實(shí)施時(shí)，可根據(jù)具體需求和具體條件進(jìn)行變通。例如，車站子系統(tǒng)可綜合考慮城市宣傳與廣告等，監(jiān)控系統(tǒng)可考慮作為整個(gè)城市交通監(jiān)控的一部分，而車輛子系統(tǒng)亦可綜合考慮城市宣傳與廣告等功能。

[1］桂小林.微型計(jì)算機(jī)接口技術(shù)[M］.北京：高等教育出版社，2010：87-89.

[2］管耀武.ARM嵌入式無線通信系統(tǒng)開發(fā) [M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006：321-350.

[3］ 陳賾.ARM嵌入式技術(shù)實(shí)踐教程[M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：294-297.

[4］ 周立功.ARM嵌入式系統(tǒng)基礎(chǔ)教程[M］.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2005：322-335.

[5］Baidu Cyclopedic.GPS定位 [EB/OL］.[2011-10-03］. http：//baike.Baidu.com/view/193655.htm.

[6］ NMEA.NMEAdescription 0183[EB/OL］.[2010-12-25］.http：//www.pudn.com/downloads364/doc/detail 1581338.html.

[7］ESTI.GSM 03.38[EB/OL］.[2010-03-01］.http：//www. mobilecity.cz/doc/GSM_03.38_5.3.0.pdf.

CHENG Yuan-bin
（School of Mathematics and Computer Sciences，Jianghan University，Wuhan 430056，Hubei，China）

Building a perfect urban public traffic supervisory control system is the press for an urban public traffic system to advance management level，efficiency of running and quality of service.An urban public traffic supervisory control system should get the position and state of running vehicles，and then，tells the information to managers and passengers by pellucid manner，it also can transmit manager′s instruction to the driver.An urban public traffic supervisory control system is a typical CPS.This paper proposed an economical and applied urban public traffic supervisory control system based on GPS and GPRS，and analyzed some issues in implement.

GPS；GPRS；public traffic；supervisory control system；Internet of things；cyber-physical system（CPS）

TP274

：A

：1673-0143（2012）03-0064-05

（責(zé)任編輯：陳 曠）

2012-03-22

程元斌 （1954—），男，副教授，研究方向：計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、信息安全及嵌入式系統(tǒng)。