陳 俊 吳海金

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基于激光測距的公交?？空疽?guī)范監(jiān)管系統(tǒng)

陳 俊 吳海金

（福州大學(xué)物理與信息工程學(xué)院，福州 350002）

針對公交?？空疽?guī)范問題，本文提出了一種基于激光測距的公交停靠站規(guī)范監(jiān)管系統(tǒng)。系統(tǒng)包括上位機(jī)控制臺和下位機(jī)的測量監(jiān)管設(shè)備兩部分。上位機(jī)控制臺通過無線通信網(wǎng)絡(luò)與下位機(jī)的測量設(shè)備進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，下位機(jī)的定點(diǎn)測量設(shè)備采用激光測距技術(shù)判斷公交是否規(guī)范?？空?，并將結(jié)果通過無線通信網(wǎng)絡(luò)傳送給車載監(jiān)管設(shè)備以告知司機(jī)，并將相關(guān)信息上傳至上位機(jī)控制臺以實現(xiàn)監(jiān)督和管控。試驗結(jié)果表明，系統(tǒng)檢測精度和測試效率高、操作簡便，能夠有效監(jiān)管公交規(guī)范地?？空荆哂幸欢ǖ膶嵱脙r值。

激光測距；公交停靠站；監(jiān)管系統(tǒng)；定點(diǎn)測量

近年來，我國城市交通擁堵問題日益嚴(yán)峻，優(yōu)先發(fā)展公共交通已經(jīng)成為社會各界的普遍共識[1]。而設(shè)置公交車專用通道和規(guī)范公交?？空镜却胧┦潜Ｕ瞎步煌ò踩⒏咝У挠行侄蝃2]。雖然目前國內(nèi)許多一線與二線城市已經(jīng)規(guī)范了公交?？空緲?biāo)準(zhǔn)，在每一個公交車站前都有一個規(guī)定的公交?？空緟^(qū)域[3]。然而很多公交在實際?？空具^程中，沒有做到規(guī)范停靠站，時常出現(xiàn)亂停、隨停的情況[4]，由于不確定公交車?？空镜木唧w位置，乘客們往往會追著公交跑，如果有多輛公交同時到達(dá)一個站點(diǎn)，有的公交可能直接在公交站尾就停車，這時乘客需要從公交站頭跑到公交站尾，這無疑增加了安全隱患[5]。此外，公交沒有定點(diǎn)?？?，可能會出現(xiàn)乘客錯過等待的公交車等問題，這些問題在一定程度上影響著公交系統(tǒng)的運(yùn)行效率和道路服務(wù)水平[6]。

公交?？空疽?guī)范指的是識別和判斷公交在相關(guān)站點(diǎn)?？繒r是否遵循相關(guān)規(guī)定?？吭谥付ǖ膮^(qū)域范圍內(nèi)，規(guī)定的?？空緟^(qū)域往往大小固定，且在定點(diǎn)停靠站位置有著明顯的標(biāo)線[7]。目前，對于公交?？空镜囊?guī)范問題，尚沒有一種有效的監(jiān)管方案，除了一些政策上的相關(guān)規(guī)定支持外，幾乎沒有具體可實施的監(jiān)管方案。因此，急需一種可靠的方案來解決以上的問題。

鑒于此，本文提出了基于激光測距的公交停靠站規(guī)范監(jiān)管系統(tǒng)，以彌補(bǔ)當(dāng)前尚未有公交規(guī)范?？空颈O(jiān)管方案的缺憾。本文提出的一個全新的規(guī)范監(jiān)管方案，對促進(jìn)城市公交服務(wù)規(guī)范的實施有重大 意義。

1 系統(tǒng)概述

本文針對公交?？空疽?guī)范的問題，利用了定點(diǎn)測距定位的方法實現(xiàn)了對公交定點(diǎn)停靠站進(jìn)行測量和監(jiān)管，公交?？空疽?guī)范監(jiān)管系統(tǒng)的實現(xiàn)過程如圖1所示。整個系統(tǒng)由上位機(jī)監(jiān)控臺和下位機(jī)測量監(jiān)管設(shè)備組成。上位機(jī)監(jiān)控臺包含了信號接收器、服務(wù)器及上位機(jī)軟件等，監(jiān)控臺的主要功能是實現(xiàn)對于公交停靠站規(guī)范的實時監(jiān)督和管控。下位機(jī)由定點(diǎn)測量設(shè)備和車載監(jiān)管設(shè)備兩部分組成，定點(diǎn)測量設(shè)備采用激光測距技術(shù)判斷公交是否規(guī)范?？空荆囕d監(jiān)管設(shè)備與定點(diǎn)測量設(shè)備通過無線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通信，將?？空臼欠褚?guī)范的結(jié)果告知司機(jī)，并將相關(guān)信息上傳至上位機(jī)監(jiān)控臺。此外，為了更好地區(qū)分每一輛公交車的信息，為每臺車載監(jiān)管設(shè)備分配一個惟一的ID編碼，該ID編碼和該車載監(jiān)管設(shè)備所在的公交的相關(guān)信息對應(yīng)，即每一個車載監(jiān)管設(shè)備綁定了對應(yīng)公交車的相關(guān)信息。

圖1 系統(tǒng)方案拓?fù)鋱D

系統(tǒng)的具體實現(xiàn)流程如下：每一部公交上都裝有車載監(jiān)管設(shè)備，而且車載監(jiān)管設(shè)備的ID編碼包含與之對應(yīng)的公交的相關(guān)信息，如福州的55路公交，可將車載監(jiān)管設(shè)備的ID編碼為CNFZ55。在每一個公交站臺安裝有定點(diǎn)測量設(shè)備。當(dāng)公交?？空竞?，定點(diǎn)測量設(shè)備的激光測距模塊將測量定位公交的停車位置，經(jīng)過數(shù)據(jù)解算得到判別結(jié)果，并將結(jié)果通過無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)送給車載監(jiān)管設(shè)備，車載監(jiān)管設(shè)備得到該數(shù)據(jù)信息后，在其消息字段加上公交的定位信息、時間信息、設(shè)備健康狀態(tài)等字段通過無線網(wǎng)絡(luò)通信模塊發(fā)送給上位機(jī)監(jiān)控臺，從而實現(xiàn)對公交?？空镜膶崟r監(jiān)督和管控。此外，上位機(jī)控制臺還可提供相關(guān)反饋信息給車載監(jiān)管設(shè)備，為公交司機(jī)提供下一步有益操作的建議。

2 公交車停車規(guī)范監(jiān)管系統(tǒng)設(shè)計

2.1 硬件設(shè)計

定點(diǎn)測量設(shè)備包括定點(diǎn)測量模塊、無線通信模塊、中央控制模塊、防盜報警模塊、電源以及電源管理模塊，車載監(jiān)管設(shè)備包括定位模塊、無線通信模塊、中央控制模塊，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。其中，定點(diǎn)測量設(shè)備的中央控制模塊選用的主控芯片是STM32單片機(jī)，測量模塊選擇激光測量測距模塊，防盜報警模塊采用高分貝的蜂鳴報警器，無線通信模塊選用NRF24L01通信模塊，電源部分采用鋰電池供電。車載監(jiān)管設(shè)備中的中央控制模塊的主控芯片同樣采用了STM32單片機(jī)，無線通信模塊采用配對的NRF24L01通信模塊和SIM800H網(wǎng)絡(luò)通信模塊，定位模塊采用的是和芯星通的UM220模塊，電源取自公交車上電源，車載監(jiān)管設(shè)備支持9～24V的直流電源輸入。

圖2 系統(tǒng)組成

定點(diǎn)測量設(shè)備和車載監(jiān)管設(shè)備所采用的主控芯片都是意法公司的的STM32-F103C8T6單片機(jī)，主控芯片的最小系統(tǒng)電路圖如圖3所示。這款單片機(jī)是基于ARM的Cortex-M3內(nèi)核[8]，處理器的最高工作頻率可達(dá)72MHz[9]，擁有64K容量的程序存儲器和豐富的外圍設(shè)備接口[10]，滿足定點(diǎn)測量設(shè)備和車載監(jiān)管設(shè)備的信息采集、數(shù)據(jù)處理和無線通信的要求。

測距傳感器采用意法半導(dǎo)體FlightSense技術(shù)的第二代激光測距傳感器VL53L0X，VL53L0X是世界上最小的飛行時間（ToF）測距傳感器，能夠?qū)y距的有效長度增加到2m，可將精確度控制在±3%的誤差范圍內(nèi)，測距時間不足30ms[11]。此外，F(xiàn)lightSense技術(shù)的核心優(yōu)勢之一是選用了940nm波段，該波段對于外部光源的抗干擾能力更強(qiáng)。同時，測距模塊采用IIC通信，速度快，通過算法優(yōu)化，可以達(dá)到極低延時的測距[12]。

圖3 STM32-F103C8T6最小系統(tǒng)電路圖

2.2 軟件設(shè)計

系統(tǒng)的工作流程如圖4所示。首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始化操作，當(dāng)公交車進(jìn)站時，安裝在公交站兩端站牌上的定點(diǎn)測量設(shè)備中的定點(diǎn)測量模塊會對公交車的位置進(jìn)行定位，采集定點(diǎn)測量的數(shù)據(jù)，對采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行判別篩選，剔除異常數(shù)據(jù)，然后通過對于測試點(diǎn)的測量數(shù)據(jù)進(jìn)行解算，判斷公交車?？空疚恢檬欠裨陬A(yù)設(shè)的閾值范圍內(nèi)，若不在閾值范圍內(nèi)，則通過內(nèi)置的無線通信模塊與車載監(jiān)管設(shè)備內(nèi)的無線通信模塊通信，告知司機(jī)該公交車沒有?？康轿?，并將公交車的位置信息上傳至上位機(jī)監(jiān)控管理控制臺，同時部署在公交車內(nèi)的車載監(jiān)管設(shè)備將定位模塊采集的公交車位置信息等特征信息上傳至上位機(jī)控制臺。

圖4 停車規(guī)范監(jiān)管系統(tǒng)流程

定點(diǎn)測量部分是系統(tǒng)實現(xiàn)的重要環(huán)節(jié)，定點(diǎn)測量的工作流程如圖5所示。在實際應(yīng)用中，利用激光傳感器進(jìn)行測距的時候主要是對傳感器芯片進(jìn)行地址初始化、打開、測試模式等相關(guān)的指令寫入操作，然后讀取傳感器芯片相關(guān)寄存器的值得到距離數(shù)據(jù)的字段，將該字段轉(zhuǎn)為十進(jìn)制即得到測距的初始數(shù)據(jù)。操作傳感器芯片的指令包含芯片地址碼和功能碼等字段，如果操作失敗，就根據(jù)返回的代碼提示進(jìn)行修改，重新寫入指令。完成初始化操作的相關(guān)指令時，模塊處于待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)完成寫入開始測量的指令時，單片機(jī)將讀取數(shù)據(jù)寄存器的數(shù)據(jù)字段。在完成測量任務(wù)時，可根據(jù)邏輯地址關(guān)閉相應(yīng)的傳感器。

此外，定點(diǎn)測量部分中需保證采集數(shù)據(jù)的可靠性，即測量得到的數(shù)據(jù)是設(shè)備到公交車身的有效距離。因此，必須對所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，錯誤的數(shù)據(jù)將帶來較大的誤差，必須對采集數(shù)據(jù)進(jìn)行判別，剔除異常數(shù)據(jù)。

圖5 定點(diǎn)測量流程圖

3 實驗測試

為了驗證所研發(fā)的公交停靠站規(guī)范監(jiān)管系統(tǒng)的有效性和可用性，需要將定點(diǎn)測量設(shè)備安裝在公交車站臺的固定位置上，在測試的公交上安裝車載監(jiān)管設(shè)備并在公交實際停靠站過程中進(jìn)行測試。本文考慮到在實際環(huán)境中進(jìn)行調(diào)試的成本和安全問題，采用了模擬真實環(huán)境的方式進(jìn)行實驗，為了最大程度上還原真實環(huán)境的特點(diǎn)，保證實驗的真實性、可靠性，本文在實驗室條件下按照真實的公交車站規(guī)格搭建了實驗?zāi)M平臺，利用該平臺完成了相關(guān)實驗。

根據(jù)實際調(diào)研，公交車站牌的高度一般為2.5～2.7m，公交車的高度一般為2.5～3.5m之間。在模擬實驗平臺中，按照公交站牌和公交車的真實規(guī)格進(jìn)行相關(guān)的部署，定點(diǎn)測量設(shè)備的安裝位置如圖6所示。將裝有激光傳感器的定點(diǎn)測量設(shè)備在公交車站牌前后兩側(cè)各安裝1臺，安裝高度為2.5m，測量角度向內(nèi)30°。?？繀^(qū)域為大于公交車身的矩形區(qū)域，以該矩形區(qū)域的幾何中心為參考原點(diǎn)，由2臺定點(diǎn)測量設(shè)備可以解算出公交車?？空緯r公交車的幾何中心相對于停車區(qū)域的幾何中心的偏移量，從而確定公交車的停車規(guī)范程度。

圖6 測量部署方案

在實驗室搭建的模擬測試平臺的實驗環(huán)境較為理想，在不存在障礙物遮擋的情況，對于是否規(guī)范?？空镜呐袛嗟臏?zhǔn)確率可達(dá)90%以上，而在實際應(yīng)用中，定點(diǎn)測量設(shè)備所在的高度也幾乎不存在遮擋的情況。實際應(yīng)用中，盡可能避免定點(diǎn)測量設(shè)備前方被遮擋的情況，以減少誤判的幾率。只要兩臺定點(diǎn)測量設(shè)備檢測的距離都為有效距離，即可較為準(zhǔn)確地判斷公交車是否規(guī)范?？空?。實驗測試中標(biāo)定的閾值范圍為公交車車身不能超過規(guī)范停車區(qū)域的邊沿。車子停穩(wěn)后2～3s后即可得出判斷結(jié)果，滿足當(dāng)前的應(yīng)用要求。

由于系統(tǒng)設(shè)計的目的是實現(xiàn)?？空镜囊?guī)范監(jiān)管，需長時間連續(xù)工作，故對于系統(tǒng)進(jìn)行了壓力測試，實驗結(jié)果表明，設(shè)備可以長時間、穩(wěn)定可靠地工作。

4 結(jié)論

針對公交停車規(guī)范問題，本文提出了一種基于激光測距的公交車?？空疽?guī)范監(jiān)管系統(tǒng)，并通過模擬實驗平臺驗證了系統(tǒng)的有效性和可用性。系統(tǒng)擬解決的是在現(xiàn)代公交車系統(tǒng)中如何管控公交規(guī)范?？空镜膯栴}，以提高現(xiàn)代公交系統(tǒng)的服務(wù)水平和減少公交?？空镜陌踩[患。實驗測試表明，該系統(tǒng)檢測精度和測試效率高、操作簡便，具有一定的實用價值，但仍存在較大的改進(jìn)空間，當(dāng)存在障礙物遮擋時，系統(tǒng)的準(zhǔn)確率將會降低，在將來的研究中，筆者打算采用攝像頭識別的方式進(jìn)行輔助判斷公交?？空镜囊?guī)范程度，進(jìn)一步提高系統(tǒng)的可靠性。

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Fixed-point bus stop standard supervision system based on laser ranging

Chen Jun Wu Haijin

(College of physics and information engineering, Fuzhou University, Fuzhou 350002)

Aiming at the regulation problem of bus stop, a standard supervision system for bus stop based on laser ranging is proposed. The system includes two parts: the upper machine console and the lower machine. The upper computer console communicates with the measuring device of the lower computer through the wireless communication network, and the measuring device of the lower computer uses the laser ranging technology to judge whether the bus regulates the stopping station, and transmits the result to the vehicle monitoring device through the wireless communication network to inform the driver. And upload relevant information to the host computer console for supervision and control. Results of the experiment indicate that the system features high precision and efficiency, and ease of operation, and it can effectively supervise the specification of bus stop, which has good practical value.

laser ranging; bus stop; supervision system; fixed-point measurement

2018-07-05

陳 ?。?978-），男，副教授，主要研究方向為嵌入式系統(tǒng)、智能家居。