摘 要：文中提出了一種基于ESP32主控芯片與LoRa低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)的公交乘客統(tǒng)計(jì)與空位查詢系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過在公交車上部署感知設(shè)備的終端節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)準(zhǔn)確地監(jiān)測(cè)并傳輸公交車載客量信息。這些數(shù)據(jù)經(jīng)過LoRa網(wǎng)絡(luò)路由節(jié)點(diǎn)高效匯聚，并通過穩(wěn)定的無線或有線網(wǎng)絡(luò)連接至應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)后臺(tái)。系統(tǒng)的核心功能包括：實(shí)時(shí)采集公交車上下車乘客數(shù)量，處理和整合數(shù)據(jù)，通過手機(jī)APP或其他信息發(fā)布平臺(tái)向公眾提供每輛公交車當(dāng)前的乘客數(shù)量以及空座情況。此外，系統(tǒng)還具備遠(yuǎn)程監(jiān)控及數(shù)據(jù)分析能力，能夠?yàn)楣步煌ü芾聿块T提供決策支持，優(yōu)化線路調(diào)度，提升整體運(yùn)營(yíng)效率和服務(wù)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：ESP32；LoRa；公交車；空位統(tǒng)計(jì)；物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；人數(shù)統(tǒng)計(jì)；光敏傳感器

中圖分類號(hào)：TP212 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2095-1302（2025）03-0-03

0 引 言

在當(dāng)前社會(huì)環(huán)境下，公共交通工具尤其是公交車，在城市通勤系統(tǒng)中扮演著至關(guān)重要的角色。隨著城市人口密度的增加和交通擁堵問題的日益凸顯，優(yōu)化公交服務(wù)以滿足乘客出行需求變得尤為關(guān)鍵[1]。然而，現(xiàn)有的公交信息服務(wù)中，乘客往往無法實(shí)時(shí)獲取到下一班車的實(shí)際載客情況，這導(dǎo)致了乘客難以提前規(guī)劃候車時(shí)間和選擇合適的班次，尤其是在高峰期，車廂滿載可能導(dǎo)致乘客錯(cuò)過班次，進(jìn)而影響整體的出行效率與體驗(yàn)。

為解決這一痛點(diǎn)，本研究旨在設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)一套基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的公交車載客數(shù)量統(tǒng)計(jì)及空位查詢系統(tǒng)。該系統(tǒng)的核心組件采用高性能、低功耗且具有強(qiáng)大無線通信能力的ESP32微控制器作為主控芯片[2]，結(jié)合先進(jìn)的LoRa遠(yuǎn)距離無線通信技術(shù)，確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性和覆蓋范圍[3]。通過集成智能傳感器和其他外設(shè)裝置，精準(zhǔn)地對(duì)公交車上乘客數(shù)量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與統(tǒng)計(jì)分析。通過這套系統(tǒng)，不僅能夠?qū)崟r(shí)采集每輛公交車內(nèi)部的乘客流量信息，還能在車輛行進(jìn)過程中將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上報(bào)至調(diào)度中心，并進(jìn)一步通過無線網(wǎng)絡(luò)在下一站點(diǎn)提前發(fā)布給候車乘客，使得乘客可以根據(jù)實(shí)時(shí)更新的空位信息來調(diào)整自己的候車策略，從而有效提升公交系統(tǒng)的運(yùn)行效率和服務(wù)質(zhì)量，也為城市管理與決策提供更為詳實(shí)的數(shù)據(jù)支持。

1 功能需求

系統(tǒng)覆蓋物聯(lián)網(wǎng)感知控制層、網(wǎng)絡(luò)傳輸層和應(yīng)用服務(wù)層的軟硬件設(shè)計(jì)。其主要功能包括：實(shí)時(shí)乘客計(jì)數(shù)功能、數(shù)據(jù)采集與傳輸功能、信息處理與發(fā)布功能、遠(yuǎn)程監(jiān)控與查詢服務(wù)。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

本公交乘客統(tǒng)計(jì)與空位查詢系統(tǒng)由3個(gè)關(guān)鍵層級(jí)組成，如圖1所示，實(shí)現(xiàn)了從數(shù)據(jù)采集到信息發(fā)布全過程的智能化管理。

首先，在終端節(jié)點(diǎn)層，將搭載ESP32主控芯片的智能傳感器設(shè)備安裝在公交車入口和出口處，通過公交車入口和出口處的智能傳感器設(shè)備實(shí)時(shí)捕捉并精確計(jì)算上下車乘客數(shù)量。這些數(shù)據(jù)經(jīng)ESP32處理后，通過低功耗廣域網(wǎng)通信技術(shù)LoRa進(jìn)行無線傳輸。

其次，路由和網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)層面設(shè)計(jì)了LoRa網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，該節(jié)點(diǎn)部署于公交站點(diǎn)及重要區(qū)域，接收各輛公交車上終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的載客量信息，并借助強(qiáng)大的多通道并發(fā)處理能力，將收集的數(shù)據(jù)可靠地轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)器[4-7]，該服務(wù)器作為網(wǎng)絡(luò)傳輸層的核心，對(duì)匯聚的大量實(shí)時(shí)載客數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、整理和初步分析[8]。

最后，在應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)層面，云端數(shù)據(jù)中心存儲(chǔ)并深度處理接收到的所有公交車載客數(shù)據(jù)；配套的手機(jī)APP和網(wǎng)頁平臺(tái)，通過API接口獲取并展示給公眾當(dāng)前每輛公交車的實(shí)際載客狀態(tài)和空余座位數(shù)[9]。此外，系統(tǒng)還為公交運(yùn)營(yíng)部門提供了一套遠(yuǎn)程監(jiān)控與管理系統(tǒng)，便于實(shí)時(shí)監(jiān)控所有公交車的工作狀態(tài)，優(yōu)化調(diào)度決策，提高公共交通運(yùn)行效率和服務(wù)水平。

2.1 終端節(jié)點(diǎn)

終端節(jié)點(diǎn)被安裝在公交車內(nèi)，人數(shù)檢查傳感器集成于出入口的傳感器設(shè)備上，用于實(shí)時(shí)捕捉并計(jì)算上下車乘客數(shù)量。這些數(shù)據(jù)將被傳輸至ESP32主控芯片進(jìn)行處理。其中ESP32微控制器作為終端節(jié)點(diǎn)的核心組件，負(fù)責(zé)收集乘客計(jì)數(shù)模塊的數(shù)據(jù)，并通過內(nèi)置的LoRa模組將數(shù)據(jù)加密打包后發(fā)送出去。終端節(jié)點(diǎn)的硬件組成包括以下關(guān)鍵組件：微控制器（ESP32）、乘客數(shù)檢測(cè)傳感器模塊、LoRa無線通信模塊、電源管理單元、外設(shè)及接口、防護(hù)結(jié)構(gòu)與封裝，如圖2所示。

對(duì)公交車人數(shù)檢測(cè)傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，在公交車門的兩側(cè)分別設(shè)置激光發(fā)射器、光敏傳感器作為接收器；當(dāng)激光被乘客阻擋時(shí)，接收器接收到的光強(qiáng)度會(huì)發(fā)生顯著變化，產(chǎn)生電平跳躍；當(dāng)MCU檢測(cè)到電平變化（光束被遮擋）時(shí)，它會(huì)觸發(fā)內(nèi)部的中斷程序，記錄一次“事件”，即視為一人通過（上下車）。通過不斷地監(jiān)測(cè)這些中斷事件，系統(tǒng)可以較為精確地計(jì)算上下車的人數(shù)，并實(shí)時(shí)更新乘客總數(shù)，如圖3所示。

2.2 網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)被部署于公交站點(diǎn)或者城市關(guān)鍵位置，負(fù)責(zé)接收各個(gè)公交車上終端節(jié)點(diǎn)通過LoRa通信技術(shù)發(fā)送的實(shí)時(shí)載客量數(shù)據(jù)包，并將收集的數(shù)據(jù)可靠地轉(zhuǎn)發(fā)到應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)的服務(wù)器。

該網(wǎng)關(guān)具有強(qiáng)大的信號(hào)覆蓋能力和多節(jié)點(diǎn)并發(fā)處理能力，可實(shí)現(xiàn)低功耗、遠(yuǎn)距離的數(shù)據(jù)傳輸[10-14]。網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)的硬件組成包括以下關(guān)鍵組件：微控制器（ESP32）、LoRa無線通信模塊、存儲(chǔ)設(shè)備、電源管理單元、外設(shè)及接口、防護(hù)結(jié)構(gòu)與封裝，如圖4所示。

網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)首先通過集成的LoRa無線通信模塊接收來自公交車上部署的終端節(jié)點(diǎn)發(fā)送的載客量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)。當(dāng)接收到這些信息后，網(wǎng)關(guān)內(nèi)部的處理器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行解碼、驗(yàn)證和存儲(chǔ)，并根據(jù)需要執(zhí)行協(xié)議轉(zhuǎn)換，將原始的LoRa網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)互聯(lián)網(wǎng)協(xié)議（HTTP）數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)發(fā)至應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)，其驅(qū)動(dòng)程序設(shè)計(jì)如圖5所示。

2.3 應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)

應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)在公交乘客統(tǒng)計(jì)與空位查詢解決方案中扮演了信息中樞和交互平臺(tái)的角色，其主要包括服務(wù)端和APP端。其中服務(wù)端負(fù)責(zé)從各個(gè)網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)收集實(shí)時(shí)的公交車載客量信息，經(jīng)過系統(tǒng)后臺(tái)高效、精準(zhǔn)地整合后存儲(chǔ)并形成可用于展示和查詢的數(shù)據(jù)資源[15]。APP端負(fù)責(zé)信息發(fā)布與查詢服務(wù)，并實(shí)時(shí)向公眾發(fā)布每輛公交車的當(dāng)前乘客數(shù)量及空余座位情況、公交車位置情況等信息，方便乘客提前規(guī)劃出行時(shí)間和選擇最佳候車方案。

在公交乘客統(tǒng)計(jì)與空位查詢解決方案中，服務(wù)端作為核心數(shù)據(jù)處理中心，承擔(dān)了以下關(guān)鍵功能：

（1）數(shù)據(jù)收集整合：通過連接車載傳感器、GPS定位系統(tǒng)以及各網(wǎng)關(guān)節(jié)點(diǎn)，實(shí)時(shí)接收公交車的載客量、車輛位置等信息。

（2）數(shù)據(jù)處理與存儲(chǔ)：對(duì)接收到的大數(shù)據(jù)進(jìn)行清洗、校驗(yàn)和整合，采用高效的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)和算法進(jìn)行存儲(chǔ)管理，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和時(shí)效性。

（3）數(shù)據(jù)分析計(jì)算：基于實(shí)時(shí)和歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，包括但不限于客流趨勢(shì)分析、線路繁忙程度評(píng)估、車輛滿載率預(yù)測(cè)等，為運(yùn)營(yíng)決策提供支持。

（4）接口服務(wù)提供：對(duì)外提供穩(wěn)定可靠的數(shù)據(jù)API接口，使得APP端或其他客戶端能夠及時(shí)獲取到經(jīng)過處理后的公交運(yùn)行狀態(tài)信息。

APP端負(fù)責(zé)實(shí)時(shí)發(fā)布信息，展示每輛公交車的當(dāng)前位置、預(yù)計(jì)到達(dá)時(shí)間及當(dāng)前實(shí)際載客量，以及空余座位數(shù)，讓乘客一目了然地了解公交動(dòng)態(tài)。

（1）查詢服務(wù)：用戶可以通過搜索或篩選功能查找指定線路、站點(diǎn)或特定時(shí)間段內(nèi)的公交運(yùn)行情況，便于做好個(gè)人出行計(jì)劃。

（2）交互體驗(yàn)優(yōu)化：提供友好的用戶界面和交互設(shè)計(jì)，確保乘客能夠便捷地使用查詢、收藏線路、設(shè)置提醒等功能。

（3）反饋機(jī)制：允許乘客對(duì)公交服務(wù)進(jìn)行評(píng)價(jià)和反饋，從而幫助公交公司不斷改進(jìn)服務(wù)質(zhì)量。

應(yīng)用服務(wù)監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)如圖6所示。

3 結(jié) 語

本研究設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一套基于ESP32主控芯片、LoRa通信技術(shù)和智能傳感器的公交乘客統(tǒng)計(jì)與空位查詢系統(tǒng)，成功地實(shí)現(xiàn)了城市公共交通中公交車載客量信息的實(shí)時(shí)獲取。系統(tǒng)將物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)際交通領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了從終端節(jié)點(diǎn)采集數(shù)據(jù)，經(jīng)過路由節(jié)點(diǎn)傳輸，到應(yīng)用服務(wù)系統(tǒng)處理和發(fā)布的全過程智能化管理。

通過對(duì)車載硬件設(shè)備的精心設(shè)計(jì)和軟件算法的優(yōu)化整合，本系統(tǒng)能夠精準(zhǔn)、實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)公交車上乘客數(shù)量的變化，并將這些關(guān)鍵信息及時(shí)發(fā)布給候車乘客，顯著提升了公眾出行體驗(yàn)和公交資源利用效率。此外，該系統(tǒng)的應(yīng)用也為公交管理部門提供了有力的數(shù)據(jù)支持，使其能更科學(xué)合理地進(jìn)行車輛調(diào)度和服務(wù)優(yōu)化。

在項(xiàng)目開發(fā)過程中，本文充分考慮了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，采用低功耗技術(shù)確保系統(tǒng)的長(zhǎng)期運(yùn)行，同時(shí)結(jié)合數(shù)據(jù)加密手段保障信息安全。盡管在實(shí)際部署和運(yùn)營(yíng)中可能會(huì)遇到復(fù)雜多變的城市環(huán)境和技術(shù)挑戰(zhàn)，但通過嚴(yán)謹(jǐn)?shù)男枨蠓治?、詳?xì)的設(shè)計(jì)方案以及全面的測(cè)試驗(yàn)證，本系統(tǒng)展現(xiàn)出了良好的適應(yīng)能力和潛在的應(yīng)用價(jià)值。

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