城市公共交通系统是现代社会中一个重要基础设施，也是降低污染排放、提高人民生活水平的公益事业^[1]。但是随着城市车辆的日益增多，城市交通问题层出不穷，公交系统作为城市交通系统的重要组成部分面临的问题尤为突出，智能化公交系统，改善乘客用户体验迫在眉睫^[2-3]。现有公交系统存在以下问题：公交站牌只提供固定的静态的停靠信息，乘客无法通过站牌信息有效规划自己的行程；现有公交系统提供的信息有限，乘客无法及时得到计划乘坐的公交车目前的位置信息和车内乘车环境信息，这样容易造成乘客盲目的等待；公交管理部门和公交调度中心也无法高效地管理和调度公交车辆，无法实时掌握公交车辆运营的具体状况，无法在必要时根据车辆运行情况进行调度，这也使得管理者不能及时对公交系统进行优化。城市公交系统的功能亟待进一步完善^[4]。

为了解决以上问题，国内外已经有许多解决方案被提出，如果按公交车定位方法来分类，可分为基于无线传输技术和GPRS技术的智能公交系统^[5]；基于GPS/北斗卫星导航系统和GPRS技术的智能公交系统^[6]。基于无线传输技术的系统有定位精度高、实现简单等特点，但其仅仅是提供报站信息，不利于构建更加完善合理的公交调度系统^[7]。基于GPS的系统灵活性高、具有通用性，但其定位精度受多种因素影响，很难达到理想精度。目前城市中运行最多的就是基于GPS的智能公交系统，然而该系统只能完成定位报站和测速等简单功能，并不能将车辆信息传递给公交调度中心，也不能将车辆信息及时传递给乘客。如果按所采用的控制器类型进行分类，现有智能公交系统可分为基于单片机的智能公交系统和基于ARM的智能公交系统^[8]。单片机价格便宜，但是却存在着处理数据速度慢、外设简单和功耗大的缺点，而ARM微处理器具有高性能、低功耗、外设丰富、接口简单和开发相对容易，在处理数据的能力和速度上有很大的优势而应用越来越广泛。鉴于以上分析，文中将GPS定位系统的灵活性与RFID技术的精确性相结合，有效地将信息技术、无线通信技术、传感器技术、控制技术等结合起来，设计了一款基于ARM的智能公交管理系统。该系统是一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时、准确、高效的综合交通运输管理系统。通过该系统，乘客可以通过智能公交系统的站牌终端机实时了解所要乘坐车辆的具体到站信息；可以规范公交车按照指定路线和指定范围行车和停靠；公交调度中心也可以获取车辆的运行信息，方便调度中心进行科学的车辆的调度，大幅度提高公交系统的效率和乘客的乘车体验^[9]。

1 智能公交系统整体方案设计

所设计的智能公交系统主要由3部分组成：站牌终端机、车载终端机和公交调度中心。车载终端与站牌终端通过蓝牙连接，负责站台与进站的数据传输，并将数据通过无线网络发送至控制中心。其中站牌终端机是整个系统的核心，它担负着识别RFID标签，并将车辆信息传递至公交调度中心的任务，另外，当站牌终端机接收到公交车的车辆信息时还要及时显示车辆的到站信息；车载终端机主要担任配置RFID标签、协助处理RFID的读写任务、结合获取的GPS坐标信息进行报站的功能；调度中心则担负着将车辆运行信息汇集，优化并调度公交的功能。智能公交系统的整体结构如图 1所示。

设计中使用车载终端机中的GPS模块获取公交位置信息，结合站点位置进行语音报站，并通过通信模块将车辆运行信息发送至调度中心。当公交车辆在站点前的规定停车位停车时，站点处安装的RFID读写器收到公交车上电子标签的信号，判定该公交按规定停车，并将判定信息发送至调度中心。调度中心将数据处理完后，再次通过通信模块将处理后的信息发送至相应的站牌，在站牌处的液晶显示屏上显示刷新后的信息内容。

所设计的智能公交系统具有以下功能：

1) 精准报站。在车载终端上使用GPS模块获取公交位置信息，将获取到的GPS坐标信息实时与已知站点的坐标信息进行比对，只要满足所规定的误差范围，控制器就控制语音芯片进行报站。

2) 智能识别，防漏停功能。在车载终端上使用RFID电子标签，且只有当公交车在离站牌规定的距离内才能被识别。这样就可以防止有些公交车司机到站不停车以及乱停车的现象。由于电子标签具有唯一性，因此站牌终端可以准确识别每辆车的具体信息，并且将信息通过GSM模块发送至调度中心。

3) 显示实时信息。调度中心将数据处理完后，再次通过GSM模块将处理后的信息发送至相应的站牌，在站牌处的液晶显示屏上显示车辆的实时信息。

4) 紧急报警。在车载终端上安装有一键紧急报警装置，当公交车上发生紧急情况时，司机或者乘客可以按下紧急报警按钮，控制器接收到报警信号之后马上通过通信模块将险情发送至公交调度中心。由此实现对公交运营车辆的集中监控、集中管理与调度、集中运营协调，以科学的手段统筹规划公交运行网络，达到最佳公交服务水平。

2 智能公交系统的硬件设计 2.1 嵌入式微控制器模块设计

智能公交系统中的控制器模块主要实现2个功能：一是对数据做适当的处理以配合外围芯片或器件的工作；二是对外围芯片做适当的配置。在本系统中，我们需合理选择一款微控制器芯片，所选取的微控制器应支持UART串口、多种中断、具备相应的处理性能等^[10]。我们在系统中采用了STM32 F103ZET6这款微处理器。STM32F1系列芯片是意法半导体 (ST) 公司出品的中低端的32位ARM微控制器，其内核是Cortex-M3。芯片内集了GPIO、SPI、UART等多种外设，可以满足设计需求。在低功耗设计上具有睡眠、停机和待机3种模式，合理配置后极大降低了系统的功耗，在封装上则使用了ECOPACK封装，具有封装体积小、可靠性高的特点。

2.2 GPS定位模块硬件设计

在车载终端机中采用的GPS模块是UBLOX公司的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5 Hz，采用贴片的无源陶瓷天线，并自带可充电后备电池 (支持温启动或热启动，在电源中断后依然可以保持30 min左右的位置数据采集) 等特点^[11]。

全球定位系统 (global positioning system，GPS) 模块同微处理器之间的通信接口采用串口方式，输出的定位数据采用美国国家海洋电子协会 (The National Marine Electronics Association) 制定的0183协议。模块与处理器连接只需要2根信号线以及电源线即可，全球定位系统模块与微控制器的连接方式如图 2所示。

2.3 无线通信模块硬件设计

设计中采用的是市场上常见的SIM900A模块，可以低功耗实现信息发送和接收的功能。采用SIM接口，利用通用的手机卡就可以进行远距离通信，由于当前蜂窝网络覆盖率很高，可以保证数据传输的可靠性。SIM900A模块同微处理器的连接可以采用UART和RS232两种方式，为了方便布线和提高兼容性，采用了使用范围更广的UART (串口) 连接方式。SIM900A模块需要一个稳定的供电模块，在通讯时所需要的电流较大，为了满足这个需求，选择一个线性稳压源来满足系统设计的需求^[12]。通过性能对比和系统需求，采用SPX29302来提供足够的发射电流，它具有精度高、电压可调、静态电流大、输入电压范围大的特点并且与MIC29302完全兼容。

2.4 RFID模块硬件设计

在本系统选取了HC-05蓝牙模块作为RFID标签，它具有较宽的波特率，可以很好地兼容单片机系统。HC-05蓝牙串口通讯模块具有2种工作模式：命令工作模式和自动连接工作模式。在自动连接工作模式下我们可以将其设置为主机、从机和回环工作模式。当模块处于自动连接工作模式时，将自动按照在命令模式下对模块的配置进行工作；当需要对模块进行配置时，需要将模块切换至命令工作模式并使用AT指令对其进行配置。在实际设计中，要先在命令响应工作模式中将模块进行配置，包括工作模式和波特率等必要信息。然后利用模块的自动连接模式进行RFID标签的读写。RFID模块与STM32的连接图如图 3所示。

在本系统中，RFID阅读器和电子标签分别是由蓝牙主机和蓝牙从机实现的。考虑到RFID的碰撞问题，我们需要定义蓝牙标签的连接规则。首先蓝牙主机获取周围处在连接范围内的所有蓝牙从机的蓝牙地址，然后按照预先设置好的优先级进行蓝牙通信。蓝牙主机与每个从机的通讯时间设定为100 ms。由于公交车的移动速度有限，这样可以在短时间内将所有标签的信息读取完而不会造成遗漏。

2.5 LCD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液晶屏作为站牌终端机的显示模块。该模块成本低、显示效果良好^[14]。鉴于STM32丰富的接口资源和提高液晶屏的显示速度，我们采用了并行方式来驱动液晶屏。对LCD12864的所有操作概括起来有4种：

1) 读忙状态 (同时读出指针地址内容)。为了保证对LCD的操作不会干扰到模块的正常工作，在每次写指令前我们都要进行忙检测。

2) 写命令。向LCD驱动芯片写入命令，配置其工作模式和显示模式等。

3) 写数据。向动态随机存储器 (dynamic random access memory，DRAM) 写入数据。

4) 读数据。读取DRAM中的数据。

在使用液晶屏时，需要对液晶屏驱动芯片写入命令和写入数据。写命令操作和写数据操作分别用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中的某一个单元写入一个字符的编码时，该字符就在对应的位置显示出来。所以要显示的字符就必须把字符的编码写入DRAM中，也就是写入对应的字符产生存储器中。当进行读写数据时，我们需要先将地址写入然后才能将数据写入。在进行每项操作时，都要询问液晶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入新数据^[15]。液晶屏与STM32的硬件连接图如图 4所示。

3 系统的软件设计

软件开发采用德国Keil公司开发的MDK开发套件，该开发套件是目前业界最受欢迎的ARM嵌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等相比，编译器的最新版本可将性能改善超过20%。

3.1 车载终端机的软件设计

系统的软件部分包含系统运行主程序、报警中断程序组成，主程序流程图如图 5所示。

为了达到良好的报站以及预报站效果，我们需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实时的位置信息通过拟合得到公交车当前的位置，将实时的GPS信息与历史数据相结合，应用汽车实时速度模拟模型得到预到达的公交的到站时间，但在实践运行中我们会受到诸多因素的干扰，因此我们在数据处理时运用修正因子进行修正，使得数据更加贴合于实际^[13]。实际测得客观修正因子对预测到站时间准确度提升23.7%。

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，软件流程如图 7所示。

在这个过程中需要初始化LCD显示模块，激活RFID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识别率，对RFID的读写过程配置了中断系统。

4 智能公交系统的验证

在完成了硬件以及软件的设计后，需要对我们的设计方案进行验证，为了使系统更好地运行，需要对软硬件进行协同调试，以获得良好的工作效果。为此组装了智能公交系统的车载终端机和站牌终端机样机，智能公交系统的样机如图 8所示。

在软件开发时，运用微处理对系统进行自测，并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。

通过观察打印结果发现：GPS、GSM、RFID模块初始化正常。RFID模块可以正常读取车辆的信息，SIM900模块也可以正常读取和发送车辆的到站的信息。GPS模块可以比较准确得获取GPS经纬度信息。

智能公交系统的测试采用如图 10所用的方式，用车载终端机的移动来模拟公交车的运行。每隔一段距离设置1个站牌终端机，为了区分各个站点，我们将站点距离设定为200 m。通过模拟运行，发现各个系统可以正常工作，达到了预期效果。

5 智能公交系统的性能测试

针对车载终端机的GPS定位系统，对多个不同的地点进行了测量，得到了如表 1所示的信息。

从测量的结果可以得出，车载终端机的GPS定位系统具有较高的精度，并且误差在10 m之内。经过测试，该系统具有识别率高、传输速度快等优点，符合设计方案，可以达到实际应用的要求。

6 结束语

本系统将GSM无线通讯、GPS全球定位系统结合起来，并辅以RFID标签的识别功能，实现了一个智能化的公交系统。通过该系统，乘客可以通过智能公交电子站牌上实时了解自己所要乘坐车辆的具体到站信息，公交调度中心也可以看到车辆的到站信息，既能方便调度中心进行车辆的调度，监控车辆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，可以有效缓解城市的交通压力。与此同时，本系统的设计也为城市公交系统的智能化提供一种系统的解决方案，对其他智能系统的设计具有一定的参考作用。