隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及城市人口快速增長，城市公共服務(wù)設(shè)施和基礎(chǔ)設(shè)施面臨巨大考驗,。作為承擔(dān)著城市基礎(chǔ)運營的公交系統(tǒng),，其高效的運營和服務(wù)將很大程度上解決城市交通問題。

    本文設(shè)計了一個基于GPRS[1]和基站定位的公交監(jiān)控裝置,。該裝置將采集到車輛運行中的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合后通過GPRS網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至監(jiān)控中心,，同時接收監(jiān)控中心下發(fā)的相關(guān)指令，實現(xiàn)對公交車輛的定位和監(jiān)控,。本設(shè)計在完成總體設(shè)計的基礎(chǔ)上,，完成了裝置的軟、硬件設(shè)計和實現(xiàn),。
1 GPS定位與基站定位的比較
    基于GPS的定位系統(tǒng)在天氣不佳時,，特別在高架橋下、高樓邊角和隧道等地,，其定位效果會受到相當(dāng)大的影響,，甚至無法進(jìn)行定位。而在這種情況下往往最容易發(fā)生交通阻塞,，最需要準(zhǔn)確定位和調(diào)度服務(wù)發(fā)揮效用,。GPS加其他輔助手段的定位方法雖然可以提高定位精度，但卻提高了設(shè)備成本和運營維護(hù)成本[2],。而基站定位不但能耗低,，不受天氣、高樓的影響,，且在人口越密集的地方,，基站往往越多，定位更準(zhǔn)確,；而在基站少定位不準(zhǔn)確時,，還可利用公交線路相對固定的特點通過軟件改善來修正定位信息。
2 總體方案
    本設(shè)計采用基于ARM9處理器[3]的嵌入式系統(tǒng),，利用Linux操作系統(tǒng)，開發(fā)具有定位追蹤功能的監(jiān)控裝置。該嵌入式平臺資源豐富,技術(shù)成熟,有良好的可擴(kuò)展性,，在需要時能進(jìn)行功能模塊的添加和升級,。裝置采用S3C2440為主控制器，外擴(kuò)Nand Flash用于程序存儲器,，SDRAM為內(nèi)存,，LCD和按鍵作為人機(jī)交互接口，配合帶有基站定位功能的GPRS模塊SIM900,，實現(xiàn)采集公交車位置,、車廂溫度、乘客人數(shù),、運行速度等信息,，并通過GPRS網(wǎng)絡(luò)將采集到的信息傳送到監(jiān)控中心，同時接收監(jiān)控中心的下行指令,。
3 硬件設(shè)計
3.1 微控制器模塊
    S3C2440是三星推出的一款基于ARM920T內(nèi)核的16/32 bit RISC嵌入微處理器,，集成了豐富的片上資源，在開發(fā)過程中可以減少外圍的設(shè)備部件,，以降低系統(tǒng)的成本,。本設(shè)計使用2片HY57V561620FTP作為SDRAM，使用的Nand Flash為K9F1G08芯片,。
    微控制器通過異步接收/發(fā)送裝置UART2和SIM900進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,。其中，SIM900的引腳RXD用于接收由S3C2440的引腳UART2_TXD傳出的數(shù)據(jù),，數(shù)據(jù)最終由SIM900發(fā)出,；引腳TXD用于向S3C2440的引腳UART2_RXD發(fā)送數(shù)據(jù)。
    RS485總線是一種常見的串行總線標(biāo)準(zhǔn),，采用平衡發(fā)送與差分接收的方式,，具有抑制共模干擾的能力。在一些要求通信距離為幾十米到上千米,、多節(jié)點的系統(tǒng)中有著廣泛的應(yīng)用,。S3C2440的UART1通過RS485轉(zhuǎn)化電路形成485總線。如圖1所示,，溫度傳感器,、公交讀卡器和報站器都接在485總線上，在系統(tǒng)運行時,，微控制器將采用問答形式獲得公交中的溫度,、人數(shù)以及站點等數(shù)據(jù)。

3.2 GPRS模塊
    SIM900是SIMCom推出的一款新型無線四頻GSM/GPRS模塊,，完全采用SMT封裝形式,，同時采用了功能強(qiáng)大的ARM926EJ-S芯片處理器,。SIM900采用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)接口，同時支持標(biāo)準(zhǔn)的AT命令,。本設(shè)計采用的SIM900帶有基站定位功能,，定位信息通過AT指令獲得。
    設(shè)計中設(shè)置S3C2440的通用I/O口GPB8為輸出,，上電后通過把SIM900的PWRKEY信號拉低一段時間然后釋放來啟動GPRS模塊,。在SIM900模塊內(nèi)部，PWRKEY引腳通過100 kΩ電阻上拉到3 V電壓域,。為了防止PWRKEY與微控制器I/O口直連導(dǎo)致串電,，在模塊與微控制器I/O口間采用三極管隔離，增強(qiáng)了開關(guān)可靠性,。
    圖2為SIM900與SIM卡的連接原理圖,。為了增強(qiáng)SIM卡部分的可靠性，SIM卡的所有信號線都通過連接TVS二極管來做靜電(ESD)防護(hù),。設(shè)計中采用ESDALC6V1芯片作為ESD保護(hù),。SIM卡電源引腳SIM_VCC并接220 nF電容，以穩(wěn)定電源輸出,，減小波紋,。在PCB布局時，應(yīng)使SIM卡卡座盡量靠近模塊,，圖2中的電容,、ESD等器件放置也應(yīng)靠近SIM卡座。

3.3 電源模塊
    該系統(tǒng)硬件設(shè)計的關(guān)鍵在于電源部分,。SIM900工作在3.4 V～4.5 V之間,，由于模塊射頻發(fā)射時電流的峰值最高會達(dá)到2 A以上，可能導(dǎo)致供電電源電壓跌落,。因此,，電源供電能力要盡可能達(dá)到2 A，以保證電壓不會低于GPRS模塊的工作電壓,。設(shè)計中選擇可調(diào)輸出電壓芯片LM2576,，LM2576輸出電壓范圍為1.2 V～37 V，瞬間可以通過的最大電流達(dá)到3 A,，符合電路要求,。電源模塊電路如圖3所示。S3C2440控制器模塊需要的1.25 V,、1.8 V和3.3 V電源都由LM2576提供的5 V電源轉(zhuǎn)化輸出,，如圖4所示。為了增強(qiáng)模塊電源抗干擾能力（主要抗浪涌,、脈沖群,、靜電等）,，避免在外界環(huán)境比較惡劣的情況下出現(xiàn)模塊供電異常，在外部電源輸入端并入470 μF和0.1 μF電容,，在VBAT供電芯片輸出端并入470 ?滋F電容,，以濾除干擾。

      SIM900模塊從上電到注冊網(wǎng)絡(luò)期間,，射頻發(fā)射功率相對偏高。VBAT供電的長走線,、窄線寬,，或者穩(wěn)壓電容離VBAT引腳較遠(yuǎn)，會導(dǎo)致在模塊上電后的一段時間內(nèi),，VBAT上耗流,、紋波增加，電源電壓跌落很大,。因此在PCB布局時,，VBAT上的旁路電容應(yīng)盡量放在對應(yīng)管腳附近。為降低PCB走線阻抗,，VBAT走線應(yīng)盡量寬,、盡量短，最好大面積鋪地,。
    在考慮VBAT設(shè)計的同時,，也要重點關(guān)注GND設(shè)計。GND整個回流路徑的長短以及阻抗的連續(xù)性是電源跌落及音頻干擾的主要原因,。因此,，把模塊GND、電池座GND,、電源適配器GND,、相互間GND以一塊完整的銅皮相連接，在有結(jié)構(gòu),、板層限制,，無法大面積鋪銅皮處，用2 mm以上走線單獨連起來再覆銅,，以保證GND的完整性,。另外，整個PCB板應(yīng)盡量多打地孔,，電源和地的回流路徑越小越好,。
4 軟件設(shè)計

    軟件采用層次化設(shè)計結(jié)構(gòu)，如圖5所示,。軟件主要由以下幾個模塊組成：(1)定制的Linux 2.6內(nèi)核,；(2)串口,、鍵盤和LCD顯示屏的設(shè)備驅(qū)動程序；(3)鍵盤處理和顯示模塊,；(4)與數(shù)據(jù)中心及當(dāng)?shù)卦O(shè)備的數(shù)據(jù)通信模塊,；(5)定位及數(shù)據(jù)處理模塊。
    本設(shè)計使用Qt提供的類庫實現(xiàn)裝置軟件的開發(fā),；軟件通過串口設(shè)備訪問GPRS模塊,，實現(xiàn)從GPRS模塊接收基站定位信息，并實現(xiàn)終端與監(jiān)控中心通信,。相比基于GPS和GPRS的終端設(shè)計,，本設(shè)計將減少一個串口的開銷，可用于其他擴(kuò)展模塊,。
    在本設(shè)計中,，UART起了很大作用，除了作為調(diào)試口用外,，還用于與485總線和GPRS進(jìn)行通信,。上層應(yīng)用軟件中為485總線和GPRS編寫的應(yīng)用程序都是通過該驅(qū)動實現(xiàn)對串口的訪問。
    本裝置可以實現(xiàn)對城市公交車運行情況的監(jiān)測,，并可將監(jiān)測數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)傳送至監(jiān)控中心,，實現(xiàn)中心對公交車的遠(yuǎn)程監(jiān)控。通過基站定位,，可以在相對于GPS成本更低,、功耗更小的情況下實現(xiàn)定位，同時實現(xiàn)站點位置記錄和自動報站,，尤其在受到不良天氣,、高樓、橋梁影響時可發(fā)揮比GPS更高的效用,。本裝置基于ARM嵌入式系統(tǒng)平臺,，可通過良好的擴(kuò)展性適應(yīng)不同的市場需求，提高城市公交系統(tǒng)效率,，改善城市交通狀況,。
參考文獻(xiàn)
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