針對(duì)中小城市公交系統(tǒng)的特點(diǎn)及實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境，考慮性?xún)r(jià)比和實(shí)用性設(shè)計(jì)了基于ZigBee（紫蜂協(xié)議）技術(shù)的單片機(jī)自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)。站臺(tái)發(fā)射部分采用CC2430芯片實(shí)現(xiàn)站址編碼信息的自動(dòng)發(fā)射，外圍電路簡(jiǎn)單，可用電池長(zhǎng)時(shí)間供電。車(chē)載部分具有手動(dòng)和自動(dòng)報(bào)站模式實(shí)時(shí)切換功能，可通過(guò)U盤(pán)存儲(chǔ)的線(xiàn)路信息方便地實(shí)現(xiàn)公交線(xiàn)路的更換，在自動(dòng)報(bào)站的同時(shí)可滾動(dòng)顯示站名、日歷、時(shí)間、星期、溫度和服務(wù)用語(yǔ)等信息。該系統(tǒng)成本低、可擴(kuò)展性強(qiáng)、運(yùn)行可靠且易于安裝、維護(hù)，適合推廣使用。
隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，人們外出旅行的機(jī)會(huì)逐漸增多，公交汽車(chē)在日常生活中的作用越來(lái)越突出，從而對(duì)城市公交系統(tǒng)安全運(yùn)營(yíng)方面提出了更高的要求。目前，許多中等以上城市的公交車(chē)上都實(shí)現(xiàn)了無(wú)人售票，公交司機(jī)對(duì)行車(chē)安全承擔(dān)的責(zé)任也就更大，這就迫切需要在每輛公交車(chē)上安裝自動(dòng)報(bào)站器。近些年來(lái)，國(guó)內(nèi)學(xué)者逐步開(kāi)展了這方面的研究工作，采用單片機(jī)、嵌入式處理器、無(wú)線(xiàn)傳感器網(wǎng)絡(luò)和GPS等技術(shù)設(shè)計(jì)了各種公交自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)，對(duì)城市公交的發(fā)展起了很好的促進(jìn)作用。但是，目前大部分中小城市的公交線(xiàn)路仍未全面采用自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)，急需成本低廉、運(yùn)行可靠、易于維護(hù)、易于推廣的自動(dòng)報(bào)站器。
針對(duì)中小城市公交系統(tǒng)的特點(diǎn)，將單片機(jī)與ZigBee技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出基于ZigBee技術(shù)的低成本自動(dòng)報(bào)站器，兼有手動(dòng)和自動(dòng)兩種報(bào)站器的優(yōu)點(diǎn)，適合于大規(guī)模普及應(yīng)用。
1 總體方案
在城市各主要街道的公交車(chē)站臺(tái)眾多，一個(gè)站臺(tái)可能要停靠多個(gè)線(xiàn)路的公交車(chē)輛，而且同一站臺(tái)在各個(gè)線(xiàn)路的命名可能不一樣，因此，站址編碼信息需要采用8位撥碼開(kāi)關(guān)進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)置，以便各路公交車(chē)自動(dòng)識(shí)別在本線(xiàn)路中的當(dāng)前位置。圖1所示的是具有n個(gè)站臺(tái)的公交車(chē)自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)示意圖。
圖1 公交車(chē)自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)
由于中小城市的路面較窄，公交車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中可能會(huì)同時(shí)接收到多個(gè)站址編碼信息，如圖1中右向行駛的公交車(chē)就會(huì)同時(shí)接收到站臺(tái)1和站臺(tái)n的編碼信息，此時(shí)可以通過(guò)行駛方向自動(dòng)判斷站臺(tái)1的編碼信息是有效的。車(chē)輛行駛方向可以采用預(yù)制或站址遞增（遞減）方式進(jìn)行識(shí)別，如果出現(xiàn)編碼突變的情況，說(shuō)明車(chē)輛行進(jìn)過(guò)程中可能因?yàn)闊o(wú)法自動(dòng)報(bào)站而采用了手動(dòng)報(bào)站，這樣系統(tǒng)可以記錄下該站臺(tái)的編碼以便及時(shí)維修。
本系統(tǒng)分為車(chē)載和站臺(tái)兩部分，車(chē)載部分采用以MSP430F149單片機(jī)為核心的控制模塊；站臺(tái)部分只需要發(fā)射站址編碼信息，要求低功耗、低成本、高可靠性且易于維護(hù)，因此ZigBee發(fā)射模塊以CC2430芯片為核心構(gòu)成。圖2所示的是公交車(chē)自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)框圖。
圖2 公交車(chē)自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖
2.1 站址編碼信息發(fā)射器NG-RIGHT: 0px; PADDING-LEFT: 0px; PADDING-BOTTOM: 0px; MARGIN: 20px 0px 0px; WORD-SPACING: 0px; FONT: 14px/25px 宋體, arial; TEXT-TRANSFORM: none; COLOR: rgb(0,0,0); TEXT-INDENT: 0px; PADDING-TOP: 0px; WHITE-SPACE: normal; LETTER-SPACING: normal; BACKGROUND-COLOR: rgb(255,255,255); orphans: 2; widows: 2; -webkit-text-size-adjust: auto; -webkit-text-stroke-width: 0px"> 站址編碼信息發(fā)射器的硬件設(shè)計(jì)如圖3所示，主要由ZigBee發(fā)射模塊、晶振、阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)、天線(xiàn)和電池組成。ZigBee選用Chipcon公司的CC2430芯片，該芯片延用了以往CC2420芯片的架構(gòu)，在單個(gè)芯片上整合了ZigBee射頻前端、內(nèi)存和微控制器（增強(qiáng)型8051內(nèi)核），采用0.18 mCMOS工藝生產(chǎn)，在發(fā)射模式下電流損耗低于25mA,具有從休眠時(shí)間模式切換到主動(dòng)模式的超短時(shí)間特性，特別適用于要求電池壽命非常長(zhǎng)的場(chǎng)合，2節(jié)5號(hào)電池最長(zhǎng)可使用2a時(shí)間。
圖3 站址發(fā)射器硬件原理圖
CC2430芯片外接32MHz的晶振，通過(guò)8位撥碼開(kāi)關(guān)SW動(dòng)態(tài)設(shè)置站址編碼數(shù)據(jù)，經(jīng)阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)處理后通過(guò)天線(xiàn)發(fā)送出去，覆蓋范圍可達(dá)幾十米。該硬件設(shè)計(jì)方法具有電路簡(jiǎn)單、信號(hào)穩(wěn)定、成本低、易安裝的特點(diǎn)。
2.2 車(chē)載自動(dòng)報(bào)站器#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
車(chē)載自動(dòng)報(bào)站器的硬件設(shè)計(jì)如圖4所示（除鍵盤(pán)和顯示模塊外）。
圖4 車(chē)載自動(dòng)報(bào)站器硬件原理圖
單片機(jī)采用TI公司的MSP430F149芯片，其功耗電流為μA級(jí)。MSP430內(nèi)核是16位的CPU,具有高效的RISC指令系統(tǒng)，統(tǒng)一的中斷管理，片內(nèi)有精密硬件乘法器、兩個(gè)16位定時(shí)器、一個(gè)14路的12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器、一個(gè)看門(mén)狗、六路并行口、兩路USART通信端口、一個(gè)比較器、兩個(gè)外部時(shí)鐘和60kB的閃存，其中兩路通信端口可工作于UART和SPI模式。
ZigBee接收模塊采用CC2420芯片，它具有完全集成的壓控振蕩器，只需要天線(xiàn)、16MHz晶振等少數(shù)外圍電路就能在2.4GHz頻段工作。CC2420只提供一個(gè)SPI接口與微處理器連接，通過(guò)這個(gè)接口完成設(shè)置和收發(fā)數(shù)據(jù)工作。MSP430F149集成了SPI控制器，可以方便地與CC2420配合使用。
時(shí)鐘芯片采用DS1302,是DALLAS公司開(kāi)發(fā)的一種基于I2C總線(xiàn)的高性能、低功耗、帶RAM、具有閏年補(bǔ)償功能的串行時(shí)鐘日歷芯片，內(nèi)部可自行產(chǎn)生年、月、日、星期、時(shí)、分、秒等時(shí)標(biāo)數(shù)據(jù)并保存在相應(yīng)的寄存器中，單片機(jī)可直接讀取這些數(shù)據(jù)。
溫度傳感器采用DS18B20,是DALLAS公司生產(chǎn)的一線(xiàn)制單總線(xiàn)智能數(shù)字溫度傳感器，具有微型化、低功耗、高性能、抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，測(cè)溫范圍為-55℃~+125℃，在-10℃~+80℃時(shí)測(cè)量精度為0.5℃。單片機(jī)發(fā)出溫度轉(zhuǎn)換指令后，DS18B20將測(cè)得的溫度值保存在MSB（高8位）和LSB（低8位）兩個(gè)單元中，單片機(jī)可直接讀取。
LED點(diǎn)陣顯示模塊的主要部分是顯示陣列和行列驅(qū)動(dòng)電路。本設(shè)計(jì)顯示陣列為16行×64列單色點(diǎn)陣，行驅(qū)動(dòng)電路由MC74HC138芯片、TC74HC04芯片和三極管NPN9013組成，列驅(qū)動(dòng)電路由M 74HC595芯片組成，采用動(dòng)態(tài)掃描型驅(qū)動(dòng)方式，可動(dòng)態(tài)、實(shí)時(shí)地顯示站點(diǎn)、當(dāng)前溫度、日期及時(shí)間等信息。
USB接口芯片選用PDIUSBDI2,是Philips在USB1.1協(xié)議設(shè)備端使用最多的芯片之一，符合大多數(shù)器件分類(lèi)的規(guī)格，可用于U盤(pán)上。PDIUSBDI2集成了許多特性，包括可編程的時(shí)鐘輸出、低頻晶振、端點(diǎn)寄存器、模擬收發(fā)器、電壓調(diào)整器、位時(shí)鐘復(fù)位、串行接口引擎、存儲(chǔ)器管理單元、SoftConnect,GoodLink和集成RAM.內(nèi)部包含3個(gè)端點(diǎn)，每個(gè)端點(diǎn)又有輸入和輸出兩個(gè)端點(diǎn)。其中端點(diǎn)0的索引0和1為控制輸入和輸出端點(diǎn)，用于傳輸U(kuò)SB的控制命令，完成USB的枚舉；端點(diǎn)1的索引2和3為普通輸入和輸出端點(diǎn)，端點(diǎn)2的索引4和5可以配置成普通輸入輸出端點(diǎn)、同步輸入端點(diǎn)、同步輸出端點(diǎn)或者同步輸入輸出端點(diǎn)。端點(diǎn)0和端點(diǎn)1的緩沖區(qū)大小為32kB,端點(diǎn)2的緩沖區(qū)大小為128kB,且為雙緩沖。USB數(shù)據(jù)的傳輸就是通過(guò)這些端點(diǎn)進(jìn)行的。
語(yǔ)音功放模塊包括語(yǔ)音芯片、功率放大器、揚(yáng)聲器等。語(yǔ)音芯片選用ISD4003集成芯片，其語(yǔ)音信號(hào)的連線(xiàn)很少，單片錄放時(shí)間為4~8min,芯片采用多電平直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)，每個(gè)采樣值直接存貯在片內(nèi)閃存中，可以真實(shí)、自然地再現(xiàn)語(yǔ)音信號(hào)。功放芯片選用TDA2822雙聲道音頻功率放大電路，其工作電壓范圍寬，適用于在低電源電壓下工作，交越失真小、靜態(tài)電流小，最大輸出功率可達(dá)3W.
3 軟件設(shè)計(jì)
車(chē)載部分軟件流程如圖5所示，主要包括：系統(tǒng)初始化程序、鍵盤(pán)中斷服務(wù)程序（手動(dòng)報(bào)站部分）、ISD4003語(yǔ)音播放程序、U盤(pán)管理程序、LED顯示程序以及讀取DS1302,DS18B20,CC2420等子程序。站臺(tái)部分的軟件工作流程比較簡(jiǎn)單，在此就不再敘述了。
圖5 車(chē)載自動(dòng)報(bào)站器軟件流程
1）站臺(tái)部分的設(shè)計(jì)采用CC2430芯片實(shí)現(xiàn)站址編碼信息的自動(dòng)發(fā)射，外圍電路少，可采用電池長(zhǎng)時(shí)間供電，成本低、運(yùn)行可靠且易于安裝、維護(hù)。
2）車(chē)載部分可通過(guò)U盤(pán)存儲(chǔ)的線(xiàn)路信息方便地實(shí)現(xiàn)公交線(xiàn)路的切換，LED點(diǎn)陣顯示效果好，在自動(dòng)報(bào)站的同時(shí)可實(shí)時(shí)滾動(dòng)顯示站名、日歷、時(shí)間、星期和溫度信息，增加了實(shí)用性，使公交服務(wù)更人性化。
3）針對(duì)中小城市公交系統(tǒng)的特點(diǎn)及實(shí)際運(yùn)營(yíng)環(huán)境，考慮性能價(jià)格比和實(shí)用性設(shè)計(jì)了基于ZigBee技術(shù)的單片機(jī)自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)，可擴(kuò)展性強(qiáng)，成本低，非常適合大規(guī)模推廣使用。