CN101447129A - 一种基于无线传感器网络的智能公交系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于无线传感器网络的智能公交系统，该系统包括车载无线节点和公交亭无线节点。车载节点向公交亭节点发送经过的车站名称。公交亭节点计算公交车的距离和时间，并向同线路的其他公交亭节点通过网状通信的方式发送车辆的经停信息。本系统不需要GPS，也不需要使用GPRS，因此成本低于现有的系统。

Description

一种基于无线传感器网络的智能公交系统

技术领域

本发明涉及智能公交领域，特别是一种基于无线传感器网络的智能公交系统。

背景技术

无线传感器网络是由许多在空间上分布的自动装置组成的一种计算机网络，这些装置使用传感器协作地监控不同位置的物理或环境状况(比如温度、声音、振动、压力、运动或污染物)。传感器网络的每个节点除配备了一个或多个传感器之外，还装备了一个无线电收发器、一个很小的微控制器和一个能源(通常为电池)。单个传感器节点的尺寸大到一个鞋盒，小到一粒尘埃。无线传感器网络的优点是成本低、配置方便、抗干扰能力强。无线传感器网络的发展最初起源于战场监测等军事应用。而现今无线传感器网络被应用于很多民用领域，如环境与生态监测、健康监护、家庭自动化、以及交通控制等。

智能公共交通系统是指利用通讯和计算机技术对公交车辆、线路管理和服务进行实时监控和智能化调度指挥。同时，智能交通系统还可以与城市交通信号与管理系统、道路网络实时监控系统等衔接，将道路状况、乘车资讯和服务信息通过智能公交亭、公交车上的电子显示屏进行实时发布，供乘客参考。目前的智能公交技术主要有两种，一种是GPS(卫星定位技术)结合GPRS(通用无线分组业务)技术，这种技术在公交车上安装GPS系统，然后将接受到的GPS信号通过GPRS技术发送到指挥中心，这样公交车的位置信息就可以被指挥中心获知，指挥中心可以通过公交车的目前位置计算公交车到站时间等信息，最后这些信息通过GPRS发送到公交亭，在屏幕上显示出来，供等车乘客参考。另外一种是使用专用无线短程通信技术(DSRC)，使用这种技术的公交车辆在驶入公交站时，车载设备通过专用的无线通信频段与智能数字公交亭进行双向的数据通信。然后，智能数字公交站亭将实时采集到的公交车辆的到站信息通过GPRS传送到指挥中心，指挥中心再通过公交车的目前位置计算公交车到站时间等信息，最后这些信息通过GPRS发送到公交亭，在屏幕上显示出来，供等车乘客参考。

目前的这两种系统存在的问题包括：1.GPS的信号受到城市障碍物的影响，不很稳定，这个问题在中大城市尤其明显。2.GPRS业务属于收费业务，因此智能公交系统的运营成本比较高。3.DSRC设备属于专属设备，因此价格较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种安装成本和运营成本都比较低的智能交通系统，特别是一种基于无线传感器网络技术的智能公交系统。

为达到上述目的，本发明的解决方案是：一种基于无线传感器网络的智能公交系统，该系统的核心包括车载无线节点和公交亭无线节点。

1)车载无线节点

车载无线节点主要包括微处理器、一个无线发射模块(BT)、一个无线接收模块(BR)、存储器、电池以及车载电源接口。无线发射模块和无线接收模块分别采用两个不同的工作频率CH1和CH2。无线发射模块将刚刚经过的车站名称发送到公交亭无线节点上。无线接收模块在公交运行过程中负责接收公交亭节点发送的车站信息，并将该信息转到无线发射模块，在调试过程中负责接收各种调试命令以及最新的各个公交线路的车站列表。

2)公交亭无线节点

公交亭无线节点的组成包括微处理器、一个无线发射模块(ST)、一个无线接收模块(SR)、一个无线收发模块(STR)、存储器、电源接口以及与显示装置连接的接口。无线发射模块ST使用工作频率CH2，用于告知车载节点当前的车站。无线接收模块STR使用工作频率CH1，用于接收车载模块发送的信息和接受调试命令以及更新的车站列表，最后一个无线收发模块STR使用频率CH3，用该频率与其他公交亭节点组成无线网络，将本公交亭的信息传送到其他公交亭。

在系统运行前，需要将公交线路的站点信息存贮到车载无线节点和公交亭无线节点上，公交线路发生变化时，需要及时更新车载和公交亭节点的信息。这些信息通过无线的方式进行更新，通过使用频率CH2向车载无线节点发送数据，使用频率CH1向公交亭节点发送数据。

车载无线节点在公交车运行过程中不断使用模块BT通过频率CH1向沿途的公交亭广播发送信号，这个信号包括公交车的车号、车次、刚才经过的最近的公交车站的编号。

公交车亭的无线节点的无线接收模块SR接收到公交车发送的信号后，首先判断是否是本公交亭经停的车辆，如果是的话，通过比较公交车刚经过的车站和公交亭所在的车站判断该公交车是不是本公交亭的方向。如果都符合的话，通过接收信号的强度判断公交车距离公交亭的大概距离，并转化为时间，最后将时间显示到显示屏上。

当公交车在公交亭停车后，公交车的车载接收模块BR能够接收到公交亭发射模块ST发送的公交亭的名称，比较接受的公交亭的信息和当前自己广播的公交亭，如果判断是自己线路上的下一站公交亭后，将广播的公交亭的信息更新为新的公交亭。

公交亭在发现公交车的发射信息由旧的车站变为当前车站后，便知道公交车已经在本站停过了，因此不再在显示屏上显示此辆公交车。同时，公交亭把本站停靠过的车辆信息发送到本线路的下面的站点，下面的站点可以提前显示当前车辆的位置，或者根据一般的车辆行驶时间计算作出车站到站的预测。

车载发射模块BT的发射功率应该大于10dBm，以便使远处的公交亭也能接收到信号。公交亭发射模块ST的发射功率应取小于-60dBm，以便使公交车只在停靠于公交亭时才能接受到ST发送的信号。但是公交亭收发模块STR的功率应该大于10dBm，或者使用高增益的天线，这样才能与较远处的其他公交亭进行通信。

系统运行时包含如下的步骤：

步骤1.车载无线节点在公交车运行过程中不断使用模块BT通过频率CH1向沿途的公交亭广播发送信号，这个信号包括公交车的车号、车次、刚才经过的最近的公交车站的编号。

步骤2.公交车亭的无线节点的无线接收模块SR接收到公交车发送的信号后，判断是否是本公交亭经停的车辆，如果是的话通过接收信号的强度判断公交车距离公交亭的大概距离，并转化为时间，最后将时间显示到显示屏上。

步骤3.当公交车在公交亭停车后，公交车的车载接收模块BR能够接收到公交亭发射模块ST发送的公交亭的名称，比较接收的公交亭的信息和当前自己广播的公交亭，如果判断是自己线路上的下一站公交亭后，将广播的公交亭的信息更新为新的公交亭。

步骤4.公交亭在发现公交车的发射信息由旧的车站变为当前车站后，可知公交车已经在本站停过了，因此不再在显示屏上显示此辆公交车。同时，公交亭把本站停靠过的车辆信息发送到本线路的下面的站点，下面的站点可以提前显示当前车辆的位置，或者根据一般的车辆行驶时间计算作出车站到站的预测。

于公交亭节点之间的通信为网状网(Mesh)通信。

判断是否是本公交亭经停的车辆的方法记忆公交车公交亭距离和到达时间的计算方法，具体为：

步骤1.通过比较公交车发送的车次和公交亭的车次判断该车次是否应该在本公交亭停靠。

步骤2.通过比较车载节点发送的刚刚经过的公交车站和公交亭所属的公交站来判断该车次的方向，。

步骤3.车次到公交亭的大概距离和时间。车载发射模块BT的发射功率Pt已知，若公交亭无线模块接收的信号强度为Pr，则大概距离d可以由如下公式计算：

$d={10}^{(P_t-P_r)/20}.$

这个距离再除以车辆的一般速度，得出到站时间。

本发明的优点包括：

1.本发明采用免费的无线频段，无须使用GPRS，没有通讯成本。

2.本发明使用的无线节点相对于GPS模块成本低，功耗小。

3.本发明使用的系统在建筑物密集的城区也不会出现接收不到信号的情况。

4.本发明对公交车的预测不需要控制中心的介入，节省了系统的运营成本。

5.本发明对节点中线路的更新都是无线操作，简单方便。

附图说明

图1是本发明的车载无线节点的结构示意图。

图2是本发明的公交亭无线节点的结构示意图。

图3是本发明的系统应用实例图。

图4是本发明的公交亭车辆识别的流程图。

图5是本发明的无线信息更新的流程图。

具体实施方式

下面结合附图及实施实例对本发明做进一步的说明。

本发明系统组成主要为车载无线节点和公交亭无线节点两部分。

附图1给出了车载无线节点的结构示意图，车载节点主要由微处理器、一个无线发射模块(BT)、一个无线接收模块(BR)、存储器、电池以及车载电源接口组成，其中无线发射模块BT使用频率CH1，无线接收模块BR使用频率CH2。

附图2给出了公交亭无线节点的结构示意图，公交亭节点主要由微处理器、一个无线发射模块(ST)、一个无线接收模块(SR)、一个无线收发模块(STR)、存储器、电源接口以及与显示接口组成。其中无线接收模块SR使用频率CH1，无线发射模块ST使用频率CH2，无线收发模块STR使用频率CH3。

CH1，CH2和CH3都是用免费的无线频段，在我国是以433MHz和2.4GHz为中心频率的多个子频段。BT和STR的发射功率应该尽量的大，以使信号能传送尽可能远的距离。以此相反，ST的发射功率应控制在只有离公交车站10米左右的车辆才能接收到，从而判断车辆在站点停靠。一般来说控制在-60~-70dBm。

附图3给出了该系统的一个应用实例。在该实例中，公交车号为TP22的公交车执行线路A的工作，其方向是上行，也就是从A1-A2-A3-…-终点。在经过公交亭A3之前，TP22一直在信道CH1上发送自己的车号信息(TP22)，车次信息(A)以及刚刚经过公交车站(A2)。

公交亭A3接收到TP22发送的信息，首先判断是否是应该在该公交亭停靠的车次，如果是的话再计算该车次到公交亭的大概距离和时间，最后在显示屏上显示出来，其具体过程由附图4所示，包括如下步骤：

步骤1.判断该车次是否应该在本公交亭停靠。本例子中，车次信息A与公交亭信息A3符合，所以应该在本公交亭停靠。

步骤2.判断该车次的方向，通过比较车载节点发送的刚刚经过的公交车站来判断。例如，在本例子中，公交车发送的A2比公交亭的A3小，所以应该符合公交亭的方向。

步骤3.车次到公交亭的大概距离和时间。车载发射模块BT的发射功率Pt已知，若公交亭无线模块接收的信号强度为Pr，则大概距离d可以由如下公式计算：

$d={10}^{(P_t-P_r)/20}.$

例如，发射功率为-10dBm，接收功率为-60dBm，公交车距车站距离为316米。这个距离再除以车辆的一般速度10m/s，得出到站时间大概在1分钟以内。

公交车在公交亭停靠后，其接收模块BR在频率CH2上接收到公交亭的发射模块ST发送的公交亭的信息A3，然后判断A3是线路A上A2的下面一站，因此将当前BT的发射信号由A2变为A3。

公交亭A3发现在CH1接收到信息由A2变成了A3，从而获知公交车TP22已经在车站停靠了，这时不再在显示屏上显示TP22的信息，同时将TP22在A3停靠的信息由信道CH3通过无线网状网的通信协议，发送到下面的A4、A5等站点。

公交亭A4、A5等后续站点接收到A3发来的TP22停靠的信息后，将该信息在自己的显示屏上显示出来，同时估算到自己站的时间，估算方法由该站点到车辆停靠站点A3的距离除以车辆的平均行驶速度决定。

在系统运行之前，或者公交线路发生变化时，需要对所有节点上存储的信息进行更新，这个过程如图5所示，有如下步骤：

步骤1.通过CH2向车载节点，通过CH1向公交亭节点发送信息更新命令。

步骤2.车载节点或公交亭节点返回准备接受更新信号。

步骤3.通过CH2向车载节点，通过CH1向公交亭节点发送最新的公交路线信息。

车载节点和公交亭节点上设有路线选择按键，一个节点可以选择执行不同的路线。

本系统可以选择不需要中心控制中心，也可以选择用某个公交亭节点通过有线或者无线的方式与交通控制中心相连，但是不需要所有公交亭节点与控制中心相连。

Claims (8)

1、一种基于无线传感器网络的智能公交系统，其特征在于系统包括车载无线节点和公交亭无线节点。

2、根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能公交系统，其特征在于车载无线节点组成包括微处理器、一个无线发射模块(BT)、一个无线接收模块(BR)、存储器、电池以及车载电源接口系统。

3、根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能公交系统，其特征在于公交亭无线节点结构组成包括微处理器、一个无线发射模块(ST)、一个无线接收模块(SR)、一个无线收发模块(STR)、存储器、电源接口以及与显示装置连接的接口。

4、根据权利要求2所述的一种基于无线传感器网络的智能公交系统，其特征在于车载无线节点的无线发射模块(BT)和无线接收模块(BR)分别采用两个不同的工作频率CH1和CH2。无线发射模块(BT)将刚刚经过的车站名称发送到公交亭无线节点上。无线接收模块(BR)在公交运行过程中负责接收公交亭节点发送的车站信息，并将该信息转到无线发射模块(BR)，在调试过程中负责接收各种调试命令以及最新的各个公交线路的车站列表。

5、根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能公交系统，其特征在于系统运行时包含如下的步骤：

步骤1.车载无线节点在公交车运行过程中不断使用模块BT通过频率CH1向沿途的公交亭广播发送信号，这个信号包括公交车的车号、车次、刚才经过的最近的公交车站的编号。

步骤2.公交车亭的无线节点的无线接收模块SR接收到公交车发送的信号后，判断是否是本公交亭经停的车辆，如果是的话通过接收信号的强度判断公交车距离公交亭的大概距离，并转化为时间，最后将时间显示到显示屏上。

步骤3.当公交车在公交亭停车后，公交车的车载接收模块BR能够接收到公交亭发射模块ST发送的公交亭的名称，比较接收的公交亭的信息和当前自己广播的公交亭，如果判断是自己线路上的下一站公交亭后，将广播的公交亭的信息更新为新的公交亭。

步骤4.公交亭在发现公交车的发射信息由旧的车站变为当前车站后，可知公交车已经在本站停过了，因此不再在显示屏上显示此辆公交车。同时，公交亭把本站停靠过的车辆信息发送到本线路的下面的站点，下面的站点可以提前显示当前车辆的位置，或者根据一般的车辆行驶时间计算作出车站到站的预测。

6、根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能公交系统，其特征在于车载发射模块BT的发射功率应该大于10dBm，以便使远处的公交亭也能接收到信号。公交亭发射模块ST的发射功率应取小于-60dBm，以便使公交车只在停靠于公交亭时才能接受到ST发送的信号。但是公交亭收发模块STR的功率应该大于10dBm，或者使用高增益的天线，这样才能与较远处的其他公交亭进行通信。

7、根据权利要求1所述的一种基于无线传感器网络的智能公交系统，其特征在于公交亭节点之间的通信为网状网(Mesh)通信。

8、根据权利要求5所述的一种基于无线传感器网络的智能公交系统，判断是否是本公交亭经停的车辆的方法记忆公交车公交亭距离和到达时间的计算方法，具体为：

步骤1.通过比较公交车发送的车次和公交亭的车次判断该车次是否应该在本公交亭停靠。

步骤2.通过比较车载节点发送的刚刚经过的公交车站和公交亭所属的公交站来判断该车次的方向，。

步骤3.车次到公交亭的大概距离和时间。车载发射模块BT的发射功率Pt已知，若公交亭无线模块接收的信号强度为Pr，则大概距离d可以由如下公式计算：

$d={10}^{(P_t-P_r)/20}.$

这个距离再除以车辆的一般速度，得出到站时间。

Images