CN106846878A - 基于nRF905和WIFI的公交到站信息显示牌 - Google Patents

Abstract

基于nRF905和WIFI的公交到站信息显示牌，其每个公交站均构成公交车到站信息查询系统，公交站与公交车之间采用nRF905射频通信模块传递信息，公交线路利用电力线半波通信实现各公交站之间信息交换,当两公交站之间距离较长时采用设置串口WiFi模块经无线路由器AP接入Internet网，乘客可利用手机APP登陆计算机的网络端口获得各路公交车到站信息。

Description

基于nRF905和WIFI的公交到站信息显示牌

(一)技术领域：

每个公交站均构成公交车到站信息查询系统，公交站与公交车之间采用nRF905射频通信模块传递信息，公交线路利用电力线半波通信实现各公交站之间信息交换,当两公交站之间距离较长时采用设置串口Wi-Fi模块经无线路由器AP接入Internet网，乘客可利用手机APP登陆计算机的网络端口获得各路公交车到站信息。

(二)背景技术：

随着公交事业的蓬勃发展，越来越多的人开始乘坐公交车出行，城市公交线路随着公交事业的发展迅猛增多，因此道路也越来越拥挤，乘客等候乘车的时间变得很不确定，造成有的公交车很拥挤有的公交车乘客却很少，由于拥挤的公交车上下车人数多时间长，每一站都需要停留更长时间，如果乘客能知道各线路公交车到站信息，避开拥堵线路就可以在一定程度上缓解公交线路拥堵情况，同时也方便乘客乘车。

现有基于GPS全球定位的智能公交站牌系统，通过该系统提供的扩展GPS功能，对公交车辆进行实时卫星定位，虽然可以实时掌握公交车辆目前的位置、行驶速度、方向等信息，但是基于GPS全球定位的系统架构复杂昂贵灵活性差，而且城市多高楼大厦，一些地区卫星信号不畅，因此影响普及，目前只有超大城市才有试用。

(三)发明内容：

本系统在公交终点站设置有公交站的主控制器，在各公交站设置有公交站控制器，主控制器与各公交站控制器通过电力线半波通信组网。每辆公交车安装有车载控制器用于与公交站控制器进行无线通信信息交换，系统架构简单造价低廉信号稳定性好。

主控制器和各公交站控制器的周波甄别电路结构示意图如图2所示，由二个采用滞回比较器的电压比较器组成，二个比较器分别设置在周波正半周下降段，峰值电压的60％至80％处作为甄别点1和30％至45％处作为甄别点2，周波正半周下降段接近通信中断INT1的断点处，甄别点设置在通信中断INT1的断点附近，滤去了大部分干扰，并使通信在周波负半波的位置更准确。每个电压比较器中均包含滤波电路，其电压比较器的基准电压由稳压电路提供，从电力网线经信号调理、电阻降压、分压、稳压后接比较器输入端。

如图1所示，在周波过零处，即甄别点0设置电压过零检测模块，它采用周波正半波信号经电阻分压、二极管进一步隔离负半周、信号调理后送入D触发器的时钟端CLK，D触发器的Q端接于微控制器外部中断口INT0，该外部中断口INT0设置成电平触发，D触发器的D端接地，S端接于微控制器I/O口，平时该I/O口置1。当周波正半波信号到来时，紧接其后的CLK信号上升沿使D触发器Q端为0，微控制器外部中断口INT0低电平，从而产生中断，中断时间为T0，从T0处开始计时，经5MS延时，微控制器扫描甄别点T1处电压比较器﹙V1﹚的输出电压，当周波电压达到﹙V1﹚的阈值电压时，输出电压产生跳变，扫描记录其跳变时的计时时间t1；同样扫描记录甄别点T2处电压比较器﹙V2﹚输出电压跳变的时间t2，将t1、t2分别与t1、t2相对应的跳变时间设定值Ts1、Ts2作比较；如果在允许误差范围内，则检测到的该周波信号为真，否则为假。为假时关中断INT1，执行中断返回，当为真时D触发器置0，执行指令：开中断INT1、所述I/O口置0、关中断INT0、所述I/O口置1。

同步时间采用对电网周波的累计计数值N与电网一个周波的平均时间T相乘的积，再加上计时时间点ti与电网周波整数值之间的计时值Ts得到同步时间TZ，其电网周波的平均时间是在电网周波计数过程将100个电网周波时间的测量值取其平均值得到。

系统是在约定的同步时间通信。在各站控制器和主控器的通信电路中各安装一个通信电子开关、开关驱动模块。通信电子开关的开关驱动模块是从电力网线经电阻降压、信号调理并反相后接D触发器A的CLK端，D触发器A的Q端接于微控制器的外部中断口INT1，该中断口设置为电平触发。D触发器A的D端接地，其S端与微控制器的I/O口相接，初始状态S端置1。当CLK端的正方波信号到来时，其上升沿使D触发器置0中断口INT1低电平产生中断，在中断服务程序中先经0.5MS延时后接通通信电子开关，开始计时，并使S端置0，D触发器置1即Q端为1而关中断INT1，然后进行通信，通信电子开关依所采用通信方式接于微控制器相应端口，并进行信号调理，计时9MS以内这一周波的通信结束，关断通信电子开关，S端置1使开中断等待下一周波的通信，如此周而复始实现半波通信。本次通信结束时主控器向各站控制器发送关断通信电子开关，关中断INT1的指令。

公交车行驶里程的信号源为安装在变速器或车轮轮毂上的里程表传感器，对里程表传感器输出脉冲信号计数就可反映车轮转数，获取车速与行驶里程信息，该里程表传感器输出信号经电平转换电路、低通滤波电路抗干扰后使输出信号可由微处理器端口准确捕捉识别，再送入微处理器端口。各线路公交车的车载控制器均预置各站间里程数据，以获得行驶中位置。公交车与公交站通信时,公交站控制器如果在设定的时间间隔内没有公交车到站，之后与到站的第一辆公交车通信时,另外发送标记信号M,公交车的车载控制器将标有M的到站实际测量里程与设定里程比较计算到站里程误差,取5次以上的到站里程误差值,按设定比例次数删去数次最大到站误差,其余取平均值作为补偿值,用于纠正测量里程。所述设定的时间间隔需保证同时到站的公交车全部离开,使下一辆到站公交车在到站位置停靠。有的车辆其车速与里程信号采用总线信号输出，则由其车速里程数据发送单元获取车速、里程数据。

公交车与公交站之间采用射频通信，射频通信模块由射频模块、微处理器和非易失存储器构成，为了说明方便这里的微处理器采用

C8051F330芯片，射频模块采用nRF905。nRF905利用SPI口双向通讯，微处理器C8051F330通过其SPI接口与nRF905通信，公交车里程输出信号接于C8051F330的I/O口，由C8051F330读取后保存在非易失存储器中，车载控制器的通信数据也保存在非易失存储器中。

nRF905数据接收：微处理器控制TRX_CE为高电平、TX_EN为低电平，nRF905进入接收模式；650us后，nRF905监测空中的信息，等待接收数据；当nRF905检测到与接收频率相同的载波时，设置载波检测管脚CD为高电平；当nRF905接收到有效的地址时，设置地址匹配管脚AM为高电平；当一个正确的数据包接收完毕后，nRF905自动去掉数据包的字头、地址和CRC校验码，然后将数据接收完成管脚置为高电平；微处理器将TRX_CE设置为低电平并通过SPI接口以一定的速率提取数据包中的有效接收数据；当所有的有效数据接收完毕，微处理器控制nRF905数据接收完成管脚DR和地址匹配管脚AM为低电平；nRF905进入待机模式。接收过程主循环一直处于监听状态，循环调用接收函数。如果收到数据包，则发送响应包。

每个公交站均构成公交车到站信息查询系统，各公交站控制器依据该站公交车的线路地址循环发送侦测信号，到站停车的公交车的车载控制器应答后与公交站实现信息交换，同线路多辆公交车同时到站向信道发送应答信号时，公交站控制器将会连续收到数个错误数据包或监听到频道信号叠加后的强度超限，说明当前信道受到干扰，这时，各公交车按其停车位置与站点位置之间距离S，按公交车行驶方向，从向前超过站点位置6米开始，自动依每隔6米范围递增编号往后至离站点18—60米，按S值落入所述的编号范围来编号，上述设置时注意通常只有2至3辆车同时到站。公交站控制器对到站公交车干扰线路依所述编号顺序再发送侦测信号，如再产生干扰则对未成功通信的公交车,减少所述每隔6米范围的值重新不重复编号，重复上述过程至不产生干扰，其编号到下一站时失效。当线路拥有公交车数量较少时采用固定不会失效的预置编号。

公交站与公交车通信也采用相邻站的不同通信信道循环设置，上行线路与下行线路同名站点通信信道错开使用,防止发生同频干扰。公交车到达终点站后自动改变通信信道和站点顺序设置，公交站控制器将到站信息处理后送显示器显示，便于乘客查看。

当两个公交站之间距离大于700米，该两个公交站间控制器均设置串口Wi-Fi模块，通过路由器AP无线接入Internet网，在服务器监控软件控制下完成公交站之间信息交换。在公交车行驶方向，位于后方的公交站定时将公交到站信息经Internet网传递给前方公交站。

由于Wi-Fi模块是笔记本、平板电脑和智能手机的标准配置，因此基于Wi-Fi技术的智能产品得到了推广和应用，Wi-Fi智能节点可以直接连接无线路由器，从而接入Internet网，节点还可以任意扩充。公交站间控制器中设置串口Wi-Fi模块用于接入Internet网。串口Wi-Fi模块选用Microchip的RN171通过UART接口直接与公交站间控制器中射频通信模块的的微处理器相连，也可以选用其它Wi-Fi模块。RN171模块片上集成完整的TCP/IP协议，无需外部驱动，RN171模块可以进入低功耗休眠并且能自动扫描和连接AP，因此是一款高集成度超低功耗Wi-Fi模块，适用于电池供电的设备。模块工作于2.4G频段，核心芯片集成了32位处理器，发射功率可通过软件调整，并支持外接天线。RN171模块与公交站控制器中中射频通信模块的微处理器连接时只要将RN171模块的电源、地及TX和RX脚与微处理器直接连接即可,其中TX和RX为交叉相接。

这样由nRF905射频模块发来的到站信息，通过公交站间控制器中的串口Wi-Fi模块将到站信息发送给无线路由器AP经Internet网至服务器。公交线路终点站的主控制器通过与其相连的计算机与Internet网相联。

(四)附图说明：

图1是周波甄别电路原理示意图；

图2是基于nRF905和WIFI的公交到站信息显示牌的电路结构方框图。

(五)具体实施方式：

基于nRF905和WIFI的公交到站信息显示牌的电路结构方框图如图2所示,包含:

主控制器(1)、公交车的车载控制器(2)、公交站间控制器(3)、公交站控制器(4)；其中车载控制器(2)由射频通信模块和里程表传感器构成,射频通信模块由射频模块nRF905、微处理器C8051F330和非易失存储器AT24C32构成,射频模块nRF905通过SPI接口与微处理器C8051F330通信,nRF905的其它功能管脚与C8051F330的I/O口相连,C8051F330通过I2C总线方式与AT24C32通信。

主控制器(1)、公交站间控制器(3)和公交站控制器(4)均由射频模块、周波甄别电路、通信电子开关、开关驱动模块和LCD显示器构成，其中主控制器(1)通过与其相连的计算机联接到Internet网。射频模块由nRF905模块、微处理器和非易失存储器构成,其中微处理器使用C8051F330，非易失存储器使用AT24C64，其LCD显示器与C8051F330微处理器的I/O口相连。公交车的到站信息保存在非易失存储器AT24C64中。公交站间控制器(3)增加了串口Wi-Fi模块，其中串口Wi-Fi模块选用RN171模块，它通过UART接口直接与公交站间控制器中射频模块的微处理器直接相连，即RN171模块TX脚接至微处理器C8051F330的RX脚，RN171模块RX脚接于微处理器C8051F330的TX脚。

周波甄别电路由输入电路、微控制器、电压过零检测模块和电压比较器构成。其中微控制器采用89C52，用于控制通信电子开关、开关驱动模块和周波甄别电路。输入电路用于将电力网交流电压通过电阻和二极管的分压，转换为电压比较器合适的稳定的输入电压。电压过零检测模块用D触发器，电压比较器均采用LM393，其基准电压采用稳压电路稳定电压比较器的阈值电压。通信电子开关采用可控硅开关，开关驱动模块包含输入电路和D触发器。

Claims (2)

1.基于nRF905和WIFI的公交到站信息显示牌,其特征是公交终点站设置主控制器,各公交站设置公交站控制器,主控制器与各公交站控制器通过电力线半波通信,每辆公交车安装车载控制器用于与公交站控制器进行无线通信；

主控制器和各公交站控制器的周波甄别电路由二个电压比较器组成,二个比较器分别设置在周波正半周下降段,峰值电压的60％至80％处作为甄别点1和30％至45％处作为甄别点2,周波正半周下降段接近通信中断的断点处,甄别点设置在通信中断的断点附近,滤去了大部分干扰,使通信在周波负半波的位置更准确；

在周波过零处,即甄别点0设置电压过零检测模块,单片机扫描甄别点电压比较器的输出电压,记录其跳变时的计时时间如果在允许误差范围内,则检测到的该周波信号为真；

同步时间采用对电网周波的累计计数值N与电网一个周波的平均时间T相乘的积,再加上计时时间点ti与电网周波整数值之间的计时值Ts得到同步时间TZ,其电网周波的平均时间是在电网周波计数过程将100个电网周波时间的测量值取其平均值得到；

系统在约定的同步时间通信,各站控制器和主控器的通信电路中各安装一个通信电子开关、开关驱动模块,电网周波的负半波反相后方波信号到来时经0.5MS延时后接通通信电子开关,接通后计时9MS以内这一周波的通信结束,关断通信电子开关等待下一周波的通信,如此周而复始实现半波通信,通信结束时主控器向各站控制器发送关断通信电子开关的指令；

公交车行驶里程的信号源为安装在变速器或车轮轮毂上的里程表传感器,里程表传感器输出信号经电平转换电路、低通滤波电路抗干扰后送入微控制器端口,公交车的车载控制器均预置各站间里程数据,以获得行驶中位置；公交车与公交站通信时,如果在设定的时间间隔内没有公交车到站,之后与到站的第一辆公交车通信时,发送标记信号M,公交车的车载控制器将标有M的到站时实际测量到站里程与设定到站里程计算到站里程误差,取5次以上的到站里程误差值,按设定比例次数删去数次最大到站误差,其余取平均值作为补偿值用于纠正测量里程,所述设定的时间间隔需保证同时到站的公交车全部离开,使下一辆到站公交车在到站位置停靠；

公交车之间及公交车与公交站之间采用射频通信,射频通信由射频模块、微控制器和非易失存储器构成,微控制器选用C8051F330芯片,射频模块选用nRF905,微控制器C8051F330通过其SPI接口与nRF905通信,公交车里程输出信号接于C8051F330的I/O口,由C8051F330读取后保存在非易失存储器中,车载控制器的通信数据也保存在非易失存储器中；

每个公交站均构成公交车到站信息查询系统,各公交站控制器依据该站公交车的线路地址循环发送侦测信号,到站停车的公交车的车载控制器应答后与公交站实现信息交换,同线路多辆公交车同时到站向信道发送应答信号时,公交站控制器将会连续收到数个错误数据包或监听到频道信号叠加后的强度超限,说明当前信道受到干扰,这时,各公交车按其停车位置与站点位置之间距离S,按公交车行驶方向,从向前超过站点位置6米开始,自动依每隔6米范围递增编号往后至离站点18—60米,按S值落入所述的编号范围来编号,公交站控制器对到站公交车干扰线路依所述编号顺序再发送侦测信号,如再产生干扰则对未成功通信的公交车,减少所述每隔6米范围的值重新不重复编号,重复上述过程至不产生干扰,其编号到下一站时失效；

公交站与公交车通信也采用相邻站的不同通信信道循环设置,上行线路与下行线路同名站点通信信道错开使用,防止发生同频干扰；公交车到达终点站后自动改变通信信道和站点顺序设置,公交站控制器将到站信息处理后送显示器显示,便于乘客查看；

当两个公交站之间距离大于700米,该两个公交站间控制器均设置串口Wi-Fi模块,通过路由器AP无线接入Internet网,在服务器监控软件控制下完成公交站之间信息交换；在公交车行驶方向,位于后方的公交站定时将公交到站信息经Internet网传递给前方公交站；串口Wi-Fi模块选用RN171通过UART接口直接与公交站间控制器中射频通信模块的的微处理器相连,RN171模块与公交站控制器中中射频通信模块的微处理器连接时只要将RN171模块的电源、地及TX和RX脚与微处理器直接连接即可,其中TX和RX为交叉相接；由nRF905射频模块发来的到站信息,通过公交站间控制器中的串口Wi-Fi模块将到站信息发送给无线路由器AP经Internet网至服务器。

2.根据权利要求1所述的基于nRF905和WIFI的公交到站信息显示牌,其特征在于包含:

主控制器(1)、公交车的车载控制器(2)、公交站间控制器(3)、公交站控制器(4)；其中车载控制器(2)由射频通信模块和里程表传感器构成,射频通信模块由模块nRF905、微处理器C8051F330和非易失存储器AT24C32构成,模块nRF905通过SPI接口与微处理器C8051F330通信,nRF905的其它功能管脚与C8051F330的I/O口相连,C8051F330通过I2C总线方式与AT24C32通信；

主控制器(1)、公交站间控制器(3)和公交站控制器(4)均由射频模块、周波甄别电路、通信电子开关、开关驱动模块和LCD显示器构成,其中射频模块由nRF905模块、微处理器和非易失存储器构成,其中微处理器使用C8051F330,非易失存储器使用AT24C64,其LCD显示器与C8051F330微处理器的I/O口相连；公交站间控制器(3)增加了串口Wi-Fi模块,串口Wi-Fi模块选用RN171模块,它通过UART接口直接与公交站间控制器中射频模块的微处理器直接相连,即RN171模块TX脚接至微处理器C8051F330的RX脚,RN171模块RX脚接于微处理器C8051F330的TX脚；

周波甄别电路由输入电路、微控制器、电压过零检测模块和电压比较器构成；其中微控制器采用89C52用于控制通信电子开关、开关驱动模块和周波甄别电路；输入电路用于将电力网交流电压通过电阻和二极管的分压,转换为电压比较器合适的稳定的输入电压；电压过零检测模块用D触发器,电压比较器均采用LM393,其基准电压采用稳压电路稳定电压比较器的阈值电压；通信电子开关采用可控硅开关,开关驱动模块包含输入电路和D触发器。