带有拥挤程度指示的图形化公交站牌设计

鲜晓东，姜 鹏，唐云建，袁宇鹏

(1. 重庆大学 a. 信息物理社会可信服务计算教育部重点实验室；b. 自动化学院，重庆 40004 4；2. 重庆市科学技术研究院，重庆 40004 4)

带有拥挤程度指示的图形化公交站牌设计

鲜晓东1a,1b，姜 鹏1b，唐云建2，袁宇鹏1b

(1. 重庆大学 a. 信息物理社会可信服务计算教育部重点实验室；b. 自动化学院，重庆 40004 4；2. 重庆市科学技术研究院，重庆 40004 4)

针对当前智能公交系统中电子站牌缺少车内拥挤程度显示的问题，设计全新的图形化公交站牌，提出一种基于超声波技术的拥挤程度检测方法。结合超声波测距、全球定位系统和通用分组无线服务技术改进传统车载终端，通过超声波测距确定各个超声波传感器下是否有乘客站立，对检测到乘客站立的传感器数量进行统计，以此推断车内的拥挤程度。设计开发图形化公交站牌，实现拥挤程度实时检测、行车路线实时标注和到站距离预测等功能。实验数据表明，该系统可靠性高，能准确反映车内拥挤程度，直观显示车辆位置，准确预测到站距离，满足智能公交系统的要求。

智能公交系统；超声波测距；全球定位系统；通用分组无线服务；电子公交站牌；多线程

1 概述

为解决日益严重的交通拥挤和能源消耗问题，贯彻公交优先的发展战略，智能公交系统(Intelligent Transportation System, ITS)应运而生，并逐渐成为国内外研究的一个热点。目前智能公交系统一般由智能车载终端、调度中心和电子站牌组成[1-2]。其中，智能车载终端和电子站牌是该系统的核心，是公交系统实现智能化的基础，也是本文研究的主要内容。传统的车载终端主要包括主控制器、GPS(Global Positioning Sy stem)模块和GSM(Global System o f Mob ile Communication)/GPRS(General Packet Radio Service)通信模块[3]。后来在此基础上利用红外检测技术，对人数进行统计，但该方法容易受到干扰造成误差[4-5]。针对上述不足，有学者采用前门统计打卡次数、后门红外检测的方法统计人数，但该方法对有人售票车无法适用，且没有解决车门红外易受干扰的问题[6]。针对传统站牌只能显示站名的弊端，一种基于单片机和LED灯的电子站牌逐渐投入使用[7]，该站牌可以显示车辆的到站情况，但不够直观且没有对公交车到站进行预测，达不到智能公交的要求。有学者提出了一种公交到站时间的预测方法，但由于实际道路情况复杂，仍存在一定偏差[8-9]。目前，最常见的智能公交系统方案是将GPS、GPRS和GIS(Geographic Information System)技术相融合，实现车辆定位信息的采集、收发和显示[10-11]，但没有对电子站牌作深入的研究，所以普通乘客无法直观地了解公交车的行驶信息。

本文针对上述不足，对带有GPS和GSM/GPRS的车载终端[12]加以改进，采用超声波技术，通过测距来判断传感器下方是否有乘客站立，判断车内拥挤程度，并设计一种全新的图形化公交站牌。该站牌集公交车拥挤程度实时采集、行驶位置实时显示和到站距离实时预报等功能于一体。

2 系统描述

智能公交系统在运行过程中由车载终端的GPS模块实时采集公交车的位置信息，超声波模块组检测车内拥挤程度，MCU(Micro Control Unit)将上述信息和其他行驶信息编码打包，通过车载终端上的GPRS模块发送，经无线移动通信网络(GPRS网)上传到公交管理系统的通讯服务器，调度中心对接收的数据进行综合处理后存储并转发至所需的各个公交站牌。图形化公交站牌通过网络接收到车辆行驶信息后，经过数据解包将所需信息分别传递给各个显示模块，以此实时显示该站点每一路公交车的位置信息、到站距离和车内拥挤程度等。系统结构如图1所示。

图1 智能公交系统结构

3 车载终端的设计

车载终端主要包括主控制器、超声波检测系统、GPS模块、通信模块、LCD(Liquid Crystal Display)、键盘和电源模块等。硬件结构如图2所示。

主控制器选用基于ARM Cortex-M3内核的STM32F103，它具有高性能、易开发的特点，能满足本系统低成本、低功耗、高可靠、多外设等要求。

3.1 超声波检测系统

与普通的车载终端不同的是，文中智能公交系统的车载终端增加了超声波检测系统，用于检测公交车上的拥挤程度。该检测系统由9块HC-SR04超声波测距模块组成，此模块性能稳定，探测距离为2 cm～450 cm，精度可达0.2 cm。

超声波测距原理是根据超声波发射装置发出超声波，接收器接到超声波的时间差计算距离。超声波在空气中的传播速度约为340 m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：s=340t/2。

在公交车上根据乘客站立时的习惯与可站立的位置，分别在车顶和车门的不同位置安放超声波检测模块。硬件安装完毕后设定阈值。在工作状态中通过检测车顶与车内地面的距离变化来判断是否有人站立。若超声波检测模块检测到车顶与地面距离小于阈值则表明该模块检测范围内有人站立。由于车门处与车顶处安放的检测模块高度不同，因此阈值也不相同。经实验测得车顶阈值设为200 cm，车门阈值设为150 cm最能反映车内实际情况。假设在工作过程中过道顶端的模块检测到车顶与地面距离为30 cm，小于阈值(即小于200 cm)，则表明该模块下方有乘客站立。车门处的工作模块也是同理。车顶和车门的检测模块设定阈值如表1所示。

表1 超声波模块阈值

通过对9个模块检测到数据的分析判断来推断公交车内的乘客拥挤状况。系统设定当9个模块中有0个～ 3个模块测得有人站立时，拥挤程度为“轻”；当4个～6个模块测得有人站立时为“中”；当7个～9个模块测得有人站立时为“满”。

3.2 GP S数据采集模块

GPS数据采集模块所用的GR-87是SIRF第3代高灵敏度、低耗电量芯片StarIII，具备快速定位及追踪20颗卫星的能力。主要负责实时采集车辆的经度、纬度和速度等信息。STM32主控制器通过串口通信接收到GPS数据，提取相关信息。

3.3 通信模块

通信模块采用的SIM300芯片是一款体积小巧的4频GSM/GPRS模块，内嵌TCP/IP协议栈，可实现语音、SMS (Short Message Service)、数据和信息的高速传输。该模块主要负责GPRS通信，将车辆信息传至网络。主控制器通过串口通信对SIM300进行相关控制，使用AT指令设置相关网络参数，实现发送、接收功能。

3.4 LC D模块和4×4键盘

LCD模块采用128×64液晶屏显示车辆到站信息和当前时速等，供驾驶员参考。显示屏采用64×128点阵LCD，根据软件中选取字库大小，可同时显示4行共32个汉字，满足实际需求。

4×4键盘是用4条I/O线作为列线，4条I/O线作为行线组成的键盘。在列线和行线的每一个交叉点上，放置一个按键。这样键盘中按键的个数是4×4共16个，满足实际需要。同时这种行列式键盘结构有效地提高了主处理器的I/O口利用率。

4 图形化公交站牌的设计

图形化公交站牌所用的载体为LED(Large Elec tronic Display)液晶显示屏。软件结构采用C/S模式，利用Socket和多线程编程技术通过网络与公交车车载终端进行通信，并完成车辆监控、车内信息显示等功能。该站牌由公共信息显示模块、车辆信息显示模块、公交线路图显示模块和广告信息模块组成。各个显示模块将数据包中提取出来的信息直观地显示给乘客，使乘客了解公交车具体行驶状况。

4.1 各个显示模块的设计

根据图形化公交站牌设计思想和各功能模块的要求，以直观、美观、简洁大方为主旨，界面的设计模块如图3所示。

图3 电子站牌界面模块

公交站牌的主要显示模块有：

(1)公共信息显示模块：主要显示日期、时间、气温、公告等基本信息。

(2)车辆信息显示模块：显示距离本站最近的3辆公交车的拥挤状况和行驶位置等信息。计算并比较得出最近一辆公交车距离本站的距离。以文字和图标的形式直观地显示给等候的乘客，使乘客及时选择合适的出行方式。

(3)公交线路图显示模块：所有经过本站点的公交车，都会以线路图的形式显示在屏幕上, 并且根据系统的设定，每隔一定的时间(如10 s)更换一次线路图片。在线路图上，乘客不仅可以了解本路线车辆途径的所有站点，而且还可以看到本站所处在整个线路的位置，即将到站的3辆公交车的行驶位置等。对于明显的地标式建筑物还会在线路图上加以标注，给不熟悉线路的乘客以参考。

(4)广告信息模块：循环播放赞助商的广告。此模块不仅为乘客缓解了等车时的焦急心情，也为公交集团增加了收入，还可以在线直播重大时刻的历史性事件，为市民提供方便。

4.2 各模块软件实现及算法设计

图形化公交站牌的系统软件是在Windows 7环境下，基于Visual Studio 2010开发工具，采用C#语言开发的。站牌的软件设计流程如图4所示。

图4 软件设计流程

公共信息显示模块和广告信息模块主要采用C#中已设计好的控件，如textbox控件、timer控件、视频播放控件等，通过修改属性、逻辑控制来实现功能。所显示的信息均为socket通信所接收的信息。

车辆信息显示模块主要是预测到站距离，其算法如下：

已知球面上AB两点的球面距离计算公式为：

其中，A，B球坐标为(jA,ωA)，(jB,ωB)；R为球面半径。

假设地球是一个完美的球体，则它的半径为地球的平均半径，记为R，即6 371.004 km。假设公交车行驶路段两点中。第1点A的经纬度(LonA, LatA)，第2点B的经纬度为(LonB, LatB)，并且东经为正，西经为负，北纬为正，南纬为负。可以得到两点直线距离如下：

则弧长l即实际行驶距离为：

则站牌上显示的距离本站的距离应为：

公交线路图模块实时动态显示车辆行驶位置是利用像素点与经纬坐标间比例实现的。经纬度分别对应像素点的X、Y坐标值。利用所求点经纬度与标准点经纬度坐标之差，根据标准点的X、Y坐标值，求得所求点的X、Y坐标值。

具体过程分为2步：

(1)根据已知的GPS数据在线路图上获得对应的2个标准点像素坐标(xa,ya)和(xb,yb)，通过比例计算获得每个经度变化值所对应的坐标变化值Δx，以及每个纬度变化值所对应的坐标变化值Δy。

(2)在公交站牌实际运行过程中把获得的实时经纬度数据(lon, lat)按照以下公式计算。获得车辆图标相对电子地图的X、Y坐标值。修改图标位置属性，达到车辆图标动态显示的效果。

其中，LON，LAT为基准点的经纬度；xa，ya为基准点的X，Y坐标值。

4.3 公交站牌的通信协议设计

电子站牌采用固定IP与服务器建立链接后接收数据。命令帧结构如图5所示，其中，前导码采用2个字节的FFFF表示；帧尾采用CRC校验位对数据进行校验；帧头帧尾之间为有效数据，依次是：公交车的线路如“832”，由2个字节表示；公交车车牌号，只取字母数字部分如“A46583”，由3个字节表示；车辆行驶状态，“1”表示正常，“0”表示异常，由1个字节表示；车辆的GPS数据和拥挤状况等行驶信息的大小为4 Byte～256 Byte。

图5 命令帧结构

5 实验与结果分析

本实验中站牌为重庆市石门站，GPS数据和行车线路图采用途径本站的832、821和801这3辆公交车。拥挤程度测试在车型为CKZ6858TB的公交车上进行，该车型最大承载人数(包括驾驶员、站、坐的所有乘客)为50人，配置27个座位，可站立23人。实验中共有23人参加，实验假定公交车座位已全部坐满，因此，参加实验的23人全部作为站立的乘客参加测试。

5.1 图形化公交站牌界面

图形化公交站牌效果如图6所示。右下角线路图每10 s切换一次。当切换到某一列线路，如832，则该线路的底色变为浅色，其他线路底色为深色。线路图上有3个巴士闪烁图标动态显示最近的3辆公交车的行驶位置。线路图中深色文字框标志本站在此线路的位置。站牌左侧共有5列线路的站名。每一列站牌分别显示本路线车辆的到站距离、车内拥挤状况和车辆到站信息等。白底色的站名为本站的站名，较深底色的站名为最近的一辆公交车行驶到的站名。方框中数字为最近的一辆公交车距离本站的距离，单位为m。方框下面的深色动态条显示车内的拥挤程度，车内越拥挤，动态条越长。站牌的右上角是广告和公共信息模块，循环播放广告和公共信息。

图6 图形化公交站牌

5.2 车内超声波检测模块组

拥挤程度检测系统共由9个超声波模块组成。本实验在公交车前门、后门各安装一个超声波传感器，剩下7个安放在过道顶端，安装完毕后按照表1设定阈值。实物安装如图7所示。

图7 实物安装

实验设定当有0～8人站在公交车时，公交车拥挤程度为“轻”；9人～18人站立时，拥挤程度为“中”；19人～23人时，拥挤程度为“满”。而系统工作时当超声波模块组中有0～3个模块检测到有人站立时公交车拥挤程度为“轻”；4个～6个模块检测到有人站立时，拥挤程度为“中”；7个～9个模块检测到有人站立时，拥挤程度为“满”。系统在不同日期时间和不同环境下共进行了20组实验，部分统计结果如图8所示。

图8 部分统计结果

每一组实验各进行50次测试，在本组实验中车内人数不变，乘客随意变换位置，每次更改位置后记录并统计测试结果。白、灰、黑柱体分别代表本组实验中检测拥挤度为“轻”、“中”、“满”的次数。比如实验2中共有10人参加，按照设定标准，车内拥挤程度应为“中”，该组实验时，这10人随意更改站立位置，记录每次测试的结果，最后统计得出共有47次测试结果为“中”(如图8实验2)，即本组50次测试中有47次系统做出了正确判断。由柱形图可看出，绝大部分的测试结果与实验既定条件一致。这表明超声波系统检测车内拥挤程度不受外部干扰，能够准确地检测出车内拥挤程度，经计算可知其正确率达到96.4%。表2截取了实验2(车上共10人站立)的10组数据。

表2 部分实验结果

在表2中，前门、后门、过道分别代表站立人数，结果一栏中括号内表示检测到传感器下有人站立的超声波传感器个数。由表中测试结果和设定的拥挤程度标准做对比可知，拥挤程度检测系统能正确实时地反映车内的拥挤状况，比如第2组数据中，前门站立0人，后门站立1人，过道站立9人时，系统通过返回的数据分析得知有6个传感器模块检测到有人站立，所以应为“中”度拥挤程度，符合前面设定的拥挤程度标准，结果准确。实验中所存在的误差是由于有时候乘客的站立位置比较特殊造成的，比如第8组实验数据产生误差是因为7名乘客挤在前、后车门，过道只站3名乘客。而在实际情况中这种情况出现的可能性比较小，所以不影响系统的准确性。

综上所述，超声波检测拥挤程度不受外部因素干扰，系统运行稳定，结果准确，能反映实际车内的拥挤程度。图形化电子站牌能够将检测到得车内拥挤程度，实时地显示给乘客，并且能够在线路图上实时显示公交车的行驶位置，预测到站的距离。整个系统达到了智能化和信息化水平，有助于智能公交系统的发展。

6 结束语

本文在传统车载终端的基础上加以改进，采用超声波技术，通过超声波测距的方法检测车内乘客站立的情况，主控制器根据返回数据对车内拥挤程度做出判断，并将信息传输给电子站牌。图形化公交站牌通过网络接收到数据经拆包提取信息和相关步骤后，将车内拥挤程度和车辆行驶位置等信息直观地显示给广大乘客，并对到站距离作出预测，提高了公交服务水平。系统在公交车上经过多组的实验，结果表明系统能实时检测出公交车内人数变化，对公交车的拥挤程度做出正确判断。目前本文的人数检测系统是定性地显示车内拥挤程度，后期将继续优化设备，完善功能。综上所述，本文系统运行稳定可靠，维护简单，满足了智能公交系统智能化、直观化、人性化的特点。为公交企业的现代化和未来城市智能交通系统的发展奠定了良好的技术基础，具有广阔的发展前景。

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编辑 顾逸斐

Design of Graphical Bus-stop Board with Crowdedness Degree Indication

XIAN Xiao-dong1a,1b, JIANG Peng1b, TANG Yun-jian2, YUAN Yu-peng1b

(1a. Key Laboratory of Information Physical Society Credible Service Computing, Ministry of Education; 1b. College of Automation, Chongqing University, Chongqing 400044, China; 2. Chongqing Academy of Science and Technology, Chongqing 400044, China)

According to domes tic current situation th at electronic bus-stop board i s lack of revealing the cro wdedness degree, a ne w graphical one is designed in this paper. A new method on revealing the crowdedness degree based on ultrasonic test technology is proposed. This paper designs an intelligent public bus vehicle equipment co mbining with Global Positioning System(GPS) and g eneral packet radio service technique. The ultrasonic sensors detect whether there is anyone standing on by ultrasonic test. MCU co unts all the sensors which detect the passengers and estimate the crow dedness degree. It develops a graphical electronic bus-stop board. The system implements some functions, such as revealing the crowdedness degree, vehicle tracking, the bus arrival distance prediction, etc. The system carries out many experiments. The results prove that the system is with high reliability, high accuracy of revealing the crowdedness degree and it visually displays the bus location and the arrival distance in the bus-stop board. It meets requirements of Intelligent Transport System(ITS).

Intelligent Transport System(ITS); ultrasonic ranging; Global Positioning System(GPS); general packet radio service; electronic bus-stop board; multi-threading

10.3969/j.issn.1000-3428.2014.05.057

重庆市科技攻关计划基金资助重点项目(cstc2011ggB40015)。

鲜晓东(1966－)，女，副教授，主研方向：嵌入式系统，信号处理；姜 鹏，硕士；唐云建、袁宇鹏，博士。

2013-01-29

2013-04-14E-mail：xxd@cqu.edu.cn

1000-3428(2014)05-0274-05

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