基于STM32的交互式公交輔助裝置

安徽中醫藥大學 錢偉琴 胡世平 劉志偉 姚夢茜 薛冬晴

本項目是對傳統公交下車鈴和公交司機手動開門的不方便及安全問題進行改善，隨著我國城市建設進程的不斷加快，交通運輸事業也在快速得到發展，同時居民出行水平和對時間效率以及安全性的要求也在提高，城市公交作為市民出行的重要工具，其服務質量也就密切關系到交通運輸事業的發展。乘客下車是城市主要的交通活動之一，乘客下車的速度與頻次影響著公交車的停站時間以及服務水平，因此下車提醒系統是提升司機與乘客聯系的重要途徑，傳統下車提醒按鈕位置單一、形同虛設，在特殊情況如上下班人流高峰期時乘客難以觸碰到下車提醒按鈕，大大降低了乘客與司機之間的聯系，導致延誤下車和“門夾人”等安全隱患時有發生。而本項目的交互式公交輔助裝置設計可以實現到站提醒、實時人流量監控、光電門檢測等基本功能，極大程度上方便了乘客與公交司機的使用，提升司機與乘客之間的交互能力，減少了行車過程中的“門夾人”等安全隱患，同時也可以避免“逢站必?！痹斐傻馁Y源浪費。

1 系統總設計

在整個裝置的控制上，使用使用ARM架構的STM32f103c6t6芯片，合理利用了微控制器的功能，并且滿足低功耗的要求，在供電方面STM32微控制器電路上只需要5V電源就可以驅動，芯片只需要3.3V，使用起來非常方便。在程序的編寫上，使用的是我們所熟悉的C語言。在本項目中使用到的功能有光電開關、RFID讀卡器模塊、wifi傳輸、串口顯示屏、按鍵等。

本項目的主要目的是解決乘客在公交車旅途中碰到的各種問題。例如：不良于行的乘客未趕到下客門車門就已經關閉的問題、車內嘈雜導致司機無法確定是否尚有乘客未下車的問題、偏遠地區“到站就?！钡膯栴}、公交車在乘客下車過程中處于怠速狀態燃耗問題等，而本項目的公交輔助裝置可以結合各種模塊，完成在不同場景下解決乘客在出行過程中的各種情況。

2 主要硬件設計

2.1 硬件總體布局

該設計以公交下車提醒裝置為研究對象，使用ARM架構的STM32f103c6t6芯片，其中包含電源模塊、光電開關、RFID讀卡器模塊、wifi傳輸、串口顯示屏等模塊構成了一個完整的交互式公交下車輔助裝置，具體硬件系統設計圖如圖1所示。

圖1 硬件系統設計圖

本系統為了實現司機與乘客之間的交互功能，設計方面分為主機和從機。乘客選擇下車站點后進行刷卡，主機采集乘客上下車的站點信息并進行統計，并將信息傳遞給從機司機端，從機顯示屏上會清晰地顯示車上人數，當前站點應下車人數和未下車人數，因此司機可以便捷地獲取每個站點的上下乘客的人數情況。乘客下車時，利用光電開關的工作原理，當有乘客下車經過下客門，引起光敏電阻兩端電壓的改變，電壓信號通過傳感器傳到計數器上計數，以此來檢測下客處是否有乘客下車，并將乘客下車情況傳遞給司機端。其中光電門的電路原理圖如圖2所示。

圖2 光電門電路原理圖

倘若尚有乘客未來得及在相應站點下車，司機端將會有LED燈長亮進行示警，實現在不影響司機駕駛安全的前提下，提醒司機乘客下車的需求，同時避免由于停車時間過短、老年孕婦等乘客行動不便、人流高峰人多擁擠等導致乘客過站未下車的誤會產生，維護乘客和司機的生命財產安全，以及緩解公交車上呼喊停車帶來的尷尬，維持公交車運行的公共秩序，實現乘客及時安全下車同時提高公共資源利用率。另一方面，在偏遠地區，司機可以根據下車人數在相應站點選擇不停車，盡量避免怠速狀態帶來的負面影響，減少公交車重新啟動的油耗，一定程度上也降低了環境污染。

此外，根據本裝置還專門設計了公交輔助APP，利用WIFI數據傳輸模塊，使用UDP協議（UserDatagramProtocol），即用戶數據報協議，來實現處于同一局域網內的電路板和手機可以進行信息的傳遞的功能，即由下位機的刷卡端和司機端的電路板采集的信息可以傳遞到上位機的手機APP上。其中，UDP協議和我們所熟知的TCP協議一樣都屬于傳輸層協議，而UDP協議的主要作用是將網絡數據流量壓縮成數據報的形式，可以實現對同一時刻內多項應用同時發送和接收數據，之所以選擇UDP協議，也因為UDP協議具有TCP協議所望塵莫及的速度優勢，UDP協議將安全和排序等功能都移至上層應用來完成，可以減少實際執行過程中的的大量系統開銷，能夠極大程度上降低執行時間，對于本項目非常實用。

主機WIFI模塊的電路原理圖如圖3所示，子機WIFI模塊的電路原理圖如圖4所示。

圖3 主機WIFI模塊電路原理圖

圖4 子機WIFI模塊電路原理圖

2.2 控制系統電路穩定性及其合理性

本裝置的設計由于用到了多個模塊，本項目在電路設計上會根據不同的I/O口所擁有的硬件資源將不同的模塊與合適的I/O口連接到一起，以達到最大化利用硬件資源的情況。由于不同模塊其工作電壓有所不同，在供電方面STM32微控制器電路上只需要5V電源就可以驅動，而芯片需要3.3V，降壓模塊集成在最小系統板上可以實現控制電路的穩定性。

其中電源電路原理圖如圖5所示。

圖5 程序設計流程圖

圖5 電源電路原理圖

3 主要軟件設計

本裝置設計中使用的是我們都比較熟悉的編程語言——C語言，使用的是便捷靈活、方便上手的編譯器——Keil 5，Keil 5是一款極易掌握，有足夠的靈活性并且非常友好和強大的C語言軟件開發系統，它提供豐富的庫函數和功能強大的集成開發調試工具和清晰直觀的操作界面，可以完成編輯、編譯、連接、調試、仿真等整個開發流程，并且使用起來十分的輕松便捷，并具備編譯器、編譯器、安裝包和調試跟蹤，同時支持在線仿真功能，能夠觀察到每一個寄存器的值，因此可以更加直觀地發現程序設計過程中出現的錯誤并能夠及時加以糾正，有利于程序調試過程中的不斷改進。此外，Keil 5完美支持Cortex-M、Cortex-R4、ARM7和ARM9等系列器件，因此在本項目中，Keil 5編譯器非常適用。在本項目中，可以使用現有的電子元件例如按鍵、LED、LCD屏幕、光柵傳感器、RFID讀卡器等其他輸出裝置。

程序編寫時將主機和從機封裝在不同的工程文件中，分開燒錄，編程思路會更加清晰，編寫過程中倘若遇到問題也便于更加快捷地找到問題所在，并及時改正，對調試和修改程序都非常有幫助。

其中使用的RFID讀卡器的相關程序編寫在主機中，實現檢測乘客刷卡的功能，RFID解讀器讀取信息并解碼后，送至單片機進行有關數據處理，并將檢測到的信息傳遞到從機，并在LCD顯示屏上顯示車上人數、應下車人數、未下車人數等信息，從而達到司機可以接收到相應站點乘客上下車情況的效果。

此外，在LCD的相關程序的編寫中，使用到了畫線算法，實現站點距離之間的計算，得到公交車運行的實時位置，在初始化配置后，向SPI總線傳輸數據，實現寫命令，完成數據傳輸過程。

程序設計的思路如下：本裝置通電運行之后，按下開門按鍵，則判斷當前到達的站點，然后乘客可以選擇相應的下車站點，若與當前所在站點沖突，LCD顯示屏則會顯示：“已在當前站點”，并且使當前選擇站點次數無效，即不計入計數器中；若乘客選擇站點與當前所在站點無沖突，則乘客可以進行刷卡操作，同時計數器進行記錄并統計各個站點上車人數，車門關閉后進入車輛運行狀態，到達站點后，與本裝置在同一局域網內并且公交輔助APP處于登錄狀態的手機會發生震動以提示乘客站點到達，下客門光電門傳感器檢測下車人數并與統計應下車人數進行對比，乘客若全部下車則正常關門，若當前站點人數仍未歸0，則LED提示燈長亮進行提示，車門不關。

本項目的設計邏輯如圖5程序設計流程圖所示。

4 實驗結果

本裝置設計實現了在模擬場景中公交下車輔助系統的功能，但是目前應用與推廣方面還很欠缺，也只限于在乘客遵守“前門上車，后門下車”的前提下，若乘客從下客門上車，則會影響光電門技術的準確性，容錯率方面還有待進一步提高。但在交互方面，功能已經全部完成，乘客可以選擇相應的站點、獲得站點的信息、到站提醒，主機通過對采集信息的處理和統計，傳遞至子機，司機可以便捷地了解車上人數及上下客情況，根據應下車人數做出開關門判斷，在尚有乘客未下車的情況下會有警示燈一直處于提醒狀態，直至應下車乘客全部下車，車門即可關閉，實現乘客與司機之間信息的交互式傳遞。

總結：本裝置在硬件結構設計方面較為合理，相較于傳統的下車提醒按鈕，更加智能化、使用便捷、容錯率更高，對傳統的位置單一并且缺乏靈活性的下車提醒按鈕進行改良，實現司機與乘客之間信息的交互功能。使用處理速度快、功能強大、功耗較低的Cortex-M3內核ARM架構的STM32微控制器，可以實現到站提醒、實時人流量監控、光電門檢測等基本功能，極大程度上方便了乘客與公交司機的使用，提升司機與乘客之間的交互能力，避免由于停車時間過短、老年孕婦等乘客行動不便、人流高峰人多擁擠等導致乘客過站未下車的誤會產生，減少不必要的矛盾發生，維護了乘客和司機的生命財產安全，也能夠緩解公交車上大聲呼喊停車而帶來的尷尬，維持公交車運行的公共秩序。同時也減少了行車過程中的“門夾人”等安全隱患，提高了行車過程的安全性，此外還可以避免“逢站必?！彼斐傻馁Y源浪費，提高了公共資源的利用率，有效解決了許多行車過程中的煩惱。