责任编辑：王金旺基于北斗/GPS的城市公共自行车管理系统*设计The design of urban public bicycle management system based on BDS/GPS 周朝霞 林思远 邱雪莲厦门大学嘉庚学院 信息科学与技术学院(福建 漳州 363105)摘要：为了提高公共自行车管理系统的便利性水平和功能性水平，本文研究并设计了一套基于北斗/GPS定位的城市公共自行车管理系统。该系统由安卓（Android）手机终端、服务器端和车载终端组成。车载终端以单片机 （MCU）为主控芯片，并采用北斗定位模块、GSM/GPRS模块及按键模块进行公共自行车运行状态的监测及远程通信。本设计能够实现车辆查找、空位查询、损坏报修、车辆定位、车辆管理、信息登记等功能。实际测试表明，该系统具有运行稳定、装配简易、操作便利和功能丰富的特点，同时还可为城市公共自行车分布规划提供数据支持，具有较好的推广前景。关键词：交通管理；自行车交通；单片机；北斗/GPS；GPRSDOI: 10.3969/j.issn.1005-5517.2017.1.007*基金项目：2015年度国家级大学生创新创业项目（编号：201513469004）；实用新型专利授权项目（编号：CN204990378U）周朝霞（1978-），女，副教授，研究方向：嵌入式开发。邱雪莲（通讯作者），女，助理工程师，研究方向：电子信息及自动化。引言随着“低碳出行，绿色环保”观念的深入人心，自行车成为了很重要的交通代步工具。目前市场上运营的城市公共自行车为人们出行提供了方便，但系统多为一车一桩式，容易出现“还时满车，借时空桩”的现象，尚无法由管理系统对损坏车辆进行识别。单纯线下租借不支持线上查询，使市民很难找到合适的服务点，而服务网点规划与布局需要更多详细可靠的数据支持。基于以上状况[1-3]，本文提出一款基于北斗/GPS定位的城市公共自行车管理系统设计，旨在实现车辆查询、空位查询、车辆报修、服务点导航、借车管理、辖区监测等功能，以使市民和维护人员直观、便捷地查询服务点信息及车辆待修信息，并能通过辖区监测对辖区服务点设置提出优化建议，从而进一步提升公共自行车服务系统的信息化水平。1 系统总体结构设计本系统由Android手机终端、服务器端和车载终端构成，并采用GPRS进行数据通信，具有网络覆盖范围广、接入速度快、传输特性好、费用低廉的优势，同时采用无线IP技术，资源利用率高，能够与因特网（Internet）实现无缝连接，以支持稳定的数据传输[4-5]，如图1所示为系统的通信架构。图1 系统通信架构图www.eepw.com.cn 2017.13743Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.基金攻关项目展示Fund Projects Showing表1 单通道工作模式下地址线定义模块用于将MCU单一串口扩展为多串口，供上述两个模块使用；按键模块用于自行车出现故障时的远程保修。STADD2STADD1STADD0SRADD2SRADD1SRADD0定义001选择子串口1的RXD010选择子串口2的RXD011选择子串口3的RXD001-101100选择子串口4的RXD101选择子串口5的RXD001选择子串口1的TXD010选择子串口2的TXD011选择子串口3的TXD001-101100选择子串口4的TXD101选择子串口5的TXD2 系统硬件设计2.1 单片机及其外围电路设计本系统所用HT66FU50是合泰半导体公司的8位精简指令集集成Flash的MCU，具有丰富的功能选项，且内建完整的SPI和I2C功能，同时还具有EEPROM存储器及多个定时器模块。其外围电路如图3所示，引脚的主要功能为：RXD0及TXD0为与GM8125异步串口扩展模块相连的串口通信、INT0及INT1为按键模块的外部中图2 车载终端总体结构图断、E0-E5为GM8125异步串口扩展模块的地址选择、A6及A7分别为GM8125异步串口扩展模块工作方式选择及复位。2.2 UM220-III N电路设计系统所用UM220-III N是采用低功耗GNSS单片系统（SoC）芯片的Humbird北斗/GPS双系统定位模块，集成度高且功耗低，定位精度可达3至5米，可选择工作方式为BD单独定位、GPS单独定位或GPS/BD双模定位[6-8]。UM220-III N模块提供一个输出脉宽和极性可调的1PPS信号，其串口1为主串口，支持数据传输、固件升级功能，串口波特率可调，默图3 HT66FU50 44LQF及其外围电路图认波特率为9600bps，最高可设为115200bps。默认输出信息为NMEA-0183协议格式，默认输出定位信息（GGA）、地理定位信息（GLL）、卫星信息(GSA)、可见卫星信息(GSV)等多条数据。通过$CFGMSG、msgClass、msgID、rate命令即可将模块默认输出数据设置为仅输出GGA。GAA消息数据格式为：$--GGA,time,Lat,N,Lon,E,FS,NoSV,HDOP,msl,M,Altref,M,DiffAge,DiffStation*cs。例如本系统核心部件车载终端只需要安装在公共自行车上即可实现对运行状态的监控。车载终端主要由型号为HT66FU50 44LQF的MCU、定位数据获取单元UM220-III N模块、GPRS通信单元SIM900A模块、GM8125异步串口扩展模块、按键模块构成，其总体结构如图2所示。MCU主要负责运行数据处理和逻辑处理，与UM220-III N模块和SIM900模块通过串口相连，用于实现车载终端与服务器的TCP/IP通信；串口扩展3844ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2017.1Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.责任编辑：王金旺图4 UM220-III N电路原理图图6 继电器及输出电路原理图外围接口电路即可，大大降低系统开发难度及周期。其外围电路如图5所示，其中TXD2和RXD2与串口扩展模块子串口2相连接，MCU通过图5 SIM900A外围电路原理图AT指令经过GM8125模块即可与之进行交互，控制并进行TCP/图7 按键模块电路原理图$BDGGA,063952.000,4002.2299,N,11618.0968,E,1,4,2.788,37.254,M,0,M,*71即为表达北斗单独定位经纬度为北纬40.022299°，东经116.180968°的定位数据。UM220-III N电路原理图如图4所示，其中TXD1、RXD1与串口扩展模块的子串口1相连，即可将获取到的NMEA-0183协议格式GAA消息通过串口传送给MCU，并通过一定的算法运算提取相应定位数据。IP的GPRS连接。2.4 GM8125异步串口模块电路设计系统所用GM8125异步串口扩展芯片的扩展模式分为单通道和多通道工作模式，可通过外部引脚控制，其母串口和子串口的工作波特率可由软件调节，无需更改外部电路和晶振频率，且具有外部控制少、应用灵活、编程使用简单的特点[12]2.3 SIM900A电路设计系统所用SIM900A模块是集成度高的GSM/GPRS模块，采用ARM926架构，性能强大[9-10],集成GPRS通信功能所需信号处理收/发信机电路，只需增加电源、SIM卡、通信接口等，其电路原理图如图6所示。其中，RST为复位端，MS为通道模式选择端，置高为单通道工作方式，拉低为多通道工作方www.eepw.com.cn 2017.13945Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.基金攻关项目展示Fund Projects Showing 3.1 主程序设计系统的主程序流程图如图9所示。当系统工作时，MCU将初始化，设置串口波特率为4800bps后，开启串口扩展模块的子通道2，由于处于单通道扩展模式与SIM900A进行串口通讯，HOTELK MCU将发送一系列的AT指令，并使SIM900A图8 稳压模块电路原理图与目标服务器进行TCP连接，当SIM900A返回CONNECT OK给母串口，则完成SIM900A初始化。接着开启子通道1，HOTELK MCU将通过串口扩展模块以4800bps的波特率与UM220-III N模块进行串口通讯。当定位数据被接收完整时，系统将根据外部中断INT0和INT1的标志位状况，将报修信息与定位数据进行整合和JASON格式转换，并开启子通道2，将JASON数据发送至TCP服务器，本系统所采用的JASON协议为：085{\\\"group\\\":\\\"01\\\图9 主程序流程图 图10 定位信息接受中断流程图 9.123456\\\23456\\\式。RXD0及TXD0为MCU与其相连的母串口通信引脚，发送子通道地址选择端STADD0-2与MCU的EO-E2相连，接受子通道地址选择端SRADD0-2与MCU的E4-E6相连，用于控制发送子通道及接受子通道的开启。本系统在单通道工作模式下的地址线定义如表1所示。rk\\\":\\\"0\\\。3.2 定位信息的获取定位信息获取的串口中断流程如图10所示。UM220-III N的默认输出信息为NMEA-0183协议格式，经过预期设置后，可只输出GAA消息，其格式为：$--GGA,time,Lat,N,Lon,E,FS,NoSV,HDOP,msl,M,Altref,M,DiffAge,DiffStation*cs。由以上格式易知，计算“，”的个数即可得知相应变量的正确值。 2.4 按键及稳压模块电路设计本系统采用TPS7350及两个独立按键分别作为稳压模块和按键模块，其电路原理图如图7、图8所示。其中，两个独立键盘与MCU外部中断INT0和INT1相连，且HT66FU50的外部中断设置在下降沿触发，用于实现按键报修和报修复位功能。稳压模块为7.2V锂电池电源输入，+5V VCC输出，并为各模块供电。4 测试结果通过在厦门大学嘉庚学院设立多个公共自行车服务点，并安装多台设备进行测试。首先通过HT66FU50实验平台接收UM220-III N模块送来的北斗定位数据，并使用SIM900A模块自带GSM功能以短信形式发送到测试客户端(下转第51页)3 系统软件设计4046ELECTRONIC ENGINEERING & PRODUCT WORLD 2017.1Copyright©博看网 www.bookan.com.cn. All Rights Reserved.责任编辑：王金旺上；当两组二极管处于B状态时，天线最大增益为5.6dBi以上；当两组二极管处于C状态时，天线最大增益为6.4dBi以上。与A和B两种状态相比，天线处于C状态时具有最大的辐射增益，这是因为在C状态下，两组二极管的工作状态保持一致，使得天线结构保持对称，且后瓣辐射很小。而在A和B状态下，由于两组二极管的工作状态不同，导致天线结构不对称，且有一定的能量朝后辐射，这样天线最大辐射增益将减少。CRS，用二极管等开关连接起来，通过切换开关状态来实现方向图可重构。根据八木-宇田天线原理，通过控制这些二极管的工作状态，可以使CRS导通和截止，从而使引向器的位置可调，实现辐射方向图重构。天线结构新颖且具有很好的辐射特性。在三类辐射方向图重构的情况下，仿真得到的天线带宽在500MHz以上，是一种具有宽带特性的PRA。4 总结本文PRA设计中，天线具有很好的宽频带特性，即带宽相对谐振频率在10%以上。为了能够激励基模附近的模式，设计中引入了平面耦合技术，即在矩形驱动贴片的两非辐射边上对称加载两个相同的半圆，并在两半圆上开了两个相同的CRS，通过调节两寄生单元和驱动贴片的距离，以及两寄生单元的半径，从而实现天线的宽带性能。然后在寄生单元上开(上接第40页)显示器上，实时定位测试数据图如图11所示，表2 报修及复位测试结果参考文献:[1]W.S.Kang, J.A.Park,Y.J.Yoon.Simple reconfigurable antenna with radiation pattern[J].Electron. Lett., 2008, 44(3):182-183.[2]Yi Huang, Kevin Boyle. Antennas: from theory to practice[M].A John Wiley and Sons, Ltd, Publication, 2008.[3]S. Zhang,G. H. Huff,J. Feng. 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Mohanan,Nick Timmons,et al.Microstrip-fed pattern- and polarization- reconfigurable compact truncated monopole antenna[J].Ieee antennas and wireless propagation letters. 2013,12:710-713.Android手机终端上显示出良好的视觉效果，定位位置与道路吻合度高，同时还可得出厦门大学漳州校区公共自行车使用密集地为校区宾馆到商业广场一带，应在此处考虑增设服务的规过程开机报修复位ID010101经度24.2278571824.2278406824.22781136纬度118.440786118.439299118.438586标志位B010划意见。5 结论经过实际测试，本文设计的市公共自行车管理系统可以车辆定位、车辆报修、服务点查询、辖区监测等功能，克服了传统自行车管理系统在操作性和功能性上的缺点。本文将北斗/GPS定位技术及GPRS技术应用于城市公共自行车管理系统中，可满足用户及管理人员对功能、便利程度、规划建议支持图11 实时定位测试的数据图 的需求，颇有实际应用价值。显示了车辆的定位方式、实时经度、实时纬度、参与定位的卫星数量等数据，并对ID为01的公共自行车继续了测试报修及复位的测试，测试结果如表2所示。初步测试通过后，将装有设备的50辆自行车投入使用，并在管理员的Android服务端进行服务点站外流动车辆的监控测试，测试结果如图12所示。从图中可图12 实时定位测试的数据图参考文献：[1]胡列格,夏云,王佳,等.城市公共自行车高峰期需求不均衡的调度优化研究[J].铁道科学与工程学报,2015,(02):441-448.[2]石晓凤,崔东旭,魏薇.杭州公共自行车系统规划建设与使用调查研究[J].城市发展研究,2011,(10):105-114.[3]张昱,刘学敏,张红.城乡结合部居民公共自行车系统认知与使用状况调查——以北京市通州区、大兴区为例[J].城市问题,2015,(03):42-46.[4]陈天华,唐海涛.基于ARM和GPRS的远程土壤墒情监测预报系统[J].农业工程学报,2012,(03):162-166. 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