應用ZigBee技術和最小子集線路劃分的拉薩市公交車輛藏漢英3種語言自動報站系統

唐 松，尼瑪扎西，格桑多吉，高定國

(西藏大學工學院，拉薩 850000)

憑借容量大、覆蓋廣、價格低以及節約資源、可緩解城市擁堵的優勢，拉薩城市公交系統成為交通運輸體系中的主體，在各方面深刻影響著拉薩人民的生活水平和經濟發展效率。目前，拉薩市的所有公交車均采用無人售票方式，公交司機需要及時按下報站語音鍵或采用口頭提示方式，這會帶來許多安全隱患。公交系統對乘客安全承擔著無法推卸的責任，而在每輛公交車上裝載自動報站器可有效減少安全隱患。考慮拉薩市公交線路的實際情況和本地特色，綜合考慮實用性和性價比，本文基于 ZigBee［1－3］技術和單片機，設計出藏漢英三語自動報站系統。自動發射站址編碼信息的功能通過CC2430芯片實現。CC2430芯片置于站臺發射部分，外圍電路采用簡單化處理，電池可以長時間提供能量［4］。車載部分同時兼有自動、手動報站模式，兩種功能可隨時切換。公交線路信息的及時更新可以通過移動存儲器件的路線信息方便地實現。除了自動報站功能，還可交替使用藏漢英三語顯示站名、溫度、時間、日歷(陽歷、陰歷和藏歷)和服務用語等信息。

1 利用最小子集線路劃分法優化拉薩市公交線路的數據庫存儲

最小子集線路劃分法規定如下:

1)最小子集線路不具有再分性;

2)若一條線路是某條道路的子集，則對此道路進行最小子集線路劃分;

3)若兩條路線相交且一條線路是另一條線路的子集，則以子集線路為分割段對另一條線路進行最小子集線路劃分;

4)每個子集線路劃分至最小子集線路為止;

5)Φ表示此條線路沒有站臺;

6)一條公交線路可表示成若干最小子集線路的并集。

拉薩市公交線路總量是25條，經過主要街道的公交車線路和站點重復率較高，所以需要列舉出具有代表性的幾條線路，例如下面的9路車、13路車和25路車。它們具有如下特征:9路車經過民族北路的全線，雖然天海路與其相交，但是沒有對民族北路這條線路進行分割，因為天海路暫時沒有公交路線;13路車經過民族中路的一段，但在此段中未設站臺，基于最小子集線路劃分法，將民族中路分為羅堆東路和羅布林卡路之間的民族南路1，以及羅布林卡路和北京中路之間的民族中路1';25路車經過民族中路的某段，且在此段有站臺，基于最小子集線路劃分法，將民族中路1'劃分為嘉措路和羅布林卡路之間的民族中路2，以及嘉措路和北京西路之間的民族中路3。

9路、13路和25路車線路信息和最小子集線路劃分結果如下:

9路車:由于當熱中路和色拉路相交，所以當熱中路分解為娘熱路、色拉路之間的線路和奪底路、色拉路之間的線路，分別命名為當熱中路1和當熱中路2。由于當熱西路和雪新村路、德吉路交叉，所以當熱西路分解為雪新村路和娘熱南路之間的當熱西路1，德吉北路和雪新村路之間的當熱西路2，以及德吉北路和民族北路之間的當熱西路3。因魯定中路和嘉措路相交，所以魯定中路分解為嘉措路以北的魯定中路1和嘉措路以南的魯定中路2。由于金珠東路和陽島路相交，所以金珠東路分解為陽島路以西的金珠東路1和陽島路以東的金珠東路2。江蘇路和林聚路相交，故江蘇路分解為林聚北路和林廓東路之間的江蘇路1，以及林聚北路和江蘇東路之間的江蘇路2。

基于上述條件的9路車最小子集線路劃分結果為:江蘇東路={東郊客運站站，嘎瑪貢桑站}，奪底南路={高原旅館站}，當熱中路1={電建小區站，城關區市政公司站}，當熱中路2={當熱中路站，電業小區站}，當熱西路1={四建司小區站，拉魯橋站}，當熱西路2=Φ，當熱西路3={拉魯濕地站}，民族北路={濟公橋站，嘎吉路口站}，北京西路=Φ，魯定中路1={紅十字會站}，魯定中路2={八一校站}，魯定南路=Φ，金珠中路={財校站}，金珠東路1={紀念碑站，國際城西橋站，國際城東橋站}，金珠東路2=Φ，江蘇路={明都商務站，魯固站}，生態園路=Φ，波林卡路={波林卡站}，林廓東路={瑞吉酒店站}，江蘇路1=Φ，江蘇路2={藏大站}，江蘇東路={東郊客運站站}。

13路車:巴爾庫路和扎基西路相交，故巴爾庫路分解為扎基西路以北的巴爾庫路1和扎基西路以南的巴爾庫路2。這條北京中路線路的獨特之處在于:沒有行完兩條主干道之間的北京中路就選擇羅布林卡路，北京中路線路分解為康昂多南路和娘熱南路之間的北京中路1，以及康昂多南路和羅布林卡路之間的北京中路2［5］。羅布林卡路和德吉路相交，故羅布林卡路分為德吉路以東的羅布林卡路1和德吉路以西的羅布林卡路2。

基于上述條件的13路車最小子集線路劃分結果為:扎基東路={瑯賽九區站，扎基寺站，圣城花園南門站}，扎基中路={北郊客運站站}，娘熱北路=Φ，慈松塘西路=Φ，巴爾庫路1={區登山隊站}，巴爾庫路2={雪三村站，政協小區站，二巷站，拉魯橋站}，雪新村路={雪新村站，雪小學站}，林廓北路={龍王潭北門站，龍王潭站}，娘熱南路={民航局站}，北京中路1=Φ，北京中路2={藥王山菜市場站，白塔站}，羅布林卡路1={區旅游局站}，羅布林卡路2={甲熱戰站，圖書館站}，民族中路=Φ，羅堆東路={羅堆路站，第三安居園站}，魯定南路={魯定路站}，柳梧大橋=Φ，世紀大道={世紀一號站，鐵通站}，北京大道={通站站}，通站路={火車站站}。

25路車:羅布林卡路分解和13路車相同。北京中路的分解在13路車的分解基礎上添加羅布林卡路和林廓西路之間的北京中路3。江蘇路被生態園路一分為二，分別為康昂多南路和生態園路之間的江蘇路1，以及生態園路和林廓東路之間的江蘇路2(注:整條江蘇路被生態園路、林廓東路和林聚路分為4段，除了上文的江蘇路1和江蘇路2，還有林聚北路和林廓東路之間的江蘇路3，以及林聚北路和江蘇東路之間的江蘇路4(9路經過的線路))。因林廓東路和北京路交叉，所以林廓東路分解為參考24路車所分解的林廓東路2和林廓東路3。(注:24路車經過林廓東路4段中的3段線路，包括江蘇路和波林卡路之間的林廓東路2，江蘇路和北京東路之間的林廓東路3，以及北京東路和林廓北路之間的林廓東路4，沒有經過波林卡路和濱河路之間的林廓東路1)

基于上述條件的25路車最小子集線路劃分結果為:當巴路={哲蚌寺站}，北京西路=Φ，八一北路={世邦國際站}，羅堆中路={八一小區站}，魯定中路={八一校站}，嘉措路={博物館北門站}，民族中路=Φ，羅布林卡路2={圖書館站，甲熱站}，羅布林卡路1={區旅游局站}，林廓西路=Φ，北京中路3={白塔站}，北京中路2={藥王山菜市場站}，康昂多南路={拉百站}，江蘇路1={區群藝館站，保健院站}，江蘇路2={蟲草交易中心站}，林廓東路3={鐵崩崗站}，林廓東路4={市民服務中心站，東郊電信站}，林廓北路={氣象菜市場站}，色拉南路={團結新村東門站}，色拉中路={圣美家超市站}，扎基東路={武警醫院站}，奪底中路=Φ，加榮路=Φ，藏熱北路=Φ，慈松塘東路={北郊菜市場站}，慈松塘中路={圣城麗都站}，色拉北路={順通小區站，色拉北路站，啤酒廠站，第六安居園站，色拉寺站}。

因北京中路=北京中路1∪北京中路2∪北京中路3，13路車的北京中路線路=北京中路1∪北京中路2，25路車的北京中路線路=北京中路3∪北京中路2，所以某條公交線路是若干最小子集線路的并集［6］。這樣的最小子集線路劃分可以優化數據庫的存儲，針對線路調整的情況，可以高效動態地更新數據庫，還可優化既定的公交線路，相比以往的人工設定方法節約了很多人力和財力。通過線路的集合表示，將所有存在公交車經過的線路的最小子集劃出，不必在每輛公交車上連接單片機的USB設備上一一輸入所有站點的藏漢英三語信息，可以將包含站點信息的最小線路導入USB數據庫，減少了數據存儲的重復性，優化了系統的設計結構。如果公交路線發生改變，大部分情況下只需調整部分最小子集線路信息。當增加或減少某個站點時，可以迅速定位到具體線路，及時更新相應數據庫中的線路。對于公交公司，根據公交的載客量和盈利情況，可以及時調整公交線路，由最小子集化的線路劃分部署運營線路，思路清晰且簡單快捷。

2 拉薩公交車藏漢英3種語言自動報站系統的基本原理

不同線路的公交車可能經過或停靠相同的站臺，而且站臺的調整(如站臺的合并)可能改變站臺的命名。因此，站址編碼狀態的靈活設置通過有效的8位撥碼開關實現，使處于運行在當前位置的不同線路的公交車進行自動識別。假設公交車在一條線路上往返經過n個站臺(n為未知數)，本系統設計的基本原理如圖1所示。

圖1 拉薩公交車藏漢英三語自動報站系統基本原理

公交車在行進過程中，由于拉薩市有些路線的馬路寬度有限，同一線路上相鄰的多個站臺的不同地址信息可能都會被接收到(如圖1所示)。左向行駛的公交車就會在很短的時間間隔內接收到站臺n－2、站臺n－1、站臺n－3和站臺3的地址信息，此時可根據行駛方向以及車輛和公交站臺的相對距離，通過相關軟件判斷有效的地址信息來自站臺n－2。站址可采用遞減/遞增或預制方式［7］，以達到識別往返車輛行駛方向的目的。若編碼發生紊亂，說明車輛在行駛途中收到若干地址信息而無法自動報站，此時將自動切換至手動報站系統，同時此系統保留該站臺的編碼歷史記錄，以便及時對數據庫和編碼系統進行更新、維護。

站點ZigBee發射模塊和車載接收、語音播報模塊是本系統的2個關鍵部分。當公交靠近站臺將要停車前，站址編碼信息由站臺自動發射。為了盡量降低費用和電池的更換頻率，ZigBee發射模塊要求成本低、能耗少、可靠性高、維護方便。車載部分的核心控制模塊是MSP430F149單片機，故以CC2430芯片為核心構成了ZigBee發射模塊。USB設備存儲的藏漢英三語站臺信息通過USB接口接入單片機控制模塊，靠近站臺時公交車進行相應的語音播報。

3 拉薩公交車藏漢英3種語言自動報站系統的硬件設計

3.1 硬件設計架構

拉薩公交車藏漢英3種語言自動報站系統的硬件設計架構見圖2。

圖2 系統硬件設計架構

3.2 站址編碼信息發射器設計

圖3是站址編碼數據信息發射器的硬件原理，主要部分由五大模塊組成:ZigBee發射模塊、供電電池、阻抗匹配網絡、晶振和無線發射天線。ZigBee發射模塊選用先進的CC2430芯片，在發射模式下，電流損耗少于25 mA，2節5號電池最長使用期限可達到2 a時間，減少了更換電池的操作頻率。該芯片生產技術為0.18 m CMOS工藝，繼承了優良的CC2420芯片的框架特點，實現了整合增強型8051內核的內存微控制器、發射模塊和ZigBee射頻前端在CC2430芯片上的集成，只需極短時間就可實現從休眠模式到主動模式的模式切換。32 MHz的晶振通過外接線與CC2430芯片連接，站址編碼信息的靈活設置可由8位撥碼開關SW決定。阻抗匹配網絡處理站址編碼信息后，通過天線將信息發送出去，可形成幾十米的有效覆蓋半徑［8］。這種連接部件的方法具備以下特征:電路簡潔、成本低廉、信號可靠、安裝便捷、維護簡便。

3.3 車載藏漢英3種語言自動報站器設計

單片機集成低能耗的MSP430F149芯片，其功耗電流很低，為微安工作電流級別。MSP430內核中央處理器是16位，該CPU中斷采用高效的統一管理模式，系統集成了高效的精簡指令集。片內閃存容量可達60 kB，模數轉換器采用12位、14路結構設計，硬件乘法器運算精確。片內有看門狗和比較器各1個，16位定時器和外部時鐘分別有2個。并行口和USART通信端口分別采用6路、2路結構設計，可選擇SPI或UART工作模式在2路通信端口上。

圖3 站址編碼信息發射器硬件原理

CC2420芯片的壓控振蕩器采用全部集成化處理，為維持正常工作頻段在2.4 GHz，只需借助16 MHz晶振、天線等少量器件，所以CC2420被用作ZigBee接收模塊的核心。與微處理器連接，CC2420只提供1個SPI接口實現，CC2420收發、設置數據操作由此接口實現［9］。為了實現與CC2420互相通信，MSP430F149與CC2420相互搭配運用，且SPI控制器被集成在MSP430F149上。

時鐘芯片集成的DS1302帶有隨機存儲器，基于I2C總線結構，其功耗小、性價比高，串行時鐘日歷芯片能自動計算閏年并進行閏年補償，實現日歷的準確計算，時、分、秒、星期、陽歷年月日、藏歷年月日等信息由串行時鐘日歷芯片計算得出。這些時標數據保存在對應的RAM中，單片機利用讀取命令直接讀取。

溫度傳感器集成的DS18B20有微型化、智能化、數字化的優點，采用簡單的單總線、一線制結構，性能強、功耗少、穩定性高，測量溫度的范圍很大，從－55℃到+125℃，在－10～+80℃條件下，測量精度提高很多，可縮小至0.5℃［10］。溫度模數轉換命令從單片機發出后，所測得的溫度數值被DS18B20保存，分別存至高8位(MSB)和低8位(LSB)單元中，以便單片機通過相關指令直接讀取。

行列驅動電路和顯示陣列構成LED點陣藏漢英三語顯示模塊的核心部件。本系統行驅動電路組成部件有三極管NPN9013、TC74HC04芯片和MC74HC138芯片;列驅動電路組成為M74HC595芯片，為16行×64列單色點陣的LED顯示陣列，驅動形式是動態掃描型，可實時、動態地用藏漢英3種語言顯示站點、時間、星期、日歷和實時溫度等服務性信息。

PDIUSBDI2因為達到大部分器件的類別規格要求，且被USB 1.1協議設備端廣泛采用，所以應用在USB接口芯片上。它集成如下特性:模擬收發器、低頻晶振、電壓調整器、可編程的時鐘輸出、位時鐘復位、端點寄存器、集成RAM、存儲器管理單元、GoodLink、SoftConnect和串行接口引擎［11］。PDIUSBDI2內部集成3個均含有輸入、輸出的端口，通過這3個端口傳送USB數據。端口2的引線4、引線5可設置為同步輸入端口、同步輸出端點、同步輸入輸出端口或者普通輸入輸出端口;端口1的引線2、引線3分別為普通輸入端口、普通輸出端口;端口0的引線0、引線1分別控制輸入端口和輸出端口，USB的操作指令通過端口0的引線傳輸。因此，端點2的緩沖區容量較大，為雙緩沖區，每個容量是128 kB，端口1和端口0的緩沖區容量較小，每個容量是32 kB。

功放芯片采用TDA2822音頻功率放大雙聲道電路，其靜態電流和交越失真都很小，有較寬范圍的工作電壓，低電源電壓條件下也可正常工作，并有較大的輸出功率，最大輸出功率可達3 W。語音芯片采用語音信號接線偏少的ISD4003芯片，語音可逼真重現。因為芯片存儲技術采用多電平直接模擬量存儲，即直接依次存儲各采樣值在芯片閃存中，故單片錄音和播放時間延長，擴展至5～9 min。

圖4 車載藏漢英3種語言自動報站器硬件原理

5 軟件設計

站臺軟件的運行過程步驟較少，所以省略流程圖和解釋。圖5是拉薩公交車的車載部件的軟件流程，主要過程如下:系統先進行程序初始化，之后讀取U盤數據庫信息，同時根據CC2420站址編碼數據判斷公交是否進站，若公交沒有進站，則繼續讀數;若公交進站，則進行ISD4003藏漢英3種語言語音播放程序和開門、關門操作，隨后讀取DS1302時間、日歷和DS18B20溫度數據，再進入LED顯示程序，接著判斷是否有報站鍵按下，若有報站鍵按下，進入手動報站模式，即手動報站后，清看門狗，讀取時間、日歷和溫度信息;若無報站鍵按下，返回讀取CC2420站址編碼數據。

圖5 車載藏漢英三語自動報站軟件流程

6 結束語

公交站臺的站址編碼信息的自主發射通過CC2430芯片實現。CC2430芯片成本低廉，可靠性高，外接口電路簡潔，能耗低，可實現電池長期供電，降低了電池的更換頻率，使系統的安裝、維護和部件更換更加便捷。通過USB存儲的拉薩公交數據庫(包括藏漢英三語錄制的語音)信息，車載軟件可實現公交線路的快速轉換。LED除了顯示自動語音播報的站點外，還可藏漢英三語實時滾動顯示站名、時間、日歷(陽歷、陰歷和藏歷)和當前溫度信息，使公交服務更加貼近群眾生活，讓乘客感受到宗教圣地的人文關懷。拉薩市公交系統實際運營環境和本地特色如下:典型的旅游城市，國外游客大部分使用英語，國內游客使用漢語，本地居民和常住市民使用藏語、漢語，因此藏漢英3種語言都很必要。從滿足拉薩市服務群眾的基本需求出發，綜合考慮性價比，本文設計了基于ZigBee技術的藏漢英3種語言自動報站系統，藏漢英三語報站準確、及時。LED站臺顯示信息是語音播報的有效補充，LED其他便民服務信息為乘客創造了溫馨的環境。本系統的建設和維護成本低，適用范圍廣，非常適合在西藏、青海及其他少數民族地區大規模推廣使用。

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