基于ESP32和LoRa技術的公交車空位查詢系統

摘 要：文中提出了一種基于ESP32主控芯片與LoRa低功耗廣域網通信技術的公交乘客統計與空位查詢系統。該系統通過在公交車上部署感知設備的終端節點，實時準確地監測并傳輸公交車載客量信息。這些數據經過LoRa網絡路由節點高效匯聚，并通過穩定的無線或有線網絡連接至應用服務系統后臺。系統的核心功能包括：實時采集公交車上下車乘客數量，處理和整合數據，通過手機APP或其他信息發布平臺向公眾提供每輛公交車當前的乘客數量以及空座情況。此外，系統還具備遠程監控及數據分析能力，能夠為公共交通管理部門提供決策支持，優化線路調度，提升整體運營效率和服務質量。

關鍵詞：ESP32；LoRa；公交車；空位統計；物聯網技術；人數統計；光敏傳感器

中圖分類號：TP212 文獻標識碼：A 文章編號：2095-1302（2025）03-0-03

0 引 言

在當前社會環境下，公共交通工具尤其是公交車，在城市通勤系統中扮演著至關重要的角色。隨著城市人口密度的增加和交通擁堵問題的日益凸顯，優化公交服務以滿足乘客出行需求變得尤為關鍵[1]。然而，現有的公交信息服務中，乘客往往無法實時獲取到下一班車的實際載客情況，這導致了乘客難以提前規劃候車時間和選擇合適的班次，尤其是在高峰期，車廂滿載可能導致乘客錯過班次，進而影響整體的出行效率與體驗。

為解決這一痛點，本研究旨在設計并實現一套基于物聯網技術的公交車載客數量統計及空位查詢系統。該系統的核心組件采用高性能、低功耗且具有強大無線通信能力的ESP32微控制器作為主控芯片[2]，結合先進的LoRa遠距離無線通信技術，確保數據傳輸的穩定性和覆蓋范圍[3]。通過集成智能傳感器和其他外設裝置，精準地對公交車上乘客數量進行實時監測與統計分析。通過這套系統，不僅能夠實時采集每輛公交車內部的乘客流量信息，還能在車輛行進過程中將數據實時上報至調度中心，并進一步通過無線網絡在下一站點提前發布給候車乘客，使得乘客可以根據實時更新的空位信息來調整自己的候車策略，從而有效提升公交系統的運行效率和服務質量，也為城市管理與決策提供更為詳實的數據支持。

1 功能需求

系統覆蓋物聯網感知控制層、網絡傳輸層和應用服務層的軟硬件設計。其主要功能包括：實時乘客計數功能、數據采集與傳輸功能、信息處理與發布功能、遠程監控與查詢服務。

2 系統設計方案

本公交乘客統計與空位查詢系統由3個關鍵層級組成，如圖1所示，實現了從數據采集到信息發布全過程的智能化管理。

首先，在終端節點層，將搭載ESP32主控芯片的智能傳感器設備安裝在公交車入口和出口處，通過公交車入口和出口處的智能傳感器設備實時捕捉并精確計算上下車乘客數量。這些數據經ESP32處理后，通過低功耗廣域網通信技術LoRa進行無線傳輸。

其次，路由和網關節點層面設計了LoRa網關節點，該節點部署于公交站點及重要區域，接收各輛公交車上終端節點發送的載客量信息，并借助強大的多通道并發處理能力，將收集的數據可靠地轉發到應用服務系統的服務器[4-7]，該服務器作為網絡傳輸層的核心，對匯聚的大量實時載客數據進行解碼、整理和初步分析[8]。

最后，在應用服務系統層面，云端數據中心存儲并深度處理接收到的所有公交車載客數據；配套的手機APP和網頁平臺，通過API接口獲取并展示給公眾當前每輛公交車的實際載客狀態和空余座位數[9]。此外，系統還為公交運營部門提供了一套遠程監控與管理系統，便于實時監控所有公交車的工作狀態，優化調度決策，提高公共交通運行效率和服務水平。

2.1 終端節點

終端節點被安裝在公交車內，人數檢查傳感器集成于出入口的傳感器設備上，用于實時捕捉并計算上下車乘客數量。這些數據將被傳輸至ESP32主控芯片進行處理。其中ESP32微控制器作為終端節點的核心組件，負責收集乘客計數模塊的數據，并通過內置的LoRa模組將數據加密打包后發送出去。終端節點的硬件組成包括以下關鍵組件：微控制器（ESP32）、乘客數檢測傳感器模塊、LoRa無線通信模塊、電源管理單元、外設及接口、防護結構與封裝，如圖2所示。

對公交車人數檢測傳感器進行設計時，在公交車門的兩側分別設置激光發射器、光敏傳感器作為接收器；當激光被乘客阻擋時，接收器接收到的光強度會發生顯著變化，產生電平跳躍；當MCU檢測到電平變化（光束被遮擋）時，它會觸發內部的中斷程序，記錄一次“事件”，即視為一人通過（上下車）。通過不斷地監測這些中斷事件，系統可以較為精確地計算上下車的人數，并實時更新乘客總數，如圖3所示。

2.2 網關節點

網關節點被部署于公交站點或者城市關鍵位置，負責接收各個公交車上終端節點通過LoRa通信技術發送的實時載客量數據包，并將收集的數據可靠地轉發到應用服務系統的服務器。

該網關具有強大的信號覆蓋能力和多節點并發處理能力，可實現低功耗、遠距離的數據傳輸[10-14]。網關節點的硬件組成包括以下關鍵組件：微控制器（ESP32）、LoRa無線通信模塊、存儲設備、電源管理單元、外設及接口、防護結構與封裝，如圖4所示。

網關節點首先通過集成的LoRa無線通信模塊接收來自公交車上部署的終端節點發送的載客量統計數據。當接收到這些信息后，網關內部的處理器對數據進行解碼、驗證和存儲，并根據需要執行協議轉換，將原始的LoRa網絡數據轉化為標準互聯網協議（HTTP）數據轉發至應用服務系統，其驅動程序設計如圖5所示。

2.3 應用服務系統

應用服務系統在公交乘客統計與空位查詢解決方案中扮演了信息中樞和交互平臺的角色，其主要包括服務端和APP端。其中服務端負責從各個網關節點收集實時的公交車載客量信息，經過系統后臺高效、精準地整合后存儲并形成可用于展示和查詢的數據資源[15]。APP端負責信息發布與查詢服務，并實時向公眾發布每輛公交車的當前乘客數量及空余座位情況、公交車位置情況等信息，方便乘客提前規劃出行時間和選擇最佳候車方案。

在公交乘客統計與空位查詢解決方案中，服務端作為核心數據處理中心，承擔了以下關鍵功能：

（1）數據收集整合：通過連接車載傳感器、GPS定位系統以及各網關節點，實時接收公交車的載客量、車輛位置等信息。

（2）數據處理與存儲：對接收到的大數據進行清洗、校驗和整合，采用高效的數據結構和算法進行存儲管理，確保數據的準確性和時效性。

（3）數據分析計算：基于實時和歷史數據進行分析，包括但不限于客流趨勢分析、線路繁忙程度評估、車輛滿載率預測等，為運營決策提供支持。

（4）接口服務提供：對外提供穩定可靠的數據API接口，使得APP端或其他客戶端能夠及時獲取到經過處理后的公交運行狀態信息。

APP端負責實時發布信息，展示每輛公交車的當前位置、預計到達時間及當前實際載客量，以及空余座位數，讓乘客一目了然地了解公交動態。

（1）查詢服務：用戶可以通過搜索或篩選功能查找指定線路、站點或特定時間段內的公交運行情況，便于做好個人出行計劃。

（2）交互體驗優化：提供友好的用戶界面和交互設計，確保乘客能夠便捷地使用查詢、收藏線路、設置提醒等功能。

（3）反饋機制：允許乘客對公交服務進行評價和反饋，從而幫助公交公司不斷改進服務質量。

應用服務監控系統架構如圖6所示。

3 結 語

本研究設計并實現了一套基于ESP32主控芯片、LoRa通信技術和智能傳感器的公交乘客統計與空位查詢系統，成功地實現了城市公共交通中公交車載客量信息的實時獲取。系統將物聯網技術應用于實際交通領域，實現了從終端節點采集數據，經過路由節點傳輸，到應用服務系統處理和發布的全過程智能化管理。

通過對車載硬件設備的精心設計和軟件算法的優化整合，本系統能夠精準、實時地監測公交車上乘客數量的變化，并將這些關鍵信息及時發布給候車乘客，顯著提升了公眾出行體驗和公交資源利用效率。此外，該系統的應用也為公交管理部門提供了有力的數據支持，使其能更科學合理地進行車輛調度和服務優化。

在項目開發過程中，本文充分考慮了系統的穩定性和可靠性，采用低功耗技術確保系統的長期運行，同時結合數據加密手段保障信息安全。盡管在實際部署和運營中可能會遇到復雜多變的城市環境和技術挑戰，但通過嚴謹的需求分析、詳細的設計方案以及全面的測試驗證，本系統展現出了良好的適應能力和潛在的應用價值。

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