基于2.4GHz短距离无线通信技术的城市公共交通车辆信息采集传输系统设计

基于2.4GHz短距离无线通信技术的城市公共交

通车辆信息采集传输系统设计

纪华 蒋敏 张立伟

（中国电子科技集团公司第五十研究所，上海 200063）

Jihua50@hotmail.com

摘 要：本文提出了一种基于2.4GHz短距离无线通信技术的公交车辆信息采集传输系统方案，通过车载智能终端、数据读写设备、标识设备组成信息采集传输系统，设备采用Nordic公司的nRF2401芯片作为通信前端；silicon公司的C8051F120芯片作为控制器。公交车辆信息采集传输系统能够自动、快速、准确地采集传输公交车辆运行数据，对车辆进行编号识别，可为各类公共交通信息化管理系统提供全面的信息支持。同时，由于所设计的系统具有应用简单可靠，便于实现和使用成本低等特点，所以具有良好的市场前景。

关键词：短距离无线通信，公交车辆，信息采集，信息传输

The Design of City Public Traffic Vehicle Information Collect-Transmit System Based on 2.4GHz Short Distance

Wireless communication

Ji Hua, Jiang Min, Zhang Li Wei

（The 50th Research Inst.of the CETC,Shanghai,200063）

Abstract: A plan about the public traffic vehicle information collect-transmit system based on 2..4GHz short distance wireless communication is introduced in this paper. The system is buildup by brainpower terminal, date read-write equipment,mark equipment. To design the system, we use Nordic nRF2401 for communicate pre-eruipment, the Silicon C8051F120 is taken for controller. The system can automatic, fast, exact collect-transmit vehicle run date, identify vehicle number, support information to the public traffic vehicle information system. Simultaneously the system has the characteristic of easy to operate, simple structure, low cost and so on. Therefore the system will have the good market prospect.

Keywords: short distance wireless communication; public traffic vehicle; information collect- transmit

1 引言

城市公共交通是城市重要的基础功能和形象标志之一，是城市交通系统的重要组成部分。为加快发展公共交通事业，充分发挥信息化优势，目前，各类公共交通信息化管理系统正在大力进行建设与完善，在公交线路营运车辆上安装公交信息采集智能化终端，实现公交公司、公交车辆、司售人员之间的信息采集、信息发送与信息化管理。本文介绍基于2.4GHz短距离无线通信技术的城市公共交通车辆信息采集传输系统原理和设计，该系统具有应用简单可靠，便于实现和使用成本低等特点。

2 原理简介

公交车辆信息采集传输系统由车载智能终端、数

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据读写设备、标识设备组成。车载智能终端安装于公

交车辆上，具有车辆运行数据采集、公交车辆编号识别与短程无线双向数据通信功能。公交车辆运营过程中，智能终端定时采集车辆运行数据，车辆驶入和驶出指定区域（某个车站、停车场进口、停车场出口等，由标识设备发射射频信号标识）时，智能终端记录标识设备编号（可根据标识设备编号确定实际地点）、时间、车辆运行数据。

安装于各公交线路调度室的数据读写设备通过无线双向数据通信进行车辆编号识别并读取智能终端上存储的数据，通过接口传送给后台计算机。

通过这种方式，公交车辆信息采集传输系统实现公交车辆信息与信息化管理系统数据库之间数据传递，实现对公交车辆的信息采集与监控。

图1 系统工作原理示意图

3 系统硬件设计

公交车辆信息采集传输系统中车载智能终端、数

据读写设备、标识设备硬件设计基本类似，本文中以车载智能终端为例进行说明。车载智能终端由三部分组成：通信前端、控制器、信息采集单元，基本原理框图如图2所示。

车载智能终端中信号采集单元通过各类信号采集和调理电路实现对车辆运行信息的采集，并将采集信号变换为控制器能接收处理的信号。控制器实现信息采集、融合、处理、存储以及与通信前端通信。通信前端通过2.4GHz短距离无线通信技术实现系统各设备信息传输功能。

图2 车载智能终端原理框图

本结构优势：

1）控制器采用高速混合信号微处理器进行开发，具有强大的模拟、数字信号采集、处理、分析能力。

2）采用模块化设计结构，通过信号采集单元实现车辆运行信息采集与转换，具有较好地扩展功能，对于不同类型公交车辆、不同采集信息只需更改相应信号采集单元。

3）利用控制器实时控制软件的实时性和多线程可对设备多个任务进行处理，具有较好的信息实时处理能力。

3.1 信号采集单元

车载智能终端中信号采集单元通过各类信号采集和调理电路实现对车辆运行信息的采集，并将采集信号变换为控制器能接收处理的信号。

车辆运行信息中模拟信号由信号采集单元进行信号隔离、放大、滤波后由控制器通过A/D转换实现，数字信号采集由信号采集单元对数字量信息进行隔离后由控制器通过I2C、SPI等通信接口完成，时间信息由信号采集单元内时钟芯片提供。根据需要，信号采集单元还可以加装GPS信息接收模块、RFID读写模块等各种功能。信号采集单元涉及多项信号采集技术，技术要求高，车辆运行信息采集由于公共交通车辆自身电磁环境恶劣，信号质量较差，信号采集单元中需注意信号调理与保护。

3.2 控制器

控制器采用silicon公司的C8051F120芯片为核心，该处理器功能强大，是完全集成的混合信号片上系统型MCU 芯片。该芯片采用高速、流水线结构的8051 兼容的CIP-51 内核（100MIPS），具有12 位100 ksps ADC（带PGA 和8 通道模拟多路开关），具有两个12 位DAC，具有硬件实现的SPI、SMBus/ I2C 和两个UART 串行接口，具有片内看门狗定时器、VDD 监视器和温度传感器和时钟振荡器。该器件是真正能工作的片上系统。所有模拟和数字外设均可由用户固件使能/禁止和配置。该器件片内JTAG 调试电路允许使用安装在最终产品上的MCU 进行非侵入式（不占用片内资源）、全速、在系统调试，调试时所有的模拟和数字外设都可全功能运行，极大地方便了公交车辆信息采集传输系统各设备现场调试。C8051F120芯片功能示意图见图3。

3.3 通信前端

在本系统中，通信前端实现系统各设备信息传输功能。本系统选用Nordic公司的nRF2401芯片，通过控制器实现对该芯片的控制和数据传递。

该器件是一片体积小、功耗少、外围元件少的2.4GHz无线单片收发芯片，工作于全球开放的2.4GHz频段，其数据传输速率达到1Mbps可满足大容量数据实时传输需要。由于该器件采用了软件地址设置和内置CRC纠检错硬件电路协议，因此方便了用户的使用，目前被广泛应用于手持终端PDA、无线耳机、数字视频、无线鼠标、无线键盘以及其他短距离高速无线应用中。1573

图3 C8051F120芯片功能示意图

该芯片结构示意图见图4。

图4 nRF2401芯片结构示意图

4 关键技术

4.1 “防冲撞”通信技术

公交车辆信息采集传输系统中，在数据读写设备范围内有时会存在多个车载智能终端的情况，在读写设备的作用范围内有多个车载智能终端同时向它发送数据，为保证当多个车载终端同时把数据传输给一个读写设备时不会出现互相干扰（冲撞），必须采用“防冲撞”通信方法来加以克服。本系统“防冲撞”方法采用时分多路法(TDMA)，通过把时间帧划分为若干时隙和各路信号占有各自时隙的方法来实现在同一信道上传输多路信号进行多个终端识别。在通信中，由读写设备发出广播指令，各车载终端进行随机数计算后分别延迟不同时间发送返回指令。通过通信，读写设备具有所有可通信车载终端的序列号清单，按规定的算法读写设备选择一个车载终端与读写设备进行数据传输通信。同一时间内读写设备只能建立一条数据传输通路，如果读写设备要选择另外一个终端通信，必须解除与原来终端的通信关系，按时间顺序依次与不

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同车载终端进行通信。

4.2 系统通信协议设计

公交车辆信息采集传输系统中，通信协议设计是其中的关键，在协议设计中既要考虑到各类外部因素对数据传输的影响，采用握手、纠错、重发等方式保证通信数据的稳定可靠，又要保证通信协议具有最小的杂项开销，保证通信协议的有效性和可靠性。

车载智能终端简要通信流程如图5所示。

图5 车载智能终端简要通信流程

5 结论

基于2.4GHz短距离无线通信技术的城市公共交通

车辆信息采集传输系统，安装于公交车辆、公交车站、公交停车场和公交信息采集点中，采用2.4GHz短距离无线通信技术，能够自动、快速、准确地采集传输公交车辆车站定位信息、车辆运行数据等，为公共交通信息化系统提供全面的信息支持。基于2.4GHz短距离无线通信技术的城市公共交通车辆信息采集传输系统实现了公交公司、公交车辆、司售人员之间的信息采集，信息发送和信息共享，可有效提高公交公司的车辆运营效率，节省公交企业时间与经济成本，使城市的公共交通管理迈上新的台阶。

电子工业出版社，2004年10月.

[3] 宁焕生，张彦，RFID产品研发及生产关键技术，电子工

业出版社，2007年3月.

参考文献

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制器数据手册，2004年12月.

[2] 游站清，李苏剑，无线射频识别技术（RFID）理论与应用，

作者简介：纪华，男，高级工程师，主要研究领域为微波测试仪器和微波通信系统等；蒋敏，女，工程师、主要研究领域为信号处理等；张立伟，男，工程师、主要研究领域为微处理器实时控制等。

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基于2.4GHz短距离无线通信技术的城市公共交通车辆信息采集传输系统设计

作者：作者单位：

纪华， 蒋敏， 张立伟

中国电子科技集团公司第五十研究所,上海 200063

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