基于北斗/GPS的城市公共自行车管理系统设计

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。

　　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。

2 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：$--GGA,time,Lat,N,Lon,E,FS,NoSV,HDOP,msl,M,Altref,M,DiffAge,DiffStation*cs。例如$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。

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AT指令经过GM8125模块即可与之进行交互，控制并进行TCP/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]，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。

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。

3 系统软件设计

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','id':'1','lng':'119.123456','lat':'26.123456','stat':'1','brk':'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。

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显示器上，实时定位测试数据图如图11所示，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。从图中可以看出，服务站外流动车辆能在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、规划建议支持的需求，颇有实际应用价值。

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