嵌入式無線技術(shù)解決了農(nóng)村地區(qū)公交系統(tǒng)的調(diào)度問題

　　發(fā)展中國家半數(shù)以上的人口都生活在農(nóng)村和郊區(qū)。由于汽車擁有率極低，人們對當前的公交系統(tǒng)依賴性很大。公交系統(tǒng)在很大程度上滿足了客運需求，因此在農(nóng)村整體經(jīng)濟中發(fā)揮著重要作用。盡管人們不斷努力采取措施改進農(nóng)村公交系統(tǒng)，但發(fā)車間隔長、晚點和時間表不一致等問題仍深深地困擾著人們。

　　時間就是金錢。由于公交系統(tǒng)的時間不能保證，因此這勢必會影響到當?shù)赝ㄇ谡叩娜粘Ｊ杖?。此外，農(nóng)村地區(qū)的學生也只能依靠公交去上學，因此這一問題就顯得更加突出。

　　最主要的問題在于，大多數(shù)農(nóng)村公交線路都沒有固定的班次時間表。由于許多村莊處于偏遠地區(qū)，離車站的最近的距離可能會長達 40 到 50 英里。由于沒有公交時間表，乘客必須憑經(jīng)驗判斷什么時候去公交車站等車最合適。即使乘客到了車站，也不知道這班車到底是已經(jīng)經(jīng)過還是沒到。

　　這一問題在日常生活中非常關(guān)鍵，它關(guān)系到能不能掙上一天的工錢，會不會耽誤學校的課程。通常，要等上好幾個小時，甚至要到第二天才能等到下一班車。乘客必須要了解到自己是否錯過了本班車，以及錯過的是不是該路線上當天的末班車。只有弄清楚這些信息，人們才能決定是等下一班車、步行到目的地還是返回家 — 這三種選擇都比在公交車站毫無結(jié)果地苦等要好。

　　需要的解決方案

　　下面，我們就來看看怎樣才能解決這一問題。這樣的解決方案應包括以下要點：

　　* 信息傳輸：需用一種能提供車輛抵達、班次頻率等關(guān)鍵信息的途徑。

　　* 無線連接：由于此解決方案要適用于行進中的車輛，因此無線通信不可或缺。

　　* 界面：沒多少文化的普通乘客也能看懂的簡單可視界面。

　　* 廉價但穩(wěn)健的系統(tǒng)：系統(tǒng)在經(jīng)濟上要可行，而且能在電力短缺等農(nóng)村基礎(chǔ)設(shè)施條件下確保持續(xù)工作。

　　* 維護與經(jīng)常性成本：系統(tǒng)的維護與經(jīng)常性成本應接近于零。

　　解決方案建議

　　我們可通過以下所示的簡單、可靠、低成本的嵌入式無線解決方案提供上述關(guān)鍵信息。

　　該解決方案實際上是采用一種含有集線器與節(jié)點的架構(gòu)。公交車站基礎(chǔ)設(shè)施中嵌入了包括低成本無線收發(fā)器的無線集線器及微控制器。集線器大部分時間處于休眠狀態(tài)。面向普通乘客的界面就是一組簡單的綠色 LED，LED 的數(shù)量取決于該站每天抵達的公交車數(shù)量與班次頻率。

　　無線節(jié)點（收發(fā)器 — 微控制器）嵌入到每趟途徑該站的公交車中。節(jié)點收發(fā)器模塊安裝到公交車上之前，先配備不同的 ID，這樣可確保集線器固件能識別出不同的節(jié)點。

　　不管公交車如何調(diào)度，當公交車到站時，集線器會喚醒節(jié)點并探詢數(shù)據(jù)。通過雙向握手，驗證節(jié)點。節(jié)點隨后把車號、抵達時間及當天班次頻率等信息發(fā)送給集線器。

　　集線器匹配數(shù)據(jù)，并打開相應的 LED，顯示車輛到站及其當天具體班次。系統(tǒng)固件在午夜會關(guān)閉所有 LED，進入下一天的循環(huán)。這種無線嵌入系統(tǒng)提高了農(nóng)村公交系統(tǒng)乘客的舒適性與可靠性。

　　可行性分析

　　成本與功耗是決定上述系統(tǒng)在農(nóng)村地區(qū)是否可行的兩大極為重要的因素。農(nóng)村地區(qū)大部分公交車站都沒有現(xiàn)成可用的電力基礎(chǔ)設(shè)施。要想專門為該公交車站的該系統(tǒng)供電，往往會通不過當?shù)卣呢斦徟Ｒ虼?，無線節(jié)點必須依靠電池供電，而為最大化電池使用壽命，集線器系統(tǒng)的電流消耗應保持極低。此外，我們采用的無線技術(shù)應能夠長時間處于休眠狀態(tài)，因為集線器與節(jié)點在兩班車之間處于休眠模式。簡而言之，該解決方案可以是一種低數(shù)據(jù)率應用，而且要傳輸?shù)男畔?shù)據(jù)包不過幾個字節(jié)而已。簡單的點對點無線技術(shù)就足夠了，連接距離僅需 10 米?？煽康募€器 — 節(jié)點通信協(xié)議可滿足應用需求。為了最大限度地降低成本，尤其應盡可能精簡物料清單 (BOM)，畢竟對固件與存儲器的要求都非常低。該解決方案運行于 2.4 GHz ISM頻段上，可確保世界各地都能通用。LED 界面應非常簡單直觀，乘客不需要識字就能明白含義。

　　短距離無線技術(shù)領(lǐng)域的主要標準為 2.4GHz 技術(shù)，如Wi-Fi、藍牙、Zigbee 與 WirelessUSBTM [編者注：注意與 3.1 至 10.6 GHz的 認證無線 USB 相區(qū)別]。我們所推薦的解決方案有意設(shè)計得極為簡單，這樣在農(nóng)村地區(qū)才具有可行性，就成本與復雜性而言，Wi-Fi 與藍牙技術(shù)顯得多余。而 WirelessUSB (250 kbps) 提供的數(shù)據(jù)率與距離則非常適用于該特定應用。

圖2：硬件輔助型抗干擾協(xié)議有助于節(jié)約功耗

　　如上所示，抗干擾協(xié)議采用無線電內(nèi)置的接收信號強度指示器 (RSSI) 監(jiān)控其它 RF 信號的干擾強度，并通過服務質(zhì)量 (QoS) 檢測法來確定是否需要通道跳轉(zhuǎn)。相對于藍牙而言，這是 WirelessUSB 2.4GHz 的重要性能優(yōu)勢，確保只有在檢測到強干擾情況下才跳轉(zhuǎn)到其它通道。這種智能邏輯比藍牙大幅降低了無謂的功耗。

　　此外，藍牙無線設(shè)備的成本與同等功能的 WirelessUSB無線設(shè)備和微控制器 (MCU) 相比，成本往往要翻一番。例如，賽普拉斯半導體公司推出的可編程片上射頻系統(tǒng) (PRoC LP) 只需單一器件與很少的分立元件就能實現(xiàn)完整的 RF 系統(tǒng)解決方案。這種高集成度有助于大幅降低 BOM 成本，并顯著節(jié)約印制電路板上的空間。該芯片利用頻率捷變直接序列擴頻 (DSSS) 技術(shù)來降低干擾。這種基于系統(tǒng)內(nèi)可再編程閃存的 MCU 可根據(jù)未來需要更改固件。

　　未來展望

　　如前所述，簡單的低成本嵌入式無線解決方案能解決發(fā)展中國家農(nóng)村地區(qū)公交系統(tǒng)的調(diào)度問題，這有助于為通勤者節(jié)約時間與金錢。公交系統(tǒng)基礎(chǔ)設(shè)施一旦采用這種簡單直觀、高可靠性的解決方案，還能為未來進一步發(fā)展打下基礎(chǔ)。比如，由于電流消耗很低，我們可在公交車站安裝太陽能電池板，從而不再需要電力供電或定期更換電池。

　　從每輛公交車收集來的數(shù)據(jù)可以記入日志，以優(yōu)化線路與班次安排。根據(jù)每站公交車的抵達時間數(shù)據(jù)，我們可相應調(diào)整公交站、公交線路與時間表，滿足具體需求。該解決方案還可進一步擴展應用于校車與郊區(qū)的出租車。

　　在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不成問題的城區(qū)，公交車站可以聯(lián)網(wǎng)，并將日志數(shù)據(jù)發(fā)送給中心基站。通過基站的地理信息系統(tǒng) (GIS) 軟件，后續(xù)公交車站的抵達時間可以映射到線路上。如果通勤者通過公交網(wǎng)站能了解到有關(guān)信息，就可據(jù)此決定何時去某個公交站等車了。

　　農(nóng)村與郊區(qū)的公交系統(tǒng)將大大受益于上述低成本嵌入式無線解決方案。該解決方案將顯著提高公交系統(tǒng)的可信度，鼓勵更多乘客選乘公交而非自駕車，從而有助于解決城區(qū)的交通擁堵問題。