隨著經濟發展以及城市人口快速增長，城市公共服務設施和基礎設施面臨巨大考驗。作為承擔著城市基礎運營的公交系統，其高效的運營和服務將很大程度上解決城市交通問題。

    本文設計了一個基于GPRS[1]和基站定位的公交監控裝置。該裝置將采集到車輛運行中的相關數據進行融合后通過GPRS網絡發送至監控中心，同時接收監控中心下發的相關指令，實現對公交車輛的定位和監控。本設計在完成總體設計的基礎上，完成了裝置的軟、硬件設計和實現。
1 GPS定位與基站定位的比較
    基于GPS的定位系統在天氣不佳時，特別在高架橋下、高樓邊角和隧道等地，其定位效果會受到相當大的影響，甚至無法進行定位。而在這種情況下往往最容易發生交通阻塞，最需要準確定位和調度服務發揮效用。GPS加其他輔助手段的定位方法雖然可以提高定位精度，但卻提高了設備成本和運營維護成本[2]。而基站定位不但能耗低，不受天氣、高樓的影響，且在人口越密集的地方，基站往往越多，定位更準確；而在基站少定位不準確時，還可利用公交線路相對固定的特點通過軟件改善來修正定位信息。
2 總體方案
    本設計采用基于ARM9處理器[3]的嵌入式系統，利用Linux操作系統，開發具有定位追蹤功能的監控裝置。該嵌入式平臺資源豐富,技術成熟,有良好的可擴展性，在需要時能進行功能模塊的添加和升級。裝置采用S3C2440為主控制器，外擴Nand Flash用于程序存儲器，SDRAM為內存，LCD和按鍵作為人機交互接口，配合帶有基站定位功能的GPRS模塊SIM900，實現采集公交車位置、車廂溫度、乘客人數、運行速度等信息，并通過GPRS網絡將采集到的信息傳送到監控中心，同時接收監控中心的下行指令。
3 硬件設計
3.1 微控制器模塊
    S3C2440是三星推出的一款基于ARM920T內核的16/32 bit RISC嵌入微處理器，集成了豐富的片上資源，在開發過程中可以減少外圍的設備部件，以降低系統的成本。本設計使用2片HY57V561620FTP作為SDRAM，使用的Nand Flash為K9F1G08芯片。
    微控制器通過異步接收/發送裝置UART2和SIM900進行數據交換。其中，SIM900的引腳RXD用于接收由S3C2440的引腳UART2_TXD傳出的數據，數據最終由SIM900發出；引腳TXD用于向S3C2440的引腳UART2_RXD發送數據。
    RS485總線是一種常見的串行總線標準，采用平衡發送與差分接收的方式，具有抑制共模干擾的能力。在一些要求通信距離為幾十米到上千米、多節點的系統中有著廣泛的應用。S3C2440的UART1通過RS485轉化電路形成485總線。如圖1所示，溫度傳感器、公交讀卡器和報站器都接在485總線上，在系統運行時，微控制器將采用問答形式獲得公交中的溫度、人數以及站點等數據。

3.2 GPRS模塊
    SIM900是SIMCom推出的一款新型無線四頻GSM/GPRS模塊，完全采用SMT封裝形式，同時采用了功能強大的ARM926EJ-S芯片處理器。SIM900采用工業標準接口，同時支持標準的AT命令。本設計采用的SIM900帶有基站定位功能，定位信息通過AT指令獲得。
    設計中設置S3C2440的通用I/O口GPB8為輸出，上電后通過把SIM900的PWRKEY信號拉低一段時間然后釋放來啟動GPRS模塊。在SIM900模塊內部，PWRKEY引腳通過100 kΩ電阻上拉到3 V電壓域。為了防止PWRKEY與微控制器I/O口直連導致串電，在模塊與微控制器I/O口間采用三極管隔離，增強了開關可靠性。
    圖2為SIM900與SIM卡的連接原理圖。為了增強SIM卡部分的可靠性，SIM卡的所有信號線都通過連接TVS二極管來做靜電(ESD)防護。設計中采用ESDALC6V1芯片作為ESD保護。SIM卡電源引腳SIM_VCC并接220 nF電容，以穩定電源輸出，減小波紋。在PCB布局時，應使SIM卡卡座盡量靠近模塊，圖2中的電容、ESD等器件放置也應靠近SIM卡座。

3.3 電源模塊
    該系統硬件設計的關鍵在于電源部分。SIM900工作在3.4 V～4.5 V之間，由于模塊射頻發射時電流的峰值最高會達到2 A以上，可能導致供電電源電壓跌落。因此，電源供電能力要盡可能達到2 A，以保證電壓不會低于GPRS模塊的工作電壓。設計中選擇可調輸出電壓芯片LM2576，LM2576輸出電壓范圍為1.2 V～37 V，瞬間可以通過的最大電流達到3 A，符合電路要求。電源模塊電路如圖3所示。S3C2440控制器模塊需要的1.25 V、1.8 V和3.3 V電源都由LM2576提供的5 V電源轉化輸出，如圖4所示。為了增強模塊電源抗干擾能力（主要抗浪涌、脈沖群、靜電等），避免在外界環境比較惡劣的情況下出現模塊供電異常，在外部電源輸入端并入470 μF和0.1 μF電容，在VBAT供電芯片輸出端并入470 ?滋F電容，以濾除干擾。

      SIM900模塊從上電到注冊網絡期間，射頻發射功率相對偏高。VBAT供電的長走線、窄線寬，或者穩壓電容離VBAT引腳較遠，會導致在模塊上電后的一段時間內，VBAT上耗流、紋波增加，電源電壓跌落很大。因此在PCB布局時，VBAT上的旁路電容應盡量放在對應管腳附近。為降低PCB走線阻抗，VBAT走線應盡量寬、盡量短，最好大面積鋪地。
    在考慮VBAT設計的同時，也要重點關注GND設計。GND整個回流路徑的長短以及阻抗的連續性是電源跌落及音頻干擾的主要原因。因此，把模塊GND、電池座GND、電源適配器GND、相互間GND以一塊完整的銅皮相連接，在有結構、板層限制，無法大面積鋪銅皮處，用2 mm以上走線單獨連起來再覆銅，以保證GND的完整性。另外，整個PCB板應盡量多打地孔，電源和地的回流路徑越小越好。
4 軟件設計

    軟件采用層次化設計結構，如圖5所示。軟件主要由以下幾個模塊組成：(1)定制的Linux 2.6內核；(2)串口、鍵盤和LCD顯示屏的設備驅動程序；(3)鍵盤處理和顯示模塊；(4)與數據中心及當地設備的數據通信模塊；(5)定位及數據處理模塊。
    本設計使用Qt提供的類庫實現裝置軟件的開發；軟件通過串口設備訪問GPRS模塊，實現從GPRS模塊接收基站定位信息，并實現終端與監控中心通信。相比基于GPS和GPRS的終端設計，本設計將減少一個串口的開銷，可用于其他擴展模塊。
    在本設計中，UART起了很大作用，除了作為調試口用外，還用于與485總線和GPRS進行通信。上層應用軟件中為485總線和GPRS編寫的應用程序都是通過該驅動實現對串口的訪問。
    本裝置可以實現對城市公交車運行情況的監測，并可將監測數據通過網絡傳送至監控中心，實現中心對公交車的遠程監控。通過基站定位，可以在相對于GPS成本更低、功耗更小的情況下實現定位，同時實現站點位置記錄和自動報站，尤其在受到不良天氣、高樓、橋梁影響時可發揮比GPS更高的效用。本裝置基于ARM嵌入式系統平臺，可通過良好的擴展性適應不同的市場需求，提高城市公交系統效率，改善城市交通狀況。
參考文獻
[1] Yu Kunjie.Implementation of remote I/O control terminal  based on GPRS wireless communication[J].Video Engineering，2012，36(13)：89-91.
[2] 高岳，張騰.基于基站定位的公交查詢系統設計[J].無線互聯技術，2011(3)：32-35.
[3] 馬少平，駱志剛，孫雷，等.基于ARM的GPRS遠程終端設計與實現[J].微計算機信息，2006，22(14)：118-120.