嵌入式无线技术解决了农村地区公交系统的调度问题

　　发展中国家半数以上的人口都生活在农村和郊区。由于汽车拥有率极低，人们对当前的公交系统依赖性很大。公交系统在很大程度上满足了客运需求，因此在农村整体经济中发挥着重要作用。尽管人们不断努力采取措施改进农村公交系统，但发车间隔长、晚点和时间表不一致等问题仍深深地困扰着人们。

　　时间就是金钱。由于公交系统的时间不能保证，因此这势必会影响到当地通勤者的日常收入。此外，农村地区的学生也只能依靠公交去上学，因此这一问题就显得更加突出。

　　最主要的问题在于，大多数农村公交线路都没有固定的班次时间表。由于许多村庄处于偏远地区，离车站的最近的距离可能会长达 40 到 50 英里。由于没有公交时间表，乘客必须凭经验判断什么时候去公交车站等车最合适。即使乘客到了车站，也不知道这班车到底是已经经过还是没到。

　　这一问题在日常生活中非常关键，它关系到能不能挣上一天的工钱，会不会耽误学校的课程。通常，要等上好几个小时，甚至要到第二天才能等到下一班车。乘客必须要了解到自己是否错过了本班车，以及错过的是不是该路线上当天的末班车。只有弄清楚这些信息，人们才能决定是等下一班车、步行到目的地还是返回家 — 这三种选择都比在公交车站毫无结果地苦等要好。

　　需要的解决方案

　　下面，我们就来看看怎样才能解决这一问题。这样的解决方案应包括以下要点：

　　* 信息传输：需用一种能提供车辆抵达、班次频率等关键信息的途径。

　　* 无线连接：由于此解决方案要适用于行进中的车辆，因此无线通信不可或缺。

　　* 界面：没多少文化的普通乘客也能看懂的简单可视界面。

　　* 廉价但稳健的系统：系统在经济上要可行，而且能在电力短缺等农村基础设施条件下确保持续工作。

　　* 维护与经常性成本：系统的维护与经常性成本应接近于零。

　　解决方案建议

　　我们可通过以下所示的简单、可靠、低成本的嵌入式无线解决方案提供上述关键信息。

　　该解决方案实际上是采用一种含有集线器与节点的架构。公交车站基础设施中嵌入了包括低成本无线收发器的无线集线器及微控制器。集线器大部分时间处于休眠状态。面向普通乘客的界面就是一组简单的绿色 LED，LED 的数量取决于该站每天抵达的公交车数量与班次频率。

　　无线节点（收发器 — 微控制器）嵌入到每趟途径该站的公交车中。节点收发器模块安装到公交车上之前，先配备不同的 ID，这样可确保集线器固件能识别出不同的节点。

　　不管公交车如何调度，当公交车到站时，集线器会唤醒节点并探询数据。通过双向握手，验证节点。节点随后把车号、抵达时间及当天班次频率等信息发送给集线器。

　　集线器匹配数据，并打开相应的 LED，显示车辆到站及其当天具体班次。系统固件在午夜会关闭所有 LED，进入下一天的循环。这种无线嵌入系统提高了农村公交系统乘客的舒适性与可靠性。

　　可行性分析

　　成本与功耗是决定上述系统在农村地区是否可行的两大极为重要的因素。农村地区大部分公交车站都没有现成可用的电力基础设施。要想专门为该公交车站的该系统供电，往往会通不过当地政府的财政审批。因此，无线节点必须依靠电池供电，而为最大化电池使用寿命，集线器系统的电流消耗应保持极低。此外，我们采用的无线技术应能够长时间处于休眠状态，因为集线器与节点在两班车之间处于休眠模式。简而言之，该解决方案可以是一种低数据率应用，而且要传输的信息数据包不过几个字节而已。简单的点对点无线技术就足够了，连接距离仅需 10 米。可靠的集线器 — 节点通信协议可满足应用需求。为了最大限度地降低成本，尤其应尽可能精简物料清单 (BOM)，毕竟对固件与存储器的要求都非常低。该解决方案运行于 2.4 GHz ISM频段上，可确保世界各地都能通用。LED 界面应非常简单直观，乘客不需要识字就能明白含义。

　　短距离无线技术领域的主要标准为 2.4GHz 技术，如Wi-Fi、蓝牙、Zigbee 与 WirelessUSBTM [编者注：注意与 3.1 至 10.6 GHz的 认证无线 USB 相区别]。我们所推荐的解决方案有意设计得极为简单，这样在农村地区才具有可行性，就成本与复杂性而言，Wi-Fi 与蓝牙技术显得多余。而 WirelessUSB (250 kbps) 提供的数据率与距离则非常适用于该特定应用。

图2：硬件辅助型抗干扰协议有助于节约功耗

　　如上所示，抗干扰协议采用无线电内置的接收信号强度指示器 (RSSI) 监控其它 RF 信号的干扰强度，并通过服务质量 (QoS) 检测法来确定是否需要通道跳转。相对于蓝牙而言，这是 WirelessUSB 2.4GHz 的重要性能优势，确保只有在检测到强干扰情况下才跳转到其它通道。这种智能逻辑比蓝牙大幅降低了无谓的功耗。

　　此外，蓝牙无线设备的成本与同等功能的 WirelessUSB无线设备和微控制器 (MCU) 相比，成本往往要翻一番。例如，赛普拉斯半导体公司推出的可编程片上射频系统 (PRoC LP) 只需单一器件与很少的分立元件就能实现完整的 RF 系统解决方案。这种高集成度有助于大幅降低 BOM 成本，并显著节约印制电路板上的空间。该芯片利用频率捷变直接序列扩频 (DSSS) 技术来降低干扰。这种基于系统内可再编程闪存的 MCU 可根据未来需要更改固件。

　　未来展望

　　如前所述，简单的低成本嵌入式无线解决方案能解决发展中国家农村地区公交系统的调度问题，这有助于为通勤者节约时间与金钱。公交系统基础设施一旦采用这种简单直观、高可靠性的解决方案，还能为未来进一步发展打下基础。比如，由于电流消耗很低，我们可在公交车站安装太阳能电池板，从而不再需要电力供电或定期更换电池。

　　从每辆公交车收集来的数据可以记入日志，以优化线路与班次安排。根据每站公交车的抵达时间数据，我们可相应调整公交站、公交线路与时间表，满足具体需求。该解决方案还可进一步扩展应用于校车与郊区的出租车。

　　在基础设施建设不成问题的城区，公交车站可以联网，并将日志数据发送给中心基站。通过基站的地理信息系统 (GIS) 软件，后续公交车站的抵达时间可以映射到线路上。如果通勤者通过公交网站能了解到有关信息，就可据此决定何时去某个公交站等车了。

　　农村与郊区的公交系统将大大受益于上述低成本嵌入式无线解决方案。该解决方案将显著提高公交系统的可信度，鼓励更多乘客选乘公交而非自驾车，从而有助于解决城区的交通拥堵问题。