基于TCP的公交車客流量統(tǒng)計系統(tǒng)設計

張雪飛，胡曉君，張魯殷，楊東東

（山東科技大學電子通信與物理學院，山東 青島 266590）

0 引言

隨著機動車數(shù)量與日俱增，交通基礎設施的發(fā)展速度越來越不能滿足我國經(jīng)濟的提升速度，傳統(tǒng)的公交車客流量統(tǒng)計極大地落后于現(xiàn)在交通的智能化發(fā)展。目前，我國城市公共交通系統(tǒng)中，公共汽車和電車所占比例最大，城市80%以上的客運量由此承擔[1]。在經(jīng)濟發(fā)展過程中，公共交通的運營狀況極為重要，它是科技水平和現(xiàn)代化水平的重要基礎，而客流量統(tǒng)計水平在公交系統(tǒng)中尤為重要，并對其提出更高的要求。我國在客流量的精確統(tǒng)計方面存在很多不足，這就需要我們通過引進高科技技術和現(xiàn)代化管理理念，使公交車客流量統(tǒng)計變得更為智能化與人性化，根據(jù)客流量分析結(jié)果，制定相

應營運作業(yè)計劃，將會提高市場客流對公交線路的要求[1]，從而實現(xiàn)對公交車動態(tài)和靜態(tài)管理。

1 系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)及功能

圖1 .1 系統(tǒng)設計流程圖

該系統(tǒng)將數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸、光電對管、單片機等技術巧妙的結(jié)合，并以TCP傳輸協(xié)議作為系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡，保證各部分與整體系統(tǒng)的聯(lián)系和有序運行。各個部分協(xié)調(diào)工作，共同完成公交車客流量統(tǒng)計裝置的整體性。設計一款具備數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)傳輸、數(shù)據(jù)存儲以MSP430單片機為主控的公交車客流量統(tǒng)計系統(tǒng)。綜合利用光電對管、單片機、TCP傳輸控制協(xié)議以及EEPROM存儲器等技術。

公交車客流量統(tǒng)計系統(tǒng)主要由人數(shù)統(tǒng)計模塊、數(shù)據(jù)存儲模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和核心控制模塊四大模塊組成。

如圖1.1所示：

整個公交車客流量統(tǒng)計系統(tǒng)有以下幾個部分：數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸以及核心控制部分，車門打開時，單片機發(fā)射指令，光電對管開始工作，進行人數(shù)統(tǒng)計。車門閉合后單片機發(fā)射指令，光電對管結(jié)束工作，采集到的數(shù)據(jù)存儲在存儲器中，數(shù)據(jù)傳輸模塊開始工作，將數(shù)據(jù)傳輸進計算機，系統(tǒng)進入睡眠狀態(tài)等待下一次車門的開啟。在公交車前后門附近特定高度上安裝光電對管，前門安裝兩對光電對管，分別編號1、2號，當有乘客上車時，光電對管開始工作，當被測物體進入受光器作用范圍時，光電對管發(fā)射端的光線被阻擋，進行人數(shù)的統(tǒng)計，根據(jù)1、2號光電對管的受阻擋順序確定人群是上車還是下車[2]。

后門創(chuàng)新性的采用了三對光電對管，分別編號3、4、5，其作用與前門的光電對管的作用并無二致，主要是在中間多加了一對光電對管，目的是分割人流，防止人群成群上下車造成統(tǒng)計失誤。得到的數(shù)據(jù)保存在EEPROM存儲芯片中，最后通過TCP傳輸控制協(xié)議將存儲的數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上采用上位機軟件進行顯示并分析。由TCP傳輸協(xié)議進行數(shù)據(jù)的傳輸，此部分作為該系統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡，保證各部分與整體系統(tǒng)的聯(lián)系和有序運行。各個部分協(xié)調(diào)工作，共同完成公交車客流量統(tǒng)計裝置的整體性能。

2 系統(tǒng)模塊和上位機軟件設計

2.1 客流量數(shù)據(jù)采集模塊

本設計采用光電對管進行人數(shù)統(tǒng)計。當被測物體進入探測器的檢測范圍時，光電對管發(fā)射的紅外線被檢測物體遮擋，因此接收端無法接收到發(fā)射端發(fā)射的光線，光電對管利用放大器的放大作用和同步選通的整形作用，然后用數(shù)字積分或RC積分方法將干擾排除，最后光電對管將控制信號輸出。光電對管回差特性較好，因此公交車上當在小范圍內(nèi)人體觸碰到時，輸出狀態(tài)會繼續(xù)保持穩(wěn)定，不會受到極大影響。

2.2 數(shù)據(jù)存儲模塊

采用EEPROM數(shù)據(jù)存儲器進行數(shù)據(jù)存儲，EEPROM存儲單元的工作原理如下[2]：

EEPROM的操作主要有三種：擦除；寫入；讀取。表2.1介紹了這幾種操作。擦除：擦除時，在WL端上加高壓，約為16V，同時在VCG端上也加高壓，約為13V，BL端和VS端都接地，電壓為0V。WL端和VCG端為存儲管的柵極，BL端和VS端分別為漏極和源極。在讀取時，存儲管處于關閉狀態(tài)，不需打開，此時無電流流過。

寫入：寫入時，在WL端上加高壓，約為16V，而在VCG端上加0電位，此時VS端處于懸空狀態(tài)。BL的電位根據(jù)寫入數(shù)據(jù)的不同也不同：寫“0”時，BL懸空；寫“1”時，BL上加約13V～16V的高壓VPPL。

讀取：讀取時，WL上接電源電壓，VS和VCG接0電位，BL上接大約為0.5V的電壓。

表2 .1 各種操作模式下存儲單元各節(jié)點點位

2.3 數(shù)據(jù)傳輸模塊

在計算機網(wǎng)絡中，為了實現(xiàn)各種不同網(wǎng)絡的互連，國際標準化組織（International Standaedization Organization,ISO）采用了網(wǎng)絡分層的方案，即OSI模型。OSI模型由七個有序的層組成，第一層至第七層依次為：物理層、數(shù)據(jù)鏈路層、網(wǎng)絡層、傳輸層、會話層、表示層和應用層[3]。通信協(xié)議可實現(xiàn)在同一網(wǎng)絡中不同應用程序和各種網(wǎng)絡硬件的使用以及在不同操作系統(tǒng)中計算機之間的相互通信。發(fā)展至今的最成功的通信協(xié)議是TCP/IP協(xié)議族。

在Internet中，大多依賴TCP協(xié)議來管理網(wǎng)絡上的信息流動。TCP傳輸控制協(xié)議（Transfer Control Protocol），屬于傳輸層協(xié)議。OSI模型的每一層都和一個或一個以上的協(xié)議相聯(lián)系，對等實體的虛對話由這些協(xié)議控制。TCP協(xié)議由四層組成：網(wǎng)絡接口層、Internet層、傳輸層和應用層[3]。TCP模型的應用層是將OSI模型的應用層、表示層和會話層結(jié)合，網(wǎng)絡接口層（也被稱為鏈路層）是TCP模型將數(shù)據(jù)鏈路層和物理層結(jié)合形成。TCP協(xié)議中的前三層對應于OSI模型的前四層，提供物理標準、網(wǎng)絡接口、網(wǎng)際互聯(lián)以及傳輸功能[4]。

封裝（Encapsulation）是數(shù)據(jù)從上層開始，每向下經(jīng)過一層，在前面加上下一層報頭的過程[4]。報頭的格式是由進行封裝的協(xié)議規(guī)定的。報頭中記錄傳輸信息，對等實體利用傳輸信息進行相互交流。如圖2.1所示。

圖2 .1 TCP協(xié)議

用戶調(diào)用應用程序通過TCP訪問相應的服務。TCP協(xié)議族中各層的工作原理及功能如下[4]：

應用層將應用程序信息轉(zhuǎn)換成數(shù)據(jù)流后將該數(shù)據(jù)流交給傳輸層。傳輸層提供不同主機之間端到端的通信，負責系統(tǒng)的管理信息的流動，提供傳輸服務：在發(fā)送方，應用層提供的數(shù)據(jù)流被傳輸層分段并將數(shù)據(jù)段加注標識。這種標識稱為傳輸層報文頭。在接收方，傳輸層去掉傳輸層報文頭檢驗數(shù)據(jù)在傳輸過程中是否正確，將數(shù)據(jù)段重組成數(shù)據(jù)流交給應用程序處理。

網(wǎng)絡層負責處理不同主機之間的通信，數(shù)據(jù)包的交付：在發(fā)送方，數(shù)據(jù)段（網(wǎng)絡層傳輸層提供）封裝到數(shù)據(jù)報中并填入IP報頭；在接收方，讀取IP報頭中的信息（網(wǎng)絡層）并決定如何處理數(shù)據(jù)報。

數(shù)據(jù)鏈路層把網(wǎng)絡層提供的數(shù)據(jù)報封裝成幀，幀頭中包含各種傳輸信息，把幀發(fā)送出去；在接收方，讀取幀頭中的信息（數(shù)據(jù)鏈路層）。根據(jù)發(fā)送對象決定拆開幀頭或丟棄該幀。

物理層把幀轉(zhuǎn)換成比特流的形式通過傳輸介質(zhì)將信息傳送出去。如圖2.2所示TCP各層數(shù)據(jù)封裝的示意圖。

圖2 .2 數(shù)據(jù)封裝過程

當發(fā)送客流量數(shù)據(jù)文件時，對用戶來說啟動數(shù)據(jù)文件傳輸程序，這個程序使用文件傳輸協(xié)議FTP協(xié)議和對端的傳輸服務器進行通信，文件傳輸服務產(chǎn)生相應的傳輸請求，這個請求通過TCP傳輸協(xié)議與對方之間建立傳輸通道，經(jīng)由IP協(xié)議，跨越不同的物理網(wǎng)絡，送到對方的目的主機，從而實現(xiàn)客流量數(shù)據(jù)的傳輸。

TCP的連接建立與終止過程如下[6]：

(1)連接建立

TCP要使用三次握手協(xié)議才能發(fā)完成連接的建立。當主動方發(fā)出SYN連接請求后，等待對方回答SYN+ACK，并最后對對方的 SYN 執(zhí)行 進行ACK 確認。

TCP三次握手的過程如下：

(1)客戶端發(fā)送SYN（SEQ=x）報文傳送到服務器端，之后進入SYN_SEND狀態(tài)。

(2)服務器端接收到SYN報文后，會立即發(fā)出一個SYN（SEQ=y）ACK(ACK=x+1）報文回復，完成此過程之后會進入SYN_RECV狀態(tài)。

(3)服務器端發(fā)出的SYN報文被客戶端接收到之后，回應一個ACK(ACK=y+1）報文，之后進入Established狀態(tài)。

TCP客戶端和服務器端之間的連接經(jīng)過三次握手之后就可建立，三次握手結(jié)束之后，此時就可以進行數(shù)據(jù)傳輸。

(2)連接終止

由于TCP是半關閉狀態(tài)，三次握手可建立一個連接，四次握手可終止一個連接，具體過程如下圖所示。

(1)首先需要調(diào)用close命令，該應用程序執(zhí)行此命令時稱該端執(zhí)行的是“主動關閉”命令。數(shù)據(jù)發(fā)送完成時，該端的TCP就會發(fā)送一個FIN分節(jié)。

(2)接收到由TCP確認的FIN的對端執(zhí)行 “被動關閉”命令。

(3)一段時間之后，應用程序?qū)⒄{(diào)用close命令，此時它的套接字關閉，這使得

它的TCP也發(fā)送一個FIN。

(4)接收到最終FIN執(zhí)行主動關閉的原發(fā)送端發(fā)送的命令后，TCP就會確認此FIN。

圖2 .3 TCP的三次握手

圖2 .4 TCP的四次握手

2.4 核心控制模塊

本設計采用MSP430單片機作為主控部分。MSP430單片機具有處理能力強、運算速度快、超低功耗、片內(nèi)資源豐富等優(yōu)點，綜合分析各種性能指標，本系統(tǒng)決定選用MSP430單片機[7]。

2.5 上位機軟件設計

在上位機軟件的主畫面中，對各個站點的上車人數(shù)、下車人數(shù)以及車上載人數(shù)進行顯示。利用上位機的強大功能，可以方便查看實時客流量數(shù)據(jù)和歷史客流量數(shù)據(jù)，方便對客流量的數(shù)據(jù)的調(diào)查和對不同公交車的調(diào)度。

3 結(jié)論

本文詳細闡述了公交車客流量統(tǒng)計系統(tǒng)的研究內(nèi)容及設計原理，以光電對管、單片機、EEPROM存儲器、TCP傳輸協(xié)議等作為技術支持，設計了一套統(tǒng)計精確度高、功能較為完善的智能公交車客流量統(tǒng)計系統(tǒng)。此系統(tǒng)實現(xiàn)了人數(shù)統(tǒng)計、數(shù)據(jù)存儲、數(shù)據(jù)傳輸?shù)裙δ苄枨?。此外，采用TCP傳輸協(xié)議進行數(shù)據(jù)傳輸和上位機進行客流量數(shù)據(jù)實時顯示，摒棄了傳統(tǒng)客流量統(tǒng)計的方式，采用了智能化統(tǒng)計方式，使系統(tǒng)更加合理化。

本文需要做進一步的研究[8-10]。

1.在高人流密度下的統(tǒng)計不夠精確。當在人流密度比較大的時候使用光電對管進行人數(shù)統(tǒng)計時，精確率會受到影響，沒有達到最高。因此系統(tǒng)下一步的改進方向是改善高人流密度下的客流量統(tǒng)計。

2.本文對客流量的實例僅分析了幾條公交線路，應該大規(guī)模的分析其他公交線路客流量情況，增強數(shù)據(jù)的廣泛性及正確性，以完善理論的不足之處。

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