基于WIFI探针技术的公交移动预收费系统研究
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摘要：为了缓解城市道路公交车停靠时间过长导致的道路瓶颈问题，本研究拟采用新型WIFI探针技术，结合手机应用程序研究一套公交车快速收费系统，从减少收费验证时间上来大幅节省乘客上车时间，从而进一步节省公交车停靠时间，最大程度的减少公交车停靠对交通流的影响。系统主要由基于WIFI探针技术的识别验证系统和基于智能手机的公交车预支付软件组成。
关键词：公共交通;WIFI探针;预支付
中图分类号：TP391.41 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2020）01-0174-01
在城市道路中，公交车的停靠行为会影响主线车流及跟驰车辆的正常行驶，并在短时间内会汇聚大量车流，从而形成瓶颈效应[1]。研究公共交通的停靠行为，对缓解城市交通拥挤具有重要的现实意义。目前，公交车的停靠时间主要受到乘客的支付行为以及支付验证过程的影响。目前，公交车的支付方式基本由投币收费、接触式IC卡支付和二维码乘车码支付三种方式组成[2]。其中接触式IC卡支付体系中，射频卡与收费机的操作距离不宜超过0.1m，乘客刷卡的动作减缓了其上车速度;二维码乘车码支付更易受到移动信号的影响，与传统的投币付费相比，这两种方式虽然支付方式上更便捷，但仍需对乘客支付进行逐个验证，并没有真正减少实际支付的时间。综上所述，现阶段支付手段对于降低公交车辆停靠时对社会车辆的影响效果并不显著。
针对以上问题，本研究拟设计一种基于WIFI探针的公交移动预收费系统。本研究将从WIFI探针技术和公交车预支付软件的运行机制两个方面进行，设计基于WIFI探针技术的公交车快速收费系统。
1 系统整体架构
根据本系统的功能需求和相关技术要求，基于WIFI探针的公交移动预收费系统总体分为智能手机端和公交车车载端两大部分。智能手机端包括手机应用程序软件（APP）和手机内置WIFI模块;公交车车载端包括微处理器、车载WIFI探针模块和液晶显示模块等组成。
1.1 微处理器
本系统的车载端主处理器拟采用STM32F103系列微处理器。其工作频率为72MHz，采用32位RISC内核，内置128k字节的Flash存储器和20k字节的静态随机存取存储器。此芯片工作性能高，价格低廉，功耗较小，且外设丰富，同时还提供了先进的计算性能和优越的中断响应系统。
1.2 车载WIFI探针模块
车载WIFI探针模块选择Any Probe牌商用WIFI探针，选用AP851--US型号，将串口直接连接至车载微处理器搭载的主板上，该模块功率低，支持2.4G全频段探测。
1.3 液晶显示模块
为了更好的实现人机交互，本系统选择带中文字库的LCD 12864，此模块操作简单，显示分辨率为128×64，可显示4行，每行可以显示8个汉字。该模块可以直接和处理器连接，可以满足本系统的功能要求。
1.4 移动数据通信模块
采用3.3V的TTL串口，波特率1200bps到460800bps，支持SIM卡的各种型号，支持2G/3G/4G全网通，满足快速的数据交换需求。
2 关键技术
本系统所涉及的关键技术主要包括WIFI探针技术以及基于支付宝、微信小程序所开发的配套应用程序。
2.1 WIFI探针技术
WIFI探针是探测及识别附近已开启WIFI设备电子设施的专用设备，当一个具有WIFI的电子设备处于探针的侦听范围内，且WIFI设备向任意对象发送帧时，WIFI探针都能截获此帧，并获取其MAC地址及其他信息。
WIFI模块基于IEEE802.11网络协议[3]，根据无线接入协议，在手机、电脑等电子设备的WIFI终端设备和无线路由器建立连接时，会先向路由器发送PROBE帧，该帧以不加密的方式包含了终端的MAC地址和路由器的MAC地址，通过捕获PROBE帧，即可获得试图接入无线网络的终端的MAC地址。在本套系统中，以WIFI探针设备代替AP[4]，即可更快捷的捕获PROBE帧，以获得需要的MAC地址信息。根据MAC地址的唯一性原则，若建立了MAC地址和用户姓名的对应信息，就可以在探针覆盖范围内识别用户。
2.2 智能手机端应用程序
WIFI设备在智能手机、电脑等掌上设备中的应用越来越广泛，本系统中的手机端应用程序，是以具有WIFI功能的智能手机作为载体，拟在支付宝、微信小程序中开发运行手机端应用程序。
在具有WIFI设备的智能手机中，用户首先通过实名认证，其次绑定支付宝、微信等支付方式后就可以通过APP查询相应的公交线路。在选择了相应的公交线路后，即可通过支付宝或微信等支付方式进行提前支付。此时，应用程序将记录下手机WIFI模块的MAC地址，并將数据传输给云数据库中，等待公交车上的WIFI探针模块搜寻和比对。用户进行预支付之后，软件将会驱动WIFI开关保持唤醒，以保证车载端WIFI探针模块的及时捕获。
3 系统运行原理
基于以上组成部分的支持，本系统的运行过程为：在乘客等车阶段，打开手机端应用程序，选择公交线路并进行预支付。完成支付后，手机端应用程序记录下乘客的支付信息和支付手机的MAC地址，根据MAC地址的唯一性，将已支付手机的MAC地址上传到云数据库中。此时软件将会自动保持手机WIFI开关处于唤醒状态。
当公交车到站时，车门处的WIFI探针模块能够准确捕获到用户移动设备的MAC地址信息，并识别信号强度及设备类型等，并与云数据库中已预支付乘客的MAC地址数据进行快速比对，确定预支付乘客人数。
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