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Ultra96 FPGA上的Live NYC Subway Monitor應(yīng)用程序

1775088 2022-12-14 | zip | 3.74 MB | 次下載 | 免費(fèi)

資料介紹

描述

在隔離期間我發(fā)現(xiàn)自己在家的額外時(shí)間里，我最近在他們的開發(fā)者門戶上發(fā)現(xiàn)了谷歌的交通 API。這些 API 提供了實(shí)時(shí)跟蹤美國大城市公共交通的掛鉤。許多主要城市的交通系統(tǒng)都利用了這一點(diǎn)，并以谷歌的通用交通信息規(guī)范 (GTFS) 格式提供火車、公共汽車等的實(shí)時(shí)跟蹤信息。

GTFS 是一種用于公共交通時(shí)刻表和相關(guān)地理信息的開放數(shù)據(jù)格式。GTFS 有一個(gè)名為 GTFS Realtime 的擴(kuò)展，它是一個(gè)供公共交通機(jī)構(gòu)向應(yīng)用程序開發(fā)人員提供有關(guān)其車隊(duì)的實(shí)時(shí)更新的提要。紐約市大都會(huì)交通管理局 (MTA) 為其每條地鐵線路創(chuàng)建了 GTFS 實(shí)時(shí)提要，這些提要用于地鐵站的實(shí)時(shí)倒計(jì)時(shí)顯示，直到下一趟火車，也用于 GPS 應(yīng)用程序（如谷歌地圖）以幫助計(jì)算用戶在公共交通工具上請(qǐng)求兩個(gè)位置之間的路線時(shí)的總行程時(shí)間。MTA 大約每 30 秒用新數(shù)據(jù)更新這些提要。

作為大流行前的紐約人，我早上通勤中最令人沮喪的部分是在我的火車上門即將關(guān)閉時(shí)走進(jìn)車站，然后不得不等待 20 多分鐘才能到達(dá)下一站（在布魯克林）。作為大流行后的紐約人，一旦我的辦公室重新開放并且我不再在家工作，我非常想盡可能地限制我在火車站度過的時(shí)間。

由于我的 Ultra96 已經(jīng)與我的各種其他 SDR Web 應(yīng)用程序一起在我的家庭網(wǎng)絡(luò)上建立了自己的永久固定裝置，我決定添加另一個(gè) Web 應(yīng)用程序，我可以在我的手機(jī)上調(diào)用它來查詢 A/C/E 線路的實(shí)時(shí)饋送和解析出 C 線的特定警報(bào)和跟蹤信息，這樣我就可以在我離開公寓的時(shí)間與北行 C 線列車到達(dá)我當(dāng)?shù)剀囌镜臅r(shí)間相匹配。

有趣的事實(shí)：紐約市的 C 線擁有仍在運(yùn)行的最古老的火車車廂 (R-32s)。

考慮到項(xiàng)目構(gòu)想，在 Ultra96 FPGA 開發(fā)板上開發(fā) Web 應(yīng)用程序的主要步驟：

創(chuàng)建自定義項(xiàng)目（通常是 Python 腳本）。
創(chuàng)建將自定義項(xiàng)目集成到 Ultra96 的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器中的 Web 應(yīng)用程序 Python 后端。
創(chuàng)建 Web 應(yīng)用程序 HTML 前端作為項(xiàng)目的用戶界面網(wǎng)頁。

我的 Ultra96 V2 硬件設(shè)置與電源線和 JTAG/UART 到 USB pod。

要訪問地鐵線路的這些實(shí)時(shí)信息，MTA 需要從其開發(fā)人員門戶生成的 API 密鑰。這是為了將任何提要在任何時(shí)間點(diǎn)看到的流量保持在合理的水平。為了遵守 MTA 的使用指南，重要的是要注意這個(gè)項(xiàng)目在 Ultra96 的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上而不是在 MTA 的服務(wù)器上運(yùn)行，它絕不是 MTA 許可的，不能保證準(zhǔn)確/及時(shí)，最重要的是這個(gè)項(xiàng)目是純娛樂。如果您計(jì)劃使用 MTA 的實(shí)時(shí)供稿重新創(chuàng)建/擴(kuò)展此項(xiàng)目，請(qǐng)確保您了解 MTA 的使用規(guī)則和指南。

在描述我是如何在 Ultra96 上設(shè)置我的 Web 應(yīng)用程序以查詢這些實(shí)時(shí)提要之前的一些背景知識(shí)，GTFS Realtime 基于協(xié)議緩沖區(qū)(proto2) 語法。協(xié)議緩沖區(qū)語言最初是由Google開發(fā)的，作為存儲(chǔ)和交換結(jié)構(gòu)化信息的優(yōu)化方法。它使用接口描述語言(IDL) 來描述給定數(shù)據(jù)集的結(jié)構(gòu)，然后它實(shí)現(xiàn)一個(gè)程序，該程序從該描述生成源代碼，然后用于生成或解析表示結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的字節(jié)流。總的來說，與將數(shù)據(jù)序列化為 XML 或蟒蛇酸洗。

GTFS 實(shí)時(shí)提要包含三個(gè)主要的提要實(shí)體（又名數(shù)據(jù)類型）：行程更新、服務(wù)警報(bào)和車輛位置。這些提要實(shí)體可以以任何所需的方式組合以創(chuàng)建自定義提要。MTA 以這種方式創(chuàng)建了自己的提要，以將自己的自定義擴(kuò)展添加到 GTFS Realtime。提要通過 HTTP 提供，如我之前提到的，每隔 30 秒更新一次，并且由于提要的輸出文件是常規(guī)的二進(jìn)制文件，因此任何類型的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器都可以托管和提供該文件。這意味著Ultra96的基于 Flask 的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器可以發(fā)送有效的 HTTP GET 請(qǐng)求以返回供在 Ultra96 上處理的提要數(shù)據(jù)。

New York City Transit Subway 有 12 個(gè)提要，用于與地鐵列車的運(yùn)動(dòng)/狀態(tài)相關(guān)的所有各種數(shù)據(jù)集：FeedMessage、FeedHeader、NyctFeedHeader、TripReplacementPeriod、TripUpdate、TripDescriptor、NyctTripDescriptor、StopTimeUpdate、NyctStopTimeUpdate、StopTimeEvent、VehiclePosition 和警報(bào)。對(duì)于這個(gè)項(xiàng)目，我選擇使用 FeedMessage 提要，因?yàn)樗侨魏纹渌?NYCT (NYC Transit) 擴(kuò)展提要（NyctFeedHeader、NyctTripDescriptor 和 NyctStopTimeUpdate）引用的完整數(shù)據(jù)集。有關(guān) 12 個(gè)提要中每一個(gè)提要的說明，請(qǐng)參閱 MTA 開發(fā)人員門戶網(wǎng)站上題為“紐約市地鐵的 GTFS 實(shí)時(shí)參考”的附件文檔。

Ultra96 上的自定義項(xiàng)目將是一個(gè) Python 腳本，用于查詢 A/C/E 地鐵線路的 MTA 實(shí)時(shí)饋送，并在運(yùn)行時(shí)返回用戶指定的車站的曼哈頓方向（北行）C 列車的到達(dá)時(shí)間。相應(yīng)的自定義網(wǎng)頁將獲取此到達(dá)時(shí)間數(shù)組并為用戶列出它們，以便用戶不僅可以看到當(dāng)前設(shè)置下一班火車到達(dá)的時(shí)間，還可以看到當(dāng)前在 C 上運(yùn)行的火車的所有后續(xù)到達(dá)時(shí)間尚未停在指定車站的線路。

當(dāng)查詢 A/C/E 行的實(shí)時(shí)提要時(shí)，它會(huì)返回所有三行的數(shù)據(jù)，直到 Ultra96 上的 Python 腳本對(duì)其進(jìn)行解析，然后僅將所需的數(shù)據(jù)傳遞給網(wǎng)頁。目前，我已對(duì)其進(jìn)行硬編碼，僅查找前往曼哈頓的 C 列車的行程更新實(shí)體，因?yàn)槲易≡诓剪斂肆肿銐蜻h(yuǎn)的地方，以至于我很少從當(dāng)?shù)剀囌境俗剪斂肆?南開的 C 列車。

總體而言，在開始開發(fā) Ultra96 之前，需要從 MTA 的開發(fā)人員門戶獲取兩件事：用于 A/C/E 行的實(shí)時(shí)提要的鏈接，以及能夠查詢提要的 API 訪問密鑰。在此處創(chuàng)建 MTA 開發(fā)者帳戶并登錄后，我在屏幕頂部的“訪問密鑰”菜單選項(xiàng)下生成了自己的 API 訪問密鑰，我被要求填寫一些基本聯(lián)系信息以換取密鑰（在如果違反使用條款，MTA 將停用密鑰）。然后在 Feeds 菜單選項(xiàng)和 Subway Realtime Feeds 子菜單下，我復(fù)制了 A/C/E 行的鏈接。

選擇您感興趣的火車線路的實(shí)時(shí)饋送。

要開始使用 Ultra96 本身，需要使用 Python 包管理器 pip 安裝 Python 的 GTFS 實(shí)時(shí)綁定模塊：

pip3 install --upgrade gtfs-realtime-bindings

雖然用于 HTTP 客戶端和發(fā)送 HTTP/1.1 請(qǐng)求的 Python 模塊已經(jīng)安裝在用于 Web 服務(wù)器的 Ultra96 上，但我發(fā)現(xiàn)它們需要升級(jí)/更新才能使其與 GTFS Realtime 一起使用：

pip3 install --upgrade urllib
pip3 install --upgrade requests

Ultra96 上的自定義內(nèi)容主頁。

在 Ultra96 的自定義內(nèi)容網(wǎng)頁上，我創(chuàng)建了一個(gè)新的自定義項(xiàng)目，它打開 Ultra96 上的文本編輯器來編寫 Python 腳本。由主函數(shù)調(diào)用的核心函數(shù) c_train() 使用我唯一的 API 密鑰向 MTA 實(shí)時(shí)提要發(fā)送一個(gè)簡單的 GET 請(qǐng)求。返回提要后，腳本會(huì)解析每個(gè)實(shí)體，尋找 C 列火車的 route_id 標(biāo)簽。通過檢查trip_id 中的“N”標(biāo)簽來進(jìn)一步過濾這些實(shí)體中的每一個(gè)，以表明它是北行列車。這些提要實(shí)體中的每一個(gè)都包含一個(gè) StopTimeUpdate 子實(shí)體，其中包含一組數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)于火車尚未停靠的所有車站以及該火車在這些車站的當(dāng)前估計(jì)到達(dá)時(shí)間。每個(gè)站都有一個(gè) stop_id 標(biāo)簽，我在這個(gè)網(wǎng)站上找到了整個(gè)列表將每個(gè) stop_ids 轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的站名（我為此創(chuàng)建了子函數(shù) stationId_to_stationName()）。

就個(gè)人而言，我發(fā)現(xiàn)與其列出每列火車當(dāng)前到達(dá)的具體時(shí)間，倒計(jì)時(shí)時(shí)間列表對(duì)我來說更清楚一些。因此，例如，不要顯示下一班火車將在下午 2:30 到達(dá)，而是顯示下一班火車將在 25 分鐘后到達(dá)。這就是倒計(jì)時(shí)時(shí)鐘顯示當(dāng)前在車站本身中的工作方式，所以也許這就是我偏向于這種輸出數(shù)據(jù)格式的原因。該腳本簡單地通過使用 datetime Python 模塊查詢當(dāng)前時(shí)間從時(shí)間戳計(jì)算倒計(jì)時(shí)時(shí)間，然后從估計(jì)的到達(dá)時(shí)間中減去當(dāng)前時(shí)間，以獲得用作倒計(jì)時(shí)到達(dá)時(shí)間的時(shí)間增量。這些倒計(jì)時(shí)到達(dá)時(shí)間的數(shù)組被返回給主函數(shù)。

地鐵跟蹤項(xiàng)目Python代碼：

import os
import re
import sys
import time
import pytz
import json
import urllib
import requests
import datetime
import subprocess
from pytz import timezone
from google.transit import gtfs_realtime_pb2

def stationId_to_stationName(stationId):
    if (stationId == "A09N"):
        stationName = "168 St"
                    
    elif (stationId == "A10N"):
        stationName = "163 St - Amsterdam Av"
                    
    elif (stationId == "A11N"):
        stationName = "155 St"
                    
    elif (stationId == "A12N"):
        stationName = "145 St"
                    
    elif (stationId == "A14N"):
        stationName = "135 St"
                    
    elif (stationId == "A15N"):
        stationName = "125 St"
                    
    elif (stationId == "A16N"):
        stationName = "116 St"
                    
    elif (stationId == "A17N"):
        stationName = "Cathedral Pkwy - 110 St"
                    
    elif (stationId == "A18N"):
        stationName = "118 St"
                    
    elif (stationId == "A19N"):
        stationName = "96 St"
                    
    elif (stationId == "A20N"):
        stationName = "86 St"
                    
    elif (stationId == "A21N"):
        stationName = "81 St - Museum of Natural History"
                    
    elif (stationId == "A22N"):
        stationName = "72 St"
                    
    elif (stationId == "A24N"):
        stationName = "59 St - Columbus Circle"
                    
    elif (stationId == "A25N"):
        stationName = "50 St"
                    
    elif (stationId == "A27N"):
        stationName = "42 St - Port Authority Bus Terminal"
                    
    elif (stationId == "A28N"):
        stationName = "34 St - Penn Station"
                    
    elif (stationId == "A30N"):
        stationName = "23 St"
                    
    elif (stationId == "A31N"):
        stationName = "14 St"
                    
    elif (stationId == "A32N"):
        stationName = "W 4 St - Wash Sq"
                    
    elif (stationId == "A33N"):
        stationName = "Spring St"
                    
    elif (stationId == "A34N"):
        stationName = "Canal St"
                    
    elif (stationId == "A36N"):
        stationName = "Chambers St"
                
    elif (stationId == "A38N"):
        stationName = "Fulton St"
                
    elif (stationId == "A40N"):
        stationName = "High St"
                
    elif (stationId == "A41N"):
        stationName = "Jay St - MetroTech"
                
    elif (stationId == "A42N"):
        stationName = "Hoyt - Schermerhorn Sts"
                
    elif (stationId == "A43N"):
        stationName = "Lafayette Av"
                
    elif (stationId == "A44N"):
        stationName = "Clinton-Washington Avs"
                
    elif (stationId == "A45N"):
        stationName = "Franklin Av"
                
    elif (stationId == "A46N"):
        stationName = "Nostrand Av"
                
    elif (stationId == "A47N"):  
        stationName = "Kingston - Throop Avs"
                
    elif (stationId == "A48N"):
        stationName = "Utica Av"
                    
    elif (stationId == "A49N"):
        stationName = "Ralph Av"
                    
    elif (stationId == "A50N"):
        stationName = "Rockaway Av"
                    
    elif (stationId == "A51N"):
        stationName = "Broadway Jct"
                    
    elif (stationId == "A52N"):
        stationName = "Liberty Av"
                    
    elif (stationId == "A53N"):
        stationName = "Van Siclen Av"
                    
    elif (stationId == "A54N"):
        stationName = "Shepherd Av"
                    
    elif (stationId == "A55N"):
        stationName = "Euclid Av"

    else:
        stationName = "Invalid C line station ID"

    #print(stationName)
    return stationName

def c_train(StationIdRequested):
    #this just sets a default station in case passed argument is null
    if (StationIdRequested == ""):
        StationIdRequested == "A44N"
    
    headers = {
        "x-api-key": 'YOUR GENERATED API KEY FROM THE MTA HERE'
    }
    
    feed = gtfs_realtime_pb2.FeedMessage()
    response = urllib.request.Request('https://api-endpoint.mta.info/Dataservice/mtagtfsfeeds/nyct%2Fgtfs-ace', headers=headers)
    xml = urllib.request.urlopen(response)
    
    feed.ParseFromString(xml.read())
    
    arrival_times = []
    for entity in feed.entity:
        if (entity.trip_update.trip.route_id == "C"):
            stopCntr = 0
            
            dir_str = entity.trip_update.trip.trip_id
            direction = dir_str.find("N")
            
            if (direction != -1):
                for x in entity.trip_update.stop_time_update:
                    StationId = entity.trip_update.stop_time_update[stopCntr].stop_id
                    
                    if (StationId == StationIdRequested):
                        # Train has yet to stop at Clinton-Washington Avs
                        stationArr = entity.trip_update.stop_time_update[stopCntr].arrival
                        stationDpt = entity.trip_update.stop_time_update[stopCntr].departure
                        
                        stationName = stationId_to_stationName(StationId)
                        
                        arrString = str(stationArr)
                        arrNum = re.findall(r'\d+', arrString)
                        arrFloat = float(arrNum[0])
                        
                        dptString = str(stationDpt)
                        dptNum = re.findall(r'\d+', dptString)
                        dptFloat = float(dptNum[0])
                        
                        arrivalTime = datetime.datetime.utcfromtimestamp(arrFloat)
                        departTime = datetime.datetime.utcfromtimestamp(dptFloat)
                        
                        currTime = datetime.datetime.now(datetime.timezone.utc)
                        currTimeNaive = currTime.replace(tzinfo=None)
                        time_delta = arrivalTime - currTimeNaive
                        total_seconds = time_delta.total_seconds()
                        minutes = total_seconds/60

                        #print statement for debugging purposes
                        #print('Manhattan bound C train:', entity.trip_update.trip.trip_id, 'arriving at', stationName,'in', minutes, 'minutes')

                        arrival_times.append(minutes)
                        
                    stopCntr = stopCntr + 1
                    
    return arrival_times
    
def main(arg):
    arrivalTimes = c_train(arg)
    print(arrivalTimes)

if __name__ == "__main__":
    main(sys.argv[1])

返回到自定義內(nèi)容主網(wǎng)頁，我選擇了編輯 Webapp 選項(xiàng)，然后為運(yùn)行項(xiàng)目腳本的自定義網(wǎng)頁創(chuàng)建了一個(gè)新的后端和前端。需要注意的是，前端和后端文件的文件名必須相同，這樣 Ultra96 上的模板才能正確生成新的 webserver Python 腳本。

在 Ultra96 上的 Web 應(yīng)用程序中創(chuàng)建一個(gè)新網(wǎng)頁。

Python 后端將負(fù)責(zé)處理前端的請(qǐng)求，并將請(qǐng)求的站 ID 作為參數(shù)傳遞給 Python 腳本的 main 函數(shù)。項(xiàng)目腳本拉取并解析C行倒計(jì)時(shí)到達(dá)時(shí)間，然后返回到后端，后端將數(shù)據(jù)傳遞給前端顯示給用戶。

未經(jīng)編輯的后端文件模板。

Python后端代碼：

@app.route("/c_train_tracking.html", methods=["GET", "POST"])
def c_train_tracking():
    if request.method == "POST":
        station = request.form.get("stations", None)
        if station!=None:
            proc = subprocess.Popen('python3 /usr/share/ultra96-startup-pages/webapp/templates/CustomContent/custom/c_train_tracking.py '+station+'' ,stdout=subprocess.PIPE, stderr=subprocess.STDOUT, shell=True)
            output,err = proc.communicate()
            
            if(station == "A41N"):
                name = "Jay St - MetroTech"
            elif(station == "A42N"):
                name = "Hoyt - Schermerhorn Sts"
            elif(station == "A43N"):
                name = "Lafayette Av"
            elif(station == "A44N"):
                name = "Clinton - Washington Avs"
            
            return render_template("CustomContent/custom_front_end/c_train_tracking.html", output=output, station=station, name=name)
    return render_template("CustomContent/custom_front_end/c_train_tracking.html")

HTML 前端用作用戶界面，下拉菜單允許用戶選擇所需的車站以查詢所有未來的火車倒計(jì)時(shí)到到達(dá)時(shí)間（以分鐘為單位）（是的，我確實(shí)計(jì)劃編寫 C 火車的其余部分就像我在項(xiàng)目 Python 腳本中所做的那樣，將來會(huì)在此處駐留）。

未經(jīng)編輯的前端文件模板。

HTML前端代碼：

{% extends "Default/default.html" %}
{% block content %}

<div class="page-header">
  <h1 class="display-4"><b>{% block title %}C Train Tracker{% endblock %}b>h1>
div>


<h1>Station Wait Times for Manhattan-bound C Trainsh1>
<meta http-equiv="explore" content="B" />


<p>Select station from drop down:p>
<form id="form1" action="/c_train_tracking.html" method="POST" enctype="multipart/form-data">
    <select id="stations_dropdown" name="stations">
        <option disabled="disabled" selected="selected" value="A44N">Select Stationoption>
        <option value="A41N">Jay St - MetroTechoption>        
        <option value="A42N">Hoyt - Schermerhorn Stsoption>   
        <option value="A43N">Lafayette Avoption>              
        <option value="A44N">Clinton - Washington Avsoption>  
    select>
    <input type="submit" value="Submit">
form>
<br><br>

<h2>Arrival Times for {{ name }}h2>
<p id="times">p>

<script>
var myObj, i, x = "";
myObj = {
  "arrivalTimes":{{ output }}
};

for (i in myObj.arrivalTimes) {
  x += myObj.arrivalTimes[i] + " minutes
";
}
document.getElementById("times").innerHTML = x;
script>



{% endblock %}

完成前端和后端并返回到 Reload Webapp 頁面后，我選中了包含我的新頁面的選項(xiàng)，然后單擊按鈕重新加載 webapp。

一旦 Ultra96 重新啟動(dòng)并連接回我的 Wi-Fi，這是我第一次查詢下拉菜單中的一個(gè)站的結(jié)果：

成功。

當(dāng)一個(gè)項(xiàng)目變得既實(shí)用又有趣時(shí)，這真是太棒了，我很高興在客人連接到我的 Wi-Fi 時(shí)向他們發(fā)送鏈接（只要生活足夠正常，朋友們可以再次訪問）當(dāng)他們準(zhǔn)備回家時(shí)使用它們來計(jì)時(shí)從我的公寓步行到當(dāng)?shù)剀囌镜臅r(shí)間。尤其是在傍晚時(shí)分，火車改成更零星的夜間時(shí)間表。

我現(xiàn)在可能不會(huì)離開家，但展示我對(duì)這個(gè)項(xiàng)目的預(yù)期用途很有趣。

這也將為我在隔離后的早晨例行工作提供一些額外的結(jié)構(gòu)，因?yàn)槲覍⒂修k法準(zhǔn)確衡量我需要多慢或多快才能在車站趕上火車。

一些 HTML 魔法確保數(shù)據(jù)在移動(dòng)設(shè)備上易于閱讀。

我發(fā)現(xiàn)的唯一問題是，由于 MTA 大約每 30 秒更新一次提要，因此運(yùn)行底層項(xiàng)目 Python 腳本來查詢提要可能需要大約相同的時(shí)間。所以我注意到每隔一段時(shí)間，在點(diǎn)擊所選電臺(tái)的提交按鈕后，到達(dá)時(shí)間刷新最多需要 30 秒。