車(chē)載公交GPS智能報站系統設計

　近年來(lái)， 隨著(zhù)城市公交事業(yè)的迅速發(fā)展， 國內公交車(chē)報站的方式已經(jīng)有了很大改善， 由傳統的售票員喊話(huà)報站逐漸變?yōu)轳{駛員使用報站器手動(dòng)報站。

　　雖然手動(dòng)報站器使用比較方便， 但是因為駕駛員需要在保證安全駕駛的前提下進(jìn)行報站， 所以經(jīng)常出現報站不及時(shí)， 甚至錯報、漏報的現象， 而且讓駕駛員在駕駛過(guò)程中進(jìn)行報站也存在安全隱患。采用自動(dòng)報站的方式可以大大減輕駕駛員的工作量， 促進(jìn)公交系統的現代化進(jìn)程。要實(shí)現自動(dòng)報站， 需要實(shí)時(shí)測出公交車(chē)的位置， 以確定公交車(chē)是否已經(jīng)到達站點(diǎn)。利用GPS 可以確定公交車(chē)的地理位置， 只需把當前位置同公交站點(diǎn)的位置數據（ 經(jīng)、緯度） 相比較， 就可以知道公交車(chē)是否到達站點(diǎn)， 使得報站系統具有一定的智能性。這種基于GPS 的智能報站系統能夠杜絕駕駛員駕駛過(guò)程中因兼顧報站器而帶來(lái)的隱患。特別適合因汽車(chē)行業(yè)高速發(fā)展而導致交通問(wèn)題日益嚴峻的我國國情， 還可以在重點(diǎn)線(xiàn)路上加入對城市景點(diǎn)風(fēng)貌的相關(guān)介紹。該系統在GPS 導航領(lǐng)域和商業(yè)領(lǐng)域都有著(zhù)非常大的潛力， 具有廣闊的發(fā)展前景。 
　　
　　1 系統方案 　
　
　　基于GPS 的公交車(chē)智能報站系統是移動(dòng)通訊技術(shù)和GPS 技術(shù)的結合， 整個(gè)系統由S3C24l0 ARM9（ 進(jìn)階精簡(jiǎn)指令集機器） 開(kāi)發(fā)板、SIM548C GPS⁄GPRS模塊、語(yǔ)音播報模塊、AT89S52 單片機以及OCMJ5X10B 的LED（ 發(fā)光二極管） 背光寬溫黃綠屏等器件組成。GSM⁄GPS 模塊由GPS 分模塊與GSM（ 全球移動(dòng)通訊系統） 分模塊組成。GPS 模塊負責GPS 數據接收。公交車(chē)在行進(jìn)過(guò)程中， GPS 模塊的實(shí)測信息同已存儲的位置信息進(jìn)行比較即可進(jìn)行自動(dòng)報站， 無(wú)需人為干預， 還可實(shí)現在固定位置播放某些特定信息， 如乘車(chē)提示、廣告信息等。GSM 模塊用于公交車(chē)與調度室之間的數據通訊， 實(shí)現公交車(chē)的聯(lián)合調度， 實(shí)現調度中心對公交車(chē)的調度功能。

　　語(yǔ)音播報模塊負責語(yǔ)音播放， 提供進(jìn)出站以及提示信息等語(yǔ)音的播放。單片機模塊控制按鍵掃描以及LCD 顯示。
 　　
　　1.1 硬件設計 　　

　　系統硬件部分主要由S3C2410 ARM9 開(kāi)發(fā)板、GPS⁄GSM 模塊、功放模塊、顯示模塊、語(yǔ)音播放模塊及相應的外圍電路組成。GPRS 模塊和GPS 模塊均通過(guò)RS232（ 串口） 與ARM 處理器相連， 而LCD（ 液晶顯示器） 模塊則由單片機控制通過(guò)串口與ARM 通訊， 語(yǔ)音播放模塊通過(guò)IIS （ Inter IC Sound） 、SPI（ 串行外設接口） 與ARM 通訊。硬件連接方式如圖1 所示。 

　　圖1 系統硬件結構 

　　GSM⁄GPS 模塊采用SIMCOM 公司的GPS⁄GSM 模塊， 該模塊是一款四頻GSM⁄GPRS（ 通用分組無(wú)線(xiàn)服務(wù)技術(shù)） 無(wú)線(xiàn)模塊， 同時(shí)支持SiRF Star III AGPS 技術(shù)。

　　GSM⁄GPRS 與AGPS 技術(shù)的整合使得該模塊可以滿(mǎn)足GPS跟蹤、導航、車(chē)輛船舶等設備和資產(chǎn)的監控管理以及其他GPS 的應用。鍵盤(pán)掃描和屏幕顯示由單片機做數據處理。鍵盤(pán)顯示板主要實(shí)現鍵盤(pán)掃描、液晶屏幕的顯示并與ARM處理器模塊進(jìn)行通訊。硬件系統整體框圖如圖2所示。 

圖2 系統組成

　　1.2 軟件總體設計
 　　
　　系統的主要功能由ARM 控制， 采用C 語(yǔ)言進(jìn)行編程， 采用多線(xiàn)程處理相關(guān)功能模塊。執行相關(guān)過(guò)程如下： 系統初始化完成后， 依據GPS 定位信息和系統存儲的線(xiàn)路信息計算位置、報站和讀取相關(guān)信息， 并由ARM 控制車(chē)內的顯示模塊進(jìn)行顯示、語(yǔ)音播放以及向數據中心進(jìn)行數據傳送。 　　2 設計實(shí)現 　　2.1 系統初始化 　　在系統運行之前， 必須用軟件程序對各部分進(jìn)行初始化。初始化包括以下幾個(gè)部分： 
　　
　　ARM 以及系統初始化；
　　顯示按鍵模塊初始化；
　　外部器件、接口初始化： 主要是GPS、GPRS和語(yǔ)音芯片等設備的初始化；
　　軟件系統的初始化： 設置全局變量、指針和數組、數據結構以及公交信息初始化。

　　系統軟件部分主要是在主程序中檢測GPS 信息， 確定公交車(chē)當前的地理位置， 然后決定是否播放語(yǔ)音信息。同時(shí)還需要實(shí)現按鍵所要求的功能， 如切換到手動(dòng)播報等。本系統的軟件部分開(kāi)發(fā)工作是基于Linux 開(kāi)發(fā)環(huán)境實(shí)現的。根據系統要完成的功能和各個(gè)模塊的運行情況， 主程序部分采用了多線(xiàn)程以及消息隊列的方式， 可以及時(shí)接收GPS 數據。

　　因為只使用GPRMC 幀的數據， 串行通訊的數據量不大， 通訊及數據處理過(guò)程比較快， 系統能夠及時(shí)播放報站及其他語(yǔ)音信息。公交車(chē)途經(jīng)的各站點(diǎn)的經(jīng)緯度數據需要預先測量好， 并存放到系統的數據區， 作為對比參考使用。GPRS 的信息通過(guò)串行口傳遞， 采用查詢(xún)法， 按鍵也使用查詢(xún)方式進(jìn)行接收， 以確定按下的是哪個(gè)功能鍵。軟件采用C 語(yǔ)言編寫(xiě)， 調試成功后燒錄到Flash 中， 實(shí)現脫機運行。

　　2.2 GPS 模塊 　
　
　　由于該GPS 模塊設置信息掉電丟失， 在每次系統啟動(dòng)時(shí)均要對該GPS 模塊進(jìn)行初始化。將模塊設置成每秒鐘輸出一次GPS 信息。

　　系統啟動(dòng)后， 模塊接收GPS 信息， 然后解析出GPS 信息， 根據解析出來(lái)的經(jīng)緯度信息與數據區中存儲的站點(diǎn)信息比較， 計算出實(shí)際距離。如果距離到達閥值時(shí)， 啟動(dòng)GPS 報站中斷。
　　該GPS 模塊接收模塊遵循NMEA.0183 協(xié)議， 可以輸出多種格式的數據幀， 均以“MYM”開(kāi)頭。輸出數據采用的是ASCII 碼字符， 內容包含了緯度、經(jīng)度、速度、日期、航向及衛星狀況等信息。幀格式達10 余種， 該系統所使用的僅限于$ GPRMC 定位數據幀格式。 
　系統啟動(dòng)后， 通過(guò)串口對GPS 模塊進(jìn)行設置，由于系統對實(shí)時(shí)性要求不高， 將GPS 設置為每秒鐘輸出一次RMC 數據。提取GPRMC 語(yǔ)句的思路是設置一個(gè)數據緩沖區， 把接收到的GPS 數據都放入這個(gè)緩沖區， 當緩沖區滿(mǎn)了的時(shí)候就在緩沖區中查找是否接受到GPRMC 定位語(yǔ)句， 如果沒(méi)有接收到則重新接收GPS 數據。如果找到了GPRMC 定位語(yǔ)句則還要判斷該語(yǔ)句在緩沖區中的位置離緩沖區的最大字節數是否大于62個(gè)字節（ 因為本程序中需要的GPRMC 定位語(yǔ)句所包含的字節數為62） , 然后通過(guò)多程序提取相關(guān)經(jīng)緯度、時(shí)間和速度等信息并通過(guò)數據處理線(xiàn)程進(jìn)行相關(guān)處理。系統工作流程如圖3 所示。 

圖3 系統工作流程 　

　　2.3 GPRS 無(wú)線(xiàn)通訊模塊 　
　
　　由于GSM 模塊內嵌TCP⁄IP 協(xié)議， 可以直接調用AT 命令與服務(wù)器通過(guò)TCP、UDP 通訊。無(wú)線(xiàn)通訊分為上行數據轉換模塊和通訊模塊2 個(gè)模塊。

　　上行數據轉換模塊的主要功能是把接收到的GPS 數據或是相關(guān)的狀態(tài)信息轉換成約定好的數據格式以便同主信息中心的通訊。該模塊會(huì )判斷需要轉換的數據是GPS 數據信息還是相關(guān)狀態(tài)信息或是二者都有， 然后選擇相應的轉換程序。由上面的介紹可以知道接收到的GPS 數據都是順序存放在數據緩沖區當中的， 需要什么數據就到緩沖區中相應的位置提取就可以了。數據都是以字符形式存放的， 所以實(shí)際要用的時(shí)候必須先轉換成整形數據。

　　下行數據轉換模塊的功能與上行數據轉化模塊的功能相反， 它將主信息中心發(fā)送的命令進(jìn)行識別后發(fā)送給車(chē)載終端， 并通知用戶(hù)界面模塊顯示。

　　通訊模塊的主要任務(wù)是完成車(chē)載終端與監控中心的通訊， 它既可以通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò )實(shí)現與主信息中心的無(wú)線(xiàn)通訊。如果車(chē)載終端與上位機的距離隔的很遠可以直接通過(guò)GPRS 網(wǎng)絡(luò )與監控中心進(jìn)行連接， 而且通過(guò)SIM548C 模塊連接GPRS 網(wǎng)絡(luò )與監控中心連接也非常方便， 只需向GPRS 模塊發(fā)送幾條AT 命令就可以了， 但是監控中心必須有因特網(wǎng)的固定IP。啟動(dòng)車(chē)載終端的同時(shí)SIM548C 模塊也會(huì )被啟動(dòng)， 這是模塊會(huì )自動(dòng)連接上GPRS 網(wǎng)絡(luò )進(jìn)入命令模式。撥號成功以后就連接上了GPRS 網(wǎng)絡(luò )了， 然后對與SIM548C 模塊連接的串口進(jìn)行讀寫(xiě)操作就可以實(shí)現與監控中心的無(wú)線(xiàn)通訊。

　　在測試中發(fā)現， 由于無(wú)線(xiàn)信號存在差異， 在某些網(wǎng)絡(luò )信號較差的地方容易與主信息中心失去網(wǎng)絡(luò )連接。為解決這一問(wèn)題， 在系統中采用多線(xiàn)程監視網(wǎng)絡(luò )連接狀態(tài)， 一旦失去網(wǎng)絡(luò )連接， 立即與主信息中心重新連接。

　　2.4 語(yǔ)音播放模塊
 　　
　　語(yǔ)音播放采用飛利浦SPI 接口音頻芯片， 驅動(dòng)為L(cháng)inux 下的聲卡設備。通過(guò)S3C2410 SPI 控制音頻芯片， 通過(guò)IIS 傳送音頻數據， 最終將音頻芯片驅動(dòng)成系統下的標準聲卡設備。

　　在語(yǔ)音報站時(shí)， 需要為公交車(chē)上的喇叭提供語(yǔ)音信號， 功放電路采用MAXIM 功放模塊， 該功放模塊采用單端輸入的方式， 輸入的負端直接接地。

　　該功放模塊為單聲道⁄立體聲、D 類(lèi)音頻功率放大器， 能向8 立體聲負載提供高達2 × 21W 功率，或向單聲道4 負載提供高達1 ×42 W 功率， 效率高達87%。該功放模塊兼具D 類(lèi)放大器的效率和AB 類(lèi)放大器的性能， 無(wú)需大體積散熱器， 降低了功耗。該功放模塊采用+ 10~ + 18 V 單電源供電， 可驅動(dòng)BTL 配置的負載。

　　用于播放報站、廣告和信息等語(yǔ)音的播放器選用基于開(kāi)源的播放器， 在源代碼的基礎上進(jìn)行修改，形成適合播放短小音頻的播放線(xiàn)程， 為系統體統音頻播放功能。 
　　
　　2.5 顯示按鍵模塊 
　　
　　鍵盤(pán)掃描和屏幕顯示由51 單片機做數據處理。

　　鍵盤(pán)顯示板主要實(shí)現鍵盤(pán)掃描、液晶屏幕的顯示并與ARM 處理器模塊進(jìn)行通訊。

　　顯示按鍵模塊通過(guò)串口與數據處理模塊通訊，將掃描到按鍵發(fā)送給數據處理模塊進(jìn)行處理， 同時(shí)接受數據處理模塊的顯示數據命令， 在相應的液晶屏幕位置顯示數據， 從而實(shí)現車(chē)載報站系統的人機交互功能， 實(shí)現公交車(chē)的調度管理功能。

　　基于GPS 和GPRS 的公交自動(dòng)報站系統， 具定位功能， GPRS 無(wú)線(xiàn)通訊功能， 能實(shí)現自動(dòng)報站、調度、信息收發(fā)和中心通訊， 具有USB 接口等優(yōu)點(diǎn)。

　　大大降低了公交員工的勞動(dòng)強度， 提高了公交管理的科學(xué)性。 　
　
　　3 結束語(yǔ) 
　　
　　公交車(chē)載GPS 智能報站系統采用GPS 定位技術(shù)、無(wú)線(xiàn)通訊技術(shù)， 具有體積小、播報準確等特點(diǎn)。

　　能實(shí)現自動(dòng)報站、調度、信息收發(fā)和中心通訊等功能。通過(guò)USB 接口可使系統存儲多條線(xiàn)路， 方便公交車(chē)臨時(shí)更換運營(yíng)線(xiàn)路； 利用按鍵和廣播等作為人機交互界面， 方便乘客接收相關(guān)信息； 可提供廣告等增值業(yè)務(wù)。系統為建立完整的智能公交調度管理系統提供了關(guān)鍵的公交車(chē)載系統。

車(chē)載公交GPS智能報站系統設計