移動通訊技術(shù)和GPS技術(shù)相結(jié)合設(shè)計公交車智能報站系統(tǒng)

引言

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

雖然手動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行報站，所以經(jīng)常出現(xiàn)報站不及時，甚至錯報、漏報的現(xiàn)象，而且讓駕駛員在駕駛過程中進行報站也存在安全隱患。采用自動報站的方式可以大大減輕駕駛員的工作量，促進公交系統(tǒng)的現(xiàn)代化進程。要實現(xiàn)自動報站，需要實時測出公交車的位置，以確定公交車是否已經(jīng)到達(dá)站點。利用GPS可以確定公交車的地理位置，只需把當(dāng)前位置同公交站點的位置數(shù)據(jù)（經(jīng)、緯度）相比較，就可以知道公交車是否到達(dá)站點，使得報站系統(tǒng)具有一定的智能性。這種基于GPS的智能報站系統(tǒng)能夠杜絕駕駛員駕駛過程中因兼顧報站器而帶來的隱患。特別適合因汽車行業(yè)高速發(fā)展而導(dǎo)致交通問題日益嚴(yán)峻的我國國情，還可以在重點線路上加入對城市景點風(fēng)貌的相關(guān)介紹。該系統(tǒng)在GPS導(dǎo)航領(lǐng)域和商業(yè)領(lǐng)域都有著非常大的潛力，具有廣闊的發(fā)展前景。

1 系統(tǒng)方案

基于GPS的公交車智能報站系統(tǒng)是移動通訊技術(shù)和GPS技術(shù)的結(jié)合，整個系統(tǒng)由S3C24l0ARM9（進階精簡指令集機器）開發(fā)板、SIM548CGPS/GPRS模塊、語音播報模塊、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（全球移動通訊系統(tǒng)）分模塊組成。GPS模塊負(fù)責(zé)GPS數(shù)據(jù)接收。公交車在行進過程中，GPS模塊的實測信息同已存儲的位置信息進行比較即可進行自動報站，無需人為干預(yù)，還可實現(xiàn)在固定位置播放某些特定信息，如乘車提示、廣告信息等。GSM模塊用于公交車與調(diào)度室之間的數(shù)據(jù)通訊，實現(xiàn)公交車的聯(lián)合調(diào)度，實現(xiàn)調(diào)度中心對公交車的調(diào)度功能。

語音播報模塊負(fù)責(zé)語音播放，提供進出站以及提示信息等語音的播放。單片機模塊控制按鍵掃描以及LCD顯示。

1.1 硬件設(shè)計

系統(tǒng)硬件部分主要由S3C2410ARM9開發(fā)板、GPS/GSM模塊、功放模塊、顯示模塊、語音播放模塊及相應(yīng)的外圍電路組成。GPRS模塊和GPS模塊均通過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串口與ARM通訊，語音播放模塊通過IIS（InterICSound）、SPI（串行外設(shè)接口）與ARM通訊。硬件連接方式如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)

GSM/GPS模塊采用SIMCOM公司的GPS/GSM模塊，該模塊是一款四頻GSM/GPRS（通用分組無線服務(wù)技術(shù)）無線模塊，同時支持SiRFStarIIIAGPS技術(shù)。

GSM/GPRS與AGPS技術(shù)的整合使得該模塊可以滿足GPS跟蹤、導(dǎo)航、車輛船舶等設(shè)備和資產(chǎn)的監(jiān)控管理以及其他GPS的應(yīng)用。鍵盤掃描和屏幕顯示由單片機做數(shù)據(jù)處理。鍵盤顯示板主要實現(xiàn)鍵盤掃描、液晶屏幕的顯示并與ARM處理器模塊進行通訊。硬件系統(tǒng)整體框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)組成

1.2 軟件總體設(shè)計

系統(tǒng)的主要功能由ARM控制，采用C語言進行編程，采用多線程處理相關(guān)功能模塊。執(zhí)行相關(guān)過程如下：

系統(tǒng)初始化完成后，依據(jù)GPS定位信息和系統(tǒng)存儲的線路信息計算位置、報站和讀取相關(guān)信息，并由ARM控制車內(nèi)的顯示模塊進行顯示、語音播放以及向數(shù)據(jù)中心進行數(shù)據(jù)傳送。

2 設(shè)計實現(xiàn)

2.1 系統(tǒng)初始化

在系統(tǒng)運行之前，必須用軟件程序?qū)Ω鞑糠诌M行初始化。初始化包括以下幾個部分：

ARM以及系統(tǒng)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和語音芯片等設(shè)備的初始化；

軟件系統(tǒng)的初始化：設(shè)置全局變量、指針和數(shù)組、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)以及公交信息初始化。

系統(tǒng)軟件部分主要是在主程序中檢測GPS信息，確定公交車當(dāng)前的地理位置，然后決定是否播放語音信息。同時還需要實現(xiàn)按鍵所要求的功能，如切換到手動播報等。本系統(tǒng)的軟件部分開發(fā)工作是基于Linux開發(fā)環(huán)境實現(xiàn)的。根據(jù)系統(tǒng)要完成的功能和各個模塊的運行情況，主程序部分采用了多線程以及消息隊列的方式，可以及時接收GPS數(shù)據(jù)。

因為只使用GPRMC幀的數(shù)據(jù)，串行通訊的數(shù)據(jù)量不大，通訊及數(shù)據(jù)處理過程比較快，系統(tǒng)能夠及時播放報站及其他語音信息。公交車途經(jīng)的各站點的經(jīng)緯度數(shù)據(jù)需要預(yù)先測量好，并存放到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)區(qū)，作為對比參考使用。GPRS的信息通過串行口傳遞，采用查詢法，按鍵也使用查詢方式進行接收，以確定按下的是哪個功能鍵。軟件采用C語言編寫，調(diào)試成功后燒錄到Flash中，實現(xiàn)脫機運行。

2.2 GPS模塊

由于該GPS模塊設(shè)置信息掉電丟失，在每次系統(tǒng)啟動時均要對該GPS模塊進行初始化。將模塊設(shè)置成每秒鐘輸出一次GPS信息。

系統(tǒng)啟動后，模塊接收GPS信息，然后解析出GPS信息，根據(jù)解析出來的經(jīng)緯度信息與數(shù)據(jù)區(qū)中存儲的站點信息比較，計算出實際距離。如果距離到達(dá)閥值時，啟動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(shù)據(jù)幀，均以MYM開頭。輸出數(shù)據(jù)采用的是ASCII碼字符，內(nèi)容包含了緯度、經(jīng)度、速度、日期、航向及衛(wèi)星狀況等信息。幀格式達(dá)10余種，該系統(tǒng)所使用的僅限于$GPRMC定位數(shù)據(jù)幀格式。

系統(tǒng)啟動后，通過串口對GPS模塊進行設(shè)置，由于系統(tǒng)對實時性要求不高，將GPS設(shè)置為每秒鐘輸出一次RMC數(shù)據(jù)。提取GPRMC語句的思路是設(shè)置一個數(shù)據(jù)緩沖區(qū)，把接收到的GPS數(shù)據(jù)都放入這個緩沖區(qū)，當(dāng)緩沖區(qū)滿了的時候就在緩沖區(qū)中查找是否接受到GPRMC定位語句，如果沒有接收到則重新接收GPS數(shù)據(jù)。如果找到了GPRMC定位語句則還要判斷該語句在緩沖區(qū)中的位置離緩沖區(qū)的最大字節(jié)數(shù)是否大于62個字節(jié)（因為本程序中需要的GPRMC定位語句所包含的字節(jié)數(shù)為62），然后通過多程序提取相關(guān)經(jīng)緯度、時間和速度等信息并通過數(shù)據(jù)處理線程進行相關(guān)處理。系統(tǒng)工作流程如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)工作流程

2.3 GPRS無線通訊模塊

由于GSM模塊內(nèi)嵌TCP/IP協(xié)議，可以直接調(diào)用AT命令與服務(wù)器通過TCP、UDP通訊。無線通訊分為上行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊和通訊模塊2個模塊。

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

下行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換模塊的功能與上行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化模塊的功能相反，它將主信息中心發(fā)送的命令進行識別后發(fā)送給車載終端，并通知用戶界面模塊顯示。

通訊模塊的主要任務(wù)是完成車載終端與監(jiān)控中心的通訊，它既可以通過GPRS網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)與主信息中心的無線通訊。如果車載終端與上位機的距離隔的很遠(yuǎn)可以直接通過GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進行連接，而且通過SIM548C模塊連接GPRS網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)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(jiān)控中心必須有因特網(wǎng)的固定IP。啟動車載終端的同時SIM548C模塊也會被啟動，這是模塊會自動連接上GPRS網(wǎng)絡(luò)進入命令模式。撥號成功以后就連接上了GPRS網(wǎng)絡(luò)了，然后對與SIM548C模塊連接的串口進行讀寫操作就可以實現(xiàn)與監(jiān)控中心的無線通訊。

在測試中發(fā)現(xiàn)，由于無線信號存在差異，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。為解決這一問題，在系統(tǒng)中采用多線程監(jiān)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 語音播放模塊

語音播放采用飛利浦SPI接口音頻芯片，驅(qū)動為Linux下的聲卡設(shè)備。通過S3C2410SPI控制音頻芯片，通過IIS傳送音頻數(shù)據(jù)，最終將音頻芯片驅(qū)動成系統(tǒng)下的標(biāo)準(zhǔn)聲卡設(shè)備。

在語音報站時，需要為公交車上的喇叭提供語音信號，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(fù)端直接接地。

該功放模塊為單聲道/立體聲、D類音頻功率放大器，能向8立體聲負(fù)載提供高達(dá)221W功率，或向單聲道4負(fù)載提供高達(dá)142W功率，效率高達(dá)87%。該功放模塊兼具D類放大器的效率和AB類放大器的性能，無需大體積散熱器，降低了功耗。該功放模塊采用+10~+18V單電源供電，可驅(qū)動BTL配置的負(fù)載。

用于播放報站、廣告和信息等語音的播放器選用基于開源的播放器，在源代碼的基礎(chǔ)上進行修改，形成適合播放短小音頻的播放線程，為系統(tǒng)體統(tǒng)音頻播放功能。

2.5 顯示按鍵模塊

鍵盤掃描和屏幕顯示由51單片機做數(shù)據(jù)處理。

鍵盤顯示板主要實現(xiàn)鍵盤掃描、液晶屏幕的顯示并與ARM處理器模塊進行通訊。

顯示按鍵模塊通過串口與數(shù)據(jù)處理模塊通訊，將掃描到按鍵發(fā)送給數(shù)據(jù)處理模塊進行處理，同時接受數(shù)據(jù)處理模塊的顯示數(shù)據(jù)命令，在相應(yīng)的液晶屏幕位置顯示數(shù)據(jù)，從而實現(xiàn)車載報站系統(tǒng)的人機交互功能，實現(xiàn)公交車的調(diào)度管理功能。

基于GPS和GPRS的公交自動報站系統(tǒng)，具定位功能，GPRS無線通訊功能，能實現(xiàn)自動報站、調(diào)度、信息收發(fā)和中心通訊，具有USB接口等優(yōu)點。

大大降低了公交員工的勞動強度，提高了公交管理的科學(xué)性。

3 結(jié)語

公交車載GPS智能報站系統(tǒng)采用GPS定位技術(shù)、無線通訊技術(shù)，具有體積小、播報準(zhǔn)確等特點。

能實現(xiàn)自動報站、調(diào)度、信息收發(fā)和中心通訊等功能。通過USB接口可使系統(tǒng)存儲多條線路，方便公交車臨時更換運營線路；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(tǒng)為建立完整的智能公交調(diào)度管理系統(tǒng)提供了關(guān)鍵的公交車載系統(tǒng)。