基于GPS的公交車自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

目前城市公交系統(tǒng)飛速發(fā)展，且已基本都是無(wú)人售票，報(bào)站也由原來(lái)的售票員報(bào)站改為由司機(jī)手動(dòng)控制報(bào)站。但是由于公交司機(jī)既要開(kāi)車，又要兼顧手動(dòng)按鍵報(bào)站，所以時(shí)常出現(xiàn)誤報(bào)、漏報(bào)等現(xiàn)象，不能滿足公交系統(tǒng)的要求；另外，由于司機(jī)開(kāi)車時(shí)為報(bào)站分散精力，也對(duì)公交的安全運(yùn)行埋下了隱患。應(yīng)用自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)即可以節(jié)省員工開(kāi)支，增強(qiáng)公司效益，又可以利用報(bào)站器播報(bào)標(biāo)準(zhǔn)的普通話站名，使各城市更利于交流和發(fā)展。

GPS衛(wèi)星定位語(yǔ)音報(bào)站系統(tǒng)具有定位精度高、語(yǔ)音自動(dòng)播報(bào)等特點(diǎn)。目前市場(chǎng)上已有基于GPS的公交車自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)的試用，但這些系統(tǒng)都是基于各種單片機(jī)為處理芯片的。

車載設(shè)備安裝于公交車上，其工作環(huán)境比較惡劣，因此對(duì)設(shè)備的結(jié)構(gòu)也有一定的要求，本系統(tǒng)采用工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)的ARM9處理器。嵌入式系統(tǒng)固化于存儲(chǔ)器中，其可靠性高、成本低、體積小、功耗低。鑒于此，本研究設(shè)計(jì)了一種基于GPS的嵌入式公交車自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)公交車到達(dá)站點(diǎn)后的實(shí)時(shí)報(bào)站，預(yù)報(bào)下一站的信息，播放語(yǔ)音、視頻等信息，結(jié)合LCD進(jìn)行報(bào)站顯示，讓乘客可以更方便地了解周邊信息，也可以降低司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度。

1 GPS技術(shù)概述

全球定位系統(tǒng)GPS（Global Positioning System）是美國(guó)從20世紀(jì)70年代開(kāi)始研制，歷時(shí)20年，耗資200億美元，具有海、陸、空全方位實(shí)時(shí)三維導(dǎo)航與定位能力的新一代高精度衛(wèi)星導(dǎo)航與定位系統(tǒng)。GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動(dòng)的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交會(huì)的方法，確定待測(cè)點(diǎn)的位置。假設(shè)t時(shí)刻在地面待測(cè)點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測(cè)定GPS信號(hào)到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間?駐t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其他數(shù)據(jù)可以確定以下4個(gè)方程式，如圖 1 所示。



2 GPS通信的NMEA0183協(xié)議

通常GPS模塊支持兩種格式：二進(jìn)制消息格式和NMEA-0183 ASCII消息格式。前者的通信協(xié)議為9 600 b/s、無(wú)校驗(yàn)、8 bit數(shù)據(jù)位、1 bit停止位；后者的通信協(xié)議為4 800 b/s、無(wú)校驗(yàn)、8 bit數(shù)據(jù)位、1 bit停止位。由于NMEA-0183 ASCII格式直觀、易于識(shí)別及應(yīng)用, 因此本設(shè)備采用ASCII格式。目前GPS廠商遵循NMEA0183協(xié)議提供串行通信接口，串行通信參數(shù)為：波特率=4 800 b/s，數(shù)據(jù)位=8 bit，停止位=1 bit，無(wú)奇偶校驗(yàn)。

GPS與系統(tǒng)通信時(shí)，通過(guò)串口發(fā)送數(shù)據(jù)。系統(tǒng)接收到的GPS數(shù)據(jù)主要由幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)組成。根據(jù)數(shù)據(jù)幀的不同, 幀頭也不相同, 主要有 GPGGA、 GPGSA、GPGSV以及 GPRMC等。各類數(shù)據(jù)幀分別包含了不同的信息。
由于幀內(nèi)各數(shù)據(jù)段由逗號(hào)分割, 因此在處理緩存數(shù)據(jù)時(shí)通過(guò)搜尋ASCII 碼“ ”來(lái)判斷是否是幀頭。在對(duì)幀頭的類別進(jìn)行識(shí)別后, 再通過(guò)對(duì)所經(jīng)歷逗號(hào)個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)判斷出當(dāng)前正在處理的是哪一種定位導(dǎo)航參數(shù), 并做出相應(yīng)處理。
如果與衛(wèi)星的通信正常，則可以接收到的數(shù)據(jù)格式如下：

GPRMC,204700,A,3403.868,N,11709.432,W,001.9,336.9,170698,013.6,E*6E

數(shù)據(jù)說(shuō)明如下：

GPRMC：代表 GPS 推薦的最短數(shù)據(jù)；204700：UTC_TIME 24h制的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間，按照h/min/s的格式；
A：A或者V，A表示數(shù)據(jù)OK，V表示一個(gè)警告；
3403.868：LAT緯度值，精確到小數(shù)點(diǎn)前4位，后3位；
N：LAT_DIR N表示北緯，S表示南緯；
11709.432：LON經(jīng)度值，精確到小數(shù)點(diǎn)前5位，后3位；
W：LON_DIR W表示西經(jīng)，E表示東經(jīng)；
下面是一個(gè)接收不到衛(wèi)星信號(hào)的例子：
GPRMC,204149,V，…，170698,*3A

3 報(bào)站系統(tǒng)模塊設(shè)計(jì)

3.1 GPS數(shù)據(jù)解析模塊

在接收進(jìn)程receive中收到“n”之后，表示收到一條完整的信息。在gps_parse子程序中實(shí)現(xiàn)GPRMC格式數(shù)據(jù)的解析，show_gps子程序中實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的顯示。

從GPS原始采集的數(shù)據(jù)可以解析出年月日、時(shí)間、狀態(tài)、緯度經(jīng)度以及高度等信息，然后可以通過(guò)GPS的報(bào)站程序，按照設(shè)定的格式，只要條件滿足就執(zhí)行報(bào)站程序及數(shù)據(jù)的顯示。

3.2 串口通信的設(shè)計(jì)

打開(kāi)串口：打開(kāi)串口是通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的文件打開(kāi)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)的。

串口設(shè)置：最基本的設(shè)置串口包括波特率設(shè)置、校驗(yàn)位和停止位設(shè)置。串口的設(shè)置主要是設(shè)置struct termios結(jié)構(gòu)體的各成員值，關(guān)于該結(jié)構(gòu)體的定義可以查看/arm2410s/kernel-2410s/include/asm/termios.h文件。

讀寫(xiě)串口：設(shè)置好串口之后，讀寫(xiě)串口很容易，把串口當(dāng)作文件讀寫(xiě)就可以了。

讀取串口數(shù)據(jù)：使用文件操作read函數(shù)讀取，如果設(shè)置為原始模式(Raw Mode)傳輸數(shù)據(jù)，那么read函數(shù)返回的字符數(shù)是實(shí)際串口收到的字符數(shù)?？梢允褂貌僮魑募暮瘮?shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)異步讀取，如fcntl，或者select等操作。

關(guān)閉串口：關(guān)閉串口就是關(guān)閉文件。

3.3 語(yǔ)音報(bào)站的設(shè)計(jì)

語(yǔ)音報(bào)站是基于GPS的自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)的核心部分，只有實(shí)現(xiàn)了語(yǔ)音報(bào)站，整個(gè)系統(tǒng)才算完成。實(shí)驗(yàn)箱中的音頻驅(qū)動(dòng)程序和視頻驅(qū)動(dòng)程序都是一個(gè)獨(dú)立的程序，要想在GPS的自動(dòng)報(bào)站程序中使用音頻驅(qū)動(dòng)程序?qū)崿F(xiàn)語(yǔ)音報(bào)站，就必須用一個(gè)函數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)程序的調(diào)用。System函數(shù)就有這樣的功能。System函數(shù)已經(jīng)被收錄在標(biāo)準(zhǔn)C庫(kù)中，可以直接調(diào)用。

語(yǔ)音報(bào)站程序主要是通過(guò)system函數(shù)調(diào)用音頻驅(qū)動(dòng)程序來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果采集信號(hào)的狀態(tài)為“A”，就可以進(jìn)行數(shù)據(jù)的對(duì)比，如果在站點(diǎn)范圍內(nèi)就用system函數(shù)調(diào)用一段語(yǔ)音，如果出了站點(diǎn)范圍就調(diào)用另外一段語(yǔ)音。站點(diǎn)具體的經(jīng)度和緯度可以用數(shù)組來(lái)定義，這樣可以方便修改，也更加直觀、簡(jiǎn)單。站點(diǎn)的范圍通過(guò)一個(gè)方框限定，經(jīng)度和緯度在站點(diǎn)的100 m范圍內(nèi)。站點(diǎn)的范圍也可以用一個(gè)圓來(lái)限定，即到站點(diǎn)的距離小于d的范圍，兩個(gè)站點(diǎn)間的距離可以用公式計(jì)算。

3.4 多線程的應(yīng)用

多線程程序作為一種多任務(wù)、并發(fā)的工作方式，有以下的優(yōu)點(diǎn)：(1)提高應(yīng)用程序響應(yīng)；(2)使多CPU系統(tǒng)更加有效；(3)改善程序結(jié)構(gòu)。LIBC中的pthread庫(kù)提供了大量的API函數(shù)，為用戶編寫(xiě)應(yīng)用程序提供支持。在本程序的代碼中大量使用了線程函數(shù)，如pthread_create（線程創(chuàng)建函數(shù)）、pthread_join（等待一個(gè)線程的結(jié)束）pthread_exit（一個(gè)線程的結(jié)束）等。

4 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)及調(diào)試

4.1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件部分主要是GPS數(shù)據(jù)的解析和報(bào)站子程序的設(shè)計(jì)。目前軍用GPS接收機(jī)的定位精度已經(jīng)達(dá)到1 m，但是民用GPS定位系統(tǒng)定位精度只有10 m～20 m，而實(shí)際的公交車報(bào)站的精度只要在150 m范圍內(nèi)就可以，所以本次設(shè)計(jì)中的站點(diǎn)范圍為100 m，完全可以達(dá)到設(shè)計(jì)的要求。如果是中小城市的話可以將定位的精度進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。
由于GPS采集信號(hào)的周期是每1 s采一次，而實(shí)際上公交車站點(diǎn)之間的距離較遠(yuǎn)，且報(bào)站的時(shí)間需提前一點(diǎn)，1 s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)對(duì)比比較麻煩，每隔5 s進(jìn)行一次數(shù)據(jù)對(duì)比就可以了，所以程序中將數(shù)據(jù)對(duì)比的周期改成了5 s一次。公交車上還可以采用車輪計(jì)速的方法，每次車輪轉(zhuǎn)夠一定的圈數(shù)就進(jìn)行一次數(shù)據(jù)比對(duì)，這樣可以防止公交車到站停車后繼續(xù)執(zhí)行報(bào)站程序。

采集到的信號(hào)狀態(tài)為“A”時(shí)，執(zhí)行相應(yīng)的報(bào)站程序，但是有時(shí)候會(huì)出現(xiàn)信號(hào)不好的情況，這時(shí)就要提醒司機(jī)臨時(shí)將自動(dòng)報(bào)站改成原來(lái)的手動(dòng)報(bào)站，以防止乘客下錯(cuò)站。

系統(tǒng)的軟件流程圖如圖2所示。

GPS公交自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分。硬件以ARM9S3c2410x處理器為核心, 配置存儲(chǔ)器、I/O設(shè)備、通信模塊等必要的外設(shè)；軟件以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為核心，提供應(yīng)用編程接口API。嵌入式系統(tǒng)中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)預(yù)定的功能。自動(dòng)報(bào)站的硬件原理圖如圖3所示。

系統(tǒng)軟件部分在Linux操作系統(tǒng)中用C語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，將各模塊的程序整合到一起，配置好開(kāi)發(fā)環(huán)境，進(jìn)入GPS的目錄，用vi命令將代碼進(jìn)行編輯，然后編譯、在minicom下運(yùn)行，就可以看到結(jié)果是否正確。

4.2 系統(tǒng)調(diào)試

檢查跳線：確定試驗(yàn)平臺(tái)擴(kuò)展槽上方JP1102/JP1103跳線位于2、3之間，跳線位為EXPORT；確定GPS/GPRS模塊的JP201/JP202跳線位于模塊外側(cè)GPS端。

接入設(shè)備：關(guān)閉2410-S平臺(tái)，將GPS天線連接到GPS/GPRS模塊上，天線接收端置放在能良好接收室外信號(hào)的地方，將模塊插入2410-S擴(kuò)展插槽。

然后運(yùn)行程序，即可得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

本研究根據(jù)公交車報(bào)站的實(shí)際需要，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了基于GPS的公交車自動(dòng)報(bào)站系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用嵌入式實(shí)驗(yàn)設(shè)備實(shí)現(xiàn)了公交車的自動(dòng)報(bào)站，具有性能高、能耗低、體積小、播報(bào)準(zhǔn)確的特點(diǎn)，便于在實(shí)際運(yùn)行的公交車上使用；采用先進(jìn)的衛(wèi)星定位技術(shù)與語(yǔ)音播放技術(shù)相結(jié)合的方式，徹底改變了傳統(tǒng)公交車語(yǔ)音報(bào)站器由司機(jī)手控的方式，進(jìn)站、出站自動(dòng)播報(bào)站名及服務(wù)用語(yǔ)，準(zhǔn)確、及時(shí)，完全不需要人工介入。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以用于GPS信號(hào)的采集和自動(dòng)報(bào)站，但采集到的數(shù)據(jù)與真實(shí)值之間有一定的誤差，并且有時(shí)由于樹(shù)木、高樓的遮擋會(huì)導(dǎo)致有些路段接收GPS信號(hào)效果不佳。因此，采用數(shù)學(xué)方法（差分技術(shù)）消除數(shù)據(jù)間的誤差，利用其他輔助定位系統(tǒng)與GPS 定位相結(jié)合進(jìn)行定位來(lái)提高定位數(shù)據(jù)的精度，將是下一步研究的主要方向。