摘  要： 為了公交系統的安全，減輕司機的負擔，目前迫切需要智能化、自動化的語音報站系統。針對國內公交系統報站裝置應用的現狀,提出了一個基于GPS定位的嵌入式公交自動報站系統。該系統由嵌入式設備、GPS擴展板及通信接口等組成，采用Linux操作系統及GPS定位技術,自動、準確地播報站名、服務用語, 并可提供語音廣告等。系統軟件可通過串口升級, 可同時存儲多條線路，可調節定位精度，便于公交車臨時更換運營線路, 具有很好的應用前景。
關鍵詞： 全球定位系統；嵌入式；自動報站

    目前城市公交系統飛速發展，且已基本都是無人售票，報站也由原來的售票員報站改為由司機手動控制報站。但是由于公交司機既要開車，又要兼顧手動按鍵報站，所以時常出現誤報、漏報等現象，不能滿足公交系統的要求；另外，由于司機開車時為報站分散精力，也對公交的安全運行埋下了隱患。應用自動報站系統即可以節省員工開支，增強公司效益，又可以利用報站器播報標準的普通話站名，使各城市更利于交流和發展。
    GPS衛星定位語音報站系統具有定位精度高、語音自動播報等特點。目前市場上已有基于GPS的公交車自動報站系統的試用，但這些系統都是基于各種單片機為處理芯片的。
    車載設備安裝于公交車上，其工作環境比較惡劣，因此對設備的結構也有一定的要求，本系統采用工作穩定可靠、抗干擾能力強的ARM9處理器。嵌入式系統固化于存儲器中，其可靠性高、成本低、體積小、功耗低。鑒于此，本研究設計了一種基于GPS的嵌入式公交車自動報站系統，可以實現公交車到達站點后的實時報站，預報下一站的信息，播放語音、視頻等信息，結合LCD進行報站顯示，讓乘客可以更方便地了解周邊信息，也可以降低司機的勞動強度。
1 GPS技術概述
    全球定位系統GPS（Global Positioning System）是美國從20世紀70年代開始研制，歷時20年，耗資200億美元，具有海、陸、空全方位實時三維導航與定位能力的新一代高精度衛星導航與定位系統。
    GPS定位的基本原理是根據高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，采用空間距離后方交會的方法，確定待測點的位置。假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機，可以測定GPS信號到達接收機的時間?駐t，再加上接收機所接收到的衛星星歷等其他數據可以確定以下4個方程式，如圖 1 所示。
  

   
2 GPS通信的NMEA0183協議
    通常GPS模塊支持兩種格式：二進制消息格式和NMEA-0183 ASCII消息格式。前者的通信協議為9 600 b/s、無校驗、8 bit數據位、1 bit停止位；后者的通信協議為4 800 b/s、無校驗、8 bit數據位、1 bit停止位。由于NMEA-0183 ASCII格式直觀、易于識別及應用, 因此本設備采用ASCII格式。目前GPS廠商遵循NMEA0183協議提供串行通信接口，串行通信參數為：波特率=4 800 b/s，數據位=8 bit，停止位=1 bit，無奇偶校驗。
    GPS與系統通信時，通過串口發送數據。系統接收到的GPS數據主要由幀頭、幀尾和幀內數據組成。根據數據幀的不同, 幀頭也不相同, 主要有 GPGGA、  GPGSA、GPGSV以及  GPRMC等。各類數據幀分別包含了不同的信息。
    由于幀內各數據段由逗號分割, 因此在處理緩存數據時通過搜尋ASCII 碼“  ”來判斷是否是幀頭。在對幀頭的類別進行識別后, 再通過對所經歷逗號個數的計數判斷出當前正在處理的是哪一種定位導航參數, 并做出相應處理。
    如果與衛星的通信正常，則可以接收到的數據格式如下： GPRMC,204700,A,3403.868,N,11709.432,W,001.9,336.9,170698,013.6,E*6E
    數據說明如下：
    GPRMC：代表 GPS 推薦的最短數據；204700：UTC_TIME 24h制的標準時間，按照h/min/s的格式；
    A：A或者V，A表示數據"OK"，V表示一個警告；
    3403.868：LAT緯度值，精確到小數點前4位，后3位；
    N：LAT_DIR N表示北緯，S表示南緯；
    11709.432：LON經度值，精確到小數點前5位，后3位；
    W：LON_DIR W表示西經，E表示東經；
    下面是一個接收不到衛星信號的例子：
      GPRMC,204149,V，…，170698,*3A
3 報站系統模塊設計
3.1 GPS數據解析模塊
    在接收進程receive中收到“\n”之后，表示收到一條完整的信息。在gps_parse子程序中實現GPRMC格式數據的解析，show_gps子程序中實現數據的顯示。
    從GPS原始采集的數據可以解析出年月日、時間、狀態、緯度經度以及高度等信息，然后可以通過GPS的報站程序，按照設定的格式，只要條件滿足就執行報站程序及數據的顯示。
3.2 串口通信的設計
    打開串口：打開串口是通過標準的文件打開函數來實現的。
    串口設置：最基本的設置串口包括波特率設置、校驗位和停止位設置。串口的設置主要是設置struct termios結構體的各成員值，關于該結構體的定義可以查看/arm2410s/kernel-2410s/include/asm/termios.h文件。
    讀寫串口：設置好串口之后，讀寫串口很容易，把串口當作文件讀寫就可以了。
    讀取串口數據：使用文件操作read函數讀取，如果設置為原始模式(Raw Mode)傳輸數據，那么read函數返回的字符數是實際串口收到的字符數。可以使用操作文件的函數來實現異步讀取，如fcntl，或者select等操作。
    關閉串口：關閉串口就是關閉文件。
3.3 語音報站的設計
    語音報站是基于GPS的自動報站系統的核心部分，只有實現了語音報站，整個系統才算完成。實驗箱中的音頻驅動程序和視頻驅動程序都是一個獨立的程序，要想在GPS的自動報站程序中使用音頻驅動程序實現語音報站，就必須用一個函數來實現程序的調用。System函數就有這樣的功能。System函數已經被收錄在標準C庫中，可以直接調用。
    語音報站程序主要是通過system函數調用音頻驅動程序來實現的。如果采集信號的狀態為“A”，就可以進行數據的對比，如果在站點范圍內就用system函數調用一段語音，如果出了站點范圍就調用另外一段語音。站點具體的經度和緯度可以用數組來定義，這樣可以方便修改，也更加直觀、簡單。站點的范圍通過一個方框限定，經度和緯度在站點的100 m范圍內。站點的范圍也可以用一個圓來限定，即到站點的距離小于d的范圍，兩個站點間的距離可以用公式計算。
3.4 多線程的應用
    多線程程序作為一種多任務、并發的工作方式，有以下的優點：(1)提高應用程序響應；(2)使多CPU系統更加有效；(3)改善程序結構。LIBC中的pthread庫提供了大量的API函數，為用戶編寫應用程序提供支持。在本程序的代碼中大量使用了線程函數，如pthread_create（線程創建函數）、pthread_join（等待一個線程的結束）pthread_exit（一個線程的結束）等。
4 系統總體設計及調試
4.1 系統總體設計
    系統的軟件部分主要是GPS數據的解析和報站子程序的設計。目前軍用GPS接收機的定位精度已經達到1 m，但是民用GPS定位系統定位精度只有10 m～20 m，而實際的公交車報站的精度只要在150 m范圍內就可以，所以本次設計中的站點范圍為100 m，完全可以達到設計的要求。如果是中小城市的話可以將定位的精度進行適當的調整。
    由于GPS采集信號的周期是每1 s采一次，而實際上公交車站點之間的距離較遠，且報站的時間需提前一點，1 s進行一次數據對比比較麻煩，每隔5 s進行一次數據對比就可以了，所以程序中將數據對比的周期改成了5 s一次。公交車上還可以采用車輪計速的方法，每次車輪轉夠一定的圈數就進行一次數據比對，這樣可以防止公交車到站停車后繼續執行報站程序。
    采集到的信號狀態為“A”時，執行相應的報站程序，但是有時候會出現信號不好的情況，這時就要提醒司機臨時將自動報站改成原來的手動報站，以防止乘客下錯站。
    系統的軟件流程圖如圖2所示。

    GPS公交自動報站系統包含硬件和軟件兩部分。硬件以ARM9S3c2410x處理器為核心, 配置存儲器、I/O設備、通信模塊等必要的外設；軟件以嵌入式Linux操作系統為核心，提供應用編程接口API。嵌入式系統中，軟件和硬件緊密配合，協調工作，共同完成系統預定的功能。自動報站的硬件原理圖如圖3所示。

    系統軟件部分在Linux操作系統中用C語言編程實現，將各模塊的程序整合到一起，配置好開發環境，進入GPS的目錄，用vi命令將代碼進行編輯，然后編譯、在minicom下運行，就可以看到結果是否正確。
4.2 系統調試
    檢查跳線：確定試驗平臺擴展槽上方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GPS端。
    接入設備：關閉2410-S平臺，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的地方，將模塊插入2410-S擴展插槽。
    然后運行程序，即可得到實驗結果。
    本研究根據公交車報站的實際需要，設計并實現了基于GPS的公交車自動報站系統。該系統利用嵌入式實驗設備實現了公交車的自動報站，具有性能高、能耗低、體積小、播報準確的特點，便于在實際運行的公交車上使用；采用先進的衛星定位技術與語音播放技術相結合的方式，徹底改變了傳統公交車語音報站器由司機手控的方式，進站、出站自動播報站名及服務用語，準確、及時，完全不需要人工介入。實驗結果表明，該系統可以用于GPS信號的采集和自動報站，但采集到的數據與真實值之間有一定的誤差，并且有時由于樹木、高樓的遮擋會導致有些路段接收GPS信號效果不佳。因此，采用數學方法（差分技術）消除數據間的誤差，利用其他輔助定位系統與GPS 定位相結合進行定位來提高定位數據的精度，將是下一步研究的主要方向。
參考文獻
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