劉添 張洪森 黃錦波

GPS技術(shù)能夠?yàn)橛脩籼崛魏螘r(shí)間任何地點(diǎn)的準(zhǔn)確位置信息服務(wù)。此技術(shù)是將GPS接收機(jī)接收到的信號(hào)經(jīng)過誤差處理后解算得到位置信息，然后將其對(duì)應(yīng)的位置信息傳輸給連接的設(shè)備，最后連接設(shè)備會(huì)對(duì)信息做一定的數(shù)學(xué)變換后傳遞給移動(dòng)終端。

本文對(duì)國內(nèi)外研究現(xiàn)狀以及智能公交系統(tǒng)的核心技術(shù)進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)的智能公交系統(tǒng)有三個(gè)要點(diǎn)：第一是獲取GPS數(shù)據(jù)，通過衛(wèi)星定位對(duì)公交線路進(jìn)行獲??；第二是識(shí)別獲取到的GPS數(shù)據(jù)，用以對(duì)公交站點(diǎn)的自動(dòng)定位；第三是對(duì)數(shù)據(jù)的顯示，用來展示識(shí)別出的公交站點(diǎn)以及做出語音播報(bào)。文章基于GPS實(shí)現(xiàn)公交車行車路線的自動(dòng)定位，再通過單片機(jī)得到定位的坐標(biāo)信息，然后對(duì)獲得的數(shù)據(jù)作處理，能夠自動(dòng)實(shí)現(xiàn)對(duì)當(dāng)前行車的站點(diǎn)位置信息判斷，當(dāng)位置信息到達(dá)一定范圍內(nèi)時(shí)需要做出相應(yīng)站點(diǎn)的自動(dòng)語音播報(bào)，與此同時(shí)顯示當(dāng)前站點(diǎn)的信息。本文用一個(gè)簡易的系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了公交車報(bào)站的智能語音化，具有廣泛的應(yīng)用前景。

人流情況通常較為復(fù)雜，很容易影響司機(jī)工作從而導(dǎo)致報(bào)錯(cuò)站或者漏報(bào)站情況的發(fā)生。這使得公交服務(wù)質(zhì)量和乘客體驗(yàn)受到不同程度的影響，并且司機(jī)的分心也會(huì)帶來交通隱患。因此，本文提出一種基于GPS的全自動(dòng)公交語音報(bào)站器的設(shè)計(jì)方案，本方案基于GPS全球定位系統(tǒng)，不需要手動(dòng)干預(yù)，當(dāng)車輛快到車站時(shí)就可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)語音報(bào)站。

（一）總體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)主要由C8051F320單片機(jī)、OLED液晶顯示屏、GPS定位模塊和ZY1420語音模塊組成。C8051系列單片機(jī)由Silicon Labs公司推出，有豐富的外部設(shè)備接口，可通過片內(nèi)的模擬開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)多路模擬信號(hào)的采集轉(zhuǎn)換。ZY1420 模塊具有消噪功能的話筒放大器，大容量的存儲(chǔ)器具有消噪功能的話筒放大器以及自動(dòng)增益調(diào)節(jié)AGC電路，專用的語音濾波電路，還有穩(wěn)定性高的語音時(shí)鐘振蕩電路和語音處理電路。OLED 顯示屏具有屏幕大、亮度高、視覺好、節(jié)能環(huán)保、壽命長、易于數(shù)字化控制以及價(jià)位低等特點(diǎn)。與傳統(tǒng)的LCD顯示方式不同，無須背光燈，采用非常薄的有機(jī)材料涂層和玻璃基板，而且OLED顯示屏幕可制作得更輕薄，并且能夠顯著節(jié)省耗電量，更適合在公交車上使用。本設(shè)計(jì)中使用的 OLED 顯示屏為 64×16 點(diǎn)陣的單色屏體。為了保證顯示內(nèi)容與顯示屏體大小無關(guān)，設(shè)計(jì)中顯示方式采用跑馬道的形式顯示信息。由GPS模塊獲取定位到的位置坐標(biāo)信息，通過單片機(jī)對(duì)獲取到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷出當(dāng)前車輛所處位置的站點(diǎn)信息，當(dāng)達(dá)到一定范圍內(nèi)時(shí)，控制語音模塊進(jìn)行自動(dòng)語音播報(bào)，并且將采集到的信息在OLED液晶顯示屏上顯示。

（二）單片機(jī)選擇

當(dāng)前基于課題研究的設(shè)計(jì)方案，在選擇單片機(jī)的時(shí)候可有兩種方案，一種是以FPGA為基礎(chǔ)的VHDL語言設(shè)計(jì)，一種是以C8051F320單片機(jī)為基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)，兩種方案在應(yīng)用中各自具有不同的優(yōu)勢和不足。

以FPGA為基礎(chǔ)的VHDL語言設(shè)計(jì)：FPGA是一種可編程邏輯器件，其器件集成度與密度很高，在使用的時(shí)候也表現(xiàn)出簡單可行的特點(diǎn)?，F(xiàn)如今，在工業(yè)控制、網(wǎng)絡(luò)通信、航天航空、數(shù)據(jù)處理等方面均具有良好的應(yīng)用效果。隨著成本支出和功能消耗進(jìn)一步降低，可編程邏輯器件逐漸在更多的領(lǐng)域中被應(yīng)用?？删幊踢壿嬈骷趹?yīng)用期間同樣存在比較明顯的不足，利用VHDL語言編寫運(yùn)行程序，將難以實(shí)現(xiàn)課題研究效果，甚至從邏輯算法角度上分析，也不如C8051系列單片機(jī)靈活度高。在仿真環(huán)境下，基本上不能將其實(shí)現(xiàn)的功能體現(xiàn)出來，所以在本次研究中不適合應(yīng)用。

基于C8051F320單片機(jī)設(shè)計(jì)：C8051F320單片機(jī)具有較低的資源占用率和較高的使用效能。當(dāng)前，C8051F320單片機(jī)使用范圍十分廣泛，研究與開發(fā)的關(guān)于C8051F320單片機(jī)的資料極為豐富，所以初學(xué)者在自學(xué)的時(shí)候也十分方便。利用C語言程序進(jìn)行運(yùn)行程序編寫，同時(shí)也能夠?qū)崿F(xiàn)功能多樣化發(fā)展。在Proterus仿真環(huán)境上分析，可以取得較好的效果。但是，C8051F320單片機(jī)在應(yīng)用中也存在著缺陷，處理多線程和共享資源任務(wù)時(shí)存在性能限制，不能滿足當(dāng)前數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)容量和執(zhí)行效率要求。多任務(wù)處理期間也難以與以嵌入式操作系統(tǒng)框架方案相同。

本次課題研究項(xiàng)目較小，所需要處理的信息量相對(duì)不多，選擇應(yīng)用C8051F320單片機(jī)設(shè)計(jì)方案可降低成本支出，縮短開發(fā)周期，同時(shí)與專用芯片相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)功能多樣化。

（一）主要硬件系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

1.智能語音播報(bào)器硬件電路

C8051F320單片機(jī)作為控制器，語音模塊和GPS模塊均選擇單片機(jī)通訊和異步串行通行模式，將硬件連接進(jìn)行簡單化處理。因?yàn)镃8051F320單片機(jī)只存在一個(gè)串行口，所以在設(shè)計(jì)時(shí)需要將其串行口進(jìn)行拓展。

2.GPS定位模塊

當(dāng)前市面上GPS定位模塊類型較多，由于系統(tǒng)對(duì)GPS模塊的精準(zhǔn)度并沒有提出很高的要求，在選擇GPS定位模塊的時(shí)候，從成本的角度出發(fā)完成選擇。要求其精準(zhǔn)度在10M范圍之內(nèi)，并且達(dá)到課題設(shè)計(jì)的基本要求。GPS定位模塊能夠提供雙列20針對(duì)外接口，由兩組全雙工異步串行結(jié)構(gòu)組成，這種形式可為與單片機(jī)進(jìn)行通訊提供便利。

在通電之后便開始運(yùn)行，其基本的運(yùn)行過程如下所示：

首先，進(jìn)行自檢，模塊在通電以后會(huì)進(jìn)行自檢，利用輸出通道將自檢的結(jié)果顯示出來，在自檢過程中會(huì)對(duì)接收器、RAM、時(shí)鐘、Flash和晶體振蕩器進(jìn)行檢測。

其次，完成初始化自檢以后，探測和跟蹤衛(wèi)星，整個(gè)探測活動(dòng)是完全自動(dòng)展開的，若是探測過程順利，那么將會(huì)在45秒時(shí)間之內(nèi)獲取車輛的定位信息，通過應(yīng)用輸出通道將速度、位置和時(shí)間等基本信息進(jìn)行傳輸。

再次，探測完成導(dǎo)航以后，GPS定位模塊會(huì)通過輸出通道傳輸包括時(shí)間、海拔、經(jīng)緯度、速度、誤差、接受狀態(tài)等基本信息。

最后，衛(wèi)星數(shù)據(jù)收集運(yùn)行的過程中，GPS模塊會(huì)自動(dòng)完成衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)更新。

（二）主要軟件系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

1.GPS數(shù)據(jù)的接收

GPS即全球定位系統(tǒng)（Global Positioning system）。是以空中衛(wèi)星作為基礎(chǔ)，能夠高精度無線電導(dǎo)航的定位系統(tǒng)。簡而言之，它是由覆蓋全球的24顆衛(wèi)星組成的衛(wèi)星系統(tǒng)。在全世界任何時(shí)刻任何地方都能夠準(zhǔn)確定位到地理位置、時(shí)間信息和車輛行駛速度等。從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航、定位、授時(shí)等功能。它的前身是美國軍方研制出的子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)，該系統(tǒng)依靠幾顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，但是無法提供高度信息，在定位精度方面自然不盡如人意。然而，子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)已經(jīng)取得了成功的經(jīng)驗(yàn)，并且子午儀定位系統(tǒng)驗(yàn)證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行定位的可行性，可以說是為GPS的誕生作了有力的鋪墊。

LEA-4H型GPS模塊是瑞士u-blix公司制造，其優(yōu)點(diǎn)是啟動(dòng)速度快，靈敏度高等。它可通過232串口實(shí)現(xiàn)與MCU進(jìn)行數(shù)據(jù)傳送，這些數(shù)據(jù)可以是經(jīng)緯度、衛(wèi)星情況、時(shí)間位置、海拔高度等基本信息。完整定位系統(tǒng)軟件是基于GPS的定位且根據(jù)這些數(shù)據(jù)來完成的。

2.GPS數(shù)據(jù)的處理

首先在某個(gè)范圍內(nèi)建立五個(gè)站點(diǎn)位置地理坐標(biāo)數(shù)據(jù)庫，任一站點(diǎn)作為一個(gè)二維數(shù)組，其中每一數(shù)組都有兩個(gè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)代表經(jīng)度和緯度的數(shù)值。GPS系統(tǒng)接收到數(shù)據(jù)之后對(duì)收集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，再將采集到的數(shù)據(jù)與數(shù)據(jù)庫中的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，然后設(shè)置站點(diǎn)周圍某一距離范圍之內(nèi)啟動(dòng)語音自動(dòng)報(bào)站。最后可以根據(jù)站名的不同來獲取不同的語音段首地址，還可以通過定時(shí)器延時(shí)來控制報(bào)站時(shí)間長短。

其次，在公交車行駛中動(dòng)態(tài)獲取當(dāng)前位置坐標(biāo)K，然后計(jì)算當(dāng)前車輛行車位置和站點(diǎn)位置的距離，以判斷是否到站來實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)的自動(dòng)識(shí)別。當(dāng)前位置坐標(biāo)S和站點(diǎn)的距離可以通過計(jì)算公式得到。

式中，X1 ，Y1代表當(dāng)前車輛位置坐標(biāo)K，X2，Y2代表某站點(diǎn)的位置坐標(biāo)，S代表兩者之間的距離。表1及表2說明了五個(gè)站點(diǎn)的經(jīng)緯度原始數(shù)據(jù)和處理之后的數(shù)據(jù)分析。由于數(shù)據(jù)精確度問題，故設(shè)定為定位在周圍3秒范圍內(nèi)啟動(dòng)語音報(bào)站。在建立數(shù)據(jù)庫計(jì)算時(shí)只需要精確到秒就能保證實(shí)驗(yàn)的精度，所以為了簡化運(yùn)算程序，采用整數(shù)進(jìn)行運(yùn)算。

本文針對(duì)公交車自動(dòng)報(bào)站進(jìn)行研究，通過理論分析、公式推導(dǎo)、硬件開發(fā)、軟件調(diào)試研制成GPS自動(dòng)語音報(bào)站器，改變了傳統(tǒng)公交車語音報(bào)站器必須由司機(jī)控制才能工作的落后方式。本文設(shè)計(jì)的系統(tǒng)基本達(dá)到了預(yù)先的要求，實(shí)現(xiàn)了公交語音報(bào)站、LED 顯示以及語音報(bào)站功能。

作者單位：河南科技職業(yè)大學(xué)