李鴻勝，孫國璽

(江蘇科技大學(xué)計算機(jī)與電子工程學(xué)院，鎮(zhèn)江 212003)

1 引言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快和人民生活水平的不斷提高，城市人口越來越多，私家車數(shù)量逐年增加，給城市交通系統(tǒng)帶來巨大壓力。公交車具有方便、快捷、車票便宜、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，很多城市都提倡人們乘坐公交車出行。近年來，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)有了很大的改善，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。盡管手動報站的方式使用比較方便，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(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(jìn)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(jìn)公交系統(tǒng)的現(xiàn)代化進(jìn)程。有學(xué)者［5］提出利用GPS 確定公交車的地理位置，把當(dāng)前位置同公交站點(diǎn)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(diǎn)，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，還可以在相應(yīng)站點(diǎn)加入對城市景點(diǎn)的介紹、廣告植入等。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。

但是，在國內(nèi)使用基于GPS的定位導(dǎo)航系統(tǒng)將受制于美國的GPS 政策，一旦在緊要關(guān)頭特別是在戰(zhàn)爭時，如果美國有針對性地限制或關(guān)閉對我國的應(yīng)用，后果將不堪設(shè)想。我國北斗系統(tǒng)雖然在導(dǎo)航定位性能上和美國的GPS 還有差距，但是在定位精度上也能滿足公交系統(tǒng)自動報站的應(yīng)用需求。因此，把我國的北斗應(yīng)用到公交系統(tǒng)中，具有一定的戰(zhàn)略意義。

2 公交車智能管理系統(tǒng)的組成

該公交車智能報站器是在GPS、GIS(地理信息系統(tǒng))、Internet 和GPRS 網(wǎng)絡(luò)等基礎(chǔ)之上開發(fā)的公交車輛管理系統(tǒng)，具有自動報站、導(dǎo)航及定位、車輛監(jiān)控等功能。該系統(tǒng)在公交車運(yùn)營中具有很大的實用價值。公交車輛監(jiān)控系統(tǒng)主要由3個部分組成:車輛監(jiān)控中心、GPS 車載通信終端和GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)。監(jiān)控中心由GIS 數(shù)據(jù)庫和信息接收和發(fā)送服務(wù)器組成。報站器由嵌入式系統(tǒng)、GPRS 通信模塊、GPS 衛(wèi)星數(shù)據(jù)接收模塊和擴(kuò)展功能模塊組成。GPRS 無線網(wǎng)絡(luò)采用中國移動通信公司的GPRS 通信網(wǎng)絡(luò)。整個系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示。

圖1 系統(tǒng)示意圖

3 報站器的硬件設(shè)計方案

設(shè)計中的整個系統(tǒng)由LPC3250 ARM9 最小系統(tǒng)、TD3017A GPS/BD2 雙模導(dǎo)航模塊、GPRS 模塊、調(diào)度屏和SD 卡組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖2 所示。公交車在運(yùn)營過程中，主控制器將導(dǎo)航模塊接收的定位信息與站點(diǎn)的位置信息進(jìn)行比對就可以實現(xiàn)自動報站，同時也可以在相應(yīng)站點(diǎn)植入景點(diǎn)介紹、廣告等特定信息。GPRS 模塊用于公交車和調(diào)度中心的信息交互，調(diào)度中心可以實時了解每個公交車運(yùn)行情況，方便控制和管理。調(diào)度屏用于顯示公交車運(yùn)行狀態(tài)、設(shè)置手動/自動報站方式，內(nèi)置小喇叭可以播報調(diào)度中心的調(diào)度信息。

圖2 公交車自動報站器硬件結(jié)構(gòu)圖

3.1 電源過壓過流防反接電路

電源系統(tǒng)對自動報站器的可靠性運(yùn)行影響很大，好的電源電路能夠過濾掉很多通過電源電路傳入的干擾信號。由于本系統(tǒng)供電電源是車載電源，還要考慮到電源的防反接、過壓、過流保護(hù)。本電源模塊濾波、過壓過流反接保護(hù)的電路如圖3 所示。

圖3 防反接、過壓、過流保護(hù)電路

3.2 主控芯片LP3250

采用NXP 公司的LPC3250 作為控制主芯片，該芯片采用ARM926EJ－S 內(nèi)核，ARM926EJ－S 宏單元是全面可合成的，并且它具有一款Jazelle 技術(shù)增強(qiáng)型32 位RISC CPU，容量靈活可變的指令和數(shù)據(jù)緩存，緊耦合存儲器(TCM)接口和存儲器管理單元(MMU)。ARM926EJ－S 內(nèi)核實現(xiàn)了ARMv5TEJ 指令集，且包含一個增強(qiáng)型16 ×32 位乘法器，能夠在一個時鐘周期內(nèi)完成MAC 運(yùn)算。具有一個高達(dá)256KB的片內(nèi)SRAM，32KB 指令高速緩存/32KB 數(shù)據(jù)高速緩存，7個UART 串口，2個SSI 接口，2個I2C 接口，完全能夠滿足現(xiàn)在的需求。

3.3 GPS/BD2 雙模導(dǎo)航模塊

衛(wèi)星信號的接收選用的是東莞市泰斗微電子科技有限公司研發(fā)的TD3017A GPS/BD2 雙模導(dǎo)航模塊，其功耗低、重量輕、尺寸小，支持(單BD2、單GPS、雙模BD2/GPS)三種工作模式的切換，捕獲靈敏度－144dBm，跟蹤靈敏度－157dBm，定位精度小于5m，測速精度小于0.2m/s，捕獲時間小于2s，更新速率1s，通過串口遵循NMEA0183 協(xié)議輸出時間信息、經(jīng)度、緯度、高程以及接收狀態(tài)等信息，完全能夠滿足公交車自動報站的應(yīng)用。

3.4 GPRS 模塊ME3000

中興通訊的ME3000 內(nèi)嵌TCP/IP 協(xié)議棧，工作頻段EGSM 900/DCS 1800，采用雙列直插式板對板連接，適合車載應(yīng)用。尺寸:44mm × 28mm ×7.6mm。支持class1 和class4，通過AT 指令控制，通過RS232 電平與MCU相連。

3.5 SD 卡存儲模塊

SD 卡用于存儲站號、線路、上下行、模式、中文站名、經(jīng)緯度、MP3 音頻文件等信息，SD 卡與LPC3250的專用SD 接口進(jìn)行通信，采用FAT16 格式的文件系統(tǒng)，支持最大2GB的SD 卡。

3.6 音頻解碼芯片VS1003

MP3 解碼芯片采用的是芬蘭VLSI Solution 公司生產(chǎn)的VS1003 芯片，VS1003是一款單芯片的MP3/WMA/MIDI 音頻解碼和ADPCM 編碼芯片，其擁有一個高性能低功耗的DSP 處理器核VS_DSP，5KB的指令RAM，0.5KB的數(shù)據(jù)RAM，串行的控制器和數(shù)據(jù)輸入接口，4個通用I/O 口，一個UART 口;同時片內(nèi)帶有一個可變采樣率的ADC、一個立體聲DAC 以及耳機(jī)音頻放大器。

3.7 調(diào)度屏

調(diào)度屏選用的是廣州國業(yè)電子的GY－D2 型車載調(diào)度屏，該調(diào)度屏用于語音、文字播報、短信通信和終端設(shè)置。它的功能有收發(fā)短信、閱讀短信、文字播報(自動語音朗讀信息)、撥打接聽(免提)電話、車輛調(diào)度、司機(jī)搶單、看車、電召等。具有操作簡便、安全可靠、一目了然等特點(diǎn)。

4 報站器的軟件設(shè)計說明

4.1 整個系統(tǒng)的程序流程

報站器的軟件設(shè)計主要是在主函數(shù)中檢測導(dǎo)航定位信息，確定公交車所處的位置和SD 卡中站點(diǎn)信息對比，判斷是否到站，如果到站，調(diào)用SD 卡中相應(yīng)MP3 文件送給音頻解碼芯片播報。同時還需要實現(xiàn)按鍵功能，如切換手動自動報站方式、按鍵報站等。另外，GPRS 信息通過串口傳遞，和按鍵一樣都采用查詢法，以確定是哪個功能命令。該軟件設(shè)計開發(fā)的過程基于KEIL 開發(fā)環(huán)境。整個系統(tǒng)的程序流程如圖4 所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程

4.2 GPS/BD2 信息的接收和處理

TD3017A 雙模導(dǎo)航模塊的輸出遵循NMEA－0183 協(xié)議，以“$”開頭，輸出的數(shù)據(jù)采用的是ASCⅡ碼字符，幀格式有GGA、GLL、GSA、GSV、RMC 和TXT 等，內(nèi)容包含了經(jīng)度、緯度、速度、時間及衛(wèi)星運(yùn)行狀況等基本信息。

特別地，該導(dǎo)航模塊支持(單BD2/GPS/雙模BD2/GPS)三種工作模式的切換。選用該雙模導(dǎo)航模塊，不僅提高了導(dǎo)航定位的精度，而且增加了系統(tǒng)的可靠性，我國的公交系統(tǒng)智能化運(yùn)營不再完全受制于美國。根據(jù)需要，上位機(jī)通過串口給導(dǎo)航模塊發(fā)命令可以實現(xiàn)三種工作模式的切換，命令如表1所示。

表1 工作模式切換語句

測試中接收到TD3017A 一組工作在BD2/GPS雙模模式下的衛(wèi)星導(dǎo)航數(shù)據(jù)如下:

根據(jù)NMEA0183 通信協(xié)議，只要從上述數(shù)據(jù)中，解析出一條$GNRMC 記錄就可以提取出所需要的信息。對照NMEA0183 通信協(xié)議中對$GNRMC 記錄的格式說明，從上組數(shù)據(jù)可以知道，該測試點(diǎn)的緯度是北緯23.09927161 度，經(jīng)度是東經(jīng)113.25858832 度，速度為0(靜止物體)，UTC時間為050912.00。由此便完成了導(dǎo)航數(shù)據(jù)的解析，通過軟件處理決定是否報站。

5 結(jié)束語

這種基于GPS/BD2 雙模導(dǎo)航的公交車自動語音報站器設(shè)計方案，能提升公交服務(wù)的質(zhì)量，降低司機(jī)的勞動強(qiáng)度，同時也方便了控制中心的調(diào)度管理，能有效推動公交系統(tǒng)的現(xiàn)代化。在國際關(guān)系日益復(fù)雜的今天，在軍事、公共設(shè)施等關(guān)鍵領(lǐng)域引入北斗系統(tǒng)，減少對美國GPS的依賴，具有一定的戰(zhàn)略意義。

該系統(tǒng)還存在一些不足，在有些城市，因為樹木、高樓的遮擋，存在有些路段接收不到衛(wèi)星信號的問題，這就需要利用陀螺儀等其它輔助定位系統(tǒng)和衛(wèi)星定位相結(jié)合進(jìn)行定位。另外，該報站器與控制中心的信息交互也少，待時機(jī)成熟時，可以考慮加入CAN 總線模塊采集公交車油量、溫度等開關(guān)量信息;安裝攝像頭，改用3G 模塊，實現(xiàn)公交車內(nèi)視頻數(shù)據(jù)的上傳。

［1］杜春雷.ARM 體系結(jié)構(gòu)與編程［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2003.

［2］謝剛.GPS 原理與接收機(jī)設(shè)計［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2009.

［3］艾可武，張劍波，艾可文，等.嵌入式系統(tǒng)的C 語言設(shè)計［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

［4］田澤.ARM9 嵌入式Linux 開發(fā)實驗與實踐［M］.北京:北京航天航空大學(xué)出版社，2006.

［5］黃金明.基于ARM9的公交車智能報站系統(tǒng)的設(shè)計［M］.自動化儀表，2008，29(6):53－55.

［6］泰斗微電子.TD3017A 雙模授時定位模組產(chǎn)品手冊［EB/0L］.2011.11.http://www.techtotop.com.