基于GPS的公交車智能報(bào)站系統(tǒng)設(shè)計(jì)

，，

(成都理工大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，四川 樂(lè)山 614000)

0 引言

當(dāng)今社會(huì)重點(diǎn)關(guān)注的兩大主題是能源和環(huán)境。作為一種環(huán)保、綠色、低碳的出行方式，城市公交得到市民的青睞。伴隨著城市公共交通事業(yè)的迅速發(fā)展以及電子信息技術(shù)的廣泛應(yīng)用，自動(dòng)報(bào)站技術(shù)也得到了快速發(fā)展。自動(dòng)報(bào)站技術(shù)不但提高了公交服務(wù)質(zhì)量，改善了人們的乘車體驗(yàn)，而且?guī)?lái)了一定的經(jīng)濟(jì)、社會(huì)效益，并解決了手動(dòng)報(bào)站增加司機(jī)工作量和安全隱患的弊端[1]。現(xiàn)有的報(bào)站系統(tǒng)大多需要在司機(jī)確認(rèn)車輛上行或下行方向后進(jìn)行站點(diǎn)判定，且基本無(wú)法自行解決公交車調(diào)頭和跨站后產(chǎn)生的錯(cuò)誤報(bào)站問(wèn)題。為此，設(shè)計(jì)了基于GPS和單片機(jī)的公交車智能報(bào)站系統(tǒng)，不需要GPS數(shù)據(jù)中的方位角信息，只要把公交車往返線路上的全部站點(diǎn)信息按照單向循環(huán)列表的形式存放在單片機(jī)中，通過(guò)全局搜索進(jìn)行站點(diǎn)匹配，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)定位和站點(diǎn)的全自動(dòng)判定。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)方案及工作原理

本文設(shè)計(jì)的智能報(bào)站系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)、GPS模塊、按鍵模塊、語(yǔ)音模塊和液晶顯示模塊等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

GPS模塊實(shí)時(shí)獲取公交車位置信息(經(jīng)緯度)，經(jīng)無(wú)線傳輸將信息傳送至單片機(jī)。單片機(jī)首先將GPS模塊獲取的站點(diǎn)經(jīng)緯度信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，然后將其同預(yù)先存儲(chǔ)的具體站點(diǎn)位置信息進(jìn)行比對(duì)，比對(duì)成功則表示公交車已到達(dá)站點(diǎn)，執(zhí)行進(jìn)站操作。由語(yǔ)音模塊WT588D對(duì)站點(diǎn)信息進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)，液晶顯示模塊LCD12864對(duì)站點(diǎn)信息進(jìn)行顯示。當(dāng)車輛駛離當(dāng)前站點(diǎn)后進(jìn)行下一站點(diǎn)的預(yù)報(bào)。當(dāng)GPS信號(hào)接收不正常時(shí)，啟動(dòng)手動(dòng)報(bào)站模式，保證報(bào)站系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和精準(zhǔn)性。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 主控電路

主控電路由STC89C52單片機(jī)[2]、復(fù)位電路和晶振電路構(gòu)成。晶振電路由1個(gè)晶振和2個(gè)電容組成，晶振接至單片機(jī)XTAL1和XTAL2引腳，在20 MHz頻率下工作。RC復(fù)位電路接至單片機(jī)RESET引腳，在上電瞬間，RES引腳產(chǎn)生1個(gè)正脈沖使系統(tǒng)復(fù)位。

2.2 GPS電路

GPS定位模塊采用U-BLOX公司的NEO-6M芯片，將位置數(shù)據(jù)傳送給單片機(jī)[3-4]。GPS定位模塊的串口發(fā)送引腳TXD與主控芯片P3.0引腳連接；串口接收引腳RXD不進(jìn)行數(shù)據(jù)接收時(shí)懸空；時(shí)鐘脈沖引腳PPS連接LED指示燈。當(dāng)模塊成功定位時(shí)指示燈連續(xù)閃爍。VCC接5 V電源，GND接地。

2.3 語(yǔ)音播報(bào)電路

WT588D語(yǔ)音模塊是一款集單片機(jī)、語(yǔ)音電路、SPI-Flash存儲(chǔ)器于一體的可編程語(yǔ)音系統(tǒng)[5]。在設(shè)計(jì)中，先通過(guò)VoiceChip上位機(jī)軟件將音頻文件下載到SPI-Flash存儲(chǔ)器的相應(yīng)地址段，做好地址與語(yǔ)音的對(duì)照表，放音時(shí)調(diào)用地址。WT588D的DATA數(shù)據(jù)端、CS片選端、CLK時(shí)鐘端分別與主控芯片的P2.1，P2.2，P2.3引腳連接。單片機(jī)通過(guò)這3個(gè)控制口對(duì)WT588D語(yǔ)音模塊進(jìn)行控制。PWM+和PWM-引腳直接驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行語(yǔ)音播報(bào)；語(yǔ)音模塊忙信號(hào)的狀態(tài)由發(fā)光二極管LED的亮滅反映。正向低壓降穩(wěn)壓器AMS1117將5 V電壓轉(zhuǎn)換成3 V的電壓，并給語(yǔ)音模塊供電。

2.4 LCD液晶顯示電路

漢字圖形點(diǎn)陣液晶顯示模塊LCD12864可以顯示漢字和圖形，內(nèi)置128個(gè)8×16點(diǎn)陣字符、8 192個(gè)16×16點(diǎn)陣中文漢字。每屏可顯示4行8列共32個(gè)漢字，可以基本滿足站點(diǎn)播報(bào)需求。并行接口D0 ～ D7接主控芯片P0.0 ～ P0.7引腳。RS，RW，EN分別接主控芯片的P2.5，P2.6，P2.7引腳，PSB引腳接高電平。

2.5 按鍵電路

智能報(bào)站器雖然可以實(shí)現(xiàn)在無(wú)人參與的情況下自動(dòng)報(bào)站，但為了防止自動(dòng)報(bào)站模式出現(xiàn)故障，在設(shè)計(jì)時(shí)保留了手動(dòng)報(bào)站模式[6]。手動(dòng)報(bào)站模式采用了4個(gè)獨(dú)立的功能鍵：手動(dòng)/自動(dòng)報(bào)站模式切換鍵K1；上/下行選擇鍵K2，并設(shè)有上下行狀態(tài)顯示，當(dāng)K2按下LED1發(fā)光，表示公交車在上行方向運(yùn)行，K2未按下時(shí)LED1滅，表示公交車在下行方向運(yùn)行；K3和K4分別為上一站、下一站按鍵，完成相應(yīng)站點(diǎn)信息的播報(bào)和顯示。

智能報(bào)站系統(tǒng)總體硬件電路如圖2所示。

圖2 智能報(bào)站系統(tǒng)硬件電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)工作流程

系統(tǒng)使用Keil作為軟件開(kāi)發(fā)和調(diào)試工具，編程語(yǔ)言為C語(yǔ)言，采用模塊化的設(shè)計(jì)思路。控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)了自動(dòng)報(bào)站和手動(dòng)報(bào)站2種工作模式。本文主要闡述自動(dòng)報(bào)站模式，其程序設(shè)計(jì)主要包括GPS數(shù)據(jù)的采集及轉(zhuǎn)換、自動(dòng)報(bào)站控制算法設(shè)計(jì)、站點(diǎn)信息的播報(bào)和站點(diǎn)信息的顯示等。主程序控制流程如圖3所示。

圖3 主程序流程

3.2 衛(wèi)星數(shù)據(jù)解析及經(jīng)緯度轉(zhuǎn)換

GPS模塊以NMEA-0183協(xié)議格式將數(shù)據(jù)串傳送給單片機(jī)，單片機(jī)將接收到的數(shù)據(jù)保存到寄存器中等待數(shù)據(jù)處理。以緯度數(shù)據(jù)串為例，根據(jù)NMEA-0183協(xié)議，GPS數(shù)據(jù)包語(yǔ)句格式為“$GPGGA，<1>，<2>，<3>……”。數(shù)據(jù)串第<2>位是緯度值，格式為ddmm.mmmm，其中dd為度，mm.mmmm為分。數(shù)據(jù)串<3>若是N代表北緯，若是S代表南緯。在使用時(shí)要將緯度值轉(zhuǎn)換成度、分、秒的形式，使x為度，y為分，z為秒。緯度轉(zhuǎn)換過(guò)程如下：

x=int(ddmm/100);

y=int(ddmm-100x);

z=int[(mm.mmmm-y)*60];

經(jīng)度轉(zhuǎn)換過(guò)程類似，在此不再贅述。

3.3 自動(dòng)報(bào)站算法設(shè)計(jì)

本文以L市13路公交車為例進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)13路公交車往返路線上共有12個(gè)站點(diǎn)，按照車輛正常行駛的次序從站點(diǎn)1到站點(diǎn)12單向循環(huán)列表編號(hào)，如圖4所示。任意1個(gè)站點(diǎn)都存在前站和后站。將各站點(diǎn)的站點(diǎn)編號(hào)和經(jīng)緯度信息等數(shù)據(jù)存放在單片機(jī)中。單片機(jī)按固定的采樣周期T接收GPS模塊發(fā)送來(lái)的定位信息。在進(jìn)行站點(diǎn)匹配時(shí)進(jìn)行全局站點(diǎn)搜索，保證公交車在掉頭或跨站等特殊情況都可正確匹配到站點(diǎn)[7]。當(dāng)車輛當(dāng)前位置與站點(diǎn)的線性距離≤L時(shí)，完成站點(diǎn)匹配及信息播報(bào)和顯示。根據(jù)公交車實(shí)際的行駛速度取T=1 s，L=50 m。

圖4 站點(diǎn)示意

3.3.1 進(jìn)站判定

設(shè)公交車當(dāng)前位置與任意站點(diǎn)之間的線性距離為L(zhǎng)d，公交車當(dāng)前位置與任意站點(diǎn)前站的線性距離為L(zhǎng)d+1。公交車當(dāng)前位置與任意站點(diǎn)間的線性距離Ld為[8]

(1)

Δlat為2點(diǎn)之間的緯度差；Δlon為2點(diǎn)之間的經(jīng)度差；M為緯度每一度在地球上代表的距離，單位為m。

當(dāng)往返路線上對(duì)應(yīng)的站點(diǎn)比較近時(shí)，每個(gè)周期可能匹配到2個(gè)站點(diǎn)。因此將站點(diǎn)匹配分為4種情況：第1種，前后連續(xù)2個(gè)周期都只匹配到1個(gè)站點(diǎn)，站號(hào)相同且前后2個(gè)周期測(cè)得的Ld+1在減小，則該站點(diǎn)即為當(dāng)前進(jìn)站點(diǎn)；第2種，前一個(gè)周期匹配到1個(gè)站點(diǎn)，后一個(gè)周期匹配到2個(gè)站點(diǎn)；第3種，前一個(gè)周期匹配到2個(gè)站點(diǎn)，后一個(gè)周期匹配到1個(gè)站點(diǎn)；第4種，前一個(gè)周期匹配到2個(gè)站點(diǎn)，后一個(gè)周期匹配到2個(gè)站點(diǎn)[9]。第2種和第3種情況類似，因此主要對(duì)第3、第4種情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。

設(shè)ZD1_1，ZD1_2分別為前一周期所匹配到的2個(gè)可能到達(dá)站點(diǎn)的站號(hào)；JL1_1，JL1_2分別為前一周期的公交車位置與這2個(gè)可能到達(dá)站點(diǎn)的前站之間的線性距離；ZD2_1，ZD2_2分別為當(dāng)前周期所匹配到的2個(gè)可能到達(dá)站點(diǎn)的站號(hào)；JL2_1，JL2_2分別為當(dāng)前周期的公交車位置與這2個(gè)可能到達(dá)站點(diǎn)的前站之間的線性距離。

當(dāng)?shù)?種情況發(fā)生時(shí)，前一周期匹配到的2個(gè)可能到達(dá)站點(diǎn)中必有1個(gè)與后一周期匹配站點(diǎn)一致。此時(shí)若前后2個(gè)周期所得Ld+1值呈遞減趨勢(shì)，則該一致站點(diǎn)即為車輛當(dāng)前進(jìn)站站點(diǎn)，否則認(rèn)為前一周期的另一匹配站點(diǎn)為當(dāng)前進(jìn)站點(diǎn)。判斷流程如圖5所示。

當(dāng)?shù)?種情況發(fā)生時(shí)，前后2個(gè)周期匹配到的4個(gè)站點(diǎn)應(yīng)兩兩對(duì)應(yīng)。首先比較其中一對(duì)對(duì)應(yīng)匹配站點(diǎn)在前后2個(gè)周期中所得Ld+1值，若呈遞減趨勢(shì)則認(rèn)為該匹配站點(diǎn)為當(dāng)前進(jìn)站站點(diǎn)，否則認(rèn)為另一對(duì)匹配站點(diǎn)為當(dāng)前進(jìn)站站點(diǎn)。判斷流程如圖6所示。

圖5 第3種情況控制算法設(shè)計(jì)工作流程

圖6 第4種情況控制算法設(shè)計(jì)工作流程

3.3.2 出站判定

通過(guò)進(jìn)站判定確定當(dāng)前進(jìn)站站點(diǎn)之后，繼續(xù)以設(shè)定周期T計(jì)算所接收到的公交車當(dāng)前位置與當(dāng)前進(jìn)站站點(diǎn)之間的線性距離。當(dāng)所計(jì)算的距離大于設(shè)定距離值L時(shí)，則將下一站點(diǎn)設(shè)置為預(yù)報(bào)站點(diǎn)，進(jìn)行出站預(yù)報(bào)。

3.4 語(yǔ)音播報(bào)流程

語(yǔ)音播報(bào)子程序在接收準(zhǔn)確的進(jìn)站站點(diǎn)信息后，單片機(jī)直接發(fā)送地址數(shù)據(jù)觸發(fā)語(yǔ)音模塊，播報(bào)對(duì)應(yīng)站點(diǎn)語(yǔ)音信息。模塊采用片選線CS、數(shù)據(jù)線DATA、時(shí)鐘線CLK三線串口控制模式，時(shí)序根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)SPI通信方式。片選信號(hào)CS置低5 ms后WT588D語(yǔ)音芯片工作。時(shí)鐘周期設(shè)置200 μs，在時(shí)鐘的上升沿接收地址數(shù)據(jù)。接收數(shù)據(jù)先低位再高位，數(shù)據(jù)成功接收后片選信號(hào)置高。語(yǔ)音播放忙信號(hào)BUSY在有語(yǔ)音播放20 ms后才能播放下一段語(yǔ)音。當(dāng)數(shù)據(jù)匹配時(shí)完成該站點(diǎn)對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音信息播報(bào)。

3.5 LCD顯示流程

顯示子程序在接收到準(zhǔn)確的進(jìn)站信息后，首先初始化LCD子函數(shù)，再調(diào)用定位子函數(shù)和字符子函數(shù)[10]，設(shè)置并調(diào)用站點(diǎn)信息，在LCD顯示屏上顯示站點(diǎn)信息。

4 系統(tǒng)測(cè)試

通過(guò)對(duì)GPS定位模塊測(cè)試，定位距離誤差小于10 m，滿足報(bào)站系統(tǒng)對(duì)定位精度的要求，并對(duì)公交車以下幾種特殊工況進(jìn)行測(cè)試：

a.設(shè)1號(hào)站點(diǎn)為公交線路的端站點(diǎn)，在無(wú)司機(jī)確認(rèn)車輛上下行方向的前提下，GPS數(shù)據(jù)匹配到端站點(diǎn)位置信息后可能默認(rèn)為此次運(yùn)行結(jié)束，致使公交車開(kāi)往2號(hào)站點(diǎn)時(shí)，不能準(zhǔn)確匹配站點(diǎn)信息而無(wú)法正確報(bào)站。本文采用單向循環(huán)列表方式存儲(chǔ)往返全部站點(diǎn)信息，測(cè)試車輛從1號(hào)站點(diǎn)開(kāi)往2號(hào)站點(diǎn)過(guò)程中，由于2號(hào)站點(diǎn)與11號(hào)站點(diǎn)距離較近，在連續(xù)2個(gè)搜索周期內(nèi)都匹配到2號(hào)和11號(hào)2個(gè)站點(diǎn)信息，此時(shí)根據(jù)第4種情況進(jìn)行站點(diǎn)匹配計(jì)算，測(cè)試結(jié)果表明該系統(tǒng)能夠有效解決上下行問(wèn)題并實(shí)現(xiàn)對(duì)2號(hào)站點(diǎn)準(zhǔn)確報(bào)站。

b.由于某些特殊情況，測(cè)試車輛從5號(hào)站點(diǎn)出站后調(diào)頭反行。在司機(jī)不干預(yù)的情況下，按照上下行概念將會(huì)沿著原來(lái)的運(yùn)行方向進(jìn)行站點(diǎn)匹配，而不會(huì)去匹配返向的站點(diǎn)，從而導(dǎo)致誤報(bào)或者不報(bào)站。本文采用實(shí)時(shí)全局站點(diǎn)搜索進(jìn)行站點(diǎn)匹配計(jì)算。由于車輛位置信息的刷新速度遠(yuǎn)快于車輛的行駛速度，所以根據(jù)連續(xù)2次接收的車輛實(shí)時(shí)位置信息，將車輛的實(shí)際位置信息與預(yù)存的全部站點(diǎn)信息進(jìn)行匹配，測(cè)試結(jié)果表明，在車輛突然調(diào)頭時(shí)該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確匹配到9號(hào)站點(diǎn)并進(jìn)行播報(bào)。當(dāng)某站點(diǎn)停靠多輛公交車時(shí)，部分公交車就會(huì)選擇跨站，情況和車輛掉頭類似。

公交車在任意2個(gè)站點(diǎn)之間的運(yùn)行一般分為以下3個(gè)階段：

a.進(jìn)站。距離站點(diǎn)50 m以內(nèi)，語(yǔ)音播報(bào)當(dāng)前站點(diǎn)的到站信息，LCD顯示當(dāng)前站點(diǎn)信息。

b.出站。駛出站臺(tái)20 m以外，語(yǔ)音播報(bào)下一站點(diǎn)信息。

c.運(yùn)行。出站50 m以外并且距離下一站150 m之間，可播放天氣或景點(diǎn)介紹等信息。

對(duì)L市13路公交車線路進(jìn)行測(cè)試，圖7為進(jìn)站顯示，圖8為相關(guān)信息顯示。測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)能夠準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)定位及自動(dòng)站點(diǎn)判定功能。

圖7 進(jìn)站顯示

圖8 相關(guān)信息顯示

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了基于單片機(jī)STC89C52和GPS模塊的公交車智能報(bào)站系統(tǒng)。完成了硬件電路的搭建，并設(shè)計(jì)了基于單向循環(huán)列表和全局站點(diǎn)匹配的進(jìn)站、出站判定控制算法。經(jīng)實(shí)物測(cè)試，無(wú)需上、下行方向判斷，將GPS采集的位置信息同單片機(jī)存儲(chǔ)的站點(diǎn)信息進(jìn)行比對(duì)自動(dòng)完成站點(diǎn)的匹配。在往返路線上對(duì)應(yīng)站點(diǎn)距離較近、車輛掉頭或跨站等特殊情況下無(wú)需司機(jī)干預(yù)，通過(guò)全局站點(diǎn)匹配即可快速、準(zhǔn)確匹配到站點(diǎn)。該系統(tǒng)功能完善，定位準(zhǔn)確，實(shí)現(xiàn)了報(bào)站功能的智能化。