基于GPS的公交車自動語音報站系統的研究

劉添 張洪森 黃錦波

GPS技術能夠為用戶提任何時間任何地點的準確位置信息服務。此技術是將GPS接收機接收到的信號經過誤差處理后解算得到位置信息，然后將其對應的位置信息傳輸給連接的設備，最后連接設備會對信息做一定的數學變換后傳遞給移動終端。

本文對國內外研究現狀以及智能公交系統的核心技術進行分析，設計的智能公交系統有三個要點：第一是獲取GPS數據，通過衛星定位對公交線路進行獲取；第二是識別獲取到的GPS數據，用以對公交站點的自動定位；第三是對數據的顯示，用來展示識別出的公交站點以及做出語音播報。文章基于GPS實現公交車行車路線的自動定位，再通過單片機得到定位的坐標信息，然后對獲得的數據作處理，能夠自動實現對當前行車的站點位置信息判斷，當位置信息到達一定范圍內時需要做出相應站點的自動語音播報，與此同時顯示當前站點的信息。本文用一個簡易的系統，實現了公交車報站的智能語音化，具有廣泛的應用前景。

人流情況通常較為復雜，很容易影響司機工作從而導致報錯站或者漏報站情況的發生。這使得公交服務質量和乘客體驗受到不同程度的影響，并且司機的分心也會帶來交通隱患。因此，本文提出一種基于GPS的全自動公交語音報站器的設計方案，本方案基于GPS全球定位系統，不需要手動干預，當車輛快到車站時就可以實現自動語音報站。

（一）總體系統設計

系統主要由C8051F320單片機、OLED液晶顯示屏、GPS定位模塊和ZY1420語音模塊組成。C8051系列單片機由Silicon Labs公司推出，有豐富的外部設備接口，可通過片內的模擬開關實現對多路模擬信號的采集轉換。ZY1420 模塊具有消噪功能的話筒放大器，大容量的存儲器具有消噪功能的話筒放大器以及自動增益調節AGC電路，專用的語音濾波電路，還有穩定性高的語音時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、節能環保、壽命長、易于數字化控制以及價位低等特點。與傳統的LCD顯示方式不同，無須背光燈，采用非常薄的有機材料涂層和玻璃基板，而且OLED顯示屏幕可制作得更輕薄，并且能夠顯著節省耗電量，更適合在公交車上使用。本設計中使用的 OLED 顯示屏為 64×16 點陣的單色屏體。為了保證顯示內容與顯示屏體大小無關，設計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信息，通過單片機對獲取到的數據進行處理，判斷出當前車輛所處位置的站點信息，當達到一定范圍內時，控制語音模塊進行自動語音播報，并且將采集到的信息在OLED液晶顯示屏上顯示。

（二）單片機選擇

當前基于課題研究的設計方案，在選擇單片機的時候可有兩種方案，一種是以FPGA為基礎的VHDL語言設計，一種是以C8051F320單片機為基礎的設計，兩種方案在應用中各自具有不同的優勢和不足。

以FPGA為基礎的VHDL語言設計：FPGA是一種可編程邏輯器件，其器件集成度與密度很高，在使用的時候也表現出簡單可行的特點。現如今，在工業控制、網絡通信、航天航空、數據處理等方面均具有良好的應用效果。隨著成本支出和功能消耗進一步降低，可編程邏輯器件逐漸在更多的領域中被應用。可編程邏輯器件在應用期間同樣存在比較明顯的不足，利用VHDL語言編寫運行程序，將難以實現課題研究效果，甚至從邏輯算法角度上分析，也不如C8051系列單片機靈活度高。在仿真環境下，基本上不能將其實現的功能體現出來，所以在本次研究中不適合應用。

基于C8051F320單片機設計：C8051F320單片機具有較低的資源占用率和較高的使用效能。當前，C8051F320單片機使用范圍十分廣泛，研究與開發的關于C8051F320單片機的資料極為豐富，所以初學者在自學的時候也十分方便。利用C語言程序進行運行程序編寫，同時也能夠實現功能多樣化發展。在Proterus仿真環境上分析，可以取得較好的效果。但是，C8051F320單片機在應用中也存在著缺陷，處理多線程和共享資源任務時存在性能限制，不能滿足當前數據信息存儲容量和執行效率要求。多任務處理期間也難以與以嵌入式操作系統框架方案相同。

本次課題研究項目較小，所需要處理的信息量相對不多，選擇應用C8051F320單片機設計方案可降低成本支出，縮短開發周期，同時與專用芯片相結合，能夠實現功能多樣化。

（一）主要硬件系統研究與設計

1.智能語音播報器硬件電路

C8051F320單片機作為控制器，語音模塊和GPS模塊均選擇單片機通訊和異步串行通行模式，將硬件連接進行簡單化處理。因為C8051F320單片機只存在一個串行口，所以在設計時需要將其串行口進行拓展。

2.GPS定位模塊

當前市面上GPS定位模塊類型較多，由于系統對GPS模塊的精準度并沒有提出很高的要求，在選擇GPS定位模塊的時候，從成本的角度出發完成選擇。要求其精準度在10M范圍之內，并且達到課題設計的基本要求。GPS定位模塊能夠提供雙列20針對外接口，由兩組全雙工異步串行結構組成，這種形式可為與單片機進行通訊提供便利。

在通電之后便開始運行，其基本的運行過程如下所示：

首先，進行自檢，模塊在通電以后會進行自檢，利用輸出通道將自檢的結果顯示出來，在自檢過程中會對接收器、RAM、時鐘、Flash和晶體振蕩器進行檢測。

其次，完成初始化自檢以后，探測和跟蹤衛星，整個探測活動是完全自動展開的，若是探測過程順利，那么將會在45秒時間之內獲取車輛的定位信息，通過應用輸出通道將速度、位置和時間等基本信息進行傳輸。

再次，探測完成導航以后，GPS定位模塊會通過輸出通道傳輸包括時間、海拔、經緯度、速度、誤差、接受狀態等基本信息。

最后，衛星數據收集運行的過程中，GPS模塊會自動完成衛星軌道數據更新。

（二）主要軟件系統研究與設計

1.GPS數據的接收

GPS即全球定位系統（Global Positioning system）。是以空中衛星作為基礎，能夠高精度無線電導航的定位系統。簡而言之，它是由覆蓋全球的24顆衛星組成的衛星系統。在全世界任何時刻任何地方都能夠準確定位到地理位置、時間信息和車輛行駛速度等。從而實現導航、定位、授時等功能。它的前身是美國軍方研制出的子午儀衛星定位系統，該系統依靠幾顆衛星組成的星網工作，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，子午儀衛星定位系統已經取得了成功的經驗，并且子午儀定位系統驗證了由衛星系統進行定位的可行性，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，其優點是啟動速度快，靈敏度高等。它可通過232串口實現與MCU進行數據傳送，這些數據可以是經緯度、衛星情況、時間位置、海拔高度等基本信息。完整定位系統軟件是基于GPS的定位且根據這些數據來完成的。

2.GPS數據的處理

首先在某個范圍內建立五個站點位置地理坐標數據庫，任一站點作為一個二維數組，其中每一數組都有兩個數據存儲代表經度和緯度的數值。GPS系統接收到數據之后對收集的數據進行處理，再將采集到的數據與數據庫中的數據進行對比，然后設置站點周圍某一距離范圍之內啟動語音自動報站。最后可以根據站名的不同來獲取不同的語音段首地址，還可以通過定時器延時來控制報站時間長短。

其次，在公交車行駛中動態獲取當前位置坐標K，然后計算當前車輛行車位置和站點位置的距離，以判斷是否到站來實現站點的自動識別。當前位置坐標S和站點的距離可以通過計算公式得到。

式中，X1 ，Y1代表當前車輛位置坐標K，X2，Y2代表某站點的位置坐標，S代表兩者之間的距離。表1及表2說明了五個站點的經緯度原始數據和處理之后的數據分析。由于數據精確度問題，故設定為定位在周圍3秒范圍內啟動語音報站。在建立數據庫計算時只需要精確到秒就能保證實驗的精度，所以為了簡化運算程序，采用整數進行運算。

本文針對公交車自動報站進行研究，通過理論分析、公式推導、硬件開發、軟件調試研制成GPS自動語音報站器，改變了傳統公交車語音報站器必須由司機控制才能工作的落后方式。本文設計的系統基本達到了預先的要求，實現了公交語音報站、LED 顯示以及語音報站功能。

作者單位：河南科技職業大學