基于GPS的公交车自动语音报站系统的研究

刘添 张洪森 黄锦波

GPS技术能够为用户提任何时间任何地点的准确位置信息服务。此技术是将GPS接收机接收到的信号经过误差处理后解算得到位置信息，然后将其对应的位置信息传输给连接的设备，最后连接设备会对信息做一定的数学变换后传递给移动终端。

本文对国内外研究现状以及智能公交系统的核心技术进行分析，设计的智能公交系统有三个要点：第一是获取GPS数据，通过卫星定位对公交线路进行获取；第二是识别获取到的GPS数据，用以对公交站点的自动定位；第三是对数据的显示，用来展示识别出的公交站点以及做出语音播报。文章基于GPS实现公交车行车路线的自动定位，再通过单片机得到定位的坐标信息，然后对获得的数据作处理，能够自动实现对当前行车的站点位置信息判断，当位置信息到达一定范围内时需要做出相应站点的自动语音播报，与此同时显示当前站点的信息。本文用一个简易的系统，实现了公交车报站的智能语音化，具有广泛的应用前景。

人流情况通常较为复杂，很容易影响司机工作从而导致报错站或者漏报站情况的发生。这使得公交服务质量和乘客体验受到不同程度的影响，并且司机的分心也会带来交通隐患。因此，本文提出一种基于GPS的全自动公交语音报站器的设计方案，本方案基于GPS全球定位系统，不需要手动干预，当车辆快到车站时就可以实现自动语音报站。

（一）总体系统设计

系统主要由C8051F320单片机、OLED液晶显示屏、GPS定位模块和ZY1420语音模块组成。C8051系列单片机由Silicon Labs公司推出，有丰富的外部设备接口，可通过片内的模拟开关实现对多路模拟信号的采集转换。ZY1420 模块具有消噪功能的话筒放大器，大容量的存储器具有消噪功能的话筒放大器以及自动增益调节AGC电路，专用的语音滤波电路，还有稳定性高的语音时钟振荡电路和语音处理电路。OLED 显示屏具有屏幕大、亮度高、视觉好、节能环保、寿命长、易于数字化控制以及价位低等特点。与传统的LCD显示方式不同，无须背光灯，采用非常薄的有机材料涂层和玻璃基板，而且OLED显示屏幕可制作得更轻薄，并且能够显著节省耗电量，更适合在公交车上使用。本设计中使用的 OLED 显示屏为 64×16 点阵的单色屏体。为了保证显示内容与显示屏体大小无关，设计中显示方式采用跑马道的形式显示信息。由GPS模块获取定位到的位置坐标信息，通过单片机对获取到的数据进行处理，判断出当前车辆所处位置的站点信息，当达到一定范围内时，控制语音模块进行自动语音播报，并且将采集到的信息在OLED液晶显示屏上显示。

（二）单片机选择

当前基于课题研究的设计方案，在选择单片机的时候可有两种方案，一种是以FPGA为基础的VHDL语言设计，一种是以C8051F320单片机为基础的设计，两种方案在应用中各自具有不同的优势和不足。

以FPGA为基础的VHDL语言设计：FPGA是一种可编程逻辑器件，其器件集成度与密度很高，在使用的时候也表现出简单可行的特点。现如今，在工业控制、网络通信、航天航空、数据处理等方面均具有良好的应用效果。随着成本支出和功能消耗进一步降低，可编程逻辑器件逐渐在更多的领域中被应用。可编程逻辑器件在应用期间同样存在比较明显的不足，利用VHDL语言编写运行程序，将难以实现课题研究效果，甚至从逻辑算法角度上分析，也不如C8051系列单片机灵活度高。在仿真环境下，基本上不能将其实现的功能体现出来，所以在本次研究中不适合应用。

基于C8051F320单片机设计：C8051F320單片机具有较低的资源占用率和较高的使用效能。当前，C8051F320单片机使用范围十分广泛，研究与开发的关于C8051F320单片机的资料极为丰富，所以初学者在自学的时候也十分方便。利用C语言程序进行运行程序编写，同时也能够实现功能多样化发展。在Proterus仿真环境上分析，可以取得较好的效果。但是，C8051F320单片机在应用中也存在着缺陷，处理多线程和共享资源任务时存在性能限制，不能满足当前数据信息存储容量和执行效率要求。多任务处理期间也难以与以嵌入式操作系统框架方案相同。

本次课题研究项目较小，所需要处理的信息量相对不多，选择应用C8051F320单片机设计方案可降低成本支出，缩短开发周期，同时与专用芯片相结合，能够实现功能多样化。

（一）主要硬件系统研究与设计

1.智能语音播报器硬件电路

C8051F320单片机作为控制器，语音模块和GPS模块均选择单片机通讯和异步串行通行模式，将硬件连接进行简单化处理。因为C8051F320单片机只存在一个串行口，所以在设计时需要将其串行口进行拓展。

2.GPS定位模块

当前市面上GPS定位模块类型较多，由于系统对GPS模块的精准度并没有提出很高的要求，在选择GPS定位模块的时候，从成本的角度出发完成选择。要求其精准度在10M范围之内，并且达到课题设计的基本要求。GPS定位模块能够提供双列20针对外接口，由两组全双工异步串行结构组成，这种形式可为与单片机进行通讯提供便利。

在通电之后便开始运行，其基本的运行过程如下所示：

首先，进行自检，模块在通电以后会进行自检，利用输出通道将自检的结果显示出来，在自检过程中会对接收器、RAM、时钟、Flash和晶体振荡器进行检测。

其次，完成初始化自检以后，探测和跟踪卫星，整个探测活动是完全自动展开的，若是探测过程顺利，那么将会在45秒时间之内获取车辆的定位信息，通过应用输出通道将速度、位置和时间等基本信息进行传输。

再次，探测完成导航以后，GPS定位模块会通过输出通道传输包括时间、海拔、经纬度、速度、误差、接受状态等基本信息。

最后，卫星数据收集运行的过程中，GPS模块会自动完成卫星轨道数据更新。

（二）主要软件系统研究与设计

1.GPS数据的接收

GPS即全球定位系统（Global Positioning system）。是以空中卫星作为基础，能够高精度无线电导航的定位系统。简而言之，它是由覆盖全球的24颗卫星组成的卫星系统。在全世界任何时刻任何地方都能够准确定位到地理位置、时间信息和车辆行驶速度等。从而实现导航、定位、授时等功能。它的前身是美国军方研制出的子午仪卫星定位系统，该系统依靠几颗卫星组成的星网工作，但是无法提供高度信息，在定位精度方面自然不尽如人意。然而，子午仪卫星定位系统已经取得了成功的经验，并且子午仪定位系统验证了由卫星系统进行定位的可行性，可以说是为GPS的诞生作了有力的铺垫。

LEA-4H型GPS模块是瑞士u-blix公司制造，其优点是启动速度快，灵敏度高等。它可通过232串口实现与MCU进行数据传送，这些数据可以是经纬度、卫星情况、时间位置、海拔高度等基本信息。完整定位系统软件是基于GPS的定位且根据这些数据来完成的。

2.GPS数据的处理

首先在某个范围内建立五个站点位置地理坐标数据库，任一站点作为一个二维数组，其中每一数组都有两个数据存储代表经度和纬度的数值。GPS系统接收到数据之后对收集的数据进行处理，再将采集到的数据与数据库中的数据进行对比，然后设置站点周围某一距离范围之内启动语音自动报站。最后可以根据站名的不同来获取不同的语音段首地址，还可以通过定时器延时来控制报站时间长短。

其次，在公交车行驶中动态获取当前位置坐标K，然后计算当前车辆行车位置和站点位置的距离，以判断是否到站来实现站点的自动识别。当前位置坐标S和站点的距离可以通过计算公式得到。

式中，X1 ，Y1代表当前车辆位置坐标K，X2，Y2代表某站点的位置坐标，S代表两者之间的距离。表1及表2说明了五个站点的经纬度原始数据和处理之后的数据分析。由于数据精确度问题，故设定为定位在周围3秒范围内启动语音报站。在建立数据库计算时只需要精确到秒就能保证实验的精度，所以为了简化运算程序，采用整数进行运算。

本文针对公交车自动报站进行研究，通过理论分析、公式推导、硬件开发、软件调试研制成GPS自动语音报站器，改变了传统公交车语音报站器必须由司机控制才能工作的落后方式。本文设计的系统基本达到了预先的要求，实现了公交语音报站、LED 显示以及语音报站功能。

作者单位：河南科技职业大学