1 嵌入式公交自動報(bào)站系統(tǒng)的原理及特點(diǎn)

1.1 基于GPS公交自動報(bào)站系統(tǒng)的原理概述

本文提出的新型公交車自動報(bào)站系統(tǒng)的基本原理如圖1所示。通過GPS接收機(jī)接收GPS工作衛(wèi)星的導(dǎo)航信息，從而解算出車輛目前的經(jīng)、緯度等信息；根據(jù)GPS定位數(shù)據(jù)計(jì)算出公交車的實(shí)時(shí)坐標(biāo)，將其與站點(diǎn)坐標(biāo)相比較，當(dāng)公交車駛?cè)胝军c(diǎn)一定距離范圍內(nèi)時(shí)，不用人工干預(yù)，系統(tǒng)自動報(bào)站。將位置信息與數(shù)據(jù)庫中電子矢量地圖進(jìn)行匹配，根據(jù)公交車位置的不同，LCD顯示屏上顯示不同的公益信息、廣告信息和景點(diǎn)信息等。在離站、到站和拐彎點(diǎn)閾值范圍內(nèi)語音提示的同時(shí)，在顯示屏上顯示同類信息，給乘客一種全方位的提示與服務(wù)。

1.2 GPS的定位原理

本裝置的定位系統(tǒng)使用GPS接收機(jī)進(jìn)行自主定位，GPS接收模塊接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的定位數(shù)據(jù)，將GPS信號的數(shù)據(jù)流提取出來，經(jīng)過簡單的字符串操作就可以分別找出GPS信號中的經(jīng)度、緯度以及相應(yīng)的格林威治時(shí)間（該時(shí)間加上8小時(shí)即為我國標(biāo)準(zhǔn)時(shí)）等定位信息。在實(shí)際開發(fā)中，GPS接收機(jī)根據(jù)從三顆以上衛(wèi)星發(fā)來的數(shù)據(jù)計(jì)算出自身所處的位置，完成定位。

GPS定位的基本原理是根據(jù)高速運(yùn)動的衛(wèi)星瞬間位置作為已知的起算數(shù)據(jù)，采用空間距離后方交匯的方法，確定待測點(diǎn)的位置。如圖2所示，假設(shè)t時(shí)刻在地面待測點(diǎn)上安置GPS接收機(jī)，可以測定GPS信號到達(dá)接收機(jī)的時(shí)間△t，再加上接收機(jī)所接收到的衛(wèi)星星歷等其他數(shù)據(jù)可以確定以下四個(gè)方程式：

由以上四個(gè)方程即可解算出待測點(diǎn)的坐標(biāo)x、y、z及鐘差；GPS模塊再由此得到經(jīng)緯度、時(shí)間等信息；最后將這些信息通過串口以GPS信息的形式發(fā)送出去。

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1.3 GPS信息格式

通常GPS模塊支持兩種格式：二進(jìn)制消息格式和NMEA-0183 ASCII消息格式。前者的通信協(xié)議為 9600b/s、無校驗(yàn)、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位；后者的通信協(xié)議為4800b/s、無校驗(yàn)、8位數(shù)據(jù)位、1位停止位。由于NMEA-0183 ASCII格式直觀、易于識別及應(yīng)用，因此本設(shè)備采用ASCII格式。

系統(tǒng)接收到的GPS數(shù)據(jù)主要由幀頭、幀尾和幀內(nèi)數(shù)據(jù)組成。根據(jù)數(shù)據(jù)幀的不同，幀頭也不相同，主要有＄GPGGA、＄GPGSA、＄GPGSV以及＄GPRMC等。這里選用推薦的＄GPRMC。各類數(shù)據(jù)幀分別包含了不同的信息，在此列舉出＄GPRMC的各項(xiàng)含義：

＄GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，*hh

<1>當(dāng)前位置的格林威治時(shí)間，格式為hhmmss。
<2>狀態(tài)，A為有效位置，V為非有效接收警告，即當(dāng)前天線視野上方的衛(wèi)星個(gè)數(shù)少于３顆。
<3>緯度，格式為ddmm.mmmm。
<4>標(biāo)明南北半球，N為北半球、S為南半球。
<5>徑度，格式為dddmm．mmmm。
<6>標(biāo)明東西半球，E為東半球、W為西半球。
<7>地面上的速度，范圍為000.0節(jié)～999.9節(jié)(1節(jié)=1.852km/h)。
<8>方位角，范圍為000.0度～359.9度。
<9>日期，格式為ddmmyy。
<10>地磁變化，從000.0度～180.0度。
<11>地磁變化方向，為E或W。

由于幀內(nèi)各數(shù)據(jù)段由逗號分割，因此在處理緩存數(shù)據(jù)時(shí)一般通過搜尋ASCII碼“＄”來判斷是否是幀頭。在對幀頭的類別進(jìn)行識別后，再通過對所經(jīng)歷逗號個(gè)數(shù)的計(jì)數(shù)判斷出當(dāng)前正在處理的是哪一種定位導(dǎo)航參數(shù)，并做出相應(yīng)處理。

2 嵌入式智能公交系統(tǒng)設(shè)計(jì)

車載設(shè)備安裝于公交車上，其工作環(huán)境比較惡劣，對設(shè)備的結(jié)構(gòu)也有一定的要求，本系統(tǒng)采用工作穩(wěn)定可靠、抗干擾能力強(qiáng)的嵌入式系統(tǒng)。嵌入式系統(tǒng)固化于存儲器中，其可靠性高、成本低、體積小、功耗低。嵌入式系統(tǒng)有著廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，在車輛與交通工程中的應(yīng)用是其中一個(gè)重要的方面。將嵌入式設(shè)備作為車載終端應(yīng)用于智能公交系統(tǒng)，使車載終端設(shè)備具有更高的智能性、穩(wěn)定性和擴(kuò)展性，從而建立起全方位、實(shí)時(shí)準(zhǔn)確、高效的智能交通系統(tǒng)。

本系統(tǒng)采用先進(jìn)的衛(wèi)星定位技術(shù)與語音合成技術(shù)相結(jié)合的方式，改變了傳統(tǒng)公交車語音報(bào)站器必須有司機(jī)操控才能工作的落后方式，進(jìn)站、出站自動播報(bào)站名及服務(wù)用語，準(zhǔn)確、及時(shí)、不需要人工介入，實(shí)現(xiàn)了公交車報(bào)站器的完全智能化。本裝置主要特點(diǎn)為：

(1)采用GPS衛(wèi)星定位技術(shù)，自動、準(zhǔn)確地播報(bào)站名、服務(wù)用語、廣告等。

(2)站名及有關(guān)事項(xiàng)可以在計(jì)算機(jī)上形成電子文件，通過串口下載到報(bào)站器中，方便快捷。

(3)與顯示屏直接連接，同步顯示報(bào)站信息、廣告等。

(4)可存儲多條線路，方便公交車臨時(shí)更換運(yùn)營線路。

GPS公交自動報(bào)站系統(tǒng)包含硬件和軟件兩部分。硬件以ARM9S3c2410x處理器為核心，配置存儲器、I/O設(shè)備、通信模塊等必要的外設(shè)；軟件以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為核心，向上提供應(yīng)用編程接口API，向下屏蔽具體硬件特性的板級支持包BSP。嵌入式系統(tǒng)中，軟件和硬件緊密配合，協(xié)調(diào)工作，共同完成系統(tǒng)預(yù)定的功能。

2.1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

嵌入式GPS公交自動報(bào)站系統(tǒng)按功能模塊可分為：GPS模塊、Flash/RAM、JTAG口/串行接口/USB口、音頻設(shè)備/揚(yáng)聲器、LCD觸摸屏及核心處理器S3c2410x。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示。

核心處理器S3C2410X是一款由Samsung公司設(shè)計(jì)的低功耗、高度集成的16/32位RISC處理器，它采用272 腳FBGA 封裝，為手持設(shè)備和一般類型應(yīng)用提供了低價(jià)格、低功耗、高性能小型微控制器的解決方案。S3C2410X的顯著特性是其CPU核心為一個(gè)16/32位的ARM920T RISC處理器。ARM920T實(shí)現(xiàn)了MMU、AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨(dú)立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache，每個(gè)都是由8字長的行(line)構(gòu)成。通過提供一系列完整的系統(tǒng)外圍設(shè)備，S3C2410X可大大減少整個(gè)系統(tǒng)的成本，不需要為系統(tǒng)配置額外器件。工作頻率最高達(dá)到203MHz，同時(shí)具有MMU（內(nèi)存管理單元），使得處理器輕松運(yùn)行于Windows CE、Linux等操作系統(tǒng)，可進(jìn)行較為復(fù)雜的信息處理。

GPS模塊采用美國Garmin公司的GPS 15模塊。GPS 15系列是Garmin公司新推出的產(chǎn)品，具備12個(gè)平行接收頻道，最多能同時(shí)解算12顆衛(wèi)星訊息，以供快速定位與導(dǎo)航。使用者不需初始化設(shè)定，可自動搜尋衛(wèi)星信號，進(jìn)行定位功能，并輸出NMEA 0183標(biāo)準(zhǔn)資訊。所有GPS 15系列產(chǎn)品皆具有低耗電設(shè)計(jì)。使用讀寫式記憶體設(shè)計(jì)，內(nèi)部使用記憶體電池，斷電后儲存資料不流失。3.3V～40V的大范圍輸入電壓承載設(shè)計(jì)及輸出界面選擇，針對不同領(lǐng)域提供全方位更靈活的運(yùn)用，即便是在公交車上電壓不穩(wěn)定的環(huán)境下也不會受到影響。表1為GPS模塊接口定義，與ARM處理器相應(yīng)管腳連接即可。

系統(tǒng)外擴(kuò)一個(gè)USB口，使用廉價(jià)的1GB或2GB的U盤作為海量存儲器來存放站點(diǎn)信息及廣告等多媒體文件。
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2.2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

目前主流的嵌入式實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)有：Windows CE系列(含Pocket PC)、VxWorks和嵌入式Linux。相對于Windows CE、VxWorks，Linux用作嵌入式操作系統(tǒng)具有如下優(yōu)勢：用戶可以依照需要自行對Linux系統(tǒng)進(jìn)行裁剪，這對于在功能、可靠性、體積、成本和功耗方面有嚴(yán)格要求的專用終端系統(tǒng)來說是一個(gè)非常重要的特點(diǎn)；可以用于多種硬件平臺；Linux為開源軟件，使用靈活，開發(fā)成本低。

本方案采用的Linux版本為韓國MIZI公司為S3C2410X處理器開發(fā)的開源版本板級BSP包Linux 2.4.18-rmk7-pxa1。該版本也是三星公司的S3C2410X demo板上的Linux演示版本，已根據(jù)S3C2410X處理器的配置作了片級開發(fā)，但由于是開源版本，外圍驅(qū)動做的并不完整，需要加入一些驅(qū)動程序（LCD驅(qū)動、USB驅(qū)動）。同時(shí)，由于使用的硬件芯片和三星的demo板并不相同，需要在配置Linux時(shí)進(jìn)行一些調(diào)整，并修改部分源代碼。最主要的工作是對存儲單元的配置以及文件系統(tǒng)的建立，并在Linux內(nèi)核的基礎(chǔ)上開發(fā)應(yīng)用程序(MPlayer播放器、Qt圖形應(yīng)用程序、GPS定位應(yīng)用程序），如圖4。

2.2.1 GUI設(shè)計(jì)

QT/Embedded是一個(gè)專門為小型設(shè)備提供圖形用戶界面的應(yīng)用框架和窗口系統(tǒng)。它提供了豐富的窗口小部件（Widgets），并支持窗口部件的定制，因此可以為用戶提供漂亮的圖形界面。Qt是KDE等項(xiàng)目使用的GUI支持庫，有許多基于Qt的X Window程序可以方便地移植到Qt/Embedded上。Qt/Embedded以原始Qt為基礎(chǔ)，并做了許多出色的調(diào)整以適用于嵌入式環(huán)境。在Qt中加入觸摸屏驅(qū)動的接口函數(shù)，便可支持觸摸功能。

移植Qt時(shí)，在裝有Linux的PC機(jī)上安裝交叉編譯環(huán)境，編譯器版本為arm-linux-gcc-3.4.1，在/root/.bash_profile中修改編譯器搜索路徑；編譯庫文件(libjpeg-iwmmxxt.tar.bz2)；編譯工具包(tslib.tar.gz、tmake-1.13.tar.gz)；編譯Qtopia桌面環(huán)境(qtopia-free-source-2.1.1.tar.bz2)；最后將交叉編譯后得到的Qtopia桌面環(huán)境、Qtopia.sh文件及相應(yīng)的庫文件下載到自動報(bào)站系統(tǒng)。
在公交車未到站時(shí)，如果有乘客通過觸摸屏查詢信息，則觸發(fā)人機(jī)交互中斷，調(diào)用Qt圖形應(yīng)用程序。該程序可以通過觸摸屏顯示當(dāng)前時(shí)間、本公交運(yùn)行路線圖、首末班車發(fā)車時(shí)間及本線路沿途各站點(diǎn)所經(jīng)過的其他公交車。

2.2.2 多媒體播放器

用于播放景點(diǎn)介紹、廣告等信息的播放器選用MPlayer播放器，它基于0.2.0版本的Libmpeg2函數(shù)庫編寫，因此支持多種流行的圖像壓縮格式，例如：MPG、DAT、BIN、VOB、ASF、WMF、AVI等。MPlayer播放器本身編譯自帶了多種類型的編碼器，不需要再安裝xvid、ffdshow、ac3、filter、ogg、vobsub等解碼器。本系統(tǒng)移植采用較新版本的MPlayer-1.0pre7try2.tar.bz2。

2.2.3 GPS定位應(yīng)用程序

GPS模塊工作流程如圖5所示。任務(wù)啟動后，模塊接收GPS信息，然后解析出GPS信息，根據(jù)解析出來的經(jīng)緯度信息與數(shù)據(jù)庫中存儲的站點(diǎn)信息比較，計(jì)算出實(shí)際距離。如果距離到達(dá)閥值時(shí)，啟動GPS報(bào)站中斷。

2.2.4 系統(tǒng)軟件總流程

系統(tǒng)的軟件流程如圖6所示。上電后，首先完成系統(tǒng)初始化，然后創(chuàng)建GPS 信號檢測任務(wù)，并進(jìn)入此任務(wù)執(zhí)行GPS信號檢測及解析，同時(shí)監(jiān)測是否有GPS報(bào)站中斷產(chǎn)生。若有中斷產(chǎn)生，則啟動MPlayer播放器播報(bào)站名、景點(diǎn)介紹等信息；若沒有，則檢測是否有觸摸屏中斷產(chǎn)生。若有中斷，則進(jìn)入人機(jī)交互界面；否則啟動MPlayer播放器播報(bào)廣告、公益信息等，同時(shí)檢測、解析GPS信號。

本嵌入式公交自動報(bào)站系統(tǒng)采用GPS定位技術(shù)，具有體積小、播報(bào)準(zhǔn)確的特點(diǎn)。系統(tǒng)可存儲多條線路，方便公交車臨時(shí)更換運(yùn)營線路；并利用觸摸屏作為人機(jī)交互界面，方便乘客查詢相關(guān)信息；可提供廣告等增值業(yè)務(wù)。系統(tǒng)基本解決了當(dāng)前各大城市公交系統(tǒng)報(bào)站出錯(cuò)的問題。

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