基于GPS／GPRS的公交車自動報站系統(tǒng)設(shè)計

0 引 言
    目前，國內(nèi)公交車報站的方式多采用手動報站，但是因為司機需要在保證安全駕駛的前提下進行報站，所以經(jīng)常出現(xiàn)錯報、漏報、安全隱患等一系列問題。采用GPS全球定位系統(tǒng)進行自動報站使這一難題迎刃而解，不需要人工干預(yù)，大大減輕了司機的工作量，也同時提高了車輛運行的安全性，促進公交系統(tǒng)的現(xiàn)代化進程。
    現(xiàn)階段，公交車內(nèi)信息屏多通過有線方式獲得新聞、天氣預(yù)報、廣告等信息，也可以同步顯示報站信息。但是有一個不可避免的問題，那就是由于沒有整合GPRS無線通訊功能，所以維護起來比較麻煩，如果需要更換廣告內(nèi)容，就必須派出大量的人員，對需要更改廣告內(nèi)容的公交車內(nèi)信息屏一一更改，浪費了大量的人力物力。GPRS的應(yīng)用使系統(tǒng)實現(xiàn)了前所未有的高度整合，解決了目前國內(nèi)現(xiàn)有的公交車內(nèi)信息更新方式落后的弊端。通過GPS衛(wèi)星定位系統(tǒng)和GPRS無線通信網(wǎng)絡(luò)，公交監(jiān)控調(diào)度中心可實時監(jiān)控各條線路公交車位置的分布情況，并根據(jù)監(jiān)控情況向有關(guān)公交車發(fā)出調(diào)度通知。

1 公交車自動報站系統(tǒng)的組成
    該系統(tǒng)由公交車內(nèi)各終端(信息屏、腰牌等)、自動報站器、GPRS／GSM通信網(wǎng)絡(luò)、公交監(jiān)控調(diào)度中心組成。自動報站器主要由主控芯片、GPS／GPRS通信模塊、LCD、SD卡、MP3解碼芯片組成。整個系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

    自動報站器利用自學(xué)習(xí)功能存儲站點的經(jīng)緯度信息到SD卡，當(dāng)公交車行駛到某站點時，接收的經(jīng)緯度信息與存儲的某站點經(jīng)緯度信息一致，就可以。自動播報相應(yīng)站點的站名，同時實現(xiàn)以下兩個功能：
    (1)通過RS 485接口發(fā)送相應(yīng)的信息到車內(nèi)各終端，實現(xiàn)公交車內(nèi)的控制一體化；
    (2)通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送公交車的狀態(tài)信息(經(jīng)緯度、速度等參數(shù))到公交監(jiān)控調(diào)度中心，實現(xiàn)公交車與監(jiān)控調(diào)度中心的高度統(tǒng)一。

2 公交車自動報站器的硬件設(shè)計
    公交車自動報站器主要以LM3S1601主芯片、GPS模塊和GPRS模塊為核心，搭建終端平臺，他們之間通過串行通信方式連接，其余還包括電源模、MP3播放接口和SD卡接口等。硬件原理結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

2．1 電源模塊的設(shè)計
    電源系統(tǒng)對自動報站器的可靠性運行影響很大，好的電源電路能夠過濾掉很多通過電源電路傳人的干擾信號。本電源模塊的電源電路如圖3所示。

    控制器輸入電壓為24 V，由于GPRS上網(wǎng)時的峰值電流可達2 A，所以電源芯片選用LM2596-5．0，輸出電流可達3 A。采用LM1117-3．3芯片給LM3S1601、SD卡等供電，LM1117-2．5芯片給MP3解碼芯片供電，MIC29302芯片輸出4 V電壓給GPRS模塊。
2．2 SIM300C GPRS模塊
    SIM300C內(nèi)嵌TCP／IP協(xié)議棧，基于GSM／GPRS900／1 800／1 900 MHz三頻，采用雙列直插式板對板連接，適合車載應(yīng)用。尺寸：50 mm×33 mm×6．2 mm。支持class2，通過AT指令控制，滿足GSM 2／2+標(biāo)準(zhǔn)，帶有RS 232電平，直接與單片機相連。
2．3 主控芯片
    采用TI公司的LM3S1601單片機作為控制主芯片，該芯片采用ARM Cortex-M3內(nèi)核，Cortex-M3是ARM公司最新推出的基于ARMv7體系架構(gòu)的處理器核，具有高性能、低成本、低功耗的特點。它采用哈佛結(jié)構(gòu)，使用分離的指令和數(shù)據(jù)總線(馮諾伊曼結(jié)構(gòu)下，數(shù)據(jù)和指令共用一條總線)，處理速度明顯加快。Cor-tex-M3只支持最新的Thumb-2指令集。免去Thumb和ARM代碼的互相切換，Cortex-M3內(nèi)核中集成了中斷控制器，提供基本的32個物理中斷，具有8層優(yōu)先級，最高可達到240個物理中斷和256個中斷優(yōu)先級。此類設(shè)計是確定的且具有低延遲性，特別適用于汽車應(yīng)用。具有128 KB的片內(nèi)FLASH，32 KB片內(nèi)SRAM，3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。
2．4 E2PROM和SD卡存儲模塊
    E2PROM型號為CAT24C02，用來存放報站器的站號、線路、上下行、模式等必要數(shù)據(jù)，防止掉電數(shù)據(jù)丟失。SD卡存儲中文站名、經(jīng)緯度信息、MP3音頻文件等，SD卡與單片機通過SS10接口進行通信，采用FAT16格式的文件系統(tǒng)，支持最大2 GB的SD卡。
2．5 MP3解碼芯片
    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，其擁有一個性能低功耗的DSP處理器核VS_DSP，5 KB的指令RAM，0．5 KB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以及耳機音頻放大器。

3 公交車自動報站器的軟件設(shè)計及實現(xiàn)
    由單片機LM3S1601編程實現(xiàn)GPS信息的接收處理，GPRS上網(wǎng)、建立連接、接收數(shù)據(jù)，MP3語音文件的播放，讀寫SD卡的內(nèi)容，LCD屏的顯示等功能。本系統(tǒng)的工作過程大致為：通過按鍵及GPS信息的接收進行站點的自學(xué)習(xí)；自動搜索站點，并自動報站：如果GPS模塊接收到的經(jīng)緯度信息與存儲的某站點經(jīng)緯度信息一致，則通過SSI0從SD卡中讀取相對應(yīng)的MP3文件，將所讀取的數(shù)據(jù)流通過SSI1發(fā)送到VS1003播放器中播放，同時在LCD屏上顯示相應(yīng)的站號及站名，并通過GSM網(wǎng)絡(luò)發(fā)送當(dāng)前的經(jīng)緯度信息到公交監(jiān)控調(diào)度中心，從而實現(xiàn)自動報站的功能；中心主動連接自動報站器，自動報站器根據(jù)接收的通信協(xié)議的不同進行不同的操作(如實時監(jiān)控、車內(nèi)信息更新等)。系統(tǒng)的軟件組成框圖如圖4所示。

3．1 報站器的主程序設(shè)計
    主程序主要完成系統(tǒng)初始化及各個模塊子程序的調(diào)用，其流程圖如圖5所示。

    系統(tǒng)上電后進行初始化，包括：I／O口，定時器，UART、看門狗，模塊(SD卡、GPRS模塊、VS1003等)。系統(tǒng)初始化完之后，接收GPS定位信息，GPS通信協(xié)議較多。該程序采用應(yīng)用最為廣泛的NMEA-0183協(xié)議。在此協(xié)議中包括了“$GPGGA”、“$GPGSA”、“$GPGSV”和“$GPRMC”等格式，而本文使用的是以最簡格式“$GPRMC”語句進行設(shè)計。格式如下：$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh 其中<2>為定位狀態(tài)，A＝有效定位，V＝無效定位，當(dāng)接收數(shù)據(jù)為A時，則認(rèn)為GPS接收數(shù)據(jù)有效，然后進行自學(xué)習(xí)功能、GPRS處理功能、自動搜索站點功能的判斷及處理。
3．2 GPRS處理子程序的設(shè)計
    GPRS處理子程序主要實現(xiàn)報站器與中心之間的通信及監(jiān)控調(diào)度、信息更新功能。
    中心打電話通知報站器上線，報站器接收到“+CLIP："020********"，129”，通過“ATH”掛斷電話，判斷是否為中心電話，如果是則建立PPP連接，連接成功后，通過TCP／IP連接中心的固定IP地址和端口號。
    報站器與中心連接成功后，雙方互發(fā)握手指令，如果“握手”成功，則進行通信；否則中心主動斷網(wǎng)?！拔帐帧背晒?，報站器接收中心下發(fā)的指令。如果為“實時監(jiān)控”指令，則實時發(fā)送GPS數(shù)據(jù)，為了防止中心與報站器之間斷網(wǎng)，雙方需定時發(fā)送“心跳包”；如果是“信息更新”指令，則接收中心發(fā)送的更新信息，接收完畢后自動斷網(wǎng)。

4 結(jié) 語
    該自動報站器通過EMC及可靠性試驗和現(xiàn)場試運行，系統(tǒng)功能正常、運行穩(wěn)定、表現(xiàn)出較強的抗干擾能力和較高的可靠性，尤其GPS自動報站功能，可根據(jù)客戶需要及公交線路的實際情況更改報站和預(yù)報站范圍，確保了報站的準(zhǔn)確性，提高了公交車的安全性，減輕了司機的負(fù)擔(dān)，具有良好的社會經(jīng)濟效益。目前，系統(tǒng)功能正在進行部分高級功能的完善，產(chǎn)業(yè)化工作也正在全面展開之中。