??? 摘 要： 針對國內(nèi)公交系統(tǒng)報站裝置應用的現(xiàn)狀,，提出了一個基于GPS定位的嵌入式" title="的嵌入式">的嵌入式公交自動報站" title="自動報站">自動報站系統(tǒng),。該裝置采用嵌入式Linux操作系統(tǒng)及GPS衛(wèi)星定位技術(shù)" title="定位技術(shù)">定位技術(shù),，利用站點經(jīng)緯度信息作為觸發(fā)條件,，自動,、準確地播報站名、服務用語,，并提供廣告等增值業(yè)務,。具有觸摸式人機交互界面,，方便乘客查詢相關(guān)信息。系統(tǒng)軟件可通過串口升級,，顯示屏同步顯示報站信息及廣告,，可同時存儲多條線路，便于公交車臨時更換運營線路,，具有很好的應用前景,。
??? 關(guān)鍵詞： 嵌入式? GPS? 智能公交? 人機交互
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??? 目前，國內(nèi)各大城市的無人售票公交車大都采用半自動報站系統(tǒng),，即通過人工干預語音信箱進行語音報站,，和傳統(tǒng)的人工報站相比，其聲音洪亮清晰,。但是人工干預語音信箱存在人為因素,，如天氣不好、道路打滑,、駕駛員心情不好等原因引發(fā)漏報站,、錯報站的現(xiàn)象。特別是旅游城市,，外地及國外游客很多,，漏報站、錯報站會導致乘客下錯站,，從而帶來不必要的麻煩,，也會相應影響城市形象。目前公交車上的數(shù)字電視業(yè)務單一,，僅播放廣告,，無相應站點附近的景點、酒店等信息,，乘客無法與系統(tǒng)交互,，獲得感興趣的信息。2008年北京奧運會來臨之際,，相關(guān)城市的公交智能化的重要性尤為突出。
1 嵌入式公交自動報站系統(tǒng)的原理及特點
1.1 基于GPS公交自動報站系統(tǒng)的原理概述
??? 本文提出的新型公交車自動報站系統(tǒng)的基本原理如圖1所示,。通過GPS接收機接收GPS工作衛(wèi)星的導航信息,，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)計算出公交車的實時坐標,，將其與站點坐標相比較，當公交車駛?cè)胝军c一定距離范圍內(nèi)時,，不用人工干預,，系統(tǒng)自動報站,。將位置信息與數(shù)據(jù)庫中電子矢量地圖進行匹配，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,、廣告信息和景點信息等。在離站,、到站和拐彎點閾值范圍內(nèi)語音提示的同時,，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,。
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1.2 GPS的定位原理
??? 本裝置的定位系統(tǒng)使用GPS接收機進行自主定位,，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,、緯度以及相應的格林威治時間（該時間加上8小時即為我國標準時）等定位信息。在實際開發(fā)中,，GPS接收機根據(jù)從三顆以上衛(wèi)星發(fā)來的數(shù)據(jù)計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,，確定待測點的位置。如圖2所示,，假設t時刻在地面待測點上安置GPS接收機,，可以測定GPS信號到達接收機的時間△t，再加上接收機所接收到的衛(wèi)星星歷等其他數(shù)據(jù)可以確定以下四個方程式：
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??? 由以上四個方程即可解算出待測點的坐標x,、y,、z及鐘差；GPS模塊再由此得到經(jīng)緯度,、時間等信息,；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、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,、8位數(shù)據(jù)位,、1位停止位。由于NMEA-0183 ASCII格式直觀,、易于識別及應用,因此本設備采用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的各項含義：
＄GPRMC,，<1>，<2>,，<3>,，<4>，<5>,，<6>,，<7>，<8>,，<9>,，<10>，<11>,，*hh
??? <1>當前位置的格林威治時間,，格式為hhmmss。
??? <2>狀態(tài),，A為有效位置,，V為非有效接收警告，即當前天線視野上方的衛(wèi)星個數(shù)少于３顆,。
??? <3>緯度,，格式為ddmm.mmmm。
??? <4>標明南北半球,，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)時一般通過搜尋ASCII碼“＄”來判斷是否是幀頭,。在對幀頭的類別進行識別后，再通過對所經(jīng)歷逗號個數(shù)的計數(shù)判斷出當前正在處理的是哪一種定位導航參數(shù),，并做出相應處理,。
2 嵌入式智能公交系統(tǒng)設計
??? 車載設備安裝于公交車上，其工作環(huán)境比較惡劣,，對設備的結(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)有著廣泛的應用領(lǐng)域,，在車輛與交通工程中的應用是其中一個重要的方面,。將嵌入式設備作為車載終端應用于智能公交系統(tǒng)，使車載終端設備具有更高的智能性,、穩(wěn)定性和擴展性,，從而建立起全方位、實時準確,、高效的智能交通系統(tǒng),。
??? 本系統(tǒng)采用先進的衛(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)公交車語音報站器必須有司機操控才能工作的落后方式,，進站,、出站自動播報站名及服務用語，準確,、及時,、不需要人工介入，實現(xiàn)了公交車報站器的完全智能化。本裝置主要特點為：
??? (1)采用GPS衛(wèi)星定位技術(shù),，自動,、準確地播報站名、服務用語,、廣告等,。
??? (2)站名及有關(guān)事項可以在計算機上形成電子文件，通過串口下載到報站器中,，方便快捷,。
??? (3)與顯示屏直接連接，同步顯示報站信息,、廣告等,。
??? (4)可存儲多條線路，方便公交車臨時更換運營線路,。
??? GPS公交自動報站系統(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設備,、通信模塊等必要的外設；軟件以嵌入式Linux操作系統(tǒng)為核心,，向上提供應用編程接口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)預定的功能,。
2.1 系統(tǒng)硬件設計
??? 嵌入式GPS公交自動報站系統(tǒng)按功能模塊可分為：GPS模塊,、Flash/RAM、JTAG口/串行接口/USB口,、音頻設備/揚聲器,、LCD觸摸屏及核心處理器S3c2410x。系統(tǒng)硬件框圖如圖3所示,。
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??? 核心處理器S3C2410X是一款由Samsung公司設計的低功耗,、高度集成的16/32位RISC處理器，它采用272 腳FBGA 封裝,，為手持設備和一般類型應用提供了低價格,、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16/32位的ARM920T RISC處理器,。ARM920T實現(xiàn)了MMU,、AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結(jié)構(gòu)。這一結(jié)構(gòu)具有獨立的16KB指令Cache和16KB數(shù)據(jù)Cache,，每個都是由8字長的行(line)構(gòu)成,。通過提供一系列完整的系統(tǒng)外圍設備，S3C2410X可大大減少整個系統(tǒng)的成本,，不需要為系統(tǒng)配置額外器件。工作頻率最高達到203MHz,，同時具有MMU（內(nèi)存管理單元）,，使得處理器輕松運行于Windows CE、Linux等操作系統(tǒng),，可進行較為復雜的信息處理,。
??? 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個平行接收頻道,，最多能同時解算12顆衛(wèi)星訊息,，以供快速定位與導航。使用者不需初始化設定,，可自動搜尋衛(wèi)星信號,，進行定位功能，并輸出NMEA 0183標準資訊,。所有GPS 15系列產(chǎn)品皆具有低耗電設計,。使用讀寫式記憶體設計，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計及輸出界面選擇，針對不同領(lǐng)域提供全方位更靈活的運用,，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處理器相應管腳連接即可,。
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??? 系統(tǒng)外擴一個USB口,，使用廉價的1GB或2GB的U盤作為海量存儲器來存放站點信息及廣告等多媒體文件。
2.2 系統(tǒng)軟件設計
??? 目前主流的嵌入式實時操作系統(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)進行裁剪,，這對于在功能、可靠性,、體積,、成本和功耗方面有嚴格要求的專用終端系統(tǒng)來說是一個非常重要的特點；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,，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時進行一些調(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)應用程序" title="應用程序">應用程序(MPlayer播放器" title="播放器">播放器、Qt圖形應用程序,、GPS定位應用程序）,，如圖4。
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2.2.1 GUI設計
??? QT/Embedded是一個專門為小型設備提供圖形用戶界面的應用框架和窗口系統(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,，在裝有Linux的PC機上安裝交叉編譯環(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文件及相應的庫文件下載到自動報站系統(tǒng)。
??? 在公交車未到站時,，如果有乘客通過觸摸屏查詢信息,，則觸發(fā)人機交互中斷,，調(diào)用Qt圖形應用程序。該程序可以通過觸摸屏顯示當前時間,、本公交運行路線圖,、首末班車發(fā)車時間及本線路沿途各站點所經(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定位應用程序
??? GPS模塊工作流程如圖5所示。任務啟動后,，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)庫中存儲的站點信息比較,，計算出實際距離,。如果距離到達閥值時，啟動GPS報站中斷,。
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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,，并進入此任務執(zhí)行GPS信號檢測及解析，同時監(jiān)測是否有GPS報站中斷產(chǎn)生,。若有中斷產(chǎn)生,，則啟動MPlayer播放器播報站名,、景點介紹等信息；若沒有,，則檢測是否有觸摸屏中斷產(chǎn)生,。若有中斷，則進入人機交互界面,；否則啟動MPlayer播放器播報廣告,、公益信息等，同時檢測,、解析GPS信號,。
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??? 本嵌入式公交自動報站系統(tǒng)采用GPS定位技術(shù)，具有體積小,、播報準確的特點,。系統(tǒng)可存儲多條線路，方便公交車臨時更換運營線路,；并利用觸摸屏作為人機交互界面,，方便乘客查詢相關(guān)信息；可提供廣告等增值業(yè)務,。系統(tǒng)基本解決了當前各大城市公交系統(tǒng)報站出錯的問題,。
參考文獻
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