??? 摘 要： 針對國內公交系統報站裝置應用的現狀，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。該裝置采用嵌入式Linux操作系統及GPS衛星定位技術" title="定位技術">定位技術，利用站點經緯度信息作為觸發條件，自動、準確地播報站名、服務用語，并提供廣告等增值業務。具有觸摸式人機交互界面，方便乘客查詢相關信息。系統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。
??? 關鍵詞： 嵌入式? GPS? 智能公交? 人機交互
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??? 目前，國內各大城市的無人售票公交車大都采用半自動報站系統，即通過人工干預語音信箱進行語音報站，和傳統的人工報站相比，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漏報站、錯報站的現象。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。目前公交車上的數字電視業務單一，僅播放廣告，無相應站點附近的景點、酒店等信息，乘客無法與系統交互，獲得感興趣的信息。2008年北京奧運會來臨之際，相關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的原理及特點
1.1 基于GPS公交自動報站系統的原理概述
??? 本文提出的新型公交車自動報站系統的基本原理如圖1所示。通過GPS接收機接收GPS工作衛星的導航信息，從而解算出車輛目前的經、緯度等信息；根據GPS定位數據計算出公交車的實時坐標，將其與站點坐標相比較，當公交車駛入站點一定距離范圍內時，不用人工干預，系統自動報站。將位置信息與數據庫中電子矢量地圖進行匹配，根據公交車位置的不同，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
??? 本裝置的定位系統使用GPS接收機進行自主定位，GPS接收模塊接收GPS衛星發送的定位數據，將GPS信號的數據流提取出來，經過簡單的字符串操作就可以分別找出GPS信號中的經度、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。在實際開發中，GPS接收機根據從三顆以上衛星發來的數據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高速運動的衛星瞬間位置作為已知的起算數據，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星星歷等其他數據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。前者的通信協議為 9600b/s、無校驗、8位數據位、1位停止位；后者的通信協議為4800b/s、無校驗、8位數據位、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。
??? 系統接收到的GPS數據主要由幀頭、幀尾和幀內數據組成。根據數據幀的不同，幀頭也不相同，主要有＄GPGGA、＄GPGSA、＄GPGSV以及＄GPRMC等。這里選用推薦的＄GPRMC。各類數據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，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星個數少于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～999.9節(1節=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。
??? 由于幀內各數據段由逗號分割，因此在處理緩存數據時一般通過搜尋ASCII碼“＄”來判斷是否是幀頭。在對幀頭的類別進行識別后，再通過對所經歷逗號個數的計數判斷出當前正在處理的是哪一種定位導航參數，并做出相應處理。
2 嵌入式智能公交系統設計
??? 車載設備安裝于公交車上，其工作環境比較惡劣，對設備的結構也有一定的要求，本系統采用工作穩定可靠、抗干擾能力強的嵌入式系統。嵌入式系統固化于存儲器中，其可靠性高、成本低、體積小、功耗低。嵌入式系統有著廣泛的應用領域，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，使車載終端設備具有更高的智能性、穩定性和擴展性，從而建立起全方位、實時準確、高效的智能交通系統。
??? 本系統采用先進的衛星定位技術與語音合成技術相結合的方式，改變了傳統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衛星定位技術，自動、準確地播報站名、服務用語、廣告等。
??? (2)站名及有關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。嵌入式系統中，軟件和硬件緊密配合，協調工作，共同完成系統預定的功能。
2.1 系統硬件設計
??? 嵌入式GPS公交自動報站系統按功能模塊可分為：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實現了MMU、AMBA BUS和Harvard高速緩沖體系結構。這一結構具有獨立的16KB指令Cache和16KB數據Cache，每個都是由8字長的行(line)構成。通過提供一系列完整的系統外圍設備，S3C2410X可大大減少整個系統的成本，不需要為系統配置額外器件。工作頻率最高達到203MHz，同時具有MMU（內存管理單元），使得處理器輕松運行于Windows CE、Linux等操作系統，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公司新推出的產品,具備12個平行接收頻道，最多能同時解算12顆衛星訊息，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系列產品皆具有低耗電設計。使用讀寫式記憶體設計，內部使用記憶體電池，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，針對不同領域提供全方位更靈活的運用，即便是在公交車上電壓不穩定的環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 系統軟件設計
??? 目前主流的嵌入式實時操作系統有：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具有如下優勢：用戶可以依照需要自行對Linux系統進行裁剪，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S3C2410X處理器的配置作了片級開發，但由于是開源版本，外圍驅動做的并不完整,需要加入一些驅動程序（LCD驅動、USB驅動）。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的建立，并在Linux內核的基礎上開發應用程序" 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。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，并做了許多出色的調整以適用于嵌入式環境。在Qt中加入觸摸屏驅動的接口函數，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桌面環境(qtopia-free-source-2.1.1.tar.bz2)；最后將交叉編譯后得到的Qtopia桌面環境、Qtopia.sh文件及相應的庫文件下載到自動報站系統。
??? 在公交車未到站時，如果有乘客通過觸摸屏查詢信息，則觸發人機交互中斷，調用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、首末班車發車時間及本線路沿途各站點所經過的其他公交車。
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，根據解析出來的經緯度信息與數據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 系統軟件總流程
??? 系統的軟件流程如圖6所示。上電后，首先完成系統初始化，然后創建GPS 信號檢測任務，并進入此任務執行GPS信號檢測及解析，同時監測是否有GPS報站中斷產生。若有中斷產生，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采用GPS定位技術，具有體積小、播報準確的特點。系統可存儲多條線路，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，方便乘客查詢相關信息；可提供廣告等增值業務。系統基本解決了當前各大城市公交系統報站出錯的問題。
參考文獻
[1] 管素清.公交車自動報站和地圖匹配的研究(學位論文).山東大學，2005，4.
[2] 倪繼利.Qt及Linux操作系統窗口設計.北京：電子工業出版社，2006.
[3] 李征航，黃勁松.GPS測量與數據處理[M].湖北：武漢大學出版社，2005.
[4] 劉淼.嵌入式系統接口設計與Linux驅動程序開發[M].北京：北京航空航天大學出版社，2006.
[5] 嚴盈富.觸摸屏與PLC入門[M].北京：人民郵電出版社，2006.
[6] 張其善.智能車輛定位導航系統及其應用[M].北京：科學出版社，2002.