GPS全自動公交語音報站器的研究

1 引言
??? 目前，國內(nèi)各大城市公交系統(tǒng)基本采用人工干預(yù)的電腦報站器。首先根據(jù)運營線路設(shè)置上、下行線路；公交車司機在駕駛的同時，當快到站時，按下相應(yīng)報站按鍵。而進站時，由于人流較多，影響司機工作導(dǎo)致漏報站、錯報站時有發(fā)生，影響公交服務(wù)質(zhì)量，而且存在著很大的交通隱患。因此，這里提出一種GPS全自動公交語言報站器的設(shè)計方案，該方案采用GPS全球定位系統(tǒng)，無需人工干預(yù)，當車輛快到車站時可全自動實現(xiàn)語音報站。

2 GPS公交報站系統(tǒng)的原理
??? GPS(Global Positioning System)，即全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)。每顆GPS衛(wèi)星時刻發(fā)布其位置和時間數(shù)據(jù)信號，用戶接收機測量每顆衛(wèi)星信號到接收機的時間延遲，根據(jù)信號傳輸?shù)乃俣扔嬎愠鼋邮諜C到不同衛(wèi)星的距離。同時接收到至少4顆衛(wèi)星數(shù)據(jù)時，就可以算出三維坐標、速度和時間。GPS接收模塊接收GPS衛(wèi)星發(fā)送的定位數(shù)據(jù)，經(jīng)簡單的字符串操作可分別找出GPS信號中的經(jīng)度、緯度以及相應(yīng)的格林威治時間等定位信息。然后，將這些經(jīng)緯度信息通過串口發(fā)送給單片機處理。

??? 圖1為GPS公交智能報站器原理。GPS模塊接收所選衛(wèi)星發(fā)來的導(dǎo)航信息和星鐘校正參數(shù)的時間，計算出車輛當前的經(jīng)緯度坐標信息。將此坐標信息與存儲在單片機中的車站的經(jīng)緯度坐標信息比對(可以設(shè)定閾值)，就可查得車站站名信息，由語音系統(tǒng)播報即可。

3 系統(tǒng)器件選型
3．1 GPS定位模塊——Leadtek GPS-9543LP
??? 目前市場上GPS模塊較多，由于系統(tǒng)對GPS模塊無特殊精度要求，出于成本的考慮，選用價格相對便宜的LeadtekGPS-9543LP定位模塊。其定位精度10 m，能滿足設(shè)計要求。Leadtek GPS-9543LP提供一個雙列20針的對外接口，如圖2所示。它有兩組全雙工的異步串行接口，便于和單片機通訊。在加電后開始運行，其基本運行過程如下：
??? (1)自檢 加電后開始自檢，通過輸出通道報告自檢結(jié)果，其過程將檢測RAM、Flash、接收器、實時時鐘和晶體振蕩器。

(2)初始化 自檢完畢后，將開始衛(wèi)星探測和跟蹤過程。整個探測過程是完全自動的。正常情況下，GPS-9543LP將用45 s的時間獲取定位信息(在已知星歷表時只需8 s)，之后通過輸出通道傳送有效的位置、速度和時間信息。
??? (3)導(dǎo)航探測完畢后，GPS-9543LP通過輸出通道發(fā)送有效的導(dǎo)航信息，包括經(jīng)緯度、海拔、速度、日期／時間、誤差估計、衛(wèi)星和接收機狀態(tài)。
??? (4)衛(wèi)星數(shù)據(jù)收集 運行時，GPS-9543LP將自動更新衛(wèi)星軌道數(shù)據(jù)。

??? GPS-9543LP采用美國國家海洋電子協(xié)會制定的NMEA-0183通信標準格式。其輸出數(shù)據(jù)采用ASCII碼，內(nèi)容包含緯度、經(jīng)度、高度、速度、日期、時間、航向以及衛(wèi)星狀況等信息。一條$GPGGA輸出語句包括17個字段：語句標識頭，世界時間，緯度，緯度半球，經(jīng)度，經(jīng)度半球，定位質(zhì)量指示，使用衛(wèi)星數(shù)量，水平精確度，海拔高度，高度單位，大地水準面高度，高度單位，差分GPS數(shù)據(jù)期限，差分參考基站標號，校驗和結(jié)束標記(用回車符< CR>和換行符)，分別用14個逗號分隔。如單片機接收到以下定位信息：
??? $GPGGA，114641，3002．3232，N，12206．1157，E，1，05，12．9,53．2，M，11．6,M，*4A
??? 表示使用“$GPGGA”格式語句，世界(格林威治)時間為11時46分41秒，位置在北緯30度2．323 2分．東經(jīng)122度6．1157分，定位有效，接收到5顆衛(wèi)星，水平精度12．9 m，天線離海平面高度53．2 m，所在地離地平面高度11．6 m，校驗和為4AH。
??? 從GPS板接收的數(shù)據(jù)流是文本字符串，可根據(jù)GPS輸出數(shù)據(jù)NMEA-0183通信標準格式所定義的各種記錄語句的結(jié)構(gòu)組成特點，編制程序解析其中有用信息。由于幀內(nèi)各數(shù)據(jù)段由逗號分隔，因此在處理緩存數(shù)據(jù)時一般通過搜尋ASCII碼“$”判斷是否是幀頭。在識別幀頭的類別(GPGGA)后，通過對所經(jīng)歷逗號個數(shù)判斷當前正在處理的是哪一種定位導(dǎo)航參數(shù)，并作出相應(yīng)處理。

3．2 語音合成模塊
??? XF-S4240語音合成模塊是嵌入式中文語音合成模塊。該模塊通過異步串口(UART)、SPI接口及I2C總線3種方式接收待合成的文本，直接合成為語音輸出。XF-S4240采用3．3 V電源供電，支持GB2312，GBK，BIG5，UNICODE 4種內(nèi)碼格式的文本，具有智能的文本分析處理算法，可正確識別和處理數(shù)值、號碼、時間的度量衡符號，具備較強多音字處理能力；可男聲、女聲雙發(fā)音；支持軟件調(diào)節(jié)語速、語調(diào)、音量；支持多種控制命令，包括：合成、停止、暫停合成、繼續(xù)合成等。其命令由3部分組成如表1，其命令共有6個，詳細內(nèi)容如表2，表3 所示。

4 GPS公交智能語音報站器的硬件電路
??? 該系統(tǒng)采用常見的AT89C52單片機作為控制器。該器件成本低廉且內(nèi)部有8 KB的EPROM。GPS模塊和語音模塊均采用異步串行通訊模式與單片機通訊，簡化了硬件連接。由于AT89C52只有一個串行口，因此需擴展 AT89C52的串口。采用單片機的P3．0和P3．1分別控制GPS和語音模塊的RXD，低電平有效如圖3所示。只有當某控制引腳為低電平時，對應(yīng)模塊才享有使用串口的權(quán)力，達到串口分時復(fù)用。

??? 在GPS定位模塊Leadtek GPS-95431JP中，系統(tǒng)主要關(guān)心經(jīng)度、緯度、衛(wèi)星數(shù)信息，只需以逗號為標識符提取這些信息即可。對于GPS數(shù)據(jù)是否有效，是通過檢測搜索到的衛(wèi)星數(shù)可否大于等于4來判斷。如果要在車上顯示時間信息，同樣可以提取實時的時、分信息(世界時間與北京時間相差8 h)。由于語音合成模塊支持文本格式，所以只要將所需合成的語音漢字(如“前方到站”、“請做好下車準備”等)轉(zhuǎn)為GB2312碼，按幀命令的要求格式由單片機向語音模塊發(fā)送數(shù)據(jù)即可，它與AT89C51通訊通過全雙工異步串口實現(xiàn)。

5 系統(tǒng)軟件程序設(shè)計
??? 系統(tǒng)采用Keil C結(jié)構(gòu)化編程，主要完成：接收GPS模塊數(shù)據(jù)，從GPS數(shù)據(jù)獲取經(jīng)緯度信息、語音報站。站點的經(jīng)緯度信息，站名以數(shù)組形式存放。主程序主要完成串口初始化，設(shè)置波特率4 800 Kb／s。在中斷服務(wù)程序中，讀取的經(jīng)緯度坐標信息與存儲的站點坐標比對，達到設(shè)定的閾值時，將串口權(quán)交給語音模塊，調(diào)用語音程序即可播報，報音結(jié)束再將串口權(quán)交回GPS模塊。如將串口權(quán)交語音模塊，可用P3=P310x01和P3=P3&0xfd兩句語句實現(xiàn)；同樣，將串口權(quán)交回GPS模塊．可用P3=P310x02和P3=P3&0xfe語句實現(xiàn)。系統(tǒng)程序流程如圖4、圖5、圖6所示。

6 系統(tǒng)調(diào)試
??? 整個系統(tǒng)由GPS模塊部分和語音播報模塊部分構(gòu)成，先調(diào)試這兩個模塊，工作正常后再聯(lián)調(diào)。站點經(jīng)緯度信息，應(yīng)在到站前50 m左有處實測(將本系統(tǒng)GPS測得的經(jīng)緯度信息用LCD顯示，即可制成經(jīng)緯度顯示儀)，這樣才能在公交車快到站時啟動播報信息。同時，由于上、下行站點位置接近，站名信息相同，為了避免進出站重復(fù)播報，軟件中在對GPS測得的經(jīng)緯度信息與站點信息比對后，應(yīng)對查得的站名信息的前兩個字與上次播報的站名的前兩個字比對，確認是不同站名再播報。這樣就能實現(xiàn)無需人工設(shè)置上下行線路的自動播報。

7 結(jié)束語
??? 使用AT89C51單片機、GPS-9543LP全球定位模塊和XF-S4240語音合成模塊，實現(xiàn)了公交語音自動報站系統(tǒng)。根據(jù)公交報站的具體要求，系統(tǒng)還可繼續(xù)完善。本裝置能夠把司機徹底從報站任務(wù)中解放出來，并減少交流隱患，因此該系統(tǒng)設(shè)計具有很好的應(yīng)用前景。