GPS全自動公交語音報站器的研究

1 引言
??? 目前，國內各大城市公交系統基本采用人工干預的電腦報站器。首先根據運營線路設置上、下行線路；公交車司機在駕駛的同時，當快到站時，按下相應報站按鍵。而進站時，由于人流較多，影響司機工作導致漏報站、錯報站時有發生，影響公交服務質量，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計方案，該方案采用GPS全球定位系統，無需人工干預，當車輛快到車站時可全自動實現語音報站。

2 GPS公交報站系統的原理
??? GPS(Global Positioning System)，即全球衛星定位系統。每顆GPS衛星時刻發布其位置和時間數據信號，用戶接收機測量每顆衛星信號到接收機的時間延遲，根據信號傳輸的速度計算出接收機到不同衛星的距離。同時接收到至少4顆衛星數據時，就可以算出三維坐標、速度和時間。GPS接收模塊接收GPS衛星發送的定位數據，經簡單的字符串操作可分別找出GPS信號中的經度、緯度以及相應的格林威治時間等定位信息。然后，將這些經緯度信息通過串口發送給單片機處理。

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

3 系統器件選型
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)導航探測完畢后，GPS-9543LP通過輸出通道發送有效的導航信息，包括經緯度、海拔、速度、日期／時間、誤差估計、衛星和接收機狀態。
??? (4)衛星數據收集 運行時，GPS-9543LP將自動更新衛星軌道數據。

??? GPS-9543LP采用美國國家海洋電子協會制定的NMEA-0183通信標準格式。其輸出數據采用ASCII碼，內容包含緯度、經度、高度、速度、日期、時間、航向以及衛星狀況等信息。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，經度，經度半球，定位質量指示，使用衛星數量，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數據期限，差分參考基站標號，校驗和結束標記(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122度6．1157分，定位有效，接收到5顆衛星，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板接收的數據流是文本字符串，可根據GPS輸出數據NMEA-0183通信標準格式所定義的各種記錄語句的結構組成特點，編制程序解析其中有用信息。由于幀內各數據段由逗號分隔，因此在處理緩存數據時一般通過搜尋ASCII碼“$”判斷是否是幀頭。在識別幀頭的類別(GPGGA)后，通過對所經歷逗號個數判斷當前正在處理的是哪一種定位導航參數，并作出相應處理。

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、女聲雙發音；支持軟件調節語速、語調、音量；支持多種控制命令，包括：合成、停止、暫停合成、繼續合成等。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
??? 該系統采用常見的AT89C52單片機作為控制器。該器件成本低廉且內部有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，對應模塊才享有使用串口的權力，達到串口分時復用。

??? 在GPS定位模塊Leadtek GPS-95431JP中，系統主要關心經度、緯度、衛星數信息，只需以逗號為標識符提取這些信息即可。對于GPS數據是否有效，是通過檢測搜索到的衛星數可否大于等于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)轉為GB2312碼，按幀命令的要求格式由單片機向語音模塊發送數據即可，它與AT89C51通訊通過全雙工異步串口實現。

5 系統軟件程序設計
??? 系統采用Keil C結構化編程，主要完成：接收GPS模塊數據，從GPS數據獲取經緯度信息、語音報站。站點的經緯度信息，站名以數組形式存放。主程序主要完成串口初始化，設置波特率4 800 Kb／s。在中斷服務程序中，讀取的經緯度坐標信息與存儲的站點坐標比對，達到設定的閾值時，將串口權交給語音模塊，調用語音程序即可播報，報音結束再將串口權交回GPS模塊。如將串口權交語音模塊，可用P3=P310x01和P3=P3&0xfd兩句語句實現；同樣，將串口權交回GPS模塊．可用P3=P310x02和P3=P3&0xfe語句實現。系統程序流程如圖4、圖5、圖6所示。

6 系統調試
??? 整個系統由GPS模塊部分和語音播報模塊部分構成，先調試這兩個模塊，工作正常后再聯調。站點經緯度信息，應在到站前50 m左有處實測(將本系統GPS測得的經緯度信息用LCD顯示，即可制成經緯度顯示儀)，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播報，軟件中在對GPS測得的經緯度信息與站點信息比對后，應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。這樣就能實現無需人工設置上下行線路的自動播報。

7 結束語
??? 使用AT89C51單片機、GPS-9543LP全球定位模塊和XF-S4240語音合成模塊，實現了公交語音自動報站系統。根據公交報站的具體要求，系統還可繼續完善。本裝置能夠把司機徹底從報站任務中解放出來，并減少交流隱患，因此該系統設計具有很好的應用前景。