基于GPS／GPRS的公交车自动报站系统设计

0 引 言
    目前，国内公交车报站的方式多采用手动报站，但是因为司机需要在保证安全驾驶的前提下进行报站，所以经常出现错报、漏报、安全隐患等一系列问题。采用GPS全球定位系统进行自动报站使这一难题迎刃而解，不需要人工干预，大大减轻了司机的工作量，也同时提高了车辆运行的安全性，促进公交系统的现代化进程。
    现阶段，公交车内信息屏多通过有线方式获得新闻、天气预报、广告等信息，也可以同步显示报站信息。但是有一个不可避免的问题，那就是由于没有整合GPRS无线通讯功能，所以维护起来比较麻烦，如果需要更换广告内容，就必须派出大量的人员，对需要更改广告内容的公交车内信息屏一一更改，浪费了大量的人力物力。GPRS的应用使系统实现了前所未有的高度整合，解决了目前国内现有的公交车内信息更新方式落后的弊端。通过GPS卫星定位系统和GPRS无线通信网络，公交监控调度中心可实时监控各条线路公交车位置的分布情况，并根据监控情况向有关公交车发出调度通知。

1 公交车自动报站系统的组成
    该系统由公交车内各终端(信息屏、腰牌等)、自动报站器、GPRS／GSM通信网络、公交监控调度中心组成。自动报站器主要由主控芯片、GPS／GPRS通信模块、LCD、SD卡、MP3解码芯片组成。整个系统的总体结构如图1所示。

    自动报站器利用自学习功能存储站点的经纬度信息到SD卡，当公交车行驶到某站点时，接收的经纬度信息与存储的某站点经纬度信息一致，就可以。自动播报相应站点的站名，同时实现以下两个功能：
    (1)通过RS 485接口发送相应的信息到车内各终端，实现公交车内的控制一体化；
    (2)通过GSM网络发送公交车的状态信息(经纬度、速度等参数)到公交监控调度中心，实现公交车与监控调度中心的高度统一。

2 公交车自动报站器的硬件设计
    公交车自动报站器主要以LM3S1601主芯片、GPS模块和GPRS模块为核心，搭建终端平台，他们之间通过串行通信方式连接，其余还包括电源模、MP3播放接口和SD卡接口等。硬件原理结构图如图2所示。

2．1 电源模块的设计
    电源系统对自动报站器的可靠性运行影响很大，好的电源电路能够过滤掉很多通过电源电路传人的干扰信号。本电源模块的电源电路如图3所示。

    控制器输入电压为24 V，由于GPRS上网时的峰值电流可达2 A，所以电源芯片选用LM2596-5．0，输出电流可达3 A。采用LM1117-3．3芯片给LM3S1601、SD卡等供电，LM1117-2．5芯片给MP3解码芯片供电，MIC29302芯片输出4 V电压给GPRS模块。
2．2 SIM300C GPRS模块
    SIM300C内嵌TCP／IP协议栈，基于GSM／GPRS900／1 800／1 900 MHz三频，采用双列直插式板对板连接，适合车载应用。尺寸：50 mm×33 mm×6．2 mm。支持class2，通过AT指令控制，满足GSM 2／2+标准，带有RS 232电平，直接与单片机相连。
2．3 主控芯片
    采用TI公司的LM3S1601单片机作为控制主芯片，该芯片采用ARM Cortex-M3内核，Cortex-M3是ARM公司最新推出的基于ARMv7体系架构的处理器核，具有高性能、低成本、低功耗的特点。它采用哈佛结构，使用分离的指令和数据总线(冯诺伊曼结构下，数据和指令共用一条总线)，处理速度明显加快。Cor-tex-M3只支持最新的Thumb-2指令集。免去Thumb和ARM代码的互相切换，Cortex-M3内核中集成了中断控制器，提供基本的32个物理中断，具有8层优先级，最高可达到240个物理中断和256个中断优先级。此类设计是确定的且具有低延迟性，特别适用于汽车应用。具有128 KB的片内FLASH，32 KB片内SRAM，3个UART串口，2个SSI接口，2个I2C接口，完全能够满足现在的需求。
2．4 E2PROM和SD卡存储模块
    E2PROM型号为CAT24C02，用来存放报站器的站号、线路、上下行、模式等必要数据，防止掉电数据丢失。SD卡存储中文站名、经纬度信息、MP3音频文件等，SD卡与单片机通过SS10接口进行通信，采用FAT16格式的文件系统，支持最大2 GB的SD卡。
2．5 MP3解码芯片
    MP3解码芯片采用的是芬兰VLSI Solution公司生产的VS1003芯片，VS1003是一款单芯片的MP3／WMA／MIDI音频解码和ADPCM编码芯片，其拥有一个性能低功耗的DSP处理器核VS_DSP，5 KB的指令RAM，0．5 KB的数据RAM，串行的控制器和数据输入接口，4个通用I／O口，一个UART口；同时片内带有一个可变采样率的ADC、一个立体声DAC以及耳机音频放大器。

3 公交车自动报站器的软件设计及实现
    由单片机LM3S1601编程实现GPS信息的接收处理，GPRS上网、建立连接、接收数据，MP3语音文件的播放，读写SD卡的内容，LCD屏的显示等功能。本系统的工作过程大致为：通过按键及GPS信息的接收进行站点的自学习；自动搜索站点，并自动报站：如果GPS模块接收到的经纬度信息与存储的某站点经纬度信息一致，则通过SSI0从SD卡中读取相对应的MP3文件，将所读取的数据流通过SSI1发送到VS1003播放器中播放，同时在LCD屏上显示相应的站号及站名，并通过GSM网络发送当前的经纬度信息到公交监控调度中心，从而实现自动报站的功能；中心主动连接自动报站器，自动报站器根据接收的通信协议的不同进行不同的操作(如实时监控、车内信息更新等)。系统的软件组成框图如图4所示。

3．1 报站器的主程序设计
    主程序主要完成系统初始化及各个模块子程序的调用，其流程图如图5所示。

    系统上电后进行初始化，包括：I／O口，定时器，UART、看门狗，模块(SD卡、GPRS模块、VS1003等)。系统初始化完之后，接收GPS定位信息，GPS通信协议较多。该程序采用应用最为广泛的NMEA-0183协议。在此协议中包括了“$GPGGA”、“$GPGSA”、“$GPGSV”和“$GPRMC”等格式，而本文使用的是以最简格式“$GPRMC”语句进行设计。格式如下：$GPRMC，<1>，<2>，<3>，<4>，<5>，<6>，<7>，<8>，<9>，<10>，<11>，<12>*hh 其中<2>为定位状态，A＝有效定位，V＝无效定位，当接收数据为A时，则认为GPS接收数据有效，然后进行自学习功能、GPRS处理功能、自动搜索站点功能的判断及处理。
3．2 GPRS处理子程序的设计
    GPRS处理子程序主要实现报站器与中心之间的通信及监控调度、信息更新功能。
    中心打电话通知报站器上线，报站器接收到“+CLIP："020********"，129”，通过“ATH”挂断电话，判断是否为中心电话，如果是则建立PPP连接，连接成功后，通过TCP／IP连接中心的固定IP地址和端口号。
    报站器与中心连接成功后，双方互发握手指令，如果“握手”成功，则进行通信；否则中心主动断网。“握手”成功后，报站器接收中心下发的指令。如果为“实时监控”指令，则实时发送GPS数据，为了防止中心与报站器之间断网，双方需定时发送“心跳包”；如果是“信息更新”指令，则接收中心发送的更新信息，接收完毕后自动断网。

4 结 语
    该自动报站器通过EMC及可靠性试验和现场试运行，系统功能正常、运行稳定、表现出较强的抗干扰能力和较高的可靠性，尤其GPS自动报站功能，可根据客户需要及公交线路的实际情况更改报站和预报站范围，确保了报站的准确性，提高了公交车的安全性，减轻了司机的负担，具有良好的社会经济效益。目前，系统功能正在进行部分高级功能的完善，产业化工作也正在全面展开之中。