GPS全自动公交语音报站器的研究

1 引言
    目前，国内各大城市公交系统基本采用人工干预的电脑报站器。首先根据运营线路设置上、下行线路；公交车司机在驾驶的同时，当快到站时，按下相应报站按键。而进站时，由于人流较多，影响司机工作导致漏报站、错报站时有发生，影响公交服务质量，而且存在着很大的交通隐患。因此，这里提出一种GPS全自动公交语言报站器的设计方案，该方案采用GPS全球定位系统，无需人工干预，当车辆快到车站时可全自动实现语音报站。

2 GPS公交报站系统的原理
    GPS(Global Positioning System)，即全球卫星定位系统。每颗GPS卫星时刻发布其位置和时间数据信号，用户接收机测量每颗卫星信号到接收机的时间延迟，根据信号传输的速度计算出接收机到不同卫星的距离。同时接收到至少4颗卫星数据时，就可以算出三维坐标、速度和时间。GPS接收模块接收GPS卫星发送的定位数据，经简单的字符串操作可分别找出GPS信号中的经度、纬度以及相应的格林威治时间等定位信息。然后，将这些经纬度信息通过串口发送给单片机处理。

    图1为GPS公交智能报站器原理。GPS模块接收所选卫星发来的导航信息和星钟校正参数的时间，计算出车辆当前的经纬度坐标信息。将此坐标信息与存储在单片机中的车站的经纬度坐标信息比对(可以设定阈值)，就可查得车站站名信息，由语音系统播报即可。

3 系统器件选型
3．1 GPS定位模块——Leadtek GPS-9543LP
    目前市场上GPS模块较多，由于系统对GPS模块无特殊精度要求，出于成本的考虑，选用价格相对便宜的LeadtekGPS-9543LP定位模块。其定位精度10 m，能满足设计要求。Leadtek GPS-9543LP提供一个双列20针的对外接口，如图2所示。它有两组全双工的异步串行接口，便于和单片机通讯。在加电后开始运行，其基本运行过程如下：
    (1)自检 加电后开始自检，通过输出通道报告自检结果，其过程将检测RAM、Flash、接收器、实时时钟和晶体振荡器。

    (2)初始化 自检完毕后，将开始卫星探测和跟踪过程。整个探测过程是完全自动的。正常情况下，GPS-9543LP将用45 s的时间获取定位信息(在已知星历表时只需8 s)，之后通过输出通道传送有效的位置、速度和时间信息。
    (3)导航探测完毕后，GPS-9543LP通过输出通道发送有效的导航信息，包括经纬度、海拔、速度、日期／时间、误差估计、卫星和接收机状态。
    (4)卫星数据收集 运行时，GPS-9543LP将自动更新卫星轨道数据。

    GPS-9543LP采用美国国家海洋电子协会制定的NMEA-0183通信标准格式。其输出数据采用ASCII码，内容包含纬度、经度、高度、速度、日期、时间、航向以及卫星状况等信息。一条$GPGGA输出语句包括17个字段：语句标识头，世界时间，纬度，纬度半球，经度，经度半球，定位质量指示，使用卫星数量，水平精确度，海拔高度，高度单位，大地水准面高度，高度单位，差分GPS数据期限，差分参考基站标号，校验和结束标记(用回车符< CR>和换行符)，分别用14个逗号分隔。如单片机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”格式语句，世界(格林威治)时间为11时46分41秒，位置在北纬30度2．323 2分．东经122度6．1157分，定位有效，接收到5颗卫星，水平精度12．9 m，天线离海平面高度53．2 m，所在地离地平面高度11．6 m，校验和为4AH。
    从GPS板接收的数据流是文本字符串，可根据GPS输出数据NMEA-0183通信标准格式所定义的各种记录语句的结构组成特点，编制程序解析其中有用信息。由于帧内各数据段由逗号分隔，因此在处理缓存数据时一般通过搜寻ASCII码“$”判断是否是帧头。在识别帧头的类别(GPGGA)后，通过对所经历逗号个数判断当前正在处理的是哪一种定位导航参数，并作出相应处理。

3．2 语音合成模块
    XF-S4240语音合成模块是嵌入式中文语音合成模块。该模块通过异步串口(UART)、SPI接口及I2C总线3种方式接收待合成的文本，直接合成为语音输出。XF-S4240采用3．3 V电源供电，支持GB2312，GBK，BIG5，UNICODE 4种内码格式的文本，具有智能的文本分析处理算法，可正确识别和处理数值、号码、时间的度量衡符号，具备较强多音字处理能力；可男声、女声双发音；支持软件调节语速、语调、音量；支持多种控制命令，包括：合成、停止、暂停合成、继续合成等。其命令由3部分组成如表1，其命令共有6个，详细内容如表2，表3 所示。

4 GPS公交智能语音报站器的硬件电路
    该系统采用常见的AT89C52单片机作为控制器。该器件成本低廉且内部有8 KB的EPROM。GPS模块和语音模块均采用异步串行通讯模式与单片机通讯，简化了硬件连接。由于AT89C52只有一个串行口，因此需扩展 AT89C52的串口。采用单片机的P3．0和P3．1分别控制GPS和语音模块的RXD，低电平有效如图3所示。只有当某控制引脚为低电平时，对应模块才享有使用串口的权力，达到串口分时复用。

    在GPS定位模块Leadtek GPS-95431JP中，系统主要关心经度、纬度、卫星数信息，只需以逗号为标识符提取这些信息即可。对于GPS数据是否有效，是通过检测搜索到的卫星数可否大于等于4来判断。如果要在车上显示时间信息，同样可以提取实时的时、分信息(世界时间与北京时间相差8 h)。由于语音合成模块支持文本格式，所以只要将所需合成的语音汉字(如“前方到站”、“请做好下车准备”等)转为GB2312码，按帧命令的要求格式由单片机向语音模块发送数据即可，它与AT89C51通讯通过全双工异步串口实现。

5 系统软件程序设计
    系统采用Keil C结构化编程，主要完成：接收GPS模块数据，从GPS数据获取经纬度信息、语音报站。站点的经纬度信息，站名以数组形式存放。主程序主要完成串口初始化，设置波特率4 800 Kb／s。在中断服务程序中，读取的经纬度坐标信息与存储的站点坐标比对，达到设定的阈值时，将串口权交给语音模块，调用语音程序即可播报，报音结束再将串口权交回GPS模块。如将串口权交语音模块，可用P3=P310x01和P3=P3&0xfd两句语句实现；同样，将串口权交回GPS模块．可用P3=P310x02和P3=P3&0xfe语句实现。系统程序流程如图4、图5、图6所示。

6 系统调试
    整个系统由GPS模块部分和语音播报模块部分构成，先调试这两个模块，工作正常后再联调。站点经纬度信息，应在到站前50 m左有处实测(将本系统GPS测得的经纬度信息用LCD显示，即可制成经纬度显示仪)，这样才能在公交车快到站时启动播报信息。同时，由于上、下行站点位置接近，站名信息相同，为了避免进出站重复播报，软件中在对GPS测得的经纬度信息与站点信息比对后，应对查得的站名信息的前两个字与上次播报的站名的前两个字比对，确认是不同站名再播报。这样就能实现无需人工设置上下行线路的自动播报。

7 结束语
    使用AT89C51单片机、GPS-9543LP全球定位模块和XF-S4240语音合成模块，实现了公交语音自动报站系统。根据公交报站的具体要求，系统还可继续完善。本装置能够把司机彻底从报站任务中解放出来，并减少交流隐患，因此该系统设计具有很好的应用前景。