摘要：本文针对已有报站系统的缺陷提出了基于GPS和GPRS的公交自动报站系统，该系统由GPS 单元、GPRS单元、处理器及外围电路和电源模块构成，具有GPS定位、GPRS语音通话和无线通信功能，解决了其中的关键技术，并且完成了系统主要的硬件和软件设计。
关键词：GPS，GPRS，自动报站

全球定位系统（Global Positioning System--GPS）是在海、陆、空进行全方位实时三维导航与定位能力的新一代卫星导航与定位系统,目前其精度为到10～20m^[1]。现在民用微型GPS接收器的价格和实时接收精度已经完全满足车辆导航定位的需要，为公交自动报站系统的设计提供了条件。

基于GPS的公交车自动报站系统可以大大降低司乘人员的劳动强度，对促进智能公交的发展具有积极意义，但是它还存在着诸多不足。例如在城市中由于树木、高楼的遮挡有些路段接收不到GPS信号，针对这个问题需要利用陀螺仪等其它辅助定位系统和GPS定位相结合进行定位。而且公交车位置信息的通信问题也是一个焦点，车辆的管理、调度、监控对形成城市的智能交通网络有重要意义。本文将把GPS定位和GPRS（General Packet Radio System ）无线通信网结合起来对城市的车辆进行实时的控制与管理。

1 系统总体设计

整个车载终端系统主要由四大部分组成：GPS 单元、GPRS单元、处理器及外围电路和电源模块构成。车载终端的硬件功能方框图如图1所示：

图1 车载终端的硬件功能方框图

1.1 GPS模块

GPS模块采用Ublox公司的TIM－LR模块，TIM-LR 是一款功耗极低的GPS 接收机组件，它基于传感器推测算法为用户提供定位服务，适用于有源及无源天线。它融合了ANTARIS GPS 定位技术和增强型Kalman 滤波算法EKF（Enhanced Kalman Filter ），能在GPS 信号接收微弱甚至接收不到的情况下为用户提供精准的导航服务，例如在隧道，室内停车场和纵深的城市峡谷中。基于传感器的GPS 接收机利用陀螺仪（转动速率传感器）以及汽车里程表脉冲引入的信号进行航位推测计算，在GPS 接收信号的质量不足以提供满足要求的定位结果时结合GPS 信息提供辅助定位。根据可用的GPS 信号质量，u-blox 通过特有的EKF 算法对GPS 定位数据和传感器的输入自动加权平均，以精确计算位置信息。

GPS模块确认车辆的动态位置（精度、纬度）、时间、状态等信息，与公交线路信息库中存储的车站的位置进行比较，根据预先设定的距离和规则向乘客报告车站和线路的语音信息；并且能把车辆运行的详细情况记录下来，对公交汽车的运营状况进行全程监控并记录。GPS模块的复位可通过CPLD进行控制。

1.2 GPRS模块

GPRS模块采用BENQ公司的M23，GPRS单元主要作用是，车载机在开机状态下，需要实时的跟中心进行通讯，将公交车的GPS定位信息、报站信息、司机考勤信息以及其他数据发送给中心，同时中心也可给车载机发送短信调度信息、语音调度信息等数据。当通讯模块在通讯过程中掉线的话，系统能控制模块电源的上电掉电，实现掉线重联。

1.3 控制器模块

控制器采用Freescale的MCF5272，MCF5272微处理器是Freescale推出的集成度非常高的ColdFire微处理器。不论是在设计互联网设备、LAN电话系统、低端网络控制、工业控制、图像设备，还是存储解决方案，摩托罗拉的MCF5272微处理器的高性能表現都会合乎设计要求。

1.4 电源模块

电源模块是对于车载产品要求极高的部分，因此要充分考虑到过压保护指标、过流性能指标、极性反接性能指标、绝缘与耐压性能指标、电快速瞬变脉冲群抗扰度指标、环境性能指标、对外辐射骚扰指标和电源蓄能指标等。本设计的电源模块功能框图如下  

图2 电源模块功能框图

2 GPS 信息的接收与处理

GPS模块TIM-LR可以同时接收12颗卫星信号，美国取消SA政策以后，一般微型GPS接收机的即时定位对精度在10～20m之间，而TIM-LR采用差分算法可以将精度提高到5m。因此完全满足自动报站系统的需要。TIM-LR 通过RS232串口与MCF5272进行数据传输，这些数据包括了经度、纬度、海拔高度、时间、卫星实用情况等基本信息。依据这些基本数据，进行数据处理来取得当前车辆的坐标。

TIM-LR模块支持NMEA0183通信协议，配合GPS接收天线可以完成实时接收GPS卫星定位数据。对其进行硬件上的必要配置，只要系统一上电，模块就开始自动的接收GPS卫星定位数据，然后从GPS模块的数据口输出MCF5272的UART 1，供MCF5272对定位数据的需要随时提取。

测试中接收到的一组GPS卫星定位实验数据：

$GPGSV,3,3,12,13,19,268,,28,17,091,,01,08,200,,26,06,310,*73

$GPRMC,133554.999,V,3116.7486,N,12127.1579,E,,,040804,,*15

$GPGGA,133555.999,3116.7486,N,12127.1579,E,0,04,12.6,0.2,M,,,,0000*35

$GPGSA,A,1,03,08,15,19,,,,,,,,,14.9,12.6,7.9*30

上述的数据中，有效信息包含了地理信息、卫星信息、速度信息、时间信息、系统状态等。为了在接收到的GPS数据中提取出有效的经度、纬度、UTC时间和其他一些辅助信息，只要识别一条$GPRMC记录就可以提取出所需要的信息。根据NMEA0183通信协议中对$GPRMC记录的格式规范，从上述实验数据可以知道，该测试点的纬度是北纬31.167486度，经度是东经121.271579度，速度为0哩／小时（静止物体），UTC时间为133555.999。

3 公交信息数据库的设计

由于不同的车基本上走的线路是固定的，因此没有必要存储整个城市所有公交线路的信息，只要选择任意一条线路运营。

本系统公交信息数据库3部分组成：（1）公交线路表，存储着任意一条运营的线路；（2）线路－车站表，存储每条公交线路对应的车站及其序号；（3）车站信息表，存储这每个车站对应的车站名称、坐标、语音信息以及其他与本车站相关的信息，详细的关系见图3所示。

图3  公交线路数据表结构

在公交运行过程中，需要确定该线路运行的方向，因为不同的方向需要预报不同的目的地。由于可以通过GPS实时获得车辆当前的坐标，因此可以根据当前位置和下一刻的位置自动确定当前公交车运行的方向，并填入到公交线路表中的上下行标志位。

车辆运行过程中的状态控制，以前的手动报站系统中，公交车运行的各个状态需要驾驶员手动控制，，而车站信息需要售票员或者驾驶员控制，在自动报站系统中，车辆的各种状态全部通过计算机自动判断完成。

公交车在每两个站点之间的运行要经历下面4个状态：

（1）靠近站点，距离站点200m处，预报站点；

（2）到站，距离站点20m以内，报告到站信息，开车门下客，向车站乘客报告车辆行驶方向；

（3）出站，距站点﹥20m，并且速度﹥0报告离站信息，下一站信息，驶出站台；

（4）运行，距站点﹥200m,可播放其它与站点信息无关的信息。

这 4 个状态的判断依据，完全是根据 GPS 实时接收的位置信息和数据库中存储的站点位置和线路信息进行比较，根据车辆和车站之间的相对位置来进行状态切换。除了始点和终点稍有差别需要报告终点站和起始站的信息外, 其它各站都是以上这 4 个过程的循环。

4 结论

基于GPS和GPRS的公交自动报站系统，具有GPS定位功能，GPRS语音通话和无线通信功能，能实现自动报站、语音调度、短信收发、中心通讯，具有RS232、RS485标准接口，甚至可以通过监视器播放各种视频多媒体信息。大大降低了乘务人员的劳动强度，提高了公交管理的科学性。同时解决了因城市树木，高楼的遮挡，使得GPS信号在某些路段无法接收的问题，提高了整个系统使用的范围。

参考文献：

[1] 赵会平.汽车导航系统[J].测控技术，2001，20(2):3-6

[2] 戴喜明，袁涛，吴定雪. 基于GSM/GPS/GIS车辆状态监控系统的设计与实现[J]. 微计算机信息，2006，9-1: 246-248