基于單片機的公交車自動報站系統(tǒng)設計

基于單片機的公交車自動報站系統(tǒng)設計摘要在本論文中設計了可以實現(xiàn)公交車自動報站的系統(tǒng)，它擁有語音自動廣播同時能夠實時顯示到站信息。在整個設計里，能夠解決目前存在的舊公交系統(tǒng)中一些運行風險，同時也減少了司機的工作負擔，在本設計中針對性的提高了運行過程中的抗干擾性的同時優(yōu)化了距離算法能夠更好的與公交車的外圍設備進行交互。本設計再開始之初提前調研了社會上公交車報站存在的相關短板，以及國內外的相關發(fā)展現(xiàn)狀，根據最后實際的調研結果分析并設計了此次設計的整體思路。主要是：音頻的收集和功放、定位模組、控制模組、儲存模組和外設五個主要組成。在本文中設計了整個系統(tǒng)中需要用到的相關軟硬件并且得到了實現(xiàn)。其中包含：音頻的收集和功放、音頻的編解、通信接口及能夠實現(xiàn)報站的相關軟件等。音頻的收集和功放主要是通過對于AD/DA的調用和音頻采集速度，最后設定相關的緩存得以實現(xiàn)。音頻的編解則是通過針對語音的開源免費的音頻壓縮格式進行解壓和調用并將數(shù)據進行儲存。通信接口及能夠實現(xiàn)報站的相關軟件是通過SPI、RS485進行通信，再通過位置定位、處理后進行自動運行的軟件。最終針對于此次設計進行了相關的實際測試，針對于測試線路進行了往返測試，得到了相關的系統(tǒng)適用性的分析。關鍵詞：定位；實時報站；公共交通；音頻編解；音頻收集

目錄39451.1研究的背景以及意義 第一章緒論在近些年中，城市的發(fā)展也帶動了經濟的高速發(fā)展，但與此同時我們也面臨著更加嚴重的出行時交通堵塞的問題。因而，急需成立一個順應時代更加完善、便利且成本低廉的公共交通方案。從前公共交通所使用的人工報站的方式會分散司機開車的精力，造成危險駕駛的風險直線上升。最近幾年隨著科學技術的飛速發(fā)展，公共交通也迎來了新的模式發(fā)展，而自動運行的報站系統(tǒng)更是主要的科研方向。1.1研究的背景以及意義公共交通是目前緩解出行交通問題的最有效方式之一，它擁有著諸多優(yōu)點，一直得到著國家和人們的認同，是國家的重點與民生相關項目和基礎設施，同時也是大多數(shù)居民所選擇的方式。但是隨著發(fā)展，因為無人售票的方式取代了從前售票員的方式，報站工作也就此轉移到了司機身上，在此過程中，司機在報站時分散了行駛的專注程度，造成了安全駕駛的風險但在實，發(fā)生交通意外地事故率也因此提高。所以，如何進行改善提高目前有較高風險的傳統(tǒng)方式，將現(xiàn)代科技運用到自動報站中具有較高的科研價值。1.2國內外研究現(xiàn)狀在發(fā)達國家，因為早已經歷過因為汽車保有量帶來的后續(xù)問題，在經歷漫長的改善后，公共交通整個系統(tǒng)變得比較完善，已經開始轉向為乘客服務全自動化階段，包括了自動報站，協(xié)助殘障人士的腳踏板等等。尤其在美國對于公交車的看重，已經將車輛的設計歸進法律，使智能化的設計能夠加速公共交通安全發(fā)展。但在目前國內公共交通仍在逐步發(fā)展的過程中，大部分城的公共交通多為政府補貼，并不實現(xiàn)盈利，所以在改善的過程中經費也成為了延緩發(fā)展的原因之一，在一些發(fā)展緩慢的區(qū)域仍在使用較為落后的公交系統(tǒng)，而部分較為發(fā)達的城市，智能化的公交已經開始逐步投放。1.3研究的主要內容本設計實現(xiàn)了公共交通的自動報站系統(tǒng)，使用單片機實現(xiàn)音頻的收集和功放以及自動報站的實現(xiàn)。主要方向分為以下幾個方面：(1)實現(xiàn)整個系統(tǒng)對于自動報站的技術需求。(2)梳理大體思路，得出為實現(xiàn)功能所需要的設計。(3)通過設計的思路得出所需硬件。(4)通過設計進行編程以便于利用軟件邏輯能實現(xiàn)定位功能、音頻功能。(5)進行整體軟硬件的總裝測試，記錄各個模塊的運行數(shù)據。1.4論文主要內容本設計主要是為了針對目前公共交通的需求實現(xiàn)自動報站。主要針對于智能化、低廉、安全、使用進行設計，選擇出最適合公共交通現(xiàn)狀的軟硬件模塊。本文的主要內容為：第一章：介紹了本設計的研究現(xiàn)狀、意義和對于實際應用的幫助。第二章：主要建立起了本設計的主要思路，將設計中采用的模塊介紹解讀，說明了選擇的原因。第三章：設計整體的硬件架構路線構，表述原理和功能以及串口的通訊方式，設立了音頻的收集和功放、定位模組、控制模組、儲存模組和外設五個主要組成。第四章：主要表述了軟件方面的框架和設計如何實現(xiàn)相應的需求。通過SPI、RS485進行通信，再通過位置定位、數(shù)據經過處理之后自主運行。第五章：針對于設計進行實際測試，獲得測試過程中的相關數(shù)據，將數(shù)據進行解讀。第六章：對顯現(xiàn)出的不足進行優(yōu)化和改進的相關思考。

第二章自動報站系統(tǒng)設計方案本設計主要是避免司機在行駛時分散精力，實現(xiàn)到站的自動播報。主要原理為通過車上的主控制端對車輛的實時數(shù)據接收和分析得出所在位置信息進行播報。本章主要闡述了設計的整體思路、關鍵部分和組成。2.1設計思路與目的本設計主要是為了取代舊模式下的人工報站，使司機工作量減輕，提高運營過程中車輛行駛的安全系數(shù)。方案為當公交車即將到站，位置信息將能夠定位相應站點，同時通過視頻和音頻與乘客進行反饋。針對于以上需求，進行了以下設計：定位模組：需要在車輛到達站點附近時，系統(tǒng)得到精準輸入，進而輸出到站信號。音頻模組：利用車載功放，傳出到站信號。音頻錄制：提前錄制需要播放的音頻，當信號觸發(fā)則播放相應音頻。顯示功能：通過車載的顯示屏，通過文字重復顯示到站信息。2.2系統(tǒng)設計方案主要為：音頻的收集和功放、定位模組、控制模組、儲存模組和外設。通過定位模組收集實時的位置信息，輸入給主控制端進行數(shù)據處理，轉化為語音數(shù)據播放；顯示模組顯示文字到站信息；存儲模組主要為提前存入的播報以及位置信息；車載外設主要為功放和顯示屏。主要框架如圖2-1所示。圖2-1系統(tǒng)總體框架圖主控制芯片是整個設計中最重要的部分，從才能讓各個模組聯(lián)合成為一體協(xié)同工作實現(xiàn)系統(tǒng)功能。同時還要兼具調試功能，對各個模組的配合進行調試更加貼合需求功能。定位模組同樣為重要的組成部分，該模組用于獲取公交車目前的相關位置數(shù)據，用于主控制芯片的數(shù)據輸入。音頻采集模組主要用于預先錄制報站音頻或實時通知。音頻播報模組主要用于實現(xiàn)到站信息的播報。顯示模組用于調試功能以及文字顯示到站信息。車載的外設部分包括了功放、顯示屏。顯示車輛信息、到站信息、路線信息等等。存儲模組儲存預先錄制好的語音播報以及各種需要顯示的文字。2.3車輛定位功能關于本設計功能的實現(xiàn)，需要主控系統(tǒng)識別公交車輛到站信息。所以此時著控制系統(tǒng)需要有能力判斷車輛的位置信息。因此，本設計采用GPS模組作為采集位置信息的方式，同時具有：操作簡便、成本低廉、位置信息精度高等優(yōu)點。2.4音頻的采集與功放音頻采集和功放模組主要用于預先錄制報站音頻或實時通知和播報。因此整個系統(tǒng)的主機和從機需要相互通信并得到控制。本設計中運用了模擬放大電路可以進行調試和功放兩種情況?？紤]到成本和實際使用是的復雜程度才整個模塊中選用了MCP601運算放大器，其具有運行效率高、功耗低、輸出高等優(yōu)點同時擁有較寬的帶寬能夠兼容A/D轉換器的驅動放大器。音頻的功放選擇了體積較小的TS4871音頻放大器，較為適合前期調試工作。2.5報站信息的存儲與顯示報站信息的顯示和緩存是整個設計中的重要一環(huán)。在系統(tǒng)中需要預先儲存站點文字信息和報站錄音音頻，同時，因為公共交通線路繁多，也需要將整個線路地圖進行保存，所以在設計中采用了SD儲存卡。顯示系統(tǒng)也是為了顯示控制信息和站點的文字信息，所以同樣不可或缺，采用了LED顯示屏。2.6車載外圍設備通信協(xié)議因為公共交通車廂面積較大，為了考慮線路鋪設的遠距離傳輸，本設計選擇了RS485接口，能夠很好的抗噪聲、抗共模干擾，除此以外此接口還可以連接多達128個信號的收發(fā)器，能夠保證多個公共車輛之間穩(wěn)定的通信，同時選擇不同車輛之間的隨意配置。本設計將RS485組合成為了半雙工網絡，所有外設將直接通過此接口與主控制器進行通信，又因RS485為二線制，更加簡化了復雜程度又提高了抗干擾性。2.7本章小結第二章主要是對于為了實現(xiàn)所需功能設計的各個部分進行類詳細的分析：關于音頻收集和功放、儲存功能、顯示功能、通信協(xié)議等對應著預錄制、自動報站、調試功能。同時根據優(yōu)缺點、預算等要求對于相應的模組進行了選擇和詳細介紹，也介紹了相應模組的實現(xiàn)方案。

第三章自動報站系統(tǒng)硬件設計在整個設計中主要為主控制芯片和對應的最小系統(tǒng)；定位功能主要是需要GPS進行實現(xiàn)；而音頻收集有著輸入輸出電路，公交車上的功放是通過RS485實現(xiàn)了通信，從而能控制外設進行播放到站播報。存儲模塊采用了SD卡。本章針對于上述的各個模塊進行了組合并拿出了交互實現(xiàn)功能的完整方案。3.1系統(tǒng)硬件設計概述本設計的主要硬件部分采用了ARM和32單片機為主要的控制模塊、GPS模組給出了當公交車要運行時的詳細經緯數(shù)據，相關的數(shù)據信息在SD卡中再通過外設、輸入輸出、顯示、功放、電源等模組才實現(xiàn)了全部報站設計的硬件部分。公交車實現(xiàn)自動報站的完整硬件系統(tǒng)如圖3-1所示。圖3-1公交報站系統(tǒng)硬件框圖GPS模組所獲得的實時位置信息將經過串口通信給到主要控制芯片32單片機，通過SPI總線將儲存在SD卡中的預錄制錄音和站點信息進行提取。經過主要控制芯片將實時數(shù)據進行處理獲得位置后，提取相應的報站信息，再由功放和LED屏幕通過RS485進行播報和文字顯示，同時在按鍵模組可以實現(xiàn)實時喊話。電源電路可以將車載的電源進行轉化供整個電路使用。至此，整個硬件模塊用以實現(xiàn)整個設計的功能。3.2系統(tǒng)主控設計在本設計中，重要控制芯片為重要組成部分，需要擁有較高性能，而STM32I405正好能夠滿足設計中所需要的引腳、串口通信、高速處理速度等功能。STM32F405微處理器的最小系統(tǒng)主要為：電源、復位電路、振蕩電路等。該系統(tǒng)的時鐘復位的時鐘選擇了具有16MHz的內部RC振蕩器。同時系統(tǒng)外接了8MHZ的振蕩器的引腳是OSC_IN和OSC_OUT；利用串口通信于GPS模組進行輸入輸出交換；音頻采集使用PC3與ADCIN相連接；PA5連接DAOUT進行音頻的輸出；PC6、PC7、PC8、PC9、PA8與屏幕進行連接，實現(xiàn)字體的顯示，最小系統(tǒng)整體如圖3-2所示：圖3-2最小系統(tǒng)又因為在主控制電路周圍存在著不穩(wěn)定的雜散電容會造成晶振的不穩(wěn)定，所以加入了10-30pf的負載電容使得整個電路能夠穩(wěn)定準確，也防止在使用過程因為電容小了諧振的阻抗又會升高導致輸出變小。相關電路如圖3-3所示。圖3-3振蕩與復位電路3.3公交車定位模塊定位的實現(xiàn)主要是采用了GPS定位模組，在本設計中采用了G591B模塊，主要因為該模塊有著多徑探測且進行矯正的能力，便于在復雜的道路上獲得位置信息，同時其還具有材料屏蔽的能力可以抑制RF輻射，工作電壓為2.7V-4.2V，定位模組電路如圖3-4所示。圖3-4G591B模塊接口電路圖在電路圖中，釆用3.3V的電源輸入，主要是通過將VCC_IN與VDD相連從公交車的車載電源穩(wěn)壓獲取。還放了內置天線利用ANT連接；RXA和TXA輸入輸出的方式進行數(shù)據的傳輸，要與主控制芯片相連。3.4音頻采集模塊音頻的采集是通過模擬的放大電路進行采集再完成AD到DA的轉換工作，主要使用的是MCP601的運算放大器具有功耗低、運行速率快，輸出大等優(yōu)點，并具有較寬的帶寬可以帶動AD轉換器。圖3-5音頻輸入電路如圖3-5為音頻采集電路主要利用的是MCP601同時通過錄制進行AD采樣。在此電路中J1為麥，ADCIN職責為輸出接到主控制器的AD輸入。3.5系統(tǒng)主板語音播放與信息顯示為了減少實際在車上的調試時間，需要在設計中加入調試功能，所以在主控制系統(tǒng)中加入了顯示和功放，便于調試。3.5.1音頻輸出電路音頻的播放功能依賴于DA方式進行了數(shù)據的交互，隨后通過功放進行外放。與此同時，TS4871對音頻進行了放大處理。圖3-6音頻輸出電路如圖3-6是音頻播放電路。主控制器將從SD卡中提取出相應的站點的文字以及音頻信息，當進行錄音時，將直接由AD進行采集輸出到DAOUT經過TS4871后直接通過功放進行播報。3.5.2顯示模塊為了更加直觀的看到調試結果，需要在調試時連接外設屏幕進行顯示。同時在實際使用過程中，仍然需要屏幕對到站信息和位置信息進行顯示，所以應該選擇更加節(jié)能、色彩更加豐富的OLED屏幕，它也兼具抗震、結實的特點，減少行駛過程中的安全隱患雜。OLED采用3-5.5V供電且具有SPI通信，設計電路如圖3-7所示。圖3-7OLED電路3.6車輛音頻功放與文字顯示車上加裝的顯示屏幕主要是利用RS485才能進行是數(shù)據的傳輸和顯示，優(yōu)點是抗干擾性極強，穩(wěn)定性很好且具有一定的兼容性。其硬件電路設計如圖3-8所示：圖3-8RS485通信電路3.7存儲模塊儲存也是整個設計中的重要一環(huán)。在系統(tǒng)中需要預先儲存站點文字信息和報站錄音音頻，同時，因為公共交通線路繁多，也需要將整個線路地圖進行保存，所以在設計中采用了SD儲存卡將它放入整個系統(tǒng)既低功耗又解決了儲存問題。SD卡通信協(xié)議有兩種：SD和SPI兩種模式。為了讓電路變的更加簡單，選用SPI模式。SPI模式的優(yōu)勢就在于可以讓主機變得簡單化。而SPI模式缺點是損失了一些速度性能。其硬件電路如圖3-9所示。圖3-9SD卡通信電路3.8按鍵電路在本電路中一共設計了四個按鍵包括喊話、錄音、自動、調試四個功能，其硬件電路設計如圖3-10所示：圖3-10按鍵電路電路主要是利用按鍵與上拉電阻串聯(lián)后并聯(lián)一個去抖電容實現(xiàn)減少抖動的目的。3.9電源電路因為本設計使用在公交車上，所以電源為24V，為了可以給設計使用需要進行降壓處理，解決方案為使用MC34063AD和LD1117-3.3芯片使公交車的車載電源進行降壓，電路設計如圖3-11所示圖3-11電源電路如圖3-11利用MC34063AD芯片針對于24V轉化為5V的電壓的設計。負載調整率低且電壓穩(wěn)定為5V，對于本次設計具有相當?shù)男詢r比圖3-125V-3.3V電源電路圖-12則是利用LD1117-.去達到5V轉化為.V的設計。此設計為一種正向的降壓器，將5V電壓濾波后轉化為.V電壓。3.10本章小結本章主要闡述了關于硬件方面的設計思路，分析了各部分的功能設計以及接口，針對于芯片的最小系統(tǒng)、GPS模組、數(shù)據傳輸電路、儲存、通信、電源進行了詳細解釋和相關的電路設計，同時對應了各個功能提出了優(yōu)缺點的選擇。

第四章公交報站系統(tǒng)軟件設計根據整個設計中的硬件搭建，需要一個合適的軟件系統(tǒng)去支持硬件的整體運行才能實現(xiàn)設計的功能要求。本章主要闡述了整個軟件的設計思路以及實現(xiàn)能狗滿足的所有功能，主要包括了儲存部分、音頻的播放、文字的顯示、通信協(xié)議、定位數(shù)據的處理等。4.1軟件設計闡述在整個軟件的設計中主要需要的是：音頻的采集和功放、音頻的解碼和編碼、定位數(shù)據的處理、整體數(shù)據的存儲。將32單片機等進行初始化設計后設置系統(tǒng)的狀態(tài)、選擇相應的功能，流程為圖4-1所示。軟件主要使用了四種功能實現(xiàn)了自動播報到站信息、預錄制、實時喊話、調試。預錄制功能主要是通過功能按鍵，通過AD進行采集轉換。實時喊話主要是避免GPS信號弱的情況下無法繼續(xù)實時播報，可以改換成人工報站作為備選方案，同時可以選擇直接調出儲存在SD卡中的站點信息手動播報和顯示。自動播報和實時喊話的不同在于，自動播報是使用實時的位置信息控制功放的播報，系統(tǒng)控制信息的讀解碼，并實時播報。調試功能的實現(xiàn)主要體現(xiàn)在顯示和音頻的調試，在安裝在公交車上之前提前進行調試，減少實際安裝時的調試時間。主要調試為文字、語音、站點信息，語音的準確性和音量大小等等全部流程圖如圖4-1所示，State代表了工作狀態(tài)，0則代表了未開始工作，若工作狀態(tài)為1則是處于錄制音頻；若工作狀態(tài)為2則是處于人工報站的功能中；當系統(tǒng)狀態(tài)為3時，將會進行自動播報，自動識別實時位置；當系統(tǒng)狀態(tài)為4時，則為調試狀態(tài)，進行相應功能的調試，基本通過按鍵來實現(xiàn)，也可以通過按鍵調整系統(tǒng)狀態(tài)值。圖4-1公交自動報站系統(tǒng)軟件流程圖4.2模塊初始化整個設計中，將軟件進行初始化工作主要分為主要控制、存儲、音頻的采集和功放、通信和顯示五個部分。將32單片機為主的主要控制芯片配置出正常工作參數(shù)；音頻的采集和功放主要是通過AD\DA來實現(xiàn)；存儲的SD卡將提前儲存工作所需數(shù)據，并要保證數(shù)據并不會丟失；通信部份的模組則主要采用了RS485進行反干擾的穩(wěn)定數(shù)據傳輸；顯示部分則主要是OLED屏幕在參與整個過程，實現(xiàn)相應的功能4.3自動播報站點信息自動播報站點信息主要是通過主控制系統(tǒng)給車載外設傳輸相應的數(shù)據從而實現(xiàn)預錄制語音的自動播報，同時利用定位模組對當前位置進行判斷，準確的播報站點，自動的播報包含了對于音頻的采集，同時進行音頻和數(shù)據的讀解碼、主控制器和外設的通信、實時定位、數(shù)據處理等。4.3.1Speex簡介Speex為開源的為音頻編解碼服務的軟件，主要功能就是對獲取信號進行編解碼或壓縮，它能夠將音頻解壓的同時還擁有極高的還原度，免去了擔心失真的問題。因此該軟件也被廣泛地應用在了音頻相關的設備上。Speex主要優(yōu)缺點有以下幾點：（1）該軟件為開源軟件，沒有侵權風險；（2）窄帶和寬帶的語音能出現(xiàn)在同一比特流中；（3）比特率可從2Kbit/s到44Kbit/s；（4）具有VBR；（5）具有音頻的活動探查；（6）具有一定的可變的復雜程度；（7）Speex實在CELP的基礎上進行制作形成的，CELP主要是包括以下三個方面：①針對模擬聲道建立了線性預測模型。②兩種固定或自動碼本為LPM服務。③利用“感知加權領域”開始閉環(huán)搜索。因為公交車的自動播報系統(tǒng)對于音質方面沒有較高的要求，所以完全可以利用Speex的軟件庫進行音頻的壓縮和解壓。4.3.2SD卡存儲存儲設備是在本設計中不可或缺的一部分，顯示的字符、行駛的線路信息、播報音頻等等信息都需要儲存。在硬件選擇時決定使用SD卡進行存儲，SD卡進行儲存信息不易丟失，體積較小且功耗極低。在本設計中主要是通過SPI的通信實現(xiàn)了信號的輸入和輸出的同時利用文件管理軟件對信息進行管理。（1）SPI簡介SPI是一種串行的外設接口名稱，它有著全雙工、效率高以及能夠同步串行的通信線，它只包含了四部分為串行時鐘SCK；數(shù)據線MOS1、MISO以及從機選擇線SS。使用SPI總線可能出現(xiàn)從機的MISO具有未開始傳遞數(shù)據時具有很高阻抗的三態(tài)特性。如圖4-2所示。圖4-2SPI主從模式圖在整個設計中，將不針對SPI的通訊協(xié)議進行操作，只采用32單片機的SPI作為外設，當SPI初始化后，檢測數(shù)據輸入輸出的標志位進而判斷讀取狀態(tài)。（2）文件系統(tǒng)FatFsModule作為FAT文件的系統(tǒng)模塊是一款完全開源自由使用的軟件，它有著極多的給嵌入式系統(tǒng)提供服務的案例。FatFsModule使用C語言進行編程因而具有極強的硬件平臺獨立特質和良好的層次性，可以直接應用到許多種類的單片機中幾乎不需要作出修改，如圖4-3所示：圖4-3文件系統(tǒng)結構圖在結構圖中最上面的為應用層最頂層是應用層，在使用時只需要調解f_open、f_read、f_write、f_close、f_mkdir等接口函數(shù)而不需要處理它的內部結構或者通信協(xié)議。如圖所示，讀寫協(xié)議主要是通過中間層實現(xiàn)目的。同時還要再次設定底層邏輯：存儲媒介讀寫接口DiskIO和實時時鐘的相關代碼。在本設計中主要為SPI進行通信，SD卡進行儲存，但SD卡使用時會直接為默認設置，如果想要切換到SPI通信模式則需要在收到RESTE命令的同時降低CS。DI連接MOSLDO連接MISO，CS連接SS。對于DiskIO的編程需要在SPI初始化后為基礎。同時在設計中為了方便系統(tǒng)的調用要對需要儲存的文件進行管理和存放。4.3.3語音解碼自動播報的實現(xiàn)需要在儲存模塊里讀取預錄制的音頻信息，在到達站點時，通過MCU進行信息的讀取和解碼，其流程圖如圖4-4所示：圖4-4語音解碼流程圖因為Speex在解碼時會對音頻信號的功放產生影響，為了解決這個問題，設計了雙緩沖區(qū)，它能實現(xiàn)交替編解碼的工作，主要的工作原理為有了兩個數(shù)據緩沖區(qū)之后當主機從第一個緩沖區(qū)傳輸數(shù)據給外設的時候，第二個緩沖區(qū)可以不受影響的獲取數(shù)據進行解碼，數(shù)據傳輸一個階段后，可以進行互換，進而能夠保證整個音頻信號傳輸?shù)牟皇苡绊懙母咝浴?.3.4車載外設通信車載外設主要是幫助整個設計實現(xiàn)了顯示和功放的功能，本章主要是介紹了外設和整個系統(tǒng)的通信原理和整個顯示以及功放的完整過程。（1）通信協(xié)議在設計中主控制端和外設之間的通信主要是通過RS485進行數(shù)據傳輸。因為RS485的四線制接線方法只能實現(xiàn)點對點，所以在選擇時直接放棄，進而選擇了二線制接線這種方法，這種方法主要是能夠直接實現(xiàn)在一條總線上掛接32個節(jié)點，主機和外設通信方式如圖4-5：圖4-5主機與外設通信框圖主機與外設采用的是能夠很好屏蔽環(huán)境影響的雙絞線設計進行信號的傳輸，如果外設出現(xiàn)了問題不會影響總線的繼續(xù)傳輸。在整個工作過程中，主控端為整個系統(tǒng)信號傳輸?shù)钠鹗键c，除此之外的從機都為外設使用，只能在主控制器發(fā)出信號之后才能響應。同時兩者在除了數(shù)據發(fā)送時處于發(fā)送狀態(tài)，其余時候都在等待信號的接收，當主控制器發(fā)送到站指令，外設開始播報，如果在較長時間內主控制器沒有在500ms內收到反饋就會連續(xù)發(fā)送3次指令，如果仍未收到反饋就會判定為外設損壞。下表主要為通信協(xié)議定義：表4-1：通信包結構信息項類型字節(jié)數(shù)值注解包頭標識BYTE10x7e標識通信包的開始通信包目標地址BYTE1通信接收方地址，OxFF為廣播地址。廣播時外部設備從子包中各取所需，并不需要回應。源地址BYTE1通信發(fā)起方地址。包類型BYTE1規(guī)定通信包的類型，即“命令字”，包流水號BYTE1回復命令用包體長度UINT162通信包包體長度，即從下一個字節(jié)累加到校驗位的前一個字節(jié)(倒數(shù)第三個字節(jié))，也就是所有子包字節(jié)數(shù)的和。子包1類型BYTE1標識子包1類型子包1長度UINT162子包1包體的長度表4-2：通信包類型說明備注包類型0x01設備自檢確認設備是否可用；應答時需要返回硬件版本號和軟件版本號。所有設備，需要回應0x02設置時間對設備時鐘進行同步，主機發(fā)送時間，外部設備進行校時；所有設備。0x03到離站信息播報車內LED、站節(jié)牌使用。包含子包：0x02，0x03，0x04，0x050當子包站點類型是首末站時，LED屏需要顯示首末站信息，當是中間站時，需要添加“下一站”、"到了”等信息。0x04路牌顯ZK主機在報站的前幾站發(fā)送該命令。0x06設置當前線路號設置報站器當前線路號0x07設置當前線路站點信息設置站節(jié)牌站點信息0x10設置車內LED設置上下行、首末站、宣傳用語以接收到的包類型回復應答外設的應答命令；當外設收到命令時除廣播命令外，都要對主機應答。應答時流水號中填寫接收到的包中的流本號；并以接收到的包類型回復。無任何子包，表示確認。表4-3：設備類型值說明備注設備類型0x01車載終端主機0x02報站器0x10-0x1f車內LED屏前LED0x10后LED0x110x20-0x2f站節(jié)牌前站節(jié)牌0x20后站節(jié)牌0x210x30-0x3f路牌前牌0x30側牌0x31后牌0x32（2）自動報站流程在本設計中自動播報站點信息的實現(xiàn)主要是對于反饋的實時位置信息進行判斷，從而實現(xiàn)自動化的播報，首先要通過主控控制器對GPS獲取的相關位置信息進行處理，需要將所有的車輛的文字顯示和預錄制的音頻傳遞給車載外設，進而通過各個模塊實現(xiàn)所需要的功能，其實現(xiàn)流程圖如圖4-6所示。圖4-6自動報站流程圖播報功能的實現(xiàn)首先需要進行設備的自檢，自檢信號是通過主控制器和從機啟動時自動發(fā)出開始自檢確定外設設備是否可以正常使用。外設設備則會向主控制器發(fā)送三個信號：軟硬件版本以及自檢結果，自檢結果用0和非0表示。如果想要設置一條公共交通路線的信息，并包括往返不同方向的語音播報，以及相關的標識信息，可以將往返路線設置為子包類型0x02，將往返的提醒信息設置為0x03，路線整體的信息通過子包0x09、0x0a設定。時間為子包類型為0x01，格式范例為表4-6，到站和離站的設置為子包類型為0x04，語音播報實現(xiàn)需要使用報站器，他的類型為0x02是一個外設地址，顯示通過LED屏、站節(jié)牌以及路牌實現(xiàn)相應的需求。如果選擇關閉自動播報的功能可以按返回按鍵則系統(tǒng)狀態(tài)置為0，則系統(tǒng)停止自動播報，退回功能選擇界面。4.3.5GPS數(shù)據讀取與處理接下來將會介紹GPS模塊與主機傳輸數(shù)據的工作流程，GPS是在讀取了讀取了串口通信后，進行SysTick終止，每一秒讀取十六次GPS傳輸?shù)奈恢眯畔?。GPS數(shù)據獲取后會進行處理，包括錯誤數(shù)值的排除以及求平均值等方式，將每秒處理出來的數(shù)據與實際位置濟寧相應的對比。其流程圖如圖4-7所示：圖4-7GPS數(shù)據讀取處理流程圖如果需要本設計中采用的定時器每秒采集數(shù)據十六次，那么在只要每一百二十五次中斷一次就可以讀取串口的數(shù)據；然后經過數(shù)據的相應數(shù)據處理得到想要的位置信息數(shù)據。（1）GPS數(shù)據讀取協(xié)議;PS串口通信協(xié)議主要是有A，SA，SV，RMC，VT。在不本設計中采用的協(xié)議是A。GGA協(xié)議的信息有相應時間、位置信息和相關單位等；GGA協(xié)議如下：表4-10：GGA協(xié)議MessageIDUTCTimeLatitudeN/SIndicatorLongitudeE/WIndicatorGGAprotocolheaderhhmmss.sssddmm.mmmmmmN-northorS=southdddmm.mmmmmmE=eastorW=westPositionFixSatellitesGeoidalIndicatorUsedHDOPMSLAltitudeUnitsSeparation0:FixnotavailableKGPSfix2:DifferentialGPSfixRange0to14Horizonta1DilutionofPrecisionAntennaAltitudeabove/belowmean-sae-levelUnitsofantennaaltitudeUnitsAgeofDiff.Corr.Checksum<CR><LF>UnitsofgeoidalseparationNullfieldsWhenDGPSisnotusedEndofmessagetermination（2）GPS數(shù)據處理為了實現(xiàn)自動報站的功能需要對GPS獲取到的位置信息不停的進行獲取，在經過數(shù)據的處理得出相對來說較為準確，能夠滿足使用的實際位置信息。如果使用自動報站的功能，需要提前錄入各個站點的位置信息，每當公交車到達一個站點后就將會讀取下一個站點的實際位置與自身的實時位置進行對比準備下一次的到站播報。球面上經緯度距離計算公式為：(4-1)其中R是地球半徑，當前公交車的實際位置的緯度角為β1，經度角α1；預設下一站站點的緯度角β2，經度角α2。4.3.6距離算法使用公式(4-1)計算時候發(fā)現(xiàn)如果行駛的軌跡不是直線則會對實際距離產生誤判，得出有著較大誤差值的數(shù)據，為了解決這個問題，本設計準備了兩種對距離進行計算的方式方法。一是拐點閾值法，二是三角計算法。拐點閾值法的優(yōu)勢是計算簡單。只要在曲線的線路中提前存入部分站點的位置信息就可以通過改變預測站點的距離閾值來改變，但對于非矩形角度和S形路徑，這種計算方法同樣會產生一些誤差(閾值設置可以改變)。在本設計中直線站點的距離為五十米，拐點閾值設置為三十八米。如果車輛當前經緯度與站點經緯度之間的距離為三十八米，那么則判斷為到站。三角計算法的優(yōu)勢就是能夠適應復雜的路況和行駛狀態(tài)，很好的計算出相應的距離，但也因此有著巨大的計算量。三角計算法通過余弦定理計算，每兩秒經過的兩個經緯度以及預設站點經緯度對當前車輛運行方向進行計算，由余弦定理:(4-2)得(4-3)使用當前經緯度信息得到的位置信息和設置的站點連線發(fā)現(xiàn)為一個直角三角形，再通過車輛和此三角形斜邊的夾角讀書能夠大概的估算出車輛的移動距離為S，即:(4-4)S=(cosA+sinA)*SAC此算法主要是為了避免在不是直角形的路口對相應的距離產生判斷上的而誤差，所以設定車輛行駛角度如果小于十度的時候可以選用直線距離的計算方法簡化運算。4.4本章小結在本章節(jié)中，主要詳細解釋了自動報站設計的軟件部分的相關設計：音頻的采集、功放和編碼；通信；自動識別到站等。音頻的采集和功放主要為AD\DA進行的實現(xiàn)。語音編碼的設計主要是為Speex音頻壓縮與解壓縮、音頻文件的相關設計。通信接口的相關設計重點包括SPI通信部分和RS485通信部分。自動識別到站是通過采集位置的數(shù)據信息，進而進行處理，然后運行交互的方式實現(xiàn)功能。

第五章公交報站系統(tǒng)測試與數(shù)據分析目前的公共交通自動播報系統(tǒng)的軟硬件相關模塊的設計已經基本完成了，本章主要是通過對某條公交車路線作為測試線路，通過獲得數(shù)據進行分析，對系統(tǒng)的穩(wěn)定、準確以及實時效果進行判斷。5.1站點位置信息錄入在實際的運營中，公共交通要實現(xiàn)報站的功能需要知道準確的到占位置，在本設計中提前錄入了通過GPS獲取到的各個站點的相關數(shù)據。下表就是測試路線中各個站點的位置的相關數(shù)據信息，此條線一共有著四十九站，下表給出了其中的二十個站點的詳細數(shù)據，按照下表所示將數(shù)據傳輸?shù)较到y(tǒng)中。表5-1站點上行位置信息表路線上下行車站序號GPS經度EGPS緯度N1路上行1120.598933L2673331路上行2120.60278731.2678031路上行3120.60358431.2663321路上行4120.60388131.2636661路上行5120.60774931.262391路上行6120.61228131.2625241路上行7120.614731.2642321路上行8120.61374631.269751路上行9120.6132531.2727491路上行10120.6158673L2743961路上行11120.62365731.2755791路上行12120.62316831.2783431路上行13120.62202431.2841091路上行14120.62155131.2872941路上行15120.62097131.2928581路上行16120.62136831.2943031路上行17120.62682331.2950511路上行18120.62851731.29681路上行19120.62858531.30011路上行….……1路上行49120.6406431.422569表5-2站點下行位置信息表路線上下行車站序號GPS經度EGPS緯度N1路下行47120.59899931.2673331路下行46120.60260331.2680661路下行45120.60368331.266051路下行44120.60401531.263451路下行43120.60756331.2625521路下行42120.61246431.262751路下行41120.6146163L2640341路下行40120.61343331.270651路下行39120.61301831.2736491路下行38120.61749231.2742841路下行37120.62320731.2763861路下行1路下行36120.62195531.2829241路下行35120.62141431.2864991路下行34120.620719312908591路下行1路下行33120.62691431.295121路下行32120.62843331.29641路下行31120.62844831.3002161路下行1路下行1120.64082331.422252同一條公交路線可設置為上行和下行兩種，上行下行的部分站點是不相同的，有的站點在不同方向會被取消，所以進行標注時十分有必要的，以1路公交為例，表格5-1，5-2可以看到，在上行的路途中，其中第十二個和第十六個是存在的站點，而在下行的路線中這兩個站點是被取消了的。通過經緯度數(shù)據進行觀察，上下行的線路中，兩個站點之間的距離應該使用公式(4-1)計算為有51.56米，由此可知兩個相鄰的站點之間的距離不遠，但因為本設計為五十米之內系統(tǒng)就會自動判斷為已經到站，所以類似這種站點應該使用提示信息防止乘客產生錯誤的判斷。5.2數(shù)據分析本小節(jié)將對實際采集到的數(shù)據進行處理和分析，對系統(tǒng)的穩(wěn)定、準確以及實時效果進行觀察，判斷能否滿足實際的要求。5.2.1預報站實際距離（1）直線距離的相關算法利用公式4-1進行距離的計算，在此設計中采用的報站距離為五十米，在目標距離小于五十米三秒后就會自動開始播放到站音頻，而在實際的測試中發(fā)現(xiàn)公交站的線路實際距離太過遙遠，選擇公交進行測試并不具有便利性，所以采用了電瓶車進行測試，保持速度為二十千米每小時，同時為了消除誤差多次測試，選擇了上行路線中的七個站點。實驗結果如表5-3所示:表5-3預報站實際距離表站點名稱ABCDEFG設定報站距離/m50505050505050實際報站距離/m30.535.54032.64270345.5圖5-1預報站實際距離圖在圖5-1中，大多數(shù)站點的實際報告距離小于50m。在大致相同的速度下，根據實際路線，車站的實際距離約為40米，包括F站，最長可達70米。由于車站位于紅燈交叉口，測量系統(tǒng)的直線距離小于50m，而且在紅燈影響下，其中三個符合進入條件，數(shù)據提示系統(tǒng)必須設置轉彎角度閾值限制，這需要對系統(tǒng)進行進一步改進，以設計優(yōu)化的距離算法。（2）拐點閾值法在此設計中采用的報站距離為五十米，在目標距離小于五十米三秒后就會自動開始播放到站音頻，直角設定為三十八米。實驗的環(huán)境條件與上一算法相同。實驗數(shù)據如表5-4所示：表5-4預報站實際距離表站點名稱ABCDEFG設定報站距離/m50505050505050實際報站距離/m30.336.542.53341.342.540.9圖5-2拐點閾值法預報站實際距離圖圖5-2與圖5-1相比較而言，除了F站，其他站點的測試結果不相上下，但是在F點報站結果有了提升，證明了該計算方法更適合于距離計算。（3）三角計算法在此設計中采用的報站距離為五十米，在目標距離小于五十米三秒后就會自動開始播放到站音頻。實驗的環(huán)境條件與上一算法相同。在實際的調研中發(fā)現(xiàn)正常的行駛中不會出現(xiàn)S形狀的路線，所以本次實驗進行自主線路的測試，路線為兩個半徑為二十五米的四分之一圓連的S型路。實驗數(shù)據如表5-5所示；表5-5預報站實際距離表站點名稱ABCDEFGS型路徑設定報站距離/m5050505050505050實際報站距離/m40.238.541.139.140.140.341.839.9圖5-3三角計算法預報站實際距離圖由圖5-3、圖5-2和圖5-1相比較而言，該方法除了能解決直角路線的誤判問題，甚至還能很好的解決掉S形狀的路線的相關問題。5.2.2到站實際距離在本設計中設計的為在到站距離為連續(xù)一秒距離目標站點小于十米的時候開始自動播報到站信息，為了方便重復性的實驗采用電動車保持速度在十千米每小時，選擇上行路線的其中七個站點。實驗數(shù)據如表5-6所示：表5-6到站實際距離表站點名稱ABCDEFG設定報站距離/m10101010101010實際報站距離/m7.577.68.57.17.37.5圖5-4到站實際距離圖由圖5-6中可得在實驗過程中的所有站點的到站距離都是小于十米的，但是其中受一些因素影響，使得報站的實際距離大概為七點五米左右，且因為公共交通基本為直線不會對站點進行誤判，同時兩秒的誤差也在報站誤差的接受范圍之內，所以可以得到結論，本設計可以準確地進行到站播報功能。5.2.3速度對報站的影響因為在實際應用中車速肯定定會有所不同，為了測試這方面面對于自動播報功能的影響，再次進行車速實驗。表5-7為在同一地點及直線線路上測定：表5-7速度-報站距離表速度km/h11020304050預報站距離/m49.240.534.325.616.27.5到站距離/m9.78.15.33.2-1.2無因為在設計中設置的為一秒刷新一次位置信息，所以當車速很快的時候可能會影響對于距離的判斷，表5-5為實驗多次之后得出的平均值。在設計中考慮設計的是進入站點需三秒，而播報站其中的兩秒，所以車速小于三十千米每小時的時候，預報站與到站的播報不會互相影響，當速度在四十千米每小時的時候播報出現(xiàn)在-1.2m，速度在五十千米每小時的時候，到站播報沒有正常播放，這是因為在預報站過程中車輛超過了預設位置的十米之外。由表5-7能夠知道以下信息，當公交車的速度超過一定數(shù)值之后會對系統(tǒng)的判斷產生影響，但是實際車輛進站之前一般不會超過三十千米每小時且車輛會在站處停車；但是也為避免出現(xiàn)實驗中的問題，系統(tǒng)可設定預報站位置是一百米，降低連續(xù)小于一百米為進站的次數(shù)。5.3本章小結本節(jié)介紹了位置數(shù)據輸入的準確性測試，給出了在實驗過程中系統(tǒng)的詳細性能數(shù)據，也分析了其中仍然存在的一些缺陷，研究了ODS的準確、穩(wěn)定和實時的能力問題，最后得出結論，本設計是能夠滿足需求和預期的。

第六章總結與展望6.1總結本設計主要是實現(xiàn)了公共交通到站自動播報到站信息的新系統(tǒng)，解決了部分地區(qū)需要人工報站的困境，使得整個公交系統(tǒng)變得更加智能、準確和便捷。使得居民的整體生活變得更加方便準時，也與此同時減少了司機的工作任務。在本次設計中主要使用了GPS、語音編解碼、SPI通信和RS485通信整合在一個設計應用中。其中RS485通信的方法直接解決了在公共交通運行過程中信息傳遞不穩(wěn)定的事情，也解決了系統(tǒng)兼容性的問題，使得系統(tǒng)可以容納多種的外設裝備。本設計根據實際的民眾需要進行調研從而進行設計，完成了需求所需要的穩(wěn)定性高，具備安全性和眾多功能的報站系統(tǒng)。在本文中詳細的介紹了需要的功能、軟硬件的選擇和開發(fā)等等直至系統(tǒng)整體目標的實現(xiàn)。對于系統(tǒng)硬件進行了介紹和解釋，對相關電路和接口進行了分析。其中包含了主控芯片的最小系統(tǒng)，存儲、RS485通信、電源、顯示、定位和輸入輸出的模塊的相關電路設計。主控系統(tǒng)使用STM32F405作為根本，外設使用了GPS進行定位、SD卡進行儲存、MCP601低功耗運算放大器以及TS4871音頻放大器設計音頻電路，同時也介紹了外設與主控系統(tǒng)之間如何實現(xiàn)通信。而系統(tǒng)的軟件方面主要是音頻的采集、功放和編碼；通信；自動識別到站等。音頻的采集和功放主要為AD\DA進行的實現(xiàn)。語音編碼的設計主要是為Speex音頻壓縮與解壓縮、音頻文件的相關設計。通信接口的相關設計重點包括SPI通信部分和RS485通信部分。自動識別到站是通過采集位置的數(shù)據信息，進而進行處理，然后運行交互的方式實現(xiàn)功能。6.2展望因為本此次設計的系統(tǒng)內置了GPS模塊，后續(xù)還可以有許多功能可以擴展。例如，獲取公交車輛的實時位置，方便乘客登車提供更高的效率，可以影響公共交通的數(shù)量配置，有效提高公共交通的利用率，節(jié)省了沒有必要的社會資源。目前的設計中通過GPS獲得的數(shù)據已經足夠滿足需求，但是社會科技是不斷進步和發(fā)展的，北斗衛(wèi)星技術不斷成熟，如果能夠在未來采用組合定位的方式來獲取位置信息那么將會得到更加精密的定位。使得在對運營的公共交通位置信息能夠更加精確的實時掌握，而不受周圍環(huán)境的影響。當然，在本設計中還有著一些改進空間能夠進步，比如：目前的設計中功能仍舊較為單一和簡單。除了考慮在GPS受到環(huán)境的干擾時能夠手動報站外，還應考慮到不同的站點投幣量、車輛行駛狀態(tài)提示、廣告或城市宣傳影音、自動打開和關閉車門、速度警告等。

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