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1、全日制学术型 论文题目： 基于 GPS的智能公交报站器的设计与实现 作者姓名 _ 李剑峰 指导教师 _ 张江鑫 学科专业 _ 通信与信息系统 所在学院 信息工程学院 提交日期 2 0 13 年 3 月 10曰 浙江工业大学硕士学位论文 基于 GPS的智能公交报站器的设计与实现 作者姓名：李剑峰 指导教师：张江鑫 浙江工业大学信息工程学院 2013年 3月 Dissertation Submitted to Zhejiang University of Technology for the Degree of Master Design and implementation of the int
2、elligent bus stations for voice based on GPS Candidate: Advisor: Jianfeng Li Jiangxin Zhang College of Information Engineering Zhejiang University of Technology Mar. 2013 浙江工业大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作 所取得的研究成果。除文中已经加以标注引用的内容外，本论文不包含其他个人或 集体己经发表或撰写过的研究成果，也不含为获得浙江工业大学或其它教育机构的 学位证
3、书而使用过的材料。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中 以明确方式标明。本人承担本声明的法律责任。 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留 并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本 人授权浙江工业大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或扫描等 复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 学位论文版权使用授权书 1、 保密 ，在 _ 年解密后适用本授权书。 2、 不保密 (请在以上相应方框内打 “ V ” ） 基于 GPS的智能公交报站器的设计与实现 摘 要 随着城市化进程的不
4、断加快，城市人口数量急剧增加，大中城市的道路拥堵现象越来 越严重，公交出行己经成为现代社会大部分人们出 门方式的首选，同时，其发达程度也成 为判断一个城市文明程度与信息化程度的重要参考标准。以往，每辆公交车上都配置一位 售票员，为了提高效率，节约劳动力，本文在分析了现在市面上主流智能公交自动报站器 的基础上，采用 GPS定位技术，语音合成技术，以 ARM主处理器为核心，提出了智能公 交报站器的设计构思，来实现公交自动报站。 首先，本文介绍了国内外智能公交的现状，并分析了智能公交系统的组成，引出了智 能公交系统与 GPS定位技术的关系，并对 GPS的定义、组成、定位原理进行了详细的分 析介绍。
5、然后，对智能公交报站器的硬件和软件部分进行了分析设计，两部分都是先进行总体 功能分析，然后对每一部分进行设计。硬件部分主要由 GPS模块、 ARM主处理器模块、 自动语音报站模块组成，其中 ARM主处理器模块包括 ARM主芯片以及串口、 LCD、 ADC、 SPI总线、RTC时钟、 SD卡、 FLASH、 以太网等外围电路。本文对每一部分的功能电路 进行了详细的设计，并介绍了主要模块的芯片选型。软件部分主要包括 GPS数据的分析与 处理、 ARM主芯片的中断响应与数据比对、语音的自动报站。 最后，本文完成了系统硬件和软件两部分的测试工作，其中软件部分测试工作主要有 三点，其一： GPS数据能否
6、进行正常的接收，其二： GPS数据接收之后能否进行正常的经 纬度转换并进行显示，其三：当经纬度坐标匹配时，智能公交报站器能否进行正常的自动 语音报站。经过测试，上述 3部分功能都能很好的实现。 关键词 ：智能公交报站器， GPS定位技术， ARM主处理器，语音合成 If DESIGN AND IMPLEMENTATION OF THE INTELLIGENT BUS STATIONS FOR VOICE BASED ON GPS ABSTRACT With the acceleration of urbanization and the rapid increase of city popul
7、ation， the problem of traffic congestion in large and medium-sized cities has becoming more and more serious. As a result, nowadays, more people are making traveling by bus their first choice. Meanwhile, the development of a fine bus transportation system has also now been used to evaluate the level
8、 of modernization and informatization of a city. In the past, every bus was equipped with a conductor. However, for efficiency and labor saving, this paper will try to analyze some mainstream intelligent bus station. In addition, with the adoption of GPS, speech synthesis, and an ARM core processor,
9、 a new and smart system will be designed in this paper to realize automatic station reporting. In the beginning, the paper introduces the current development and composition of intelligent transport system (ITS) at home and abroad. It also talks about the relation between ITS and GPS and gives a det
10、ailed analysis of the GPS technology in terms of definition, composition, and its positioning theory. Then, the paper focuses on the hardware and software of the intelligent bus station. An overall function discuss will be put forward first and specific designs of each part will be followed. The har
11、dware part includes a GPS module, an ARM module, and a automatic station reporting module, in which the ARM module contains an ARM core processor, UART, LCD, ADC, SPI, RTC, SD card, FLASH, and the Ethernet, etc. The paper elaborates the design of each function circuit and the selection of each modul
12、e. The software part mainly consists of GPS data processing, interrupt response and data comparison in the ARM module, and automatic station reporting. Finally, The paper is concluded with a set of testing work in hardware and software.and the test of software include three aspect.First?whether the
13、GPS data can be received properly. Second, whether the GPS data received can be converted into longitude and latitude data and be displayed. Third, whether the intelligent bus station can work precisely when the GPS data are matched. Through testing, the above three functions are well realized. Key
14、Words: intelligent bus station, GPS, ARM, speech synthesis 目 录 摘要 . i 第 i章绪论 . 1 i.i论文的背景及意义 . 1 1.2国内外智能公交的研究现状 . 3 1.3论文主要工作及章节安排 . 4 第 2章智能公交系统与 GPS技术 . 6 2.1 智能公交系统的组成 . 6 2.2智能公交系统与 GPS的关系 . 7 2.3 GPS定位技术 . 8 2.3.1 GPS 的定义 . 8 2.3.2 GPS 的组成 . 8 2.3.3 GPS的定位原理 . 9 2.4基于 GPS的智能公交系统的误差分析 . 10 2.5
15、本章小结 . 11 第 3章智能公交报站器的硬件电路设计 . 12 3.1智能公交报站器功能分析 . 12 3.2智能公交报站器设计 . 12 3.2.1智能公交报站器总体设计 . 12 3.2.2主要模块基本功能分析及芯片选型 . 13 3.3电源模块设计 . 17 3.4 MCU 模块 . 19 3.5 GPS模块电路设计 . 21 3.6 LCD显示模块设计 . 22 3.7语音及功放电路设计 . 23 3.8以太网电路设计 . 26 3.9存储模块设计 . 28 3.9.1 SD卡电路设计 . 28 3.9.2 FLASH 电路设计 . 29 3.10外围接口电路设计 . 30 3.1
16、0.1串口电路设计 . 30 3.10.2 JTAG门电路设计 . 30 3.11 本章小结 . 32 第 4章智能公交报站器的软件设计和实现 . 33 4.1 智能公交报站器软件功能分析 . 33 4.2 软件总体流程 . 34 4.3 主要功能的设计和实现 . 35 4.3.1智能公交报站器启动与初始化 . 35 4.3.2 GPS数据分析与处理 . 38 4.3.3 41 4.4 本章小节 . 42 第 5章智能公交报站器的功能测试 . 43 5.1 硬件须揽 . 43 5.2软件测试 . 44 5.3本章小结 . 47 第 6章总结与展望 . 48 6.1 总结 . 48 6.2 49
17、 参考文献 . 50 致谢 . 52 攻读学位期间参加的科研项目和成果 . S3 第 1 章绪 论 1.1论文的背景及意义 改革开放以来，随着国家的快速发展，特别是近几年以来，城市化进程的不断加快， 城市规模的不断扩大，城市人口的不断增加，导致城市越加拥堵，人们出行越来越不方便， “ 乘车难 ” 、 “ 行车难 ” 的问题也越来越凸显，同时，人们的生活水平正在不断提高，私人 轿车逐步进入千家万户，进一步加剧了城市的拥堵问题，虽然我国城市规划也在高速发展， 但已经跟不上城市人口增长的速度以及车辆对公共基础设施的需求。 1996年，全国城市机 动车保有量大约有 884.5万辆，与 1977年相比增
18、长了将近 9倍，年均増长约为 33.8%1; 全国城市自行车保有量超过 1.8亿辆，约占全国总量的 40%，在城镇中，每一百户人口里 拥有 198辆自行车。当然，道路建设也在突飞猛进， 1980-1994年期间，在全国大中城市 中，道路总体长度从以前的2.95万公里增加到现在的 11.1万公里，每年的道路 平均增长率 约为 9.9%,每人占有的道路面积从过去的 2.8m2增加到现在的 6.6m2,其年平均增长率 约为 11.6%，但是，道路的增速与车辆的增速相比仍然有比较大的差距。由于受多方面因 素的影响，公交车辆的行驶速度不断下降，虽然城市运输量在慢慢增加，但是运输效率在 不断的下降。在我国
19、城市化过程中，城市化进程正在不断加快，大中城市居民的出行次数 正在逐年递增，等到 2010年，城镇居民的出行总量预计达到 2500亿人次。面对日渐庞大 的出行群体，交通系统已经越来越难以满足人们出行的需求，因此，如今大中城市的交通 拥堵状况越来越严重。 目前，交通问题己经成为世界各国亟待解决的问题。比较传统的解决方案包括控制需 求、增加道路设施、加强城市交通管理等，但在不同程度上都存在不足的一面。参考国内 外城市交通发展的成败与得失，交通界专家和学者一致认定：实施 “ 公交优先 ” 121131是解 决我国城市交通发展问题的有效途径。 公交车与小轿车相比，具有客运量大、相对投资少、占有资源少、
20、效率高、污染相对 较少、人均占用道路少等有优点。城市中公共交通承载着城市 80%以上的客运量，其载客 量约为小汽车的30倍 4;以单位载客量为标准，与 小汽车相比，公交车的公里耗油量、 尾气排放量等指标，均优于小汽车 10倍左右。在加拿大，一个人选择公共汽车出行所造 成的污染远远低于选择小轿车出行造成的污染。如果十分之一的美国人定期的选择公交出 行，美国石油的进口量将会降低 40%，同时二氧化碳的排放率也将降低 5%516。同时， 选择公交出行，每年可避免 6000人死于交通事故。所以，现在大部分发达国家都有政策 用以限制私家车数量，鼓励公共交通发展。 同时，在信息化的今天，公交出行的发达程度
21、已经成为城市的一个重要 文明窗口 78， 是人们衡量城市文明和信息化的一个重要的参考点，与人民的生活息息相关。以前，由于 技术所限，公交报站的工作都是人工完成的，每辆公交车上都配备一个售票员，售票员的 工作除了售票以外，还要及时告知乘客站点信息以及行车信息，并在到站点的时候提醒乘 客安全下车，以免造成乘客误站的现象，即便在现在，还有很多小型城市以及农村仍然采 用这种模式，确保公交车的正常运行。 随着电子技术、通信技术、控制技术等现代科学技术的不断发展以及人们对交通系统 认识不断深入，交通领域的专家和学者首先提出了智能交通系统 （ 又称智能运输系统， Intelligent Transporta
22、tion System.简称 ITS)的概念。智能交通系统 9是集数据通信、信息、 计算机处理、电子控制几大技术为一体，综合运用在地面交通管理体系中的智能运输系统。 智能公共交通系统是智能交通（运输 ） 系统的重要组成部分。智能公共交通系统 (Advanced Public Transportation Systems， APTS) 1就是在对公交网络进行分配以及调度等 研宂的前提下，利用系统工程的理论方法，将现代电子、信息、通信、控制、计算 机、 GPS、 GPRS网络、 GIS等高新科技集成应用到公共交通系统中。并通过建立公共交通智能化调 度系统、电子收费系统、信息服务系统等，来实现公共交
23、通的调度和运营，使管理信息化、 现代化、智能化。 智能公交报站器是车载终端的主体，是智能公共交通系统的关键部分，同时也是公交 管理智能化、现代化、信息化的最重要的表现形式。想要大力发展智能公共交通系统，应 该先进行公交规划。而公交定位系统就是公交规划的关键，所以公交定位系统的实现将 大大提高公交系统的调度水准，使道路保持畅通，在一定程度上提高了公交车的覆盖面积， 居民出行更加方便、灵活、快捷。居民使用公交作为其出行的选择的比例将得到最大限度 的提局。 另外，随着交通事业的发展，科学技术的不断进步与创新，为了精简人员、减少劳动 量、提高效率，我们研宄智能公交报站器来代替售票员的工作，实现公交车的
24、自动报站功 1.2国内外智能公交的研究现状 美国的智能公共交通系统项目 （ Advanced Public Transportation Systems， APTS)很早 就开始启动了， APTS 是将先进的无线通信技术、地理信息系统、车辆定位技术、电子 广告收费等部分结合在一起，用以实现公交系统的智能调度。经过几年的发展，实践结果 表明： APTS是解决目前城市拥堵的一个好的解决方案，能在一定程度上提高公共交通服 务水平，使越来越多的乘客选择公交出行的行为模式，从而降低二氧化碳的排放率以及能 源损耗。 美国的 APTS研宄理论偏向于公共交通信息的实时调度与发布，通过使用先进的电子、 通讯技术
25、来提高公交效率和服务水平。具体来说有以下几个方面：车队管理、出行人员信 息 、电子收费和交通需求管理等 13。车队管理研宄的领域包括：地理信息系统、通信系统、 乘客自主计数系统、车辆定位系统、交通信号系统、公交运营软件系统 ； 出行人员信息研 宄的领域包括：出行前、途中与信息服务系统的衔接。到目前为止，美国很多从事公交管 理系统开发的公司，己经在使用计算机控制的辅助发车系统以及全球定位系统 (Global Positioning System， 简称 GPS)， 对公交运营进行实时管理，同时，他们还开发了一些先进 的系统，如 PATHFINDER系统 14。 进行智能交通研宄的国家里，日本是先
26、行者，目前己经投入使用。 1973年，日本成立 了专门的、全国性的组织进行 ITS的推进工作，采用地底电感环状天线。经过 6年发展， 到 1979年，电子地图基本达到覆盖全国的要求。随着信息技术的发展，系统使用 GPS定 位技术来实现智能交通的要求，现在 GPS的覆盖面积已经达到 80%15。 2010年，日本将 达到智能交通系统的要求。 20世纪 70年代， GPS作为美国研制的第二代卫星导航系统，随着越来越多的国家将 GPS定位技术应用于智能交通系统，智能交通系统得到了迅猛发展，在 GPS技术的支持下， 日本的丰田、松下等公司都已经开发出自己的车载导航产品。 另外，国外一些发达国家一直在研
27、宄和开发城市智能交通，现在，他们研发的智能交 通系统应用非常发达，公共交通使用的技术也非常先进，在车辆中使用 GPS技术已经非常 普遍，但在公交车辆上使用 GPS还相对很少 |7。在 ITS技术的应用方面，他们积累了大 量成功的经验，这对于我国智能公交技术的发展很有借鉴意义，但各国的国情不同，许多 国外智能公交系统产品不能简单地应用于中国。 同中国一样，欧洲很多国家拥有悠久的历史，城市街道的格局在早年历史文 化的影响 下，一般也都比较狭窄，所以，欧洲主张软件就是服务 n8的观念，设立公交专用道，保证 公交优先通行，布设智能公交监控与调度系统 191，提高公交服务质量和车辆运行速度，长 远的计划
28、是：在欧盟的统一框架内 211，把各国的系统整合起来，使车辆、道路、系统资 源设备协同合作。同时，系统检测浮动车辆的运行情况，结合蜂窝无线通信检测交通工具 和道路沿途状态 12212324，搜索并锁定可能的危险货物车辆或被盗车辆，然后，系统将获得 的信息提供给调度中心 和交通运营公司。 我国在 APTS领域的研宄起步较晚，国内就 GPS技术应用于 APTS系统是从 90年代 开始，至今也就 20年左右，受成本、技术等的影响，公共交通一直难以得到普及， 1994-1995 年期间，有上百家企业抢占智能交通系统的市场，但由于对市场需求估计不足，以及设备 技术尚不够成熟，致使当时这些企业都不同程度的
29、亏损。 1996-1998年，技术经过几年的 研发更新己经有了一定程度的提高，己经可以实现 GPS定位以及车辆与控制中心的数据传 输。到了 1999年，市场逐渐趋向成熟，技术发展迅猛，但是市面上的设备成品很少，仅 有的一些产品也大多应用于私家车、特种车等。经过几年的发展，设备才慢慢应用于公交 系统，目前，我国很多城市己经建立智能交通调度系统，北京、天津、江苏南京与常州、 浙江宁波与杭州、广东东莞与广州、辽宁大连、河北石家庄都己经在一些线路上建立智能 交通调度系统；重庆、四川成都、山东济南、广东广州、湖北武汉等城市也在积极准备之 中；上海地铁也安装了自动检票系统，可实现乘客的自动计数，从而统计客
30、流量 25U26H271。 1.3论文主要工作及章节 安排 本文从城市越来越拥堵这一现象，引出了智能公交的概念，然后介绍了智能公交在国 外、国内的研宄现状，并介绍了现有的 GPS技术，在此基础上提出了公交报站器的设计方 案，包括硬件平台的设计和软件代码的设计，然后就这两部分分别进行功能分析，根据各 自的功能需求我们提出了硬件模块电路具体设计以及软件部分的设计实现，最后对设计结 果进行测试。 本文共六个章节，每个章节内容安排如下： 第一章：绪论，主要介绍论文研究的背景、目的及意义，国内外智能公交系统的研宂 现状。 第二章：智能公交系统与 GPS技术，本章先分析智能公 交系统的组成，从而引出了智
31、能公交系统与 GPS技术的关系，然后对 GPS技术的定义、组成及定位原理进行了分析， 最后就行车过程中公交站点报站产生的误差进行了分析。 第三章：智能公交报站器的硬件电路设计，本章介绍了智能公交报站器的硬件设计， 首先进行了功能分析，根据其功能需求，我们对智能公交报站器进行了总体的一个设计， 然后对各部分硬件电路进行了详细的分析设计，最后进行小结。 第四章：智能公交报站器的软件设计和实现，本章介绍了智能公交报站器的软件部分 的设计，首先依然是进行功能分析，根据其功能需求，我们设计了软件总体流程，然后就 各部分分别进行详细的设计，最后进行小结。 第五章：智能公交报站器的功能测试，本章主要描写对设
32、计产品的功能进行功能实现 及测试。 第六章：总结与展望。 第 2章智能公交系统与 GPS技术 2.1智能公交系统的组成 智能公交系统由车载终端和监控调度中心两个部分构成 1281,系统框图如图 2-1所示 : 图 2-丨智能公交系统框架图 车载终端主要包括车载信息采集模块、车辆控制模块、 GPRS通讯模块、语音模块、 显示模块。车载信息采集模块包括 GPS模块和视频监控模块两个部分： GPS模块用来接收 卫星定位数据，包括公交车运行位置、方向、速度等，视频监控模块用来实现公交车内实 时画面的采集任务； GPRS模块进行数据的发送与接收，实现车载终端与监控调度中心的 实时通信，一方面接收监控调度
33、中心发来的数据，包括车辆的调度信息、运营商提供的短 消息服务等，另一方面将车辆的行车情况发送给监控调度中心；语音模块用来进行语音播 报，如播报站点信息、广告信息、短消息等，提醒乘客安全上下车，避免贻误站点的情况 发生 ；显示模块用来显示车辆行车情况，如站点情况、行车方向、行车速度等，同时，显 示模块与语音模块配合，显示各种广告信息等；车辆控制模块主要用来对车载终端的几个 模块进行协调，对数据进行处理，对站点是否到站进行判断等。 监控调度中心主要由各种后台服务器组成，在接收到车载终端发出来的行车数据后， 通过分析确定车辆是否运行正常、速度是否异常、是否偏于车辆预订路线等等，如有异常 情况发生，监
34、控调度中心将会通过 GPS将正确的指令发送给车载终端来实现车辆的实时调 度。 智能公交报站器是车载终端的主要组成部分，本论文设计的智能公交拫站器包括车载 终端的车辆控制模块、语音模块、显示模块以及车载信息釆集模块中的 GPS接收模块，并 预留了 GPRS接口，便于以后进行功能拓展。 2.2智能公交系统与 GPS的关系 智能公交系统在实现以下两大功能时，需要 GPS提供卫星定位数据： 1.自动报站功能 车载终端启动后， GPS模块不断的从定位卫星接收定位数据，包括时间、经纬度、方 向、速度等行车信息，车辆控制模块接收到 GPS发送过来的经纬度数据后，与预存的站点 信息的经纬度进行数据比对，如果数
35、据不匹配，这组定位数据将被放弃，如果数据匹配， 车辆控制模块将准备报站的判断指令送给语音模块，语音模块接收到报站指令后，将进行 站点信息的播报并提醒乘客安全上下车，同时，显示模块进行站点信息的显示以及各种公 交 小广告的显示。 2.实时调度功能 车载终端接收 GPS数据后，除了用于公交自动报站的判断之外， GPRS模块也将 GPS 信息、车辆到站情况、出战情况等信息送给监控调度中心，监控调度中心通过数据分析确 定车辆行车情况是否正常，如果出现异常，将通过 GPS将正确的指令发送给车载终端来实 现车辆的实时调度。 GPS不但提供了公交自动报站时所需要的经纬度数据，还提供了公交调度时需要的部 分车
36、辆行车数据，由此可见， GPS在智能公交系统中承担了比较大的工作，起着不可替代 的作用。 本论文设计的智能公交报站器主要使用 GPS提供 的经纬度坐标，实现公交自动报站功 能，GPS模块的正常工作是自动报站功能完美实现的前提。 2.3 GPS定位技术 2.3.1 GPS的定义 GPS(Global Positioning System),即全球定位系统，是 70年代由美国国防部开始设计、 试验的第二代卫星导航系统，并于 90年代投入商业运营的新一代的导航定位系统。它由 21颗工作卫星和 3颗在轨备用卫星组成，分别分布在互成 60度的 6个轨道平面上，每个 轨道平面平均分布 3颗卫星，用户通过实
37、时接收卫星发出的星历，计算出用户当前的位置、 速度和时间等定位信息 29。其在智能公交系统中应用非常广泛，具有定位精度高、成本低、 覆盖面广、维护费用低、通讯可靠等特点，能够在全球任意地点、为任意多个用户同时提 供高精度、连续、实时的定位信息。 2.3.2 GPS的组成 GPS由空间卫星、地面监控系统、 GPS接收终端三个部分组成 3()1，空间卫星发送导航 定位数据， GPS接收终端接收空间卫星发射的导航电文，地面监控系统对空间卫星进行监 测，保证空间卫星的正常运行。 1 空间卫星 GPS拥有 24颗空间定位卫星，其中 21颗处于工作状态，另外 3颗在轨道上运行，作 为备用卫星使用，记作 (
38、21+3)GPS卫星星座。它的卫星主体为圆柱形，直径 1.5m， 主体两 侧由 2块太阳能板构成，用于吸收太阳能供电 |3|。 GPS全球定位系统 24颗定位卫星运行在 6个轨道平面，每个轨道平面分布 4颗 GPS 卫星，轨道平面的倾斜角度为 55度，卫星高度的平均值为 20200km， 每绕地球运行一周 的时间为 11小时58分。 GPS卫星分布如图 2-2所示： 卫星不断的向地面发送导航定位信息，这些信息中包含了卫星的位置信息 ，地面 GPS 接收终端通过接收导航定位信息，就能确定发送信息卫星的位置，在进行地面坐标的时候， 卫星坐标就能当成已知数来处理。在地球任何时间、任何地点，可以看到最
39、少 4颗，最多 11颗卫星 t32p31。 2 地面监控系统 地面监控系统包括 1个主控站、 3个注入站和 5个全球监测站 341351。在整个 GPS系统 中，地面监控系统主要有两个功能：其一，计算卫星的轨道参数以及钟差，通过调整，是 其时间标准统一；其二，当卫星偏离预定轨道时，对卫星进行调整，使其进入正确的轨道运 图 2-2 GPS全球定位系统 24颗卫星分布示意图 3 GPS接收终端 GPS接收终端主要包括： GPS接收部分、信息处理部分、应用部分等 f361。 它的任务 是：对接收到的 GPS信号进行变换，放大和处理，对 GPS卫星所发送的导航数据进行解 析、计算，从而得到我们需要的数据来实现定位功能。 2.3.3 GPS的定位原理 GPS的定位原