智能公交车载定位系统的研究与设计

【摘 要】本文针对公交系统的不足，提出了以GPS ＼GPRS为核心技术，采用ARM微处理器控制电路，利用FPGA对数据进行卡尔曼滤波处理，并详细介绍了工作流程及GPS数据的处理，实现了高效、高精度的定位，提高了智能公交的服务质量。

【关键词】GPS；GPRS；定位；智能交通；卡尔曼滤波

面对日益突出的交通拥堵、事故频发等一系列问题，作为公交系统自然承载着缓解交通拥堵、提高安全及效率的重任；而现在的公交系统技术含量低，根本无法满足需要。利用先进的信息、电子等技术来构建智能公交系统[1]，可充分发挥现有公交系统的潜力，提高运输效率，保障交通安全，缓解交通拥挤的有力措施[2]。

GPS＼GPRS技术作为新兴的技术[3]，可对车辆导航定位，可应用于智能公交。通过它可实现城市公交车辆的调度、实时监控、疏导和突发事件处理，从而使城市公交处于最佳状态。

1 智能公交系统介绍

整个系统由车载终端、通信网络、电子站台、GPS卫星和监控中心组成，系统的总体结构如图1所示。系统的核心部分为车载定位系统，它具有定位和传输功能，可以随时将定位信息、车辆信息、路面状况以及车上发生的一些非正常情况，通过通信网络发送给电子站台、监控中心和场站调度中心[4]；乘客根据电子站台的信息调节行程安排，监控中心、调度中心根据相关情况，可以快速地做出反应，不仅提高服务质量而且便于管理。

2 车载定位系统的设计

2.1 硬件设计

该定位系统由ARM、FPGA、GPRS模块、GPS模块、LCD显示模块、电源模块组成，如图2所示。本设计主芯片为ARM处理器，其型号为STM32F103VET6-LQFP100，它的串口分别同GPS模块、GPRS模块相连，SPI接口同FPGA连接，电路有电源模块及LCD。采用ARM是便于有效地控制器件的工作，采用FPGA是为了实现GPS的卡尔曼定位算法[5-6]。

FPGA选用Actel公司的A3P1000PQ208。其规模是100万门的FPGA器件，内部己经集成了数字逻辑、部分模拟功能、高达8M比特的Flash Memory、以及FPGA的Fabic等多种控制器资源，在片外可以非常方便的添加相应的外部设备。

GPRS模块采用SIM100，性价比高，具有增强型AT命令集，技术指标适合用于开发基于GPRS的无线产品；为用户提供了功能完备的系统接口，节约了开发时间和成本。模块支持外部SIM卡，模块能够自动检测并适应SIM卡类型， SIM卡只需开通GPRS业务。

GPS模块所选用的是SiRF Star II GPS接收模块，该模块是由美国瑟孚科技有限公司所生产。该模块具有12通道并行接收能力，所接收的GPS信号属于民用频段的L1信号（1575.42MHz），信号灵敏度达到-142dBm，重新定位时间仅仅需要8秒。

2.2 主要接口原理图

STM32F103VET6支持三通道USART，由AFC硬件流控制。USART1被重映射到GPIOA，PA9脚是USART1通道的TX脚，STM32发送的数据经移位寄存器送到此引脚送出。PA10脚是USART1通道的RX脚，STM32接收到的数据经该引脚送至缓冲区，完成ARM与GPRS模块的通信。USART2也重映射到GPIOA的PA2和PA3引脚，PA2和PA3引脚分别为USART2的TX和RX脚，该通道的USART主要是用来完成ARM与GPS模块的通信。如图3所示。

3 工作流程

3.1 主流程

如图4所示，首先对系统进行初始化，建立GPRS，实现车载定位系统与监控中心、调度中心的通信；GPS模块进行定位并采集数据，然后对数据进行卡尔曼滤波处理；然后将处理过的数据进行保存并转发到监控中心、调度中心；并随时接收监控中心、调度中心的命令，进行中断服务[7]。

3.2 GPS数据处理

GPS模块输出的GPS定位信息服从NMEA-0183通信标准。本设计抽取RMC记录语句[8]，其格式为 $GPRMC，，，，，，，，，，，*hh

当前位置的格林尼治时间，格式为 hhmmss；

状态，V 为非有效接收警告，A 为有效位置；

纬度，格式为 ddmm.mmmm；

标明南北半球，N 为北半球，S 为南半球；

经度，格式为 dddmm.mmmm；

标明东西半球，W 为西半球，E 为东半球；

地面上的 GPS 接收器的移动范围，范围为0.0～999.9；

方位角，范围为 000.0°～359.9°；

日期，格式为 ddmmyy；

地磁变化，从000.0°～180.0°；

地磁变化方向，为E或W。

其解析方法如图5所示，首先判断是否有效数据，然后根据RMC记录语句的格式进行数据提取，最后将存储、处理、显示数据。

4 结束语

本设计采用了ARM微处理器，低功耗、高效率，有效地提高了系统能力，利用GPS/GPRS技术能较精确地定位，整个系统具有及时准确、可靠性高、覆盖范围广等特点，可以为智能公交提供很好的服务。本系统的开发能带来明显的经济、社会效益，前景广阔。

【参考文献】

[1]张国华，黎明，王静霞.智能公共交通系统在中国城市的应用及发展趋势[J].交通运输系统工程与信息，2007，7（5）：24-30.

[2]宋昆，李胜利.运用GPS智能调度实现公交精细化管理[J].城市公共交通，2008（12）：46-47.

[3]彭尉.基于GIS/ GPS/ GPRS的移动车辆监控移动系统的设计与研究[D].大连理工大学，2005.

[4]Skiadopoulos S， Koubarakis M. Composing cardinal direction relations[C]//In： Seventh International Symposium on Spatial and Temporal Databases.Los Angeles， California， USA，2001：99-317.

[5]齐海兵，刘雄飞，张德恒.基于FPGA的数字滤波器的设计与实现[J].现代电子技术，2006，29（15）：70-71.

[6]滕云龙，陈小平，唐应辉.提高GPS定位精度的改进卡尔曼滤波算法研究[J].现代电子技术，2008，31（3）：4-6.

[7]刘前刚.GPS定位算法及其在智能公交中的应用[D].湖南大学，2009.

[8]姜西瑞，程振林，方金云，张亮.GPS和GSM双定位终端的软硬件设计与实现[J].计算机工程，2006，10：244-246.