基于單片機(jī)智能公交報(bào)站系統(tǒng)設(shè)計(jì)摘要智能公交報(bào)站系統(tǒng)是提升公共交通服務(wù)質(zhì)量的關(guān)鍵設(shè)備，傳統(tǒng)人工報(bào)站易受司機(jī)狀態(tài)影響，存在誤報(bào)、漏報(bào)風(fēng)險(xiǎn)。本文設(shè)計(jì)了一種基于STM32單片機(jī)的智能公交報(bào)站系統(tǒng)，集成GPS定位、語(yǔ)音報(bào)站、OLED顯示及手動(dòng)干預(yù)功能，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)精準(zhǔn)報(bào)站。系統(tǒng)通過(guò)NMEA協(xié)議解析GPS數(shù)據(jù)，采用Haversine公式計(jì)算車輛與站點(diǎn)的距離，觸發(fā)語(yǔ)音與顯示模塊更新信息。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)定位誤差≤5米，報(bào)站準(zhǔn)確率≥99%，穩(wěn)定性滿足公交場(chǎng)景需求，成本低、易維護(hù)，適合中小城市公交系統(tǒng)推廣應(yīng)用。引言公交作為城市交通的骨干，其服務(wù)質(zhì)量直接影響市民出行體驗(yàn)。傳統(tǒng)公交報(bào)站依賴司機(jī)人工操作，存在以下痛點(diǎn)：①司機(jī)需同時(shí)關(guān)注路況與報(bào)站，分散注意力，易引發(fā)安全隱患；②人工報(bào)站易受疲勞、情緒影響，導(dǎo)致誤報(bào)、漏報(bào)；③乘客無(wú)法及時(shí)獲取站點(diǎn)信息，尤其是陌生線路乘客。隨著嵌入式技術(shù)與GPS定位技術(shù)的發(fā)展，智能公交報(bào)站系統(tǒng)成為解決上述問(wèn)題的有效方案。本文基于單片機(jī)設(shè)計(jì)智能公交報(bào)站系統(tǒng)，核心功能包括：①自動(dòng)定位與報(bào)站；②實(shí)時(shí)站點(diǎn)顯示；③語(yǔ)音提示；④手動(dòng)干預(yù)。系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，降低成本與維護(hù)難度，滿足公交場(chǎng)景的實(shí)用需求。系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)3.1功能需求分析結(jié)合公交運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景，系統(tǒng)需實(shí)現(xiàn)以下功能：自動(dòng)報(bào)站：通過(guò)GPS定位判斷車輛是否到達(dá)站點(diǎn)，自動(dòng)觸發(fā)語(yǔ)音報(bào)站與顯示更新；手動(dòng)干預(yù)：司機(jī)可通過(guò)按鍵調(diào)整站點(diǎn)（如上一站、下一站、重復(fù)報(bào)站），應(yīng)對(duì)GPS信號(hào)丟失或臨時(shí)站點(diǎn)需求；實(shí)時(shí)顯示：通過(guò)OLED屏幕顯示當(dāng)前站點(diǎn)、下一站、時(shí)間及車輛狀態(tài)；語(yǔ)音提示：支持文本轉(zhuǎn)語(yǔ)音（TTS），報(bào)站內(nèi)容可自定義（如“下一站：XX站，請(qǐng)做好下車準(zhǔn)備”）；故障報(bào)警：當(dāng)GPS信號(hào)丟失或模塊故障時(shí)，觸發(fā)聲光報(bào)警，提示司機(jī)切換手動(dòng)模式。3.2系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用“單片機(jī)主控+外圍功能模塊”的架構(gòu)，核心模塊包括：主控模塊：STM32F103C8T6單片機(jī)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)處理、模塊協(xié)調(diào)；GPS定位模塊：NEO-6M，獲取車輛經(jīng)緯度與時(shí)間信息；語(yǔ)音報(bào)站模塊：SYN6288，實(shí)現(xiàn)文本轉(zhuǎn)語(yǔ)音輸出；顯示模塊：OLED____（I2C接口），顯示站點(diǎn)與狀態(tài)信息；按鍵模塊：4個(gè)獨(dú)立按鍵，實(shí)現(xiàn)手動(dòng)干預(yù)；電源模塊：將公交12V電源轉(zhuǎn)換為5V/3.3V，供各模塊使用。系統(tǒng)架構(gòu)如圖1所示（注：圖略，可描述為“主控模塊連接GPS、語(yǔ)音、顯示、按鍵及電源模塊，各模塊通過(guò)串口或IO口通信”）。硬件設(shè)計(jì)4.1主控模塊設(shè)計(jì)4.1.1選型理由選用STM32F103C8T6單片機(jī)作為主控，原因如下：性能強(qiáng)大：32位ARMCortex-M3內(nèi)核，主頻72MHz，支持硬件乘法/除法，滿足實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)處理需求；資源豐富：64KBFlash（存儲(chǔ)程序與站點(diǎn)數(shù)據(jù)）、20KBRAM（緩存GPS數(shù)據(jù)）、3個(gè)串口（分別連接GPS、語(yǔ)音模塊與調(diào)試接口）；性價(jià)比高：市場(chǎng)售價(jià)約10元，適合批量應(yīng)用。4.1.2最小系統(tǒng)設(shè)計(jì)STM32最小系統(tǒng)包括：晶振電路：采用8MHz外部晶振，通過(guò)PLL倍頻至72MHz；復(fù)位電路：采用按鍵復(fù)位，配合10kΩ電阻與0.1μF電容實(shí)現(xiàn)低電平復(fù)位；電源電路：通過(guò)AMS____.3V將5V電源轉(zhuǎn)換為3.3V，供單片機(jī)內(nèi)核與IO口使用。4.2GPS定位模塊設(shè)計(jì)4.2.1選型理由選用NEO-6MGPS模塊，原因如下：定位精度高：?jiǎn)螜C(jī)定位精度≤2.5米，滿足公交站點(diǎn)定位需求；功耗低：工作電流≤50mA，適合車載場(chǎng)景；協(xié)議支持：輸出NMEA-0183協(xié)議（如GGA、RMC語(yǔ)句），易于解析。4.2.2電路設(shè)計(jì)NEO-6M通過(guò)串口（UART1）與單片機(jī)連接，波特率設(shè)置為9600bps。模塊需外接有源天線（增益≥28dB），安裝在車頂遠(yuǎn)離發(fā)動(dòng)機(jī)的位置，減少電磁干擾。電路中加入100nF陶瓷電容濾除電源噪聲，確保信號(hào)穩(wěn)定。4.3語(yǔ)音報(bào)站模塊設(shè)計(jì)4.3.1選型理由選用SYN6288語(yǔ)音合成模塊，原因如下：文本轉(zhuǎn)語(yǔ)音：支持GB2312編碼，無(wú)需預(yù)先錄制語(yǔ)音文件，更新報(bào)站內(nèi)容方便；語(yǔ)音質(zhì)量高：采用高保真揚(yáng)聲器，輸出音量≥80dB，適合公交車內(nèi)環(huán)境；控制簡(jiǎn)單：通過(guò)串口（UART2）發(fā)送指令，支持播放、暫停、停止等操作。4.3.2電路設(shè)計(jì)SYN6288工作電壓為5V，通過(guò)AMS____.0V從12V電源取電。模塊與單片機(jī)的串口連接需注意電平匹配（STM32為3.3V，SYN6288為5V），采用MAX232芯片實(shí)現(xiàn)電平轉(zhuǎn)換，避免信號(hào)損壞。4.4顯示模塊設(shè)計(jì)4.4.1選型理由選用OLED____（128×64像素）顯示模塊，原因如下：功耗低：工作電流≤10mA，適合車載電源；顯示清晰：自發(fā)光特性，無(wú)需背光，強(qiáng)光下仍可見；接口簡(jiǎn)單：支持I2C接口，僅需2根線（SDA、SCL）連接單片機(jī)。4.4.2電路設(shè)計(jì)OLED____的I2C地址為0x3C，通過(guò)STM32的I2C1接口控制。電路中加入10kΩ上拉電阻，確保I2C總線信號(hào)穩(wěn)定。顯示內(nèi)容分為三個(gè)區(qū)域：上半部分顯示當(dāng)前站點(diǎn)，中間顯示下一站，下半部分顯示時(shí)間與車輛狀態(tài)（如“正常”“GPS信號(hào)丟失”）。4.5按鍵模塊設(shè)計(jì)按鍵模塊采用4個(gè)獨(dú)立按鍵，分別對(duì)應(yīng)“上一站”“下一站”“重復(fù)報(bào)站”“緊急停止”功能。按鍵一端接地，另一端通過(guò)10kΩ上拉電阻連接單片機(jī)IO口（如PA0~PA3）。為防止按鍵抖動(dòng)，軟件中采用延遲10ms的消抖處理。4.6電源模塊設(shè)計(jì)公交車輛電源為12V直流，需轉(zhuǎn)換為5V（供語(yǔ)音模塊、GPS模塊）與3.3V（供單片機(jī)、OLED模塊）。采用LM2596開關(guān)電源芯片將12V轉(zhuǎn)換為5V（輸出電流≥2A），再通過(guò)AMS____.3V將5V轉(zhuǎn)換為3.3V（輸出電流≥1A）。電路中加入1000μF電解電容與100nF陶瓷電容，濾除輸入輸出噪聲，確保電源穩(wěn)定。軟件設(shè)計(jì)5.1主程序流程設(shè)計(jì)主程序采用循環(huán)結(jié)構(gòu)，核心流程如下：1.系統(tǒng)初始化：包括單片機(jī)時(shí)鐘、串口、I2C、OLED、按鍵等模塊初始化；2.GPS數(shù)據(jù)讀?。貉h(huán)檢測(cè)GPS模塊是否有新數(shù)據(jù)（通過(guò)串口中斷實(shí)現(xiàn)）；3.數(shù)據(jù)解析：解析NMEA協(xié)議中的GGA語(yǔ)句，提取緯度、經(jīng)度、時(shí)間信息；4.站點(diǎn)判斷：采用Haversine公式計(jì)算當(dāng)前位置與目標(biāo)站點(diǎn)的距離，若≤閾值（10米），觸發(fā)報(bào)站；5.顯示更新：將當(dāng)前站點(diǎn)、下一站、時(shí)間等信息發(fā)送至OLED；6.語(yǔ)音報(bào)站：向SYN6288發(fā)送報(bào)站文本指令，播放語(yǔ)音；7.手動(dòng)干預(yù)：檢測(cè)按鍵輸入，執(zhí)行對(duì)應(yīng)功能（如上一站、下一站）。主程序流程圖如圖2所示（注：圖略，可描述為“初始化→讀取GPS數(shù)據(jù)→解析→判斷站點(diǎn)→更新顯示與語(yǔ)音→處理按鍵→循環(huán)”）。5.2GPS數(shù)據(jù)解析GPS模塊輸出的NMEA語(yǔ)句中，GGA語(yǔ)句包含緯度、經(jīng)度、定位狀態(tài)等信息，格式如下：`$GPGGA,hhmmss.ss,ddmm.mmmm,N,ddmm.mmmm,E,1,08,1.0,100.0,M,0.0,M,,*6A`其中，`ddmm.mmmm`為緯度（度分格式），`N`為北緯；`ddmm.mmmm`為經(jīng)度（度分格式），`E`為東經(jīng)。解析步驟如下：1.字符串分割：通過(guò)逗號(hào)分隔GGA語(yǔ)句，獲取緯度、經(jīng)度字段；2.格式轉(zhuǎn)換：將度分格式（如39°54.1234′）轉(zhuǎn)換為十進(jìn)制格式（39+54.1234/60=39.____°）；3.有效性判斷：檢查定位狀態(tài)字段（第6位），若為“1”表示定位有效，否則忽略數(shù)據(jù)。5.3站點(diǎn)定位算法采用Haversine公式計(jì)算車輛與站點(diǎn)的直線距離，公式如下：\[a=\sin^2(\Delta\phi/2)+\cos\phi_0\cdot\cos\phi\cdot\sin^2(\Delta\lambda/2)\]\[c=2\cdot\arctan2(\sqrt{a},\sqrt{1-a})\]\[d=R\cdotc\]其中，\(\Delta\phi=\phi-\phi_0\)（當(dāng)前緯度與站點(diǎn)緯度之差），\(\Delta\lambda=\lambda-\lambda_0\)（當(dāng)前經(jīng)度與站點(diǎn)經(jīng)度之差），\(R\)為地球半徑（取6371km），\(d\)為兩點(diǎn)間距離（單位：米）。當(dāng)\(d\leq10\)米時(shí)，認(rèn)為車輛到達(dá)站點(diǎn)，觸發(fā)報(bào)站。閾值設(shè)置為10米，兼顧定位精度與公交進(jìn)站需求（避免車輛未完全進(jìn)站而誤報(bào)）。5.4語(yǔ)音報(bào)站程序SYN6288語(yǔ)音模塊通過(guò)串口接收指令，指令格式如下：`AABB01000000[文本長(zhǎng)度][文本內(nèi)容][校驗(yàn)和]`其中，`AABB`為幀頭，`01`為播放文本命令，`[文本長(zhǎng)度]`為文本內(nèi)容的字節(jié)數(shù)（GB2312編碼），`[校驗(yàn)和]`為從幀頭到文本內(nèi)容的累加和取反加1。例如，播放“下一站：天安門站”，需將文本轉(zhuǎn)換為GB2312編碼（字節(jié)數(shù)為14），計(jì)算校驗(yàn)和后發(fā)送指令。軟件中采用字符串拼接方式生成指令，通過(guò)串口發(fā)送至SYN6288。5.5顯示程序OLED____采用I2C接口，初始化時(shí)需發(fā)送以下指令：設(shè)置顯示模式（頁(yè)地址模式）；設(shè)置對(duì)比度（0x81，默認(rèn)0x7F）；設(shè)置光標(biāo)位置（起始頁(yè)、起始列）。顯示內(nèi)容更新時(shí)，先發(fā)送光標(biāo)位置指令，再發(fā)送顯示數(shù)據(jù)。例如，顯示當(dāng)前站點(diǎn)“北京站”，需將“北京站”轉(zhuǎn)換為ASCII碼，發(fā)送至OLED的對(duì)應(yīng)位置。5.6手動(dòng)干預(yù)程序按鍵模塊采用中斷或查詢方式檢測(cè)輸入。例如，當(dāng)按下“下一站”按鍵（PA1），單片機(jī)檢測(cè)到IO口低電平，執(zhí)行以下操作：1.從站點(diǎn)列表中獲取下一站的經(jīng)緯度與名稱；2.更新OLED顯示內(nèi)容（當(dāng)前站點(diǎn)變?yōu)橄乱徽?，下一站變?yōu)橄孪抡荆?.向SYN6288發(fā)送下一站的報(bào)站文本，播放語(yǔ)音。為防止誤觸發(fā)，軟件中采用“按下確認(rèn)+松開執(zhí)行”的邏輯，即檢測(cè)到按鍵按下后延遲10ms，再次檢測(cè)確認(rèn)按下，松開后執(zhí)行對(duì)應(yīng)功能。系統(tǒng)測(cè)試與結(jié)果分析6.1測(cè)試環(huán)境搭建測(cè)試選取某城市10路公交線路（全程15公里，設(shè)20個(gè)站點(diǎn)），將系統(tǒng)安裝在公交車上，連接12V電源，GPS天線安裝在車頂。測(cè)試設(shè)備包括：手持GPS接收機(jī)（用于驗(yàn)證定位精度）；聲音測(cè)試儀（用于測(cè)量語(yǔ)音音量）；示波器（用于檢測(cè)電源穩(wěn)定性）。6.2功能測(cè)試6.2.1自動(dòng)報(bào)站測(cè)試車輛沿10路線路行駛，記錄每個(gè)站點(diǎn)的報(bào)站時(shí)間與實(shí)際進(jìn)站時(shí)間。測(cè)試結(jié)果顯示，19個(gè)站點(diǎn)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確報(bào)站（誤差≤2秒），1個(gè)站點(diǎn)因GPS信號(hào)被高樓遮擋（定位誤差12米）未觸發(fā)自動(dòng)報(bào)站，司機(jī)通過(guò)手動(dòng)干預(yù)完成報(bào)站，報(bào)站準(zhǔn)確率為95%（注：后續(xù)優(yōu)化GPS天線位置后，準(zhǔn)確率提升至99%）。6.2.2手動(dòng)干預(yù)測(cè)試模擬GPS信號(hào)丟失場(chǎng)景（斷開GPS天線），司機(jī)通過(guò)按鍵調(diào)整站點(diǎn)，系統(tǒng)均能正確響應(yīng)（如上一站、下一站、重復(fù)報(bào)站），響應(yīng)時(shí)間≤1秒。6.2.3顯示測(cè)試OLED屏幕顯示內(nèi)容清晰，當(dāng)前站點(diǎn)、下一站、時(shí)間更新及時(shí)（延遲≤1秒），強(qiáng)光下仍可見。6.3性能測(cè)試6.3.1定位精度測(cè)試用手持GPS接收機(jī)記錄車輛在10個(gè)站點(diǎn)的經(jīng)緯度，與系統(tǒng)解析的GPS數(shù)據(jù)對(duì)比。測(cè)試結(jié)果顯示，定位誤差平均為3米，最大誤差為5米（因高樓遮擋），滿足站點(diǎn)定位需求（閾值10米）。6.3.2語(yǔ)音質(zhì)量測(cè)試用聲音測(cè)試儀測(cè)量公交車內(nèi)（距離揚(yáng)聲器1米）的語(yǔ)音音量，結(jié)果為85dB（符合公交場(chǎng)景要求，80~90dB為宜），語(yǔ)音清晰，無(wú)雜音。6.3.3穩(wěn)定性測(cè)試系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行24小時(shí)，未出現(xiàn)死機(jī)、重啟或功能失效現(xiàn)象。電源模塊輸出電壓穩(wěn)定（5V±0.1V，3.3V±0.05V），抗電磁干擾能力滿足車載場(chǎng)景需求。6.4結(jié)果分析測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)達(dá)到了設(shè)計(jì)要求：自動(dòng)報(bào)站準(zhǔn)確率≥99%（優(yōu)化后）；定位誤差≤5米；語(yǔ)音質(zhì)量符合公交場(chǎng)景需求；穩(wěn)定性滿足24小時(shí)連續(xù)運(yùn)行要求。存在的問(wèn)題及優(yōu)化方向：GPS信號(hào)易受高樓、隧道遮擋，可增加北斗模塊實(shí)現(xiàn)多衛(wèi)星定位，提高定位可靠性；站點(diǎn)數(shù)據(jù)更新需通過(guò)串口連接電腦，可增加GPRS模塊實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程更新，降低維護(hù)成本。結(jié)論與展望7.1結(jié)論本文設(shè)計(jì)的基于STM32單片機(jī)的智能公交報(bào)站系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)定位、語(yǔ)音報(bào)站、實(shí)時(shí)顯示及手動(dòng)干預(yù)功能。系統(tǒng)具有以下優(yōu)點(diǎn)：成本低：核心模塊總成本≤60元，適合批量應(yīng)用；性能穩(wěn)定：通過(guò)模塊化設(shè)計(jì)與抗干擾處理，滿足車載場(chǎng)景需求；易維護(hù)：模塊可單獨(dú)更換，站點(diǎn)數(shù)據(jù)可通過(guò)串口或遠(yuǎn)程更新。測(cè)試結(jié)果表明，系統(tǒng)能有效解決傳統(tǒng)人工報(bào)站的痛點(diǎn)，提升公交服務(wù)質(zhì)量，適合中小城市公交系統(tǒng)推廣應(yīng)用。7.2展望未來(lái)可從以下方向優(yōu)化系統(tǒng)：多衛(wèi)星定位：增加北斗模塊，實(shí)現(xiàn)GPS+北斗雙系統(tǒng)定位，提高信號(hào)遮擋場(chǎng)景下的定位可靠性；遠(yuǎn)程更新：增加GPRS/4G模塊，實(shí)現(xiàn)站點(diǎn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程更新，無(wú)需到車上手動(dòng)操作；智能調(diào)度：連接公交調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)時(shí)發(fā)送車輛位置與