越來越多的民用車輛開始使用GPS定位技術(shù)實(shí)現(xiàn)定位、監(jiān)控和導(dǎo)航等功能。本文介紹了一種采用SA1110 CPU和Q2400 GPRS/GSM模塊的車輛定位監(jiān)控系統(tǒng),提出了在嵌入式平臺上實(shí)現(xiàn)車載信息處理終端的開發(fā)方案,詳細(xì)介紹了各個硬件和軟件模塊的功能和實(shí)現(xiàn)方法。

近年來,對地域廣泛、機(jī)動性強(qiáng)、數(shù)量眾多的移動目標(biāo)有效監(jiān)控、緊急救援和各種信息服務(wù)的需求,在客運(yùn)、公安、銀行、物流管理等行業(yè)表現(xiàn)得尤為突出。全球定位系統(tǒng)技術(shù)的發(fā)展使得移動目標(biāo)的實(shí)時定位成為可能,同時無線通信技術(shù)的技術(shù)也得到了長足進(jìn)展,對移動目標(biāo)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)度成為可能。特別是GPRS業(yè)務(wù)的出現(xiàn),使得人們能夠?qū)σ苿幽繕?biāo)進(jìn)行全國范圍、實(shí)時、全天候監(jiān)控調(diào)度。

監(jiān)控系統(tǒng)介紹

車輛調(diào)度系統(tǒng)的建設(shè)首先要考慮監(jiān)控覆蓋范圍、實(shí)時性、調(diào)度業(yè)務(wù)、車輛容量和刷新速率等的要求,選擇合適的無線數(shù)據(jù)鏈路和電子地圖,以及開發(fā)相應(yīng)業(yè)務(wù)軟件滿足用戶的要求。就目前的GPS車輛監(jiān)控系統(tǒng)而言,無線數(shù)據(jù)鏈路應(yīng)用較多的為GSM通信方式,這主要由于其覆蓋范圍廣、無需架設(shè)基站、可實(shí)現(xiàn)語音/短信等功能優(yōu)點(diǎn)所決定的,但是采用短消息傳送車載信息不但容量有限,而且實(shí)時性不能得到保證,并且還存在著費(fèi)用過高的問題。幸運(yùn)的是新興的GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)解決了這些問題。GPRS/IP/TCP/UDP協(xié)議棧可以滿足數(shù)據(jù)的實(shí)時交換,在現(xiàn)有的公用無線通信系統(tǒng)中擁有最大的帶寬,與目前流行的短消息相比,在相同數(shù)據(jù)長度、相同時間間隔下通訊費(fèi)用是短消息方式的1/6,甚至更少。監(jiān)控系統(tǒng)主要由以下部分組成:

1. 車載信息處理終端:包括中央處理單元、顯示單元(可選)、GPS接收機(jī)、GPS天線、GPRS手機(jī)模塊(或CDMA等其它通信模塊)、報警器(防盜、超速、搶劫、特殊功能報警等)。終端能夠提供定位、導(dǎo)航、通話、報警和遠(yuǎn)程控制等功能。

2. 無線通信數(shù)據(jù)鏈路:無線數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備作為基站與各移動目標(biāo)進(jìn)行信息交換的樞紐,是整個車輛調(diào)度系統(tǒng)中的重要組成部分,在本方案中選擇了公用通信網(wǎng)。

3. 數(shù)據(jù)中心/監(jiān)控中心:數(shù)據(jù)庫、監(jiān)控終端/GIS終端、業(yè)務(wù)處理終端。監(jiān)控中心采用WebGIS技術(shù),所以數(shù)據(jù)中心和監(jiān)控中心可以處于同一物理位置,也可以處于不同的物理位置。由于數(shù)據(jù)中心的設(shè)備、可靠性等要求高,運(yùn)營、維護(hù)要求和費(fèi)用都比較高,對于擁有較少車輛的公司來說,自建一個數(shù)據(jù)中心從經(jīng)濟(jì)效益上來看是不合適的。因此,中小企業(yè)可以租用某個數(shù)據(jù)中心,通過自己本地的監(jiān)控中心訪問數(shù)據(jù)中心,獲取數(shù)據(jù)和發(fā)送命令等信息。監(jiān)控中心可以通過局域網(wǎng)、普通調(diào)制解調(diào)器撥號方式、無線撥號等多種方式訪問數(shù)據(jù)中心,甚至使用一個帶有地圖的PDA通過GPRS網(wǎng)絡(luò)也可以監(jiān)控運(yùn)行中的車輛。

目前,車載移動終端從硬件構(gòu)成來看可以分為兩類:1. 以單片機(jī)作為核心處理器,只能進(jìn)行簡單的數(shù)據(jù)采集,對數(shù)據(jù)不作太多處理,組幀后通過無線調(diào)制解調(diào)器(或其它通信模塊)發(fā)送給中心,這種系統(tǒng)功耗和體積都很小,功能有限；2. 車載計(jì)算機(jī)系統(tǒng),以普通CPU作為信息處理單元,能對數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)雜處理,如數(shù)據(jù)庫查詢和更新等,但是這種系統(tǒng)功耗和體積都很大,很多場合不便于使用。

隨著移動計(jì)算技術(shù)的迅速發(fā)展,開發(fā)一種功耗低,體積小的車載系統(tǒng)成為可能。本文中開發(fā)的終端采用了嵌入式的CPU和操作系統(tǒng),整個系統(tǒng)不僅功耗很低,而且體積也大大縮小,非常便于隱蔽,特別適合于一些特殊需求的應(yīng)用,并且作為一種平臺系統(tǒng)它還具備強(qiáng)大的信息處理能力。

車載信息處理終端的硬件構(gòu)成

1. 系統(tǒng)中央處理單元。采用英特爾的嵌入式CPU芯片SA1110,這是一款專為移動計(jì)算定做的具有ARM核的處理器,外圍接口豐富,處理能力強(qiáng)(主頻有206MHz和133MHz兩種),超低功耗(在GPS接收機(jī)沒有連接的情況下,整板功耗約為100mW~200mW),這對于車載或者手持等移動計(jì)算設(shè)備來說非常重要,因?yàn)檫@些設(shè)備普遍采用電池供電,低功耗性能保證了設(shè)備的高可用性。

2. GPRS/GSM單元。在本設(shè)計(jì)中采用了Wavecom的Q2400系列(Q2403A,Q2406),該系列GPRS/GSM模塊能夠支持語音、數(shù)據(jù)、傳真等功能,可以滿足系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求。雖然它不支持標(biāo)準(zhǔn)的TS 串行通信復(fù)用協(xié)議,Wavecom自己的復(fù)用協(xié)議也基本上可以滿足語音/數(shù)據(jù)復(fù)用串口的要求。在GPRS不可用的地區(qū),還可以通過GSM短消息傳輸數(shù)據(jù)。

3. USB Host設(shè)備。系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中充分考慮到了移動存儲設(shè)備發(fā)展的需求,所以加入了USB單元。采用飛利浦ISP1161 USB芯片,可以接入攝像頭、移動存儲硬盤和U盤等,也可以掛接USB Hub,以便接入更多設(shè)備。

4. GPS接收機(jī)。為簡化整個系統(tǒng)的設(shè)計(jì),本設(shè)計(jì)采用了EverMore Technology的GM-X205 GPS/天線一體化接收機(jī),該款接收機(jī)的幾個重要參數(shù)如下:重新捕獲時間<2s、熱啟動時間<15s、冷啟動時間<75s、速度精度為秒(S/A關(guān)閉)、位置誤差小于25m(S/A關(guān)閉)、時間精度為±1μs、加速度限度為±4g、速度限度為500m/s、數(shù)據(jù)更新率為1秒/次、連續(xù)更新,并能輸出NMEA-0183格式或EverMore Technology定義的二進(jìn)制格式數(shù)據(jù),可以滿足普通車輛監(jiān)控定位系統(tǒng)要求。

5. GPIO。可連接車輛的防盜、防劫、報警、油路、電路、氣壓、溫度、中控門鎖、防盜器等各監(jiān)測控制線路,目前共有8路GPIO,其中有6個輸入可以根據(jù)用戶需求接入各種傳感器,兩路輸出接報警器和制動系統(tǒng)。

6. 車載手柄,A/D轉(zhuǎn)換。使用標(biāo)準(zhǔn)的車載手柄話機(jī),能夠通過GSM/GPRS模塊進(jìn)行GSM語音通話。A/D轉(zhuǎn)換模塊實(shí)際上是一個語音編解碼多功能芯片,既可以作為外部傳感器模擬數(shù)據(jù)的A/D轉(zhuǎn)換電路,也可以作為語音輸入輸出電路播放立體聲語音。

車載信息處理終端的軟件構(gòu)成

本系統(tǒng)中采用了Linux操作系統(tǒng)作為軟件平臺。Linux系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn):首先很重要的一點(diǎn),它完全是一個免費(fèi)、開放的系統(tǒng),這一點(diǎn)我們在開發(fā)過程中深有體會,比如,在開發(fā)GPRS驅(qū)動時,我們按照自己的需要在串口驅(qū)動的基礎(chǔ)上插入了一層新的抽象驅(qū)動層,這在其它操作系統(tǒng)上卻很難做到；其次,Linux穩(wěn)定性好,可裁剪性好,一個車載信息處理平臺要求很高的可靠性,我們也可以根據(jù)用戶的不同要求對操作系統(tǒng)進(jìn)行裁剪,以便節(jié)省不必要的開銷；Linux的開發(fā)資源豐富,存在著豐富的驅(qū)動程序和應(yīng)用程序,可以根據(jù)自己的需要進(jìn)行改寫,甚至直接應(yīng)用。

由于整個系統(tǒng)驅(qū)動和應(yīng)用復(fù)雜而繁多,本文僅就GPS數(shù)據(jù)采集、處理、傳輸相關(guān)的內(nèi)容加以討論。

1. GPRS驅(qū)動

目前,很多GPRS/GSM通信模塊的基帶處理器(BP)都只能通過一個串口與應(yīng)用處理器(AP)進(jìn)行數(shù)據(jù)交換,要交換的數(shù)據(jù)有語音、傳真、數(shù)據(jù)、SMS、CBS,以及電話號碼本的維護(hù)和電池狀態(tài)等。為了能夠同時支持這么多業(yè)務(wù),3GPP制定了一個串行通信鏈路復(fù)用協(xié)議-TS 協(xié)議(終端設(shè)備到移動站的復(fù)用協(xié)議)。本系統(tǒng)中采用的Q2403A并不支持這個標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議,但是它也具有自己的復(fù)用協(xié)議,可以用AT+WMUX=1命令激活這個協(xié)議。Wavecom只能同時支持一個數(shù)據(jù)虛鏈路和一個命令虛鏈路。

圖4是GPRS驅(qū)動示意圖。在圖4中,TTY層、行規(guī)程(Line Discipline)和底層驅(qū)動是Linux系統(tǒng)中串行通信驅(qū)動模塊三個固有的邏輯層,這三層之間有互相調(diào)用的接口函數(shù)。圖中也給出了幾個接口函數(shù),我們在實(shí)現(xiàn)GPRS驅(qū)動時要考慮到使用串口的上層應(yīng)用程序不需要改動。這一點(diǎn)很重要,因?yàn)橄到y(tǒng)中有許多用戶程序使用串口進(jìn)行通信,如果需要對它們進(jìn)行改動,將付出不必要的代價。在這一點(diǎn)上,尤其需要特別考慮的就是PPP軟件,因?yàn)樵贚inux下通過GPRS上網(wǎng)就必須要使用PPP協(xié)議進(jìn)行撥號。PPP存在于用戶空間和內(nèi)核空間兩個地方,用戶空間的pppd應(yīng)用程序完成撥號連接的管理功能；內(nèi)核空間的ppp協(xié)議軟件要實(shí)現(xiàn)PPP包的組幀/分幀等核心功能。PPP定義了自己的行規(guī)程模塊,并且到此為止,往下就不再有PPP相關(guān)的軟件模塊,所以如圖所示,我們把GPRS驅(qū)動放在行規(guī)程層和低層驅(qū)動層之間是非常合適的。

2. GPS采集、處理和傳輸應(yīng)用

a. GPS數(shù)據(jù)的采集。本系統(tǒng)中使用的GPS接收機(jī)支持標(biāo)準(zhǔn)的RS232協(xié)議,因此不用改動任何驅(qū)動程序即可實(shí)現(xiàn)GPS數(shù)據(jù)的讀取。NMEA-0183規(guī)定了GPS數(shù)據(jù)的輸出速率為4,800波特,因此應(yīng)用程序首先要打開串口,設(shè)置串口速率為4,800,工作模式為8-N-1。NMEA-0183的輸出都是ASCII字符,應(yīng)用程序要對此款GPS接收機(jī)支持的GGA、GSV、RMC和VTG等消息進(jìn)行解析,得到運(yùn)動目標(biāo)的經(jīng)度、緯度、高度、速度、方向、時間等信息,存入緩沖區(qū)。

b. GPS數(shù)據(jù)的處理。由于SA政策的取消,當(dāng)前普通GPS接收機(jī)的精度基本上可以滿足運(yùn)動目標(biāo)定位監(jiān)控的需要。但是在有遮擋物的情況下,GPS精度會嚴(yán)重下降。對于這種情況可以有以下幾種處理方法:平均值法,當(dāng)監(jiān)控目標(biāo)處于靜止?fàn)顟B(tài)時,會存在很嚴(yán)重的漂移現(xiàn)象,可以采用長時間位置平均的方法加以改善；差分法,適用于靜態(tài)和動態(tài)目標(biāo),但是需要建立差分基準(zhǔn)站,投資大且基準(zhǔn)站作用范圍有限,不適合大范圍的監(jiān)控定位(自建一個廣域差分系統(tǒng)顯然是不現(xiàn)實(shí))；地圖匹配法,相對來說電子地圖的精度比普通GPS接收機(jī)的輸出數(shù)據(jù)要高一些,因此對于行駛在公路或者街道上的運(yùn)動目標(biāo)可以采用地圖匹配的方法,把漂出路外的運(yùn)動目標(biāo)“拉”回到路內(nèi)；濾波法,有時依靠單一的GPS位置信息無法滿足要求,特別是在城市高樓林立的地方或者有樹木遮蔽的地方,在這種情況下采用一定的慣性導(dǎo)航設(shè)備,如陀螺儀和加速度計(jì)等組成簡單的DR系統(tǒng)就能很好地解決這個問題,而Kalman濾波是非常適合于描述系統(tǒng)動態(tài)特性的濾波器,并且能夠有效地將不同傳感器的輸出信息進(jìn)行融合。

我們在開發(fā)這套系統(tǒng)時,采用了平均值法和地圖匹配法,取得了很好的效果,目前正在進(jìn)行濾波法的研究。

c. GPS數(shù)據(jù)傳輸。為了保證可靠性,我們采用了TCP/IP協(xié)議來傳輸數(shù)據(jù),但是這是以犧牲一定的實(shí)時性為代價,在移動IP環(huán)境下,分組的延遲時間可以達(dá)到1,000ms以上,即使這樣,普通車輛在這個延遲時間內(nèi)的位置變化也是有限的,可以滿足監(jiān)控要求。GPS下行和上行數(shù)據(jù)格式如圖5所示.

下行數(shù)據(jù)是監(jiān)控中心向車載臺發(fā)送的命令,如呼叫車臺、設(shè)置上傳間隔時間、制動車輛、設(shè)置越界區(qū)域和設(shè)置軌跡記錄方式等。

在制定數(shù)據(jù)傳輸格式時沒有加入校驗(yàn)字段,這是因?yàn)門CP協(xié)議已經(jīng)提供了很完善的差錯檢驗(yàn)/重傳機(jī)制,沒有必要再加入幀校驗(yàn)字段。

3. 其它

GPIO模塊、車載手柄模塊都是本系統(tǒng)的必備配置,USB攝像頭是由于一些用戶的特殊需要而添加的,如長途客運(yùn)公司出于安全性的考慮,需要在客車上安裝攝像頭以便隨時監(jiān)控客車的運(yùn)營狀況。這幾個功能模塊都已經(jīng)實(shí)現(xiàn),限于篇幅,不再詳細(xì)介紹。監(jiān)控程序負(fù)責(zé)監(jiān)控這幾個模塊(GPS、手柄、圖像采集和GPRS/PPP)的運(yùn)行狀態(tài),以便在某些資源不可用的情況下,切換工作方式,如GPRS未開通,則轉(zhuǎn)換為GSM短消息數(shù)據(jù)傳輸方式,并監(jiān)控設(shè)備(GPS接收機(jī)、USB攝像頭和GPRS模塊)的可靠性。

作者:陳雷

Email: lei_chen2008@

丁曉明、趙惠芳

北京交通大學(xué)信息所

吳曉

技術(shù)總監(jiān)

北京賽德菱信息技術(shù)有限公司