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GPS/GPRS車輛監控系統中行動終端的開發

上網時間: 2004年04月03日     打印版  Bookmark and Share  字型大小:  

關鍵字:GPS/GPRS  車輛監控系統  行動終端  車載資訊處理終端  PPP 

越來越多的民用車輛開始使用GPS定位技術實現定位、監控和導航等功能。本文介紹了一種採用SA1110 CPU和Q2400 GPRS/GSM模組的車輛定位監控系統,提出了在嵌入式平台上實現車載資訊處理終端的開發方案,詳細介紹了各個硬體和軟體模組的功能和實現方法。 圖1:車輛監控系統結構。

近年來,對地域廣泛、機動性強、數量眾多的行動目標有效監控、緊急救援和各種資訊服務的需求,在客運、公安、銀行、物流管理等產業表現得尤為突出。全球定位系統技術的發展使得行動目標的即時定位成為可能,同時無線通訊技術的技術也得到了長足進展,對行動目標進行遠端監控調度成為可能。特別是GPRS業務的出現,使得人們能夠對行動目標進行全國範圍、即時、全天候監控調度。

監控系統介紹

車輛調度系統的建設首先要考慮監控覆蓋範圍、即時性、調度業務、車輛容量和刷新速率等的要求,選擇合適的無線數據鏈路和電子地圖,以及開發相應業務軟體滿足用戶的要求。就目前的GPS車輛監控系統而言,無線數據鏈路應用較多的為GSM通訊方式,這主要由於其覆蓋範圍廣、無需架設基地台、可實現語音/短訊息等功能優點所決定的,但是採用短消息傳送車載資訊不但容量有限,而且即時性不能得到保證,並且還存在著費用過高的問題。幸運的是新興的GPRS數據業務解決了這些問題。GPRS/IP/TCP/UDP協議棧可以滿足數據的即時交換,在現有的公用無線通訊系統中擁有最大的頻寬,與目前流行的短消息相較,在相同數據長度、相同時間間隔下通訊費用是短消息方式的1/6,甚至更少。監控系統主要由以下部份組成:

1. 車載資訊處理終端:包括中央處理單元、顯示單元(可選)、GPS接收機、GPS天線、GPRS手機模組(或CDMA等其它通訊模組)、警報器(防盜、超速、搶劫、特殊功能警報等)。終端能夠提供定位、導航、通話、警報和遠端控制等功能。

2. 無線通訊數據鏈路:無線數據傳輸設備作為基地台與各行動目標進行資訊交換的樞紐,是整個車輛調度系統中的重要組成部份,在本方案中選擇了公用通訊網。圖2:車載資訊處理終端硬體組成。

3. 數據中心/監控中心:數據庫、監控終端/GIS終端、業務處理終端。監控中心採用WebGIS技術,所以數據中心和監控中心可以處於同一實體位置,也可以處於不同的實體位置。由於數據中心的設備、可靠性等要求高,營運、維護要求和費用都比較高,對於擁有較少車輛的公司來說,自建一個數據中心從經濟效益上來看是不合適的。因此,中小企業可以租用某個數據中心,透過自己本地的監控中心存取數據中心,獲取數據和發送命令等資訊。監控中心可以透過區域網、普通數據機撥號方式、無線撥號等多種方式存取數據中心,甚至使用一個具有地圖的PDA透過GPRS網路也可以監控執行中的車輛。

目前,車載行動終端從硬體構成來看可以分為兩類:1. 以單片機作為核心處理器,只能進行簡單的數據採集,對數據不作太多處理,組訊框後透過無線數據機(或其它通訊模組)發送給中心,這種系統功耗和體積都很小,功能有限;2. 車載電腦系統,以普通CPU作為資訊處理單元,能對數據進行複雜處理,如數據庫查詢和更新等,但是這種系統功耗和體積都很大,很多場合不便於使用。

隨著行動運算技術的迅速發展,開發一種功耗低,體積小的車載系統成為可能。本文中開發的終端採用了嵌入式的CPU和作業系統,整個系統不僅功耗很低,而且體積也大幅縮小,非常便於隱蔽,特別適合於一些特殊需求的應用,並且作為一種平台系統它還具備強大的資訊處理能力。圖3:車載資訊處理終端的軟體構成。

車載資訊處理終端的硬體構成

1. 系統中央處理單元。採用英特爾的嵌入式CPU晶片SA1110,這是一款專為行動運算定做的具有ARM核的處理器,周邊介面豐富,處理能力強(主頻有206MHz和133MHz兩種),超低功耗(在GPS接收機沒有連接的情況下,整板功耗約為100mW~200mW),這對於車載或者手持等行動運算設備來說非常重要,因為這些設備普遍採用電池供電,低功耗性能保證了設備的高可用性。

2. GPRS/GSM單元。在本設計中採用了Wavecom的Q2400系列(Q2403A,Q2406),該系列GPRS/GSM模組能夠支援語音、數據、傳真等功能,可以滿足系統的設計要求。雖然它不支援標準的TS 27.010串列通訊再使用協議,Wavecom自己的再使用協議也基本上可以滿足語音/數據再使用串列埠的要求。在GPRS不可用的地區,還可以透過GSM短消息傳輸數據。

3. USB Host設備。系統在設計過程中充分考慮到了行動儲存設備發展的需求,所以加入了USB單元。採用飛利浦ISP1161 USB晶片,可以接取攝影鏡頭、行動儲存硬碟和U盤等,也可以挂接USB Hub,以便接取更多設備。

4. GPS接收機。為簡化整個系統的設計,本設計採用了EverMore Technology的GM-X205 GPS/天線一體化接收機,該款接收機的幾個重要參數如下:重新擷取時間<2s、熱啟動時間<15s、冷啟動時間<75s、速度精密度為0.1m/秒(S/A關閉)、位置誤差小於25m(S/A關閉)、時間精密度為±1μs、加速度限度為±4g、速度限度為500m/s、數據更新率為1秒/次、連續更新,並能輸出NMEA-0183格式或EverMore Technology定義的二進制格式數據,可以滿足普通車輛監控定位系統要求。

5. GPIO。可連接車輛的防盜、防劫、警報、油路、電路、氣壓、溫度、中控閘鎖、防盜器等各監測控制線路,目前共有8路GPIO,其中有6個輸入可以根據用戶需求接取各種感測器,兩路輸出接警報器和制動系統。

6.圖4:GPRS驅動模組組成。 車載手柄,A/D轉換。使用標準的車載手柄話機,能夠透過GSM/GPRS模組進行GSM語音通話。A/D轉換模組實際上是一個語音編解碼多功能晶片,既可以作為外部感測器類比數據的A/D轉換電路,也可以作為語音輸入輸出電路播放立體聲語音。

車載資訊處理終端的軟體構成

本系統中採用了Linux作業系統作為軟體平台。Linux系統具有諸多優點:首先很重要的一點,它完全是一個免費、開放的系統,這一點我們在開發過程中深有體會,比如,在開發GPRS驅動時,我們按照自己的需要在串列埠驅動的基礎上插入了一層新的抽象驅動層,這在其它作業系統上卻很難做到;其次,Linux穩定性好,可裁剪性佳,一個車載資訊處理平台要求很高的可靠性,我們也可以根據用戶的不同要求對作業系統進行裁剪,以便節省不必要的開銷;Linux的開發資源豐富,存在著豐富的驅動程式和應用程式,可以根據自己的需要進行改寫,甚至直接應用。

由於整個系統驅動和應用複雜而繁多,本文僅就GPS數據採集、處理、傳輸相關的內容加以討論。

1. GPRS驅動

目前,很多GPRS/GSM通訊模組的基頻處理器(BP)都只能透過一個串列埠與應用處理器(AP)進行數據交換,要交換的數據有語音、傳真、數據、SMS、CBS,以及電話號碼本的維護和電池狀態等。為了能夠同時支援這麼多業務,3GPP制定了一個串列通訊鏈路再使用協議-TS 27.010協議(終端設備到行動站的再使用協議)。本系統中採用的Q2403A並不支援這個標準協議,但是它也具有自己的再使用協議,可以用AT+WMUX=1命令啟動這個協議。Wavecom只能同時支援一個數據虛鏈路和一個命令虛鏈路。

圖4是GPRS驅動示意圖。在圖4中,TTY層、行規程(Line Discipline)和底層驅動是Linux系統中串列通訊驅動模組三個固有的邏輯層,這三層之間有互相調用的介面函數。圖中也給出了幾個介面函數,我們在實現GPRS驅動時要考慮到使用串列埠的上層應用程式不需要改動。這一點很重要,因為系統中有許多用戶程式使用串列埠進行通訊,如果需要對它們進行改動,將付出不必要的代價。在這一點上,尤其需要特別考慮的就是PPP軟體,因為在Linux下透過GPRS上網就必須要使用PPP協議進行撥號。PPP存在於用戶空間和核心空間兩個地方,用戶空間的pppd應用程式完成撥號連接的管理功能;核心空間的ppp協議軟體要實現PPP包的組訊框/分訊框等核心功能。PPP定義了自己的行規程模組,並且到此為止,往下就不再有PPP相關的軟體模組,所以如圖所示,我們把GPRS驅動放在行規程層和低層驅動層之間是非常合適的。

2. GPS採集、處理和傳輸應用

a.圖5: GPS下行和上行數據格式。 GPS數據的採集。本系統中使用的GPS接收機支援標準的RS232協議,因此不用改動任何驅動程式即可實現GPS數據的讀取。NMEA-0183規定了GPS數據的輸出速率為4,800波特,因此應用程式首先要打開串列埠,設置串列埠速率為4,800,工作模式為8-N-1。NMEA-0183的輸出都是ASCII字符,應用程式要對此款GPS接收機支援的GGA、GSV、RMC和VTG等消息進行解析,得到運動目標的經度、緯度、高度、速度、方向、時間等資訊,存入緩衝區。

b. GPS數據的處理。由於SA政策的取消,目前普通GPS接收機的精密度基本上可以滿足運動目標定位監控的需要。但是在有遮擋物的情況下,GPS精密度會嚴重下降。對於這種情況可以有以下幾種處理方法:平均值法,當監控目標處於靜止狀態時,會存在很嚴重的漂移現象,可以採用長時間位置平均的方法加以改善;差分法,適用於靜態和動態目標,但是需要設立差分基準站,投資大且基準站作用範圍有限,不適合大範圍的監控定位(自建一個廣域差分系統顯然是不現實);地圖匹配法,相對來說電子地圖的精密度比普通GPS接收機的輸出數據要高一些,因此對於行駛在公路或者街道上的運動目標可以採用地圖匹配的方法,把漂出路外的運動目標‘拉’回到路內;濾波法,有時依靠單一的GPS位置資訊無法滿足要求,特別是在城市高樓林立的地方或者有樹木遮蔽的地方,在這種情況下採用一定的慣性導航設備,如陀螺儀和加速度計等組成簡單的DR系統就能很好地解決這個問題,而Kalman濾波是非常適合於描述系統動態特性的濾波器,並且能夠有效地將不同感測器的輸出資訊進行融合。

我們在開發這套系統時,採用了平均值法和地圖匹配法,取得了很好的效果,目前正進行濾波法的研究。

c. GPS數據傳輸。為了保證可靠性,我們採用了TCP/IP協議來傳輸數據,但是這是以犧牲一定的即時性為代價,在行動IP環境下,分組的延遲時間可以達到1,000ms以上,即使這樣,普通車輛在這個延遲時間內的位置變化也是有限的,可以滿足監控要求。GPS下行和上行數據格式如圖5所示.

下行數據是監控中心向車載台發送的命令,如呼叫車台、設置上傳間隔時間、制動車輛、設置越界區域和設置軌跡記錄方式等。

在制定數據傳輸格式時沒有加入校驗字段,這是因為TCP協議已經提供了很完善的差錯檢驗/重傳機制,沒有必要再加入訊框校驗字段。

3. 其它

GPIO模組、車載手柄模組都是本系統的必備配置,USB攝影鏡頭是由於一些用戶的特殊需要而添加的,如長途客運公司出於安全性的考慮,需要在客車上安裝攝影鏡頭以便隨時監控客車的營運狀況。這幾個功能模組都已經實現,限於篇幅,不再詳細介紹。監控程式負責監控這幾個模組(GPS、手柄、圖像採集和GPRS/PPP)的執行狀態,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,則轉換為GSM短消息數據傳輸方式,並監控設備(GPS接收機、USB攝影鏡頭和GPRS模組)的可靠性。

作者:陳雷


Email: lei_chen2008@yahoo.com.cn


丁曉明、趙惠芳


北京交通大學資訊所


吳曉


技術總監


北京賽德菱資訊技術有限公司




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