越來越多的民用車輛開始使用GPS定位技術(shù)實現(xiàn)定位、監(jiān)控和導航等功能。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現(xiàn)車載信息處理終端的開發(fā)方案,詳細介紹了各個硬件和軟件模塊的功能和實現(xiàn)方法。

近年來,對地域廣泛、機動性強、數(shù)量眾多的移動目標有效監(jiān)控、緊急救援和各種信息服務的需求,在客運、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)展使得移動目標的實時定位成為可能,同時無線通信技術(shù)的技術(shù)也得到了長足進展,對移動目標進行遠程監(jiān)控調(diào)度成為可能。特別是GPRS業(yè)務的出現(xiàn),使得人們能夠?qū)σ苿幽繕诉M行全國范圍、實時、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)的建設首先要考慮監(jiān)控覆蓋范圍、實時性、調(diào)度業(yè)務、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)相應業(yè)務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、無需架設基站、可實現(xiàn)語音/短信等功能優(yōu)點所決定的,但是采用短消息傳送車載信息不但容量有限,而且實時性不能得到保證,并且還存在著費用過高的問題。幸運的是新興的GPRS數(shù)據(jù)業(yè)務解決了這些問題。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、GPS天線、GPRS手機模塊(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、導航、通話、報警和遠程控制等功能。

2. 無線通信數(shù)據(jù)鏈路:無線數(shù)據(jù)傳輸設備作為基站與各移動目標進行信息交換的樞紐,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)中心的設備、可靠性等要求高,運營、維護要求和費用都比較高,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)絡也可以監(jiān)控運行中的車輛。

目前,車載移動終端從硬件構(gòu)成來看可以分為兩類:1. 以單片機作為核心處理器,只能進行簡單的數(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. 車載計算機系統(tǒng),以普通CPU作為信息處理單元,能對數(shù)據(jù)進行復雜處理,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用,并且作為一種平臺系統(tǒng)它還具備強大的信息處理能力。

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算定做的具有ARM核的處理器,外圍接口豐富,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),這對于車載或者手持等移動計算設備來說非常重要,因為這些設備普遍采用電池供電,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)的設計要求。雖然它不支持標準的TS 串行通信復用協(xié)議,Wavecom自己的復用協(xié)議也基本上可以滿足語音/數(shù)據(jù)復用串口的要求。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設備。系統(tǒng)在設計過程中充分考慮到了移動存儲設備發(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,以便接入更多設備。

4. GPS接收機。為簡化整個系統(tǒng)的設計,本設計采用了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(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。使用標準的車載手柄話機,能夠通過GSM/GPRS模塊進行GSM語音通話。A/D轉(zhuǎn)換模塊實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:首先很重要的一點,它完全是一個免費、開放的系統(tǒng),這一點我們在開發(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)動程序和應用程序,可以根據(jù)自己的需要進行改寫,甚至直接應用。

由于整個系統(tǒng)驅(qū)動和應用復雜而繁多,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用處理器(AP)進行數(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和電池狀態(tài)等。為了能夠同時支持這么多業(yè)務,3GPP制定了一個串行通信鏈路復用協(xié)議-TS 協(xié)議(終端設備到移動站的復用協(xié)議)。本系統(tǒng)中采用的Q2403A并不支持這個標準協(xié)議,但是它也具有自己的復用協(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),我們在實現(xiàn)GPRS驅(qū)動時要考慮到使用串口的上層應用程序不需要改動。這一點很重要,因為系統(tǒng)中有許多用戶程序使用串口進行通信,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軟件,因為在Linux下通過GPRS上網(wǎng)就必須要使用PPP協(xié)議進行撥號。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、處理和傳輸應用

a. GPS數(shù)據(jù)的采集。本系統(tǒng)中使用的GPS接收機支持標準的RS232協(xié)議,因此不用改動任何驅(qū)動程序即可實現(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,因此應用程序首先要打開串口,設置串口速率為4,800,工作模式為8-N-1。NMEA-0183的輸出都是ASCII字符,應用程序要對此款GPS接收機支持的GGA、GSV、RMC和VTG等消息進行解析,得到運動目標的經(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,當前普通GPS接收機的精度基本上可以滿足運動目標定位監(jiān)控的需要。但是在有遮擋物的情況下,GPS精度會嚴重下降。對于這種情況可以有以下幾種處理方法:平均值法,當監(jiān)控目標處于靜止狀態(tài)時,會存在很嚴重的漂移現(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,但是需要建立差分基準站,投資大且基準站作用范圍有限,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)；地圖匹配法,相對來說電子地圖的精度比普通GPS接收機的輸出數(shù)據(jù)要高一些,因此對于行駛在公路或者街道上的運動目標可以采用地圖匹配的方法,把漂出路外的運動目標“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航設備,如陀螺儀和加速度計等組成簡單的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時性為代價,在移動IP環(huán)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(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、設置上傳間隔時間、制動車輛、設置越界區(qū)域和設置軌跡記錄方式等。

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

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)控客車的運營狀況。這幾個功能模塊都已經(jīng)實現(xiàn),限于篇幅,不再詳細介紹。監(jiān)控程序負責監(jiān)控這幾個模塊(GPS、手柄、圖像采集和GPRS/PPP)的運行狀態(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)控設備(GPS接收機、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