發布日期：2022-07-15 點擊率：61
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。本文介紹了一種采用SA1110 CPU和Q2400 GPRS/GSM模塊的車輛定位監控系統,提出了在嵌入式平臺上實現車載信息處理終端的開發方案,詳細介紹了各個硬件和軟件模塊的功能和實現方法。
近年來,對地域廣泛、機動性強、數量眾多的移動目標有效監控、緊急救援和各種信息服務的需求,在客運、公安、銀行、物流管理等行業表現得尤為突出。全球定位系統技術的發展使得移動目標的實時定位成為可能,同時無線通信技術的技術也得到了長足進展,對移動目標進行遠程監控調度成為可能。特別是GPRS業務的出現,使得人們能夠對移動目標進行全國范圍、實時、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范圍、實時性、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件滿足用戶的要求。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通信方式,這主要由于其覆蓋范圍廣、無需架設基站、可實現語音/短信等功能優點所決定的,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數據業務解決了這些問題。GPRS/IP/TCP/UDP協議?？梢詽M足數據的實時交換,在現有的公用無線通信系統中擁有最大的帶寬,與目前流行的短消息相比,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. 無線通信數據鏈路:無線數據傳輸設備作為基站與各移動目標進行信息交換的樞紐,是整個車輛調度系統中的重要組成部分,在本方案中選擇了公用通信網。
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。監控中心采用WebGIS技術,所以數據中心和監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。由于數據中心的設備、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,通過自己本地的監控中心訪問數據中心,獲取數據和發送命令等信息。監控中心可以通過局域網、普通調制解調器撥號方式、無線撥號等多種方式訪問數據中心,甚至使用一個帶有地圖的PDA通過GPRS網絡也可以監控運行中的車輛。
目前,車載移動終端從硬件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采集,對數據不作太多處理,組幀后通過無線調制解調器(或其它通信模塊)發送給中心,這種系統功耗和體積都很小,功能有限；2. 車載計算機系統,以普通CPU作為信息處理單元,能對數據進行復雜處理,如數據庫查詢和更新等,但是這種系統功耗和體積都很大,很多場合不便于使用。
隨著移動計算技術的迅速發展,開發一種功耗低,體積小的車載系統成為可能。本文中開發的終端采用了嵌入式的CPU和操作系統,整個系統不僅功耗很低,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成
1. 系統中央處理單元。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、數據、傳真等功能,可以滿足系統的設計要求。雖然它不支持標準的TS 串行通信復用協議,Wavecom自己的復用協議也基本上可以滿足語音/數據復用串口的要求。在GPRS不可用的地區,還可以通過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移動存儲設備發展的需求,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關閉)、位置誤差小于25m(S/A關閉)、時間精度為±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,并能輸出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?？蛇B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入各種傳感器,兩路輸出接報警器和制動系統。
6. 車載手柄,A/D轉換。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。
車載信息處理終端的軟件構成
本系統中采用了Linux操作系統作為軟件平臺。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口驅動的基礎上插入了一層新的抽象驅動層,這在其它操作系統上卻很難做到；其次,Linux穩定性好,可裁剪性好,一個車載信息處理平臺要求很高的可靠性,我們也可以根據用戶的不同要求對操作系統進行裁剪,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序和應用程序,可以根據自己的需要進行改寫,甚至直接應用。
由于整個系統驅動和應用復雜而繁多,本文僅就GPS數據采集、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。為了能夠同時支持這么多業務,3GPP制定了一個串行通信鏈路復用協議-TS 協議(終端設備到移動站的復用協議)。本系統中采用的Q2403A并不支持這個標準協議,但是它也具有自己的復用協議,可以用AT+WMUX=1命令激活這個協議。Wavecom只能同時支持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系統中串行通信驅動模塊三個固有的邏輯層,這三層之間有互相調用的接口函數。圖中也給出了幾個接口函數,我們在實現GPRS驅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上網就必須要使用PPP協議進行撥號。PPP存在于用戶空間和內核空間兩個地方,用戶空間的pppd應用程序完成撥號連接的管理功能；內核空間的ppp協議軟件要實現PPP包的組幀/分幀等核心功能。PPP定義了自己的行規程模塊,并且到此為止,往下就不再有PPP相關的軟件模塊,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采集、處理和傳輸應用
a. GPS數據的采集。本系統中使用的GPS接收機支持標準的RS232協議,因此不用改動任何驅動程序即可實現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,得到運動目標的經度、緯度、高度、速度、方向、時間等信息,存入緩沖區。
b. GPS數據的處理。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,當監控目標處于靜止狀態時,會存在很嚴重的漂移現象,可以采用長時間位置平均的方法加以改善；差分法,適用于靜態和動態目標,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度比普通GPS接收機的輸出數據要高一些,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；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動態特性的濾波器,并且能夠有效地將不同傳感器的輸出信息進行融合。
我們在開發這套系統時,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數據傳輸。為了保證可靠性,我們采用了TCP/IP協議來傳輸數據,但是這是以犧牲一定的實時性為代價,在移動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臺發送的命令,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,沒有必要再加入幀校驗字段。
3. 其它
GPIO模塊、車載手柄模塊都是本系統的必備配置,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控客車的運營狀況。這幾個功能模塊都已經實現,限于篇幅,不再詳細介紹。監控程序負責監控這幾個模塊(GPS、手柄、圖像采集和GPRS/PPP)的運行狀態,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,并監控設備(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
技術總監
北京賽德菱信息技術有限公司
