基于GPRS的智能车辆监控系统的设计与实现Word下载.docx
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GPRS;
地理信息系统;
设计中图分类号:
TN919 文献标识码:
A
DesignandImplementationofanIntelligentVehicleMonitoring
SystemBasedonGPRS
TursunjanYasin,CHANGQing,MEIShun-liang,ZHOUYin-dong（StateKeyLabonMicrowave&
DigitalCommunications,TsinghuaUniversity,Beijing100084,China
Abstract:
ThispaperintroducesthedesignandimplementationofanIntelligentVehicleMonitoringSys2tem,whichisbasedonGPS/GLONASSsystemandGPRSnetworks.Theprotocolsusedindatacommuni2cationsarealsoincluded.Thevalidity,stabilityandreliabilityofthesystemhavebeenjustifiedinpracti2calapplications.
Keywords:
ITS（IntelligentTransportationSystem;
Embeddedsystem;
Vehicemonitoringsystem;
GPS/
GLONASS;
GIS;
Design
一、引 言
随着人们生活质量的不断提高,越来越多的汽车走进了寻常百姓家。
但是,汽车的增多必然导致交通的拥挤、交通事故的增加,从而进一步增加路况的复杂程度。
面对日益严重的交通状况,智能交通系统（IntelligentTransportationSystems,ITS得到了各界的关注。
ITS是将先进的信息技术、数据通信传输技术、电子传感技术、电子控制技术以及计算机处理技术有效地集成运用于整个运输管理体系,从而建立起的一种大范围、全方位发挥作用的,实时、准确、高效的综合运输和管理系统。
车辆监控调度系统正是智能交通系统的一个重要的应用实例。
本文设计的基于GPS/GIS/GPRS的车辆监控系统以GPRS为传输网络,有效地解决了以往短消息传输方式延时大、系统实时性差的问题。
GPRS技术提供的高速传输速率和“永远在线、按流量计费”的优点,使该系统具有良好的适用性、可靠性和可扩展性,而且易于管理与维护。
本文详细论述了系统的构成,并重点分析了系统数据通信的链路过程和协议层。
二、系统设计
我们设计的系统由GPS/GLONASS卫星定位系
3收稿日期:
2004-12-08
统、移动车载终端、GPRS网络和ITS控制中心（车辆监控中心4个部分组成,如图1所示
。
图1 GPS/GIS/GPRS车辆监控系统
1.GPS/GLONASS卫星定位系统
全球定位系统（GlobePositioningSystem,GPS包括由24颗导航卫星构成的空间部分和分布在世界各地的地面监控部分。
卫星的分布使得地球上任何位置都可同时观测到4颗以上的卫星。
各星不断将自身参数、测距码发往地面,用户使用GPS接收机接收星历数据,并按一定规则解算出接收天线处的位置和速度,实现对目标的定位跟踪。
全球导航卫星系统（GLObalNAvigationSatelliteSystem,GLO2NASS是与美国GPS系统相类似的卫星定位系统,由卫星星座、地面监测控制站和用户设备3部分组成,现在由俄罗斯空间局管理。
GPS系统性能在整体上优于GLONASS系统,但GPS卫星系统本身仍存在短期的收星盲区,而且易受电磁波干扰,从而影响定位精度。
虽然美国计划于2006年取消SA（SelectiveAvailability,选择可用性,一种人为降低GPS定位精度的扰码管制,但美国军方已掌握了局部地区加载SA的技术,从而可以随意控制世界上的任何地区。
此外,美国军方使用的P码（军用信息已经不再依赖于C/A码（民用信息而能够独立收星,即美国可以关掉C/A码,禁止民用,而不影响其军方使用。
基于这些情况,本文设计的车载终端选用了双卫星系统接收机GG-16。
这种接收机能同时接收GPS和GLONASS两个系统的卫星星历数据,使观测时间更短、定位精度更高、定位结果更可靠,并在一定程度上摆脱了对GPS卫星系统的完全依赖。
2.移动车载终端
移动车载终端是整个系统的“传感器”,被安装在需要监控管理的车辆上。
车载终端通过GG-16模块接收导航卫星网络的测距信息,将车辆的经度、
纬度、速度、时间等信息传给微控制器;
微控制器通过GPRS模块与监控中心进行双向的信息交互,完成相应的功能。
图2为移动车载终端的原理框图
图2 车载终端原理框图
移动车载终端的硬件采用“嵌入式微控制器+数字信号处理器+无线通信模块+人机接口”的设
计架构。
嵌入式微控制器为PHILIPS公司的LPC2106,它内含ARM7TDMI-S内核以及128K高速FLASH、64KSDRAM和2个UART等外围设备;
数字信号处理器采用TI公司的TMS320C541,对安装在车内的摄像头采集的图像信息进行压缩编码;
GPRS模块采用SIEMENS公司的工业级模块MC35,连接于微控制器的UART1,它能够通过GPRS网络实现300bps~86.5kbps的无线数据传输;
GPS/GLONASS接收机GG-16连接于微控制器的UART0;
人机接口为键盘和LCD。
移动车载终端的软件采用“底层驱动软件+嵌入式实时多任务操作系统+互联网协议栈+终端应用软件”的设计架构。
嵌入式ARM芯片及其相应的外设构成终端的硬件平台;
在硬件平台上植入μC/OS-II嵌入式实时多任务操作系统,它是连接系统底层与应用程序的系统程序,它调度一切可利用的资源完成实时控制任务,提高ARM系统的使用效率,通过任务调度在规定的时间内对于重要事件作出正确的响应;
终端应用软件主要完成终端的卫星定位、GPRS通信、与驾驶员的人机交互、信息显示、报警、图像压缩等任务。
图3为车载终端软件的体系结构示意图
图3 车载终端软件的体系结构
3.GPRS网络
GPRS（GeneralPacketRadioService,通用分组无线业务网络是车辆监控系统的传输载体。
GPRS是一种采用分组交换和传输技术的高效率数据传输方式。
它克服了电路交换速率低、资源利用率差等缺点,最大限度地利用了现有的GSM网络资源,提高了传输速率,接入时间短,支持IP和X.25协议。
GPRS网络采用4种不同的QoS,对不同的服务有不同的优先级、可靠性和延迟标准。
此外,“永远在线、按流量计费”的优点,使其成为现在移动通信增值应用服务的一个亮点。
GPRS服务理论上最大速率为171.2kbps,实际应用中,大多数城市GPRS服务可以提供40~60kbps的传输速率,远远大于GSM网络9.6kbps的传输速率。
相对于短消息方式来说,GPRS服务既提高了质量又降低了使用费用。
移动车载终端与监控调度中心之间的通信突发性较强,而每次数据量较小,使用GPRS网络作为其传输载体是目前比较理想的解决方案。
GPRS的原理取自移动IP和蜂窝数字分组数据（CellularDigitalPacketData,CDPD技术。
在提供GPRS服务时,GPRS网络给移动终端分配一个C类动态IP地址。
GPRS技术在网络层使用IP协议,每一个移动终端在与外部数据网络连接时,需要相应的IP地址。
IP地址是GPRS网络的重要资源,是网络设备和用户的临时标识。
由于移动车载终端的IP是C类动态IP,经由网络多个路由而传递到调度中心的IP地址已经不能唯一标识移动终端,因此,在传递的消息体中必须包含终端的识别号码。
4.车辆监控中心
车辆监控中心是系统的控制核心,通过DDN专线接入GPRS网络,接收终端传来的定位、注册、状态等信息,经过应用软件解析、处理后,输出到相应的显示终端上。
GPS调度指挥中心系统主要由DDN接入设备、彩色大屏幕显示器、计算机小型局域网、系统监控调度管理软件、系统数据库、数据库管理软件、矢量化电子地图和地理信息系统（Geo2graphicInformationSystem,GIS应用平台等部分组成。
监控中心解析终端发回的位置信息,同时与GIS电子地图匹配,在电子地图上显示终端的位置,以便指挥中心的工作人员清楚直观地掌握车辆的动态位置信息。
数据库管理系统对后台数据库进行管理,包括车台初始化设置、车台信息管理、入网单位信息管理、入网监控终端管理、车辆轨迹管理、计费管理等部分。
图4是系统监控调度管理软件的主要功能描述示意图
图4 系统监控管理软件功能描述图
三、数据传输协议
系统的协议层主要分为两大部分,一部分为网络协议层,一部分为应用层。
应用层分为加密层、应用协议层和高级应用层3部分,其作用是规范移动终端与监控中心之间的数据通信行为,保证终端与中心之间可以准确、唯一地解释对方的信息,并保证数据信息在传输层通信的可靠性、准确性和安全性,最终完成系统的具体应用,如车辆监控、车辆管理、电子地图显示等功能。
网络协议层分为PPP层、IP层和TCP&
UDP层3个层次。
点对点协议（PointToPointProtocol,PPP是为在2个对等实体间传输数据包建立简单连接而设计的。
这种连接提供同时、双向的全双工操作,并且假定数据包是按顺序投递的。
为了建立PPP连接,每个PPP端必须首先发送数据链路控制协议（LinkControlProtocol,LCP包,以配置和检测数据链接。
在连接建立而且可选的选项都已经由LCP设置完成后,PPP必须发送网络控制协议（Net2workControlProtocol,NCP包,用以选择和配置一个或多个网络层协议。
在每层的协议被配置完成后,就可以在链接上进行通信了。
互联网协议（InternetProtocol,IP协议是在源地址和目的地址之间传送数据包的通信协议,为适应不同网络对数据包大小的不同要求,它还具有对数据包进行重新组装的功能。
但它不提供端口到端口的确认,对数据没有差错控制,只使用报头的校验码,亦不提供重发和流量
控制。
TCP和UDP协议同在传输层,由于本系统每
次传输的数据量小而且突发性强,所以采用UDP协议传输数据。
用户数据报协议（UserDatagramPro2tocol,UDP是用来在互连网络环境中提供包交换的计算机通信协议。
UDP协议的主要作用是将网络数据流压缩成数据报的形式。
一个典型的数据报就是一个二进制数据的传输单位。
每一个数据报的前8个字节用来包含报头信息,剩余字节则用来包含具体的传输数据。
UDP协议为不可靠的传输协议,不提供数据传送的保障机制。
如果在从发送方到接收方的传递过程中出现数据报的丢失,协议本身并不能作出任何检测或提示。
因此,必须在应用层的协议中添加保障信息传输可靠性的确认机制。
监控中心向终端下传数据时,要求终端返回接收正确或错误的确认信息,监控中心收到正确的确认信息后数据下传进程才完毕,否则,监控中心将在规定的时间内重发,直到收到正确的确认信息或发送次数标志溢出才终止。
移动终端通过GPRS网络向监控中心发送数据时,终端应用程序要先对数据封装,再通过AT命令控制GPRS模块发送。
其具体过程为:
将待发送的数据放到UDP格式的数据段中,对此帧UDP数据和8字节首部信息一起按规则计算,生成UDP校验和,完成UDP数据封装;
根据IP协议为此帧UDP建立20字节的IP头,对IP头进行校验计算,得出IP头的校验值,完成IP封装;
由于PPP格式的标志字符为0x7E,所以PPP封装前先要检查数据中是否有标志字符,当遇到字符0x7E时,连续传送2个字符0x7D和0x5E,以实现标志字符的转义,当遇到转义字符0x7D时,连续传送2个字符0x7D和0x5D,以实现转义字符的转义。
然后将数据放入PPP帧格式的信息段中,生成CRC校验,完成PPP封装;
终端通过AT命令控制GPRS模块向网络发PPP呼叫,建立PPP通信链路连接,并发送封装好的数据。
监控中心的数据发送过程与终端的过程大致一样,所不同的是中心是控制DDN设备传输数据,而不是通过AT命令控制GPRS模块传输数据。
四、结 论
GPS/GLONASS双星系统使移动车辆的定位更精确、更可靠;
而GPRS网络的特点,使基于GPRS网络的车辆监控调度系统不仅大幅度的提高了系统的性能,而且也大大降低了系统的运营成本。
实践证明,我们设计的基于GPRS的智能车辆监控系统运行稳定、高效,实现了设计的目的和要求。
参考文献
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[M].第二版.邵贝贝译.北京:
北京航空航天大学出
版社,2003.
作者简介:
吐尔逊江・亚森,男,硕士研究生;
常 青（1979-,男,辽宁人,硕士研
究生,研究方向为宽带无线接入技术;
梅顺良,男,清华大学电子工程系教授、博士生导师;
周银东（1972-,男,河北人,硕士研究生,研究方向为宽带无线接入技术。
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