无线通信在智能交通系统中的应用与研究毕业论文.docx
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无线通信在智能交通系统中的应用与研究毕业论文
无线通信在智能交通系统中的应用与研究毕业论文
第一章绪论1
1.1智能交通系统中无线通信技术的发展趋势1
1.1.1智能交通系统概念1
1.1.2智能交通系统中无线通信技术的发展1
1.2国外研究现状及研究意义2
1.2.1国外研究现状2
1.2.2智能交通系统研究的目的及意义2
1.3课题的研究容和目标3
1.3.1研究容3
1.3.2课题章节安排3
1.4本章小结3
第二章GPS与3G技术4
2.1GPS组成及其定位原理4
2.1.1GPS组成及其定位原理4
2.1.2DGPS定位原理和分类5
2.23G技术7
2.2.13G概述7
2.2.23G发展历程7
2.2.3基于3G的通信结构、协议及数据流程8
2.3本章小结11
第三章智能公交监控系统的总体设计方案12
3.1系统需求分析及其总体设计目标12
3.2硬件系统的总体设计方案13
3.2.1系统的硬件电路组成13
3.2.2各部分的组成和作用14
3.3软件系统的总体设计方案14
3.3.1软件总体功能分析14
3.3.2系统软件组成15
3.3.3系统的数据流传输过程16
3.4本章小结16
第四章智能公交监控系统的硬件电路设计17
4.1车载端硬件系统的总体结构17
4.2GPS模块的硬件电路设计18
4.3监控终端主控单元的硬件电路设计19
4.3.1S3C2440核心模块的特点19
4.3.2S3C2440的接口电路21
4.43G模块的硬件电路设计21
4.4.1MC8630的特点及其组成22
4.4.23G模块的UIM卡电路设计23
4.5本章小结23
第五章智能交通系统的软件设计24
5.1嵌入式操作系统的选择24
5.2嵌入式linux系统的基本结构26
5.3Linux操作系统的移植26
5.4网络层的TCP/UDP套接字程序设计27
5.4.1TCP/UDP协议对比27
5.4.2套接字概述28
5.4.3套接字编程29
5.5TCP客户端程序设计32
第六章总结与展望33
6.1总结33
6.2展望33
参考文献34
谢辞35
第一章绪论
1.1智能交通系统中无线通信技术的发展趋势
1.1.1智能交通系统概念
随着我国城市化进程的加快，城市的人口和车辆的数量逐年递增，但是城市道路的发展远远低于车辆数量的增长，由于城市空间和资源的限制，交通管理效率低下，城市道路拥挤，道路建设就显得越发重要，特别是智能交通的规划和建设。
智能交通系统（IntelligentTransportationSystem）简称ITS，将计算机、数据通信、人工智能、传感器等技术综合运用于道路车辆运营、服务控制等领域，加强车辆、道路管理人员、使用者之间的联系，建设一种高效、准确的综合运输系统。
1.1.2智能交通系统中无线通信技术的发展
在近几年，随着通信技术的发展，3G牌照的发放，智能手机的兴起，无线通信网络提供的业务正在从以语音为主、数据传输为辅转化到以数据传输为主语音为辅，变得越来越智能化、数字化、全球化。
先进的数据传输技术、通信技术在智能交通系统的信息采集、处理中起到了重要作用。
智能交通系统建立在先进的无线通信技术上，车辆、行人都移动之中的，所以无线移动通信技术已经成为智能交通系统的重要组成。
在很多国家，GPS、3G、CDMA、3G等无线通信技术相互结合，已经开始应用于智能交通系统领域，这种融合技术可以实现交通管理中的紧急事件处理和紧急车辆管理功能，出行车辆的道路诱导和导航服务，以及运营管理中心的车辆监控、调度功能。
智能交通系统建设包括三部分容：
（1）面向交通管理者的信息发布。
目的是为工作在监控中心的人员提供实时的信息，常用的媒介是监控中心的大屏幕和电视，同时也通过网络和专用电台的方式向交警及交通运输调度部门发送信息。
（2）面向司机们的信息。
常用的媒介是LED信息板、城市广播、LED限速版等，向司机朋友提供实时的路况信息。
（3）面向社会公众的信息平台。
主要通过网络、广播电台、电视台向社会发布最新交通信息，为出行者选择合适的出行方式和线路提供更多的信息。
这些信息系统之间的通信须依靠快速、稳定、高效的通信链路实现，依靠传统的交通寻呼台方式、数字集群通信方式和蜂窝数字分组传输方式是不能够实现的。
所以，必须利用现有的专用短距离无线通信、GSM、3G、CDMA等方式来实现。
[1]
1.2国外研究现状及研究意义
1.2.1国外研究现状
近几年机动车辆数量的迅猛增长，给城市道路交通带来了很大的压力。
智能交通系统的发展为这一问题的处理带来了希望，但是，这一系统的构建并不是一朝一夕可以完成的，欧美和日本等国已经开始研究，但仍处于探索阶段，我国更是如此，从车辆定位监控系统的起步到现在的实验车的初步运行，无线通信技术得到了不同程度的应用与发展。
本课题在现有无线通信技术发展现状的情况下，结合我国移动通信网络的基础，提出了以GPS、3G、CDMA等通信技术为基础的城市智能公交管理系统。
1.2.2智能交通系统研究的目的及意义
随着地球上人类数量的不断增多，地球上的资源变得越来越少，环境污染越来越严重，各个国家都在采取不同的措施，合理开发利用本国资源，研发新能源，保护环境。
近几年车辆的迅猛发展，给人们的生活带来很大的方便，同时也给环境带来了很大的压力，因此我国鼓励市民绿色出行，尽量少开私家车，乘坐公交车或地铁或骑自行车上下班。
这时候一套科学合理的公交车监控管理系统就显得很重要，高效准时的公交运营、低成本的运营成本才能吸引广大市民乘坐公交。
本公交管理系统欲达到的效果：
一是站点自动报站，利用GPS定位技术和3G通信技术，实现车辆经纬度的采集实现自动报站，并且把信息发送给车辆监控中心。
二是车上视频监控，先进的3G技术可以提供高达3Mbit/s的下载速率和1Mbit/s的上传速率。
向车辆监控中心发送实时的公交车中的视频影像，可以及时的发现车辆上紧急情况、司机的不规操作、乘客的逃票行为。
这种先进的公共交通监控管理系统具有很多长处：
对乘客而言，由于提高了车辆运行的准时性、缩短乘客候车时间，从而增加了公交的吸引力和车辆的载客量，对城市整体的发展产生很大的社会和经济效益。
另一方面，可以提高公交部门的服务质量和企业形象，实现公交运营管理、调度的智能化和现代化。
从而成为交通系统建设中继高速公路电子收费和车辆自动导航系统后，又一重要领域的探索和实践，同时为3G技术在交通领域的进一步发展应用奠定基础。
[2]
1.3课题的研究容和目标
1.3.1研究容
本文对智能交通系统中用到的通信技术进行分析研究，对比不同通信方式的优缺点，选用以3G通信方式为基础的GPS车辆定位监控系统的解决方案，并对系统中用到的3G技术和GPS技术的原理进行了分析说明。
根据监控方案的需求选择经济适用的3G、GPS模块和控制模块，并对各模块的功能原理和接口进行介绍。
软件设计主要包括嵌入式系统的选择、TCP套接字的设计。
1.3.2课题章节安排
本文主要有四部分组成：
（1）理论部分：
包括绪论，GPS和3G技术原理，监控系统总体设计。
（2）硬件电路部分：
GPS模块、3G模块，主控单元模块
（3）软件设计部分：
车载终端、监控中心的软件设计。
（4）总结与展望：
对设计进行总结和展望。
1.4本章小结
本章主要对研究课题的发展状况和背景进行概括总结，并对课题研究的必要性进行了说明。
同时对研究课题的容和目标进行了概括性的总结。
第二章GPS与3G技术
该设计系统主要用到的模块包括GPS定位模块和CDMA2000通信模块。
下面对定位系统和通信系统的工作组成、原理和特点进行详细阐述。
2.1GPS组成及其定位原理
2.1.1GPS组成及其定位原理
GPS的空间部分是由24颗卫星组成（21颗工作卫星；3颗备用卫星），它位于距地表两万多千米的上空，运行周期为12h。
卫星均匀分布在6个轨道面上（每个轨道面有4颗卫星），轨道倾角为55°。
在全球任何地方、任何时间都可观测到4颗以上的卫星，卫星中可以预存导航信息，GPS的卫星因为大气摩擦等问题，随着时间的推移，导航精度会逐渐降低。
[3]
2.1.1.1GPS的系统组成
GPS系统通常由三个独立的部分组成：
（1）空间部分：
21颗工作卫星，3颗备用卫星。
（2）用户设备部分：
如车载终端。
该部分用于接收GPS卫星发射信号，以获得定位信息，完成导航和定位工作。
（3）地面支撑系统：
1个主控站，3个注入站，5个监测站。
2.1.1.2GPS的定位原理
GPS定位的基本原理是把高速运动的卫星瞬时位置作为起始数据，利用空间距离交会的方法，确定测点的位置。
如图所示：
如果T时刻放置GPS接收机在地面待测点，可以测定信号传播到接收机的时间△t，可以确定四个方程式：
上述四个方程式中测试点的坐标x、y、z和Vto为未知参数，其中di=c*△ti（i=1、2、3、4）。
di（i=1、2、3、4）分别为卫星1、2、3、4与接收机的距离。
△ti（i=1、2、3、4）分别为卫星1、2、3、4的信号传播到接收机需要的时间。
C是GPS信号传播的速度。
（等于光速）
四个方程中各个参数意义如下：
x，y，z：
待测点的坐标。
xi，yi，zi（i=l，2，3，4）：
由卫星导航电文求得的卫星1、2、3、4在t时刻的空间位置坐标。
Vti（i=l，2，3，4）：
由卫星星历提供的卫星1，2，3，4的卫星的钟差。
Vto：
接收机的钟差。
由以上四个方程式即可以计算出接收机的钟差Vto和测试点的坐标x，y，z。
[4]
2.1.2DGPS定位原理和分类
2.1.2.1DGPS的定位原理
DGPS是英文DifferenceGlobalPositioningSystem的缩写，即差分全球定位系统，方法是在一个精确的已知位置（基准站）上安装GPS监测接收机，计算得到基准站与GPS卫星的距离改正数。
该差值通常称为PRC（伪距离修正值），基准站将此数据传送给用户接收机作误差修正，从而提高了定位精度。
DGPS是克服SA的不利影响，提高GPS定位精度的有效手段，可达到Ⅲ级及以上精度。
DGPS一般可分为单基站DGPS、多基准站区域DGPS、广域DGPS和全球DGPS，全球DGPS正在酝酿中。
2.1.2.2DGPS的分类
根据发送信息方式的不同，差分GPS分为两大类：
位置差分和距离差分。
距离差分又分为两类：
载波相位差分和伪距差分。
工作原理是一样的，都是从基准站发送改正数，用户接收后经过修改后，就获得准确定位的结果。
不同的是，改正数的容变了，定位的精度也不相同。
下面对三种定位系统原理分别介绍。
[5]
1.位置差分原理
这是一种很简单的差分方法，用任何一种GPS接收机都可以改装或组成这种系统。
GPS接收机观测4颗卫星的位置后便可进行三维定位，智能算出基准站的位置坐标。
由于存在着时钟误差、轨道误差、大气影响、SA影响、多径效应等其它误差，解算出的坐标与基准站的已知坐标是有偏差的。
基准站利用数据链将改正值发送出去，用户站接收并对用户站坐标值进行修正。
△X=X0-Xl；△Y=Y0-Y1；△Z=Z0-Zl
其中:
X0，Y0，Z0：
实测的坐标；
X1，Yl，Z1：
其它方法求得的基准站精确坐标；
△X，△Y，△Z：
基准站点的经纬度坐标修正值。
由该修正值，可用下式表示推算出车辆所在的实际坐标。
X=X2+△X；Y=Y2+△Y：
Z=Z2+△Z；
其中X，Y，Z：
修正之后车辆所在位置的经纬度坐标。
X2，Y2，Z2：
车载GPS接收机得到的实际测量坐标。
经计算得到的坐标已消去了用户站和基准站之间的误差，这些误差是由SA影响、卫星轨道误差、大气影响等造成的，从而提高了定位的精确度。
差分技术实现定位精确的前提条件是用户站和基准站观测同一组卫星。
位置差分定位技术适用围是用户与基准站间的距离在100km以。
2.伪距差分原理
应用最广的一种差分。
在基准站上，观测所有卫星，根据基准站已知坐标和各卫星的坐标，求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离。
再由测得的伪距，算出伪距改正数，将其传输到车辆接收机，以提高定位精度。
这种差分，能得到米级定位精度，如沿海广泛使用的“信标差分”[6]
3.载波相位差分原理
载波相位差分技术又称RTK（RealTimeKinematic）技术，是实时处理两个测站载波相位观测量的差分方法。
即是将基准站采集的载波相位发给用户接收机，进行求差解算坐标。
载波相位差分可使定位精度达到厘米级。
大量应用于动态需要高精度位置的领域。
[7]
2.23G技术
2.2.13G概述
第三代移动通信技术（3rd-generation，3G），指支持高速数据传输的移动通信技术。
3G服务能同时传送声音及数据信息，速率一般在几百kbps以上。
3G是指将无线通讯与互联网等多媒体技术结合的新一代移动通信系统，目前3G存在四种标准：
CDMA2000，WCDMA，TD-SCDMA，WIMAX。
3G与2G的主要区别是在传输声音质量和数据的速度上的提升，它能在全球围更好地实现无线漫游，并处理音乐、图像、视频流等多种媒体形式，提供包括会议、网页浏览、电子商务等多种信息服务，同时也要考虑与2G的良好兼容性。
为了提供这种服务，无线网络必须能够支持不同的数据传输速度，也就是说在室、室外和行车的环境中能够分别支持至少2Mbps（兆比特/每秒）、384kbps（千比特/每秒）以及144kbps的传输速度（此数值根据网络环境会发生变化）。
2.2.23G发展历程
3G网络是由GSM/3G网络的基础上发展演变形成的，GSM/3G核心网演进的方向是：
GSM核心网演进为3GCS域，3G核心网演进为3GPS域。
在演进的过程中，既要考虑充分利用现网资源，实现网络平滑演进，又不能影响业务运行和业务质量。
GSM/3G向3G的演进可以分为三个阶段：
第一阶段：
3G建设初期，新建3G网络，即电路域新建MSCServer、MGW，分组域新建SGSN，此外共用2G的GMSC、GGSN和其他分组域设备。
第二阶段：
3G发展中期，2G、3G共用核心网，升级2G的部分MSC为MSCServer，GPRSSGSN为3GSGSN，支持3G用户的接入；同时可以通过3G设备的A接口和Gb接口将部分2GBSS接入3G核心网。
这个阶段，随着3G用户数量的增加，2G网络会出现余量，可以将具备升级条件的2G设备升级，降低资源消耗，提高网络效率。
第三阶段：
3G发展后期，无法升级的2G移动交换中心、GPRS接口服务器逐步退网，形成统一的3G核心网。
这个阶段，3G无线覆盖趋于完善，2G用户数逐渐变少，核心网不需要提供对2G无线接入网的支持，可以逐步淘汰无法升级的设备，双接入设备也无须再支持2G无线网的接入。
[8]
2.2.3基于3G的通信结构、协议及数据流程
根据无线接口技术的不同，现有3G技术可以分为联通的WCDMA技术，电信的CDMA2000技术和移动的TD-SCDMA技术。
考虑到传输带宽、网络稳定性、实用性等因素，本系统采用电信CDMA2000作为无线网络传输。
2.2.3.1CDMA2000简介
CDMA2000是由窄带CDMA（CDMAIS95）技术研发发展而来的，是一种宽带CDMA技术，也称为CDMAMulti-Carrier，是由美国高通北美公司为主导提出，摩托罗拉、三星和Lucent都有参与，韩国成为该标准的主导者。
这套系统可以从原来的CDMAONE结构直接升级到3G结构，建设成本低廉。
2.2.3.2CDMA2000网络结构组成
cdma2000-1X网络主要有BTS、BSC和PCF、PDSN等节点组成。
系统结构如图2.1所示:
图2.1基于ANSI-41核心网的系统结构
其中：
BTS---基站收发机
PCF---分组控制
BSC---基站控制器
PDSN---分组数据服务器
SDU---业务数据单元
MSC/VLR---移动交换中心/访问寄存器
BSCC---基站控制器
由图可见，与IS-95相比，核心网中的PCF和PDSN是两个新增模块，通过支持移动IP协议的A10、A11接口互联，可以支持分组数据业务传输。
而以MSC/VLR为核心的网络部份，支持话音和增强的电路交换型数据业务，与IS-95一样，MSC/VLR与HLR/AC之间的接口基于ANSI-41协议。
[9]
图中，
---BTS在小区建立无线覆盖区用于移动台通信，移动台可以是IS-95或cdma2000-1X制式手机。
---BSC可对对个BTS进行控制；
---Abis接口用于BTS和BSC之间连接；
---A1接口用于传输MSC与BSC之间的信令信息；
---A2接口用于传输MSB与BSC之间的话音信息；
---A3接口用于传输BSC与SDU（交换数据单元模块）之间的用户话务（包括语音和数据）和信令；
---A7接口用于传输BSC之间的信令，支持BSC之间的软切换。
以上节点与接口与IS-95系统需求相同。
cdma2000-1X新增接口为：
---A8接口：
传输BS和PCF之间的用户业务；
---A9接口：
传输BS和PCF之间的信令信息；
---A10接口：
传输PCF和PDSN之间的用户业务；
---A11接口：
传输PCF和PDSN之间的信令信息；
A10/A11接口是无线接入网和分组核心网之间的开放接口。
---新增节点PCF（分组控制单元）是新增功能实体，用于转发无线子系统和PDSN分组控制单元之间的消息。
---PDSN节点为cdma2000-1X接入Internet的接口模块。
[10]
2.2.3.1总体通信结构
在ITS系统中，利用3G网在车系统、路边系统和监控中心之间进行通信。
下面对原理进行说明，终端设备将数据送入3G无线模块，无线模块将数据进行分组，通过3G网络和互联网送到监控中心的服务器。
监控中心接收数据后，可以通过互联网和3G网络向车辆发出各种指令。
监控中心须接入互联网且具有固定和真实的IP。
在对无线模块进行3G附着过程和PDP（PacketDataProtocol，分组数据协议）上下文激活过程后，就可以利用3G来进行数据传输了。
激活过程用于激活口协议，使数据能以IP数据报的形式传送，通过激活过程，3G无线模块与GGSN建立一条逻辑通路，进行数据传输。
附着过程用于接入SGSN，SGSN就可以对用户进行移动性管理。
监控中心和终端设备的各种数据和类型都要经过3G模块、SGSN、GGSN和Internet。
在传送的每个阶段利用的介质、协议也各不相同，所以需要涉及到不同协议之间的转换，在通信系统的设计中，将数据封装为适宜的形式，以适合不同的协议。
2.3本章小结
本章主要对美国的全球定位系统GPS和3G通信网络的结构、协议、特点及工作原理进行了详细阐述。
对3G数据流工作的流程分析，可以明晰应用层数据封装的概念。
第三章智能公交监控系统的总体设计方案
经过调查问卷，了解到人们日常出行对公交车的需求，结合实际无线通信技术的水平，本章对智能公交系统设计的总体目标进行了概括，提出了硬件和软件的具体解决方案。
3.1系统需求分析及其总体设计目标
乘客们在乘坐公交时，往往希望公交车能精确的站点报站，以免坐过站，或是对什么时候下车很茫然，实时站点报站对乘客们提前做好下车准备也有益处，避免下车时惊慌失措；公交管理系统也希望对车上情况实行监控，可以避免司机不规驾驶，保证乘客们的乘车安全，可以及时发现逃票乘客，也可以对车上扒手等不法分子造成一定心里威胁。
该系统须满足公交车运行过程中经纬度信息和车上视频的实时传输，利用3G模块把由GPS模块定位得到的经纬度信息和摄像头所录视频及时的传送到控制中心的服务器，传送之前需要对数据进行分离、封装处理，然后通过3G数据链路联接到Internet，进而访问监控中心服务器的目的。
为了扩展车载系统的功能，还可以提供面板操作、短消息语音播报和图形显示等功能，以增加系统的可扩展性和司机的操作方便性。
可以通过GPS模块来采集卫星数据，进而传输经纬度、到站时刻等数据，但是需要一个具有很强数据处理能力和可以控制的接口的微处理器。
无线通信数据链路的物理层可以由3G模块承载，但是需要有支持数据链路层和网络层协议栈的软硬件平台。
对于扩展数据传输，如车辆紧急故障警报，短消息语音播放等功能可以通过控制3G模块实现，也可以通过专用模块实现。
通过分析系统需求可以得出，该车载系统需要一个具有较强运算和控制能力的主控芯片，并且可以同时支持网络协议栈和链路层的硬件平台。
硬件系统为了解决运算和I/O控制问题，可以采用嵌入式系统，通过在嵌入式平台上构建支持网络通信协议栈的嵌入式系统，可以很好的解决网络协议栈的很多容。
因此硬件平台选用SANGSUNG公司的S3C24490处理器做主控单元，再加上3G模块和GPS定位模块就构成了主要硬件平台。
车载端软件系统选用嵌入式linux作为软件开发平台。
监控中心通过windows操作系统自己就能通过套接字编程的方式构建。
这样就可以实现对公交车位置和车上情况进行监控，及时了解车辆位置和车上状况，并在需要
时对公交车辆进行实时的调度和控制。
总体设计图如图3.1所示。
[11]
图3.1智能公交监控系统结构图
3.2硬件系统的总体设计方案
3.2.1系统的硬件电路组成
图3.2监控系统总体硬件电路示意图
该智能公交监控系统的硬件电路设计主要包括四个部分：
车载端、3G网络、Internet和监控中心端。
该监控系统的总体硬件电路设计如图3．2所示。
3.2.2各部分的组成和作用
（1）车载端：
系统车载端是由控制单元、GPS模块、3G模块组成。
主要功能是车辆位置信息经纬度的采集、处理，并通过移动通信模块将信息发送到互联网。
（2）3G网络：
这一部分是由电信运营商提供的，本系统选用电信公司的3G网络。
公交管理部门只需向电信公司缴纳一定的通信服务费，无需参加移动设备的安装、维护费用的投入。
移动设备需要将受到的信息准确及时的发送到互联网。
3G网是连接车载端和互联网的纽带。
（3）互联网：
移动网络和监控中心数据传输的桥梁，主要功能是将移动网络发送来的信息传输到监控中心服务器端，供监控人员获取。
（4）监控中心端：
由监控终端和服务器组成。
实现监控人员对运行公交车的实时监控和管理。
[12]
3.3软件系统的总体设计方案
3.3.1软件总体功能分析
主要从两个角度实现智能公交管理系统的功能，车载端和监控中心端。
3.3.1.1车载端
对于车载端，软件应该包括以下几功能部分：
（1）GPS数据获取：
为了确定公交车位置经纬度信息，需要将GPS模块得到的数据进行接收。
（2）经纬度数据分离：
对经纬度数据进行分离，实现和固定站点位置进行有效的比较。
（3）车辆当前位置数据的发送：
将经纬度信息通过3G模块发送到移动网络，进而实现和监控中心的联系。
（4）当前站点信息、礼貌用语的播报。
（5）信息数据的记录。
3.3.1.2监控中心端
对于监控中心端而言，软件主要包括以下两部分：
（1）接收车载端发送的数据：
监控中心通过监听端口，从Internet获得车载终端发送的实时数据。
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