近年來我國汽車行業(yè)飛速發(fā)展，每年都以幾百萬輛的速度遞增，可是隨著汽車的日益增多，城市智能交通，車輛管理表現(xiàn)出相對滯后的現(xiàn)象，如道路堵塞，交通事故，車輛被盜，這些已成為一個嚴(yán)重的社會問題。因此對于機動性強，數(shù)量眾多的汽車進(jìn)行有效監(jiān)控，緊急救援和提供各種信息服務(wù)的需求越來越多。同時隨著導(dǎo)航應(yīng)用技術(shù)的飛速發(fā)展和通訊技術(shù)的不斷提高，全球定位(GPS)系統(tǒng)與無線通信技術(shù)的發(fā)展使得對移動載體進(jìn)行實時定位和遠(yuǎn)程監(jiān)控調(diào)度成為可能，使人們能對移動載體進(jìn)行全方位、全天候、實時地監(jiān)控調(diào)度。目前，在車載終端多采用通過GSM短信方式實現(xiàn)與監(jiān)控中心傳輸GPS定位信息的方案。此方案存在傳送時間不確定，信道容量有限和可擴展性差的缺點，而對于GPS定位數(shù)據(jù)的漂移處理上，多數(shù)產(chǎn)品未能采取有效而實用的算法，在監(jiān)控中心的上位機軟件多數(shù)研究與開發(fā)還是基于組件式GIS的C/S模式，需要用戶安裝客戶端軟件方可使用，且必須定期更換地圖信息源文件才能保證地理信息的準(zhǔn)確，因此，本文嘗試結(jié)合GPS、GPRS、WebGIS技術(shù)的各自優(yōu)勢，來設(shè)計智能車輛管理系統(tǒng)。

1系統(tǒng)組成

從整個系統(tǒng)設(shè)計來看，可以分為車載單元、GPRS無線網(wǎng)絡(luò)和監(jiān)控中心3部分組成。車載單元主要包括語音設(shè)備、無線傳輸終端、GPS衛(wèi)星定位終端、指紋識別模塊和電源設(shè)備等，主要完成現(xiàn)場數(shù)據(jù)的采集、編碼、打包與傳輸、語音通信和車輛工況參數(shù)采集、GPS定位等功能。GPRS無線網(wǎng)絡(luò)是基于移動公司的GPRS移動通信公眾網(wǎng)，包括MSC基站控制器、SGSN業(yè)務(wù)支撐節(jié)點和GGSN網(wǎng)關(guān)支撐節(jié)。監(jiān)控中心包括Web服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，主要負(fù)責(zé)與車載單元及客戶端的連接及數(shù)據(jù)交換，監(jiān)控中心采用專線、寬帶網(wǎng)連接Internet，并配置公網(wǎng)固定IP地址。對無特殊需要的用戶，監(jiān)控中心可統(tǒng)一設(shè)在設(shè)備提供商的機房，以減少硬件的投入，Web服務(wù)器可實現(xiàn)無線傳輸終端的錄入管理，車輛、用戶信息的維護(hù)，具有Web及Wap頁面的發(fā)布功能，并負(fù)責(zé)媒體數(shù)據(jù)流的分發(fā)管理，監(jiān)控人員可通過瀏覽器登陸Web服務(wù)器進(jìn)入系統(tǒng)，進(jìn)行實時監(jiān)視和操控車載終端。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

車載衛(wèi)星定位系統(tǒng)的數(shù)據(jù)流程，首先由車載系統(tǒng)設(shè)備上的GPS衛(wèi)星接收模塊采集到GPS衛(wèi)星數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機進(jìn)行導(dǎo)航數(shù)據(jù)處理，如果是無效數(shù)據(jù)則丟棄數(shù)據(jù)，如果是有效數(shù)據(jù)，則提取出有效的定位數(shù)據(jù)得到汽車的地理坐標(biāo)信息，該信息經(jīng)車載系統(tǒng)處理后，由GPRS無線通信模塊發(fā)送到GPRS無線通信網(wǎng)上。GPRS網(wǎng)絡(luò)根據(jù)相應(yīng)的協(xié)議在車載系統(tǒng)和接入Internet的監(jiān)控中心之間建立一條支持TCP/IP的數(shù)據(jù)通道。監(jiān)控中心把通過這條數(shù)據(jù)通道傳送來的車輛位置數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)據(jù)庫和GIS技術(shù)顯示在電子地圖上，監(jiān)控中心還可通過該通道向下發(fā)送控制命令和服務(wù)信息。因此，除車輛定位外，系統(tǒng)還可提供如調(diào)度、監(jiān)控、緊急求助及移動電話等多種服務(wù)。

2硬件設(shè)計

整個系統(tǒng)的硬件由處理器芯片、存儲器、GPS、GPRS、指紋、語音等模塊組成，如圖2所示。

圖2硬件系統(tǒng)圖

主控處理芯片選用ST公司的STM32F103VC單片機，其采用ARMCortex‐M3內(nèi)核。內(nèi)部數(shù)據(jù)路徑、寄存器、存儲器接口都是32位，Cortex‐M3采用了哈佛結(jié)構(gòu)，擁有獨立的指令總線和數(shù)據(jù)總線，可以讓取指與數(shù)據(jù)訪問并行不悖。這樣一來數(shù)據(jù)訪問不再占用指令總線，從而提升了性。GPRS模塊采用SIMCom公司的SIM900A模塊，其內(nèi)置了TCP/IP和PPP協(xié)議，不需要移植TCP/IP協(xié)議就可以利用GPRS服務(wù)與終端建立連接、傳輸數(shù)據(jù)。GPS接收模塊采用GlobalSat公司的EB-3631CX模塊，此模塊上電完成初始自檢后，自動接收來自天線的GPS射頻信號，經(jīng)變頻、放大、相關(guān)、混頻等一系列處理后，完成并行通道對其視界內(nèi)幾何位置最佳的數(shù)顆衛(wèi)星的連續(xù)跟蹤，并測出信號從衛(wèi)星到接收天線的傳播時間，解譯出GPS衛(wèi)星所發(fā)送的導(dǎo)航電文。導(dǎo)航電文選取GPRMC格式，其格式下包含較全的GPS信息，最后經(jīng)由串口輸出緯度、經(jīng)度、速度、時間、方向等定位信息到單片機。指紋模塊采用深圳指昂公司的的ZAZ-010-B系列指紋識別模塊，模塊輸出為TTL電平，要與單片機的串口相連接需要增加電平轉(zhuǎn)換電路，這里我們選用了MAX232電路。

語音部分選用PWM語音播放方式，普通的語音播放一般采用D/A的方式來還原模擬語音信號，這就要求D/A有比較高的處理位數(shù)，必然會增加成本，PWM方式實現(xiàn)簡單，語音質(zhì)量也有較好的保證。以25KA/D采樣速率采樣語音數(shù)據(jù)，將采集的數(shù)據(jù)存于Flash存儲器中（Flash采用了SST公司生產(chǎn)的SST25VF016B，帶有2MByte的容量，以25K采樣速率時錄音時間達(dá)到80秒）。PWM波是由諧波和直流量合成，諧波是需要被濾除的信號，即通過模擬低通濾波器可以將調(diào)制后的PWM信號轉(zhuǎn)換成模擬信號，濾波器可以消除大部分高頻成分，最后只留下了直流量，達(dá)到還原模擬信號的目的。GPS模塊、GPRS模塊和指紋模塊均采用串行通信方式實現(xiàn)與單片機的通信，數(shù)據(jù)傳輸控制簡單可靠，覆蓋范圍廣，實時性強。

3車載移動單元的軟件設(shè)計

3.1μC/OS-Ⅱ操作系統(tǒng)

實時操作系統(tǒng)選用μC/OS-Ⅱ，它是一個免費的源代碼公開的系統(tǒng)，提供了實時操作系統(tǒng)所需的基本功能。μC/OS-Ⅱ內(nèi)核包含了任務(wù)調(diào)度、任務(wù)管理、時間管理、內(nèi)存管理和任務(wù)間的通信與同步等基本功能?？梢葬槍Σ煌挠布?yōu)化代碼，去掉不需要的變量和不使用的函數(shù)，我們所用的實時操作系統(tǒng)需要向下負(fù)責(zé)管理硬件系統(tǒng)提供的各種資源，向上為各個層次協(xié)議軟件提供數(shù)據(jù)通信接口，共享信息以及進(jìn)程管理等。

3.2系統(tǒng)初始化程序的實現(xiàn)

軟件系統(tǒng)初始化首先要定義入口指針，使整個應(yīng)用程序只有一個入口指針，微處理器復(fù)位以后，PC指針將指向設(shè)定地址。然后設(shè)置各中斷的優(yōu)先級以及開放啟動中斷。系統(tǒng)初始化時需要設(shè)置一張中斷向量表，對應(yīng)各中斷向量入口。在控制器訪問外部設(shè)備之前，需要設(shè)置各個外設(shè)地址空間，最后完成各串口所連接外設(shè)的初始化。

3.3GPS信號定位處理

GPS模塊在運行時不斷接收來自衛(wèi)星的星歷參數(shù)和時間信息，經(jīng)過所帶算法計算求出模塊自身的三維位置、方向以及運動速度和時間信息等。我們在應(yīng)用軟件開發(fā)時，不需要再考慮如何來提高GPS定位信息精度，因為我們是從GPS模塊處接收的數(shù)據(jù)，這個數(shù)據(jù)已經(jīng)經(jīng)過接收機的處理，已經(jīng)達(dá)到最好的精度，如果需要考慮，可以重新選擇精度高的GPS模塊。

由于GPS的導(dǎo)航衛(wèi)星信號容易受到外部干擾或屏蔽問題，當(dāng)GPS芯片收星能力不足時，如當(dāng)車輛行駛在城市高樓區(qū)、地下隧道內(nèi)、立交橋下時，由于衛(wèi)星信號受到遮擋而容易暫時“丟失”，而使GPS接收機此時無法給出定位解或定位精度很差。即產(chǎn)生周調(diào)，從而失去定位能力。而如果收訊能力過強的話也有副作用，因為衛(wèi)星發(fā)射的GPS信號本身就是電磁波，在地形復(fù)雜的環(huán)境比如高樓林立的城市中容易發(fā)生發(fā)射而產(chǎn)生雜波，這些信號會對GPS定位產(chǎn)生不利的干擾，從而產(chǎn)生漂移現(xiàn)象。GPS模塊本身的動態(tài)濾波系統(tǒng)無法消除這些粗差的影響。目前，關(guān)于粗差的有效辨識和剔除，人們在理論上建立了一些具有針對性的實用方法，如抗差Kalman濾波法、自適應(yīng)濾波法以及粗差探測修復(fù)法等。在算法研究上需要解決幾個問題：

①確定對GPS數(shù)據(jù)施加算法的環(huán)節(jié)和時機；

②確定判定GPS漂移數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)；

③確定矯正GPS漂移數(shù)據(jù)的方法。如下給出了一種實用的矯正的算法：空間距離原則。

GPS模塊可以從衛(wèi)星接收到三種數(shù)據(jù)：目標(biāo)速率v、目標(biāo)位置p、目前時間t。因此，GPS接收模塊在固定時間間隔內(nèi)所移動的距離D=vt，考慮移動目標(biāo)的實際情況，在時間間隔t內(nèi)兩點間的距離d應(yīng)該限制在一定范圍內(nèi)，超過了這個范圍就認(rèn)定GPS接收到的數(shù)據(jù)為周調(diào)數(shù)據(jù)，就應(yīng)該對其舍去或處理。D和d的比值應(yīng)該限定在1附近，如果比值超過1一定限度，就有理由確定GPS數(shù)據(jù)是一個粗差，應(yīng)予以校正。在使用前面兩種GPS數(shù)據(jù)判定方法后，對斷定為奇異點的GPS數(shù)據(jù)，可以使用3種方法進(jìn)行平滑處理：

①當(dāng)gps取回的速度小于一定值時（由于我們是車載，所以我定義的是2公里/小時），則認(rèn)為靜止，將此時所取到的gps值全部舍棄掉。

②對于前一秒速度小于2，后一秒速度也小于2的情況，當(dāng)前秒無論速度為多少都認(rèn)為是靜止。

③校驗當(dāng)前秒和前次坐標(biāo)的距離，如果超過常識距離則丟棄當(dāng)前點。

基于上述方法列出了如下針對速度的處理函數(shù)：

intfilter_spd(filter_type*p,intspd,char*lat,char*lot)

{staticu8power_first=20;

staticintspdacc=0,i,spd_tmp=0,ttt=0;

ttt=spd-spdacc;

if(spd>spdacc)

{if(spd-spdacc>600)

{spd=spdacc;}

else

{spdacc=spd;}}

else

{if(spdacc-spd>600)

{spd=spdacc;}

else

{spdacc=spd;}}

p->spd_filter_buf[p->spd_pt]=spd;

p->spd_pt++;

if(p->spd_pt>9)

{p->spd_pt=0;}

for(i=0;i<10;i++)

spd_tmp+=p->spd_filter_buf[i];

spd_tmp/=10;

if(power_first>0)

{power_first--;

if(power_first==0)

{memcpy(p->latitude,lat,4);

memcpy(p->longitude,lot,5);}

if(spd_tmp<400)

{memcpy(lat,p->latitude,4);

memcpy(lot,p->longitude,5);

return0;}

else

{memcpy(p->latitude,lat,4);

memcpy(p->longitude,lot,5);

returnspd_tmp;}}}

如下圖3圖4對比了直接采集的GPS數(shù)據(jù)和經(jīng)過算法處理后的數(shù)據(jù)。

圖3未處理時GPS的漂移數(shù)據(jù)

圖4處理后的GPS數(shù)據(jù)

3.4數(shù)據(jù)傳輸程序設(shè)計

系統(tǒng)中所發(fā)送和接收的數(shù)據(jù)信息大部分都是在無線移動環(huán)境下得到的，通信的可靠性和穩(wěn)定性是軟件設(shè)計極為重要的一部分，主要包括車載終端的GPRS模塊在線時數(shù)據(jù)通路的穩(wěn)定性、掉線時GPRS能否快速連線。本系統(tǒng)選用的GPRS模塊內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧，處理器使用AT指令集，可方便與監(jiān)控中心服務(wù)器建立TCP/IP或UDP/IP連接。因此，系統(tǒng)的軟件設(shè)計無需考慮鏈路層PPP控制腳本程序和網(wǎng)絡(luò)層TCP/UDP套接字程序的設(shè)計，降低了系統(tǒng)軟件設(shè)計的復(fù)雜度，提高了通訊的穩(wěn)定性。為在車載設(shè)備終端和監(jiān)控中心之間來建立數(shù)據(jù)傳輸通路，需要經(jīng)歷以下兩個主要過程:

(1)GPRS初始化

圖4描述了模塊初始化登陸的過程，上電后，模塊首先進(jìn)行硬件初始化設(shè)置，如配置數(shù)據(jù)的傳輸波特率，設(shè)置線路工作參數(shù)等。初始化完成之后GPRS模塊將打開SIM卡，并進(jìn)行校驗SIM卡的操作，如判斷SIM卡是否被更換等。這一切完成后，GPRS模塊就進(jìn)入就緒狀態(tài)，開始登錄網(wǎng)絡(luò)，與監(jiān)控中心進(jìn)行“握手”應(yīng)答，這一部分就是軟件設(shè)計的主要。下圖5描述了GPRS模塊初始化登陸的過程。

圖5GPRS模塊初始化過程

(2)GPRS建立數(shù)據(jù)鏈路

模塊登錄GPRS網(wǎng)絡(luò)成功后獲到一個動態(tài)分配的IP地址，開始準(zhǔn)備接收監(jiān)控中心發(fā)送的帶監(jiān)控中心服務(wù)器IP地址的短信。一旦得到服務(wù)器IP地址，先創(chuàng)建socket進(jìn)行連接，連接成功后給監(jiān)控中心發(fā)送帶己方IP地址的短信，并開始等待接收啟動命令標(biāo)志頭。如果在預(yù)定的等待時間內(nèi)沒有收到監(jiān)控中心發(fā)送的啟動命令，則說明監(jiān)控中心此時沒有收取到車載終端的IP地址，則發(fā)送第二條帶終端IP地址的短信給服務(wù)端，重復(fù)以上過程三次后結(jié)束。“握手”應(yīng)答成功以后，車載終端與監(jiān)控中心的數(shù)據(jù)鏈路建立，即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的可靠傳輸。

3.5系統(tǒng)控制程序的架構(gòu)

系統(tǒng)控制程序?qū)⑦M(jìn)行GPRS數(shù)據(jù)的收發(fā)、GPS定位數(shù)據(jù)和指紋數(shù)據(jù)的采集、數(shù)據(jù)處理、其它消息響應(yīng)處理以及用戶交互等。在系統(tǒng)控制中每個任務(wù)都需要限定其優(yōu)先級及任務(wù)切換。圖6描述了任務(wù)間的關(guān)系及切換，系統(tǒng)控制程序首先判斷GPRS是否在線，若不在線，則執(zhí)行登陸GPRS任務(wù)，若在線，則判斷是否有數(shù)據(jù)要發(fā)送，若有，則執(zhí)行數(shù)據(jù)發(fā)送任務(wù)；反之，接下去判斷是否收到響應(yīng)信息。若無，則任務(wù)切換到空閑任務(wù)等待響應(yīng)各種信號量和郵箱消息，否則接收響應(yīng)信息，進(jìn)行信息解讀，并根據(jù)解讀到的信息做出相應(yīng)處理和響應(yīng)。

圖6系統(tǒng)任務(wù)關(guān)系

4監(jiān)控中心軟件設(shè)計

監(jiān)控中心實際上是一臺具有公網(wǎng)IP地址的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器，通過編寫監(jiān)控系統(tǒng)軟件(主要由Web電子地圖數(shù)據(jù)庫、車輛信息管理數(shù)據(jù)庫等組成)，監(jiān)控中心將實時接收終端通過無線通信模塊發(fā)送來的導(dǎo)航數(shù)據(jù)，并進(jìn)行解析和存儲，將所有車輛的位置和運動狀態(tài)都顯示在電子地圖上，并針對不同的情況進(jìn)行處理。監(jiān)控中心客戶端進(jìn)行實時監(jiān)視和操控車載終端，就要求GIS運行效率高，傳輸安全可靠，并具有豐富的地圖操作能力，因此，傳統(tǒng)的GIS技術(shù)開發(fā)將難以勝任?；贕oogleMapsAPI的WebGIS可以妥善的解決這一問題，它基于IIS對象平臺，具有標(biāo)準(zhǔn)接口，允許跨語言應(yīng)用。在此基礎(chǔ)上開發(fā)的應(yīng)用系統(tǒng)可被視為相互協(xié)同工作對象的集合，可以進(jìn)行許多功能的自定義。本系統(tǒng)使用Microsoft公司的visualstudio作為WebGIS開發(fā)平臺，通過腳本命令調(diào)用地圖API使用GIS組件庫和工具庫，創(chuàng)建新的或擴展已有的WebService應(yīng)用程序，能夠很方便地將GIS功能嵌入到已有的應(yīng)用系統(tǒng)中，利于定制實用的用戶界面。監(jiān)控中心也可采用WebGIS技術(shù)的C/S或B/S構(gòu)架，監(jiān)控中心和數(shù)據(jù)服務(wù)器可以處于不同的物理位置。利用.NET技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)通過本地的監(jiān)控中心訪問數(shù)據(jù)服務(wù)器，以獲取數(shù)據(jù)信息發(fā)送命令。

圖7監(jiān)控軟件界面圖

5結(jié)論

本車輛導(dǎo)航監(jiān)控系統(tǒng)綜合運用了GPS衛(wèi)星定位技術(shù)、WebGIS技術(shù)和GPRS通用無線分組技術(shù)，將三者結(jié)合應(yīng)用在車載導(dǎo)航和監(jiān)控調(diào)度中，充分發(fā)揮了GPRS數(shù)據(jù)傳輸?shù)膬?yōu)勢，其具有傳輸速率高，誤碼率低，延時小，實時性強等顯著特點。本系統(tǒng)適用于各類車輛管理系統(tǒng)，如公交車輛管理、出租車管理、駕校車輛管理、車隊車輛等等。