一種新的GPS出租車(chē)調度系統的設計與實(shí)現

隨著(zhù)IT產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應用,過(guò)去許多由純硬件實(shí)現的嵌入式系統與產(chǎn)品已轉向由軟、硬件共同來(lái)實(shí)現。當前,以具有無(wú)線(xiàn)通訊功能的個(gè)人數字助理PDA、手持個(gè)人電腦HPC、交互式網(wǎng)絡(luò )信息家電、車(chē)載多媒體系統為代表的新一輪智能型3C(Computer、Communication、Consumer)合一的類(lèi)PC嵌入式系統與技術(shù)[1]進(jìn)入了一個(gè)嶄新的智能化、網(wǎng)絡(luò )化的發(fā)展階段,類(lèi)PC嵌入式系統與產(chǎn)品的嵌入式操作系統及其應用軟件也同時(shí)得到了空前的發(fā)展與繁榮。

經(jīng)濟的不斷發(fā)展使移動(dòng)目標的定位、監控、指揮和調度系統(如警用車(chē)輛的指揮調度、運鈔車(chē)的監控與安全調度、出租車(chē)的經(jīng)營(yíng)管理和合理調度)成為公安、銀行以及公交運輸系統中一個(gè)越來(lái)越重要的問(wèn)題。目前,用于交通管理系統的設備主要是無(wú)線(xiàn)電通信設備,由監控調度中心向車(chē)輛駕駛員發(fā)出調度命令,駕駛員只能根據自己的判斷說(shuō)出車(chē)輛所在的概略位置,而在夜間或在生疏地帶則無(wú)法確認自己的方位甚至迷路。因此,在調度管理和安全營(yíng)運方面受到了一定程度的限制。

GPS(Global Position System)定位技術(shù)的出現給車(chē)輛、輪船等移動(dòng)目標的導航定位提供了精確、實(shí)時(shí)的定位能力。由車(chē)載GPS系統所確定的車(chē)輛位置信息,通過(guò)車(chē)載電臺將其發(fā)送給調度指揮中心,調度指揮中心便可及時(shí)掌握各車(chē)輛的具體位置,并可以顯示在電子地圖上,非常直觀(guān)、清晰,然后進(jìn)行安全、合理的調度。通過(guò)移動(dòng)目標監控調度系統,調度指揮中心隨時(shí)可以知道入網(wǎng)移動(dòng)目標的方位,不僅可以進(jìn)行安全合理的監控調度,而且可以為入網(wǎng)移動(dòng)目標提供無(wú)線(xiàn)通訊、遇險報警、決策指揮等多項服務(wù)。

1 系統構成與原理

出租車(chē)調度系統主要由車(chē)載定位系統與調度指揮中心系統兩部分組成。調度指揮中心系統主要由監控調度網(wǎng)絡(luò )服務(wù)器、彩色大屏幕顯示器、GSM模塊、穩壓電源、系統監控調度管理軟件和向量化電子地圖等六部分組成。本文僅介紹出租車(chē)車(chē)載定位系統。

目前國內出租車(chē)的經(jīng)營(yíng)管理和調度系統除具有監督調度功能外,還提供無(wú)線(xiàn)通訊語(yǔ)音服務(wù)、遇險報警等。本文所介紹的具有自主知識產(chǎn)權的“GPS出租車(chē)調度系統”在功能上與現有方案大不相同,主要表現在兩方面:①車(chē)載系統不僅能顯示字符與漢字而且能顯示圖形(例如電子地圖);②調度指揮中心能對出租車(chē)進(jìn)行群呼,實(shí)現大量信息的廣播下行,如交通信息、新聞、股票信息、天氣預報等。其主要目的是實(shí)現對某個(gè)地區出租車(chē)的分布情況進(jìn)行實(shí)時(shí)統計。例如,當某個(gè)客戶(hù)向調度指揮中心打電話(huà)預約出租車(chē)時(shí),總臺以廣播的方式通過(guò)尋呼臺向所有的出租車(chē)發(fā)出呼叫,并要求凡是處于以客戶(hù)為圓心的、半徑為某個(gè)值(由總臺確定)的區域中的出租車(chē)給與應答(當然是愿意承接此任務(wù)的司機)?？偱_對所有處于此范圍的出租車(chē)進(jìn)行統計分析,確定出一臺離用戶(hù)最近的、滿(mǎn)足客戶(hù)要求的(例如車(chē)型、性別、語(yǔ)言和年齡等)出租車(chē)。系統組成框圖如圖1所示。

出租車(chē)車(chē)載系統主要由微控制器、GPS模塊、GSM無(wú)線(xiàn)通訊模塊、尋呼接收解碼模塊和LCD顯示模塊組件構成。

1.1 微控制器

車(chē)載系統中控制器的選擇至關(guān)重要,它不僅影響整個(gè)系統的性能,而且關(guān)系著(zhù)車(chē)載系統的成本。目前國內的車(chē)載系統僅要求顯示字符、文字信息,普通的單片機就完全可以勝任,價(jià)格適中。然而,若要求顯示圖片、電子地圖等,則對控制器的頻率速度、存儲容量都有較高的要求。為了滿(mǎn)足其要求,車(chē)載系統中一般可選擇Intel StrongARM、ST StA2000、Motorola DragonBall等控制器,但價(jià)格很高,主要用于高端電子類(lèi)產(chǎn)品上,例如掌上電腦HPC。針對各種小型數字設備的需求,目前各個(gè)半導體芯片廠(chǎng)商都投入了很大的力量研發(fā)、生產(chǎn)適用于這些設備的CPU及協(xié)處理器芯片。為了充分縮小尺寸,達到低功耗、低成本的要求,廠(chǎng)商甚至把少量存儲器、液晶顯示控制器以及I/O端口等也一并集成到芯片中。以上述處理器芯片為主,添加必要的外圍電路并配以少量外設,就可以非常方便地設計出功能強大的電子類(lèi)產(chǎn)品。對其外圍模塊進(jìn)行不同的組合,可以針對不同要求,設計出不同功能、不同價(jià)位的嵌入式控制產(chǎn)品。

1.2 GPS定位系統

GPS全球定位系統是美國國防部于1973年11月授權開(kāi)始研制的全球性、全天候、連續的衛星無(wú)線(xiàn)電導航系統,歷經(jīng)二十余年,耗資超過(guò)一百億美元,可提供實(shí)時(shí)的三維位置、三維速度和高精度的時(shí)間信息。由于GPS定位技術(shù)具有精度高、速度快、成本低的顯著(zhù)優(yōu)勢,已成為目前世界上應用最廣泛、實(shí)用性最強的全球精密授時(shí)、測距、導航、定位系統。近幾年來(lái),全球衛星定位系統獲得了迅速發(fā)展,GPS定位技術(shù)已經(jīng)滲透到了經(jīng)濟建設和科學(xué)技術(shù)的許多領(lǐng)域。

目前,有很多廠(chǎng)商都能提供GPS OEM板產(chǎn)品,如SiRF、Conexant、Sychip、GARMIN等公司。其中美國GARMIN公司是世界上最著(zhù)名、深受用戶(hù)信賴(lài)的專(zhuān)業(yè)GPS廠(chǎng)家,在GPS的定位、導航領(lǐng)域一直走在世界最前列,在提供各種類(lèi)型的GPS成品的同時(shí),還提供一系列最經(jīng)典的GPS OEM板產(chǎn)品。由于GARMIN OEM板的定位速度快、工作穩定、耐電壓沖擊和高抗干擾性,因而此方案采用了GARMIN GPS25板。

出租車(chē)車(chē)載定位系統的GPS模塊接收衛星(共24顆,分布在6個(gè)不同的地球軌道上)發(fā)出的定位資料,并根據從三顆以上不同衛星發(fā)來(lái)的資料計算出自身所處地理位置的坐標。坐標資料經(jīng)GSM無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)射給調度指揮中心。調度指揮中心將車(chē)載GSM模塊發(fā)回的坐標資料等信息還原。同時(shí)與GIS的電子地圖匹配,在電子地圖上顯示坐標的位置,以便指揮中心清楚和直觀(guān)地掌握車(chē)輛的動(dòng)態(tài)位置信息。

1.3 GSM無(wú)線(xiàn)通信模塊

車(chē)載電臺實(shí)現與調度指揮中心的聯(lián)絡(luò )(雙向通信)。目前的車(chē)載電臺絕大部分是調頻(FM)制式的模擬移動(dòng)通信系統,主要為語(yǔ)音通信設計。要傳送車(chē)載臺的定位信息首先要通過(guò)音頻調制解調器將數字信號轉換成音頻模擬信號,然后加載到音頻車(chē)載臺上發(fā)送出去。其缺點(diǎn)是需建電臺、申請頻率點(diǎn)使用權、覆蓋面窄、發(fā)射功率小及容量有限等。除此之外,由于語(yǔ)音信道的信噪比較低,利用此信道進(jìn)行數據通信時(shí),誤碼率會(huì )增加,嚴重時(shí)會(huì )導致通信失敗。因此,在此方案中采用了GSM移動(dòng)通信中的短消息來(lái)完成GPS定位信息數據的傳輸。

全球移動(dòng)通信系統GSM (Global System for Mobile Communications)是歐洲主要電信運營(yíng)者和制造廠(chǎng)家組成的標準化委員會(huì )設計的數字移動(dòng)通信系統,也是我國目前覆蓋面最廣、功能最強、用戶(hù)最多的移動(dòng)通訊系統。GSM系統可提供多種業(yè)務(wù),目前已開(kāi)通并較常用的業(yè)務(wù)有:話(huà)音、短信、數據等。短消息 SMS(Short Message Service)是GSM移動(dòng)電信系統的補充業(yè)務(wù)之一,它借助GSM網(wǎng)信令傳遞間隙進(jìn)行傳送,不會(huì )占用話(huà)務(wù)信道。短消息每次限制在160個(gè)字符以?xún)?這對GPS定位信息足夠了。電信運營(yíng)者一般不會(huì )對短消息的傳送增加通信費用,僅適當收取一點(diǎn)開(kāi)通費或很少的維護費,因此短消息的使用是非常廉價(jià)的(以北京電信目前的收費標準,每月僅為15元)。短消息的編碼支持中文、韓文、日文等文字字符集及符號,并且傳送字符內容支持Unicode字符全集,因此可以傳送中文信息。短消息的發(fā)送和接收離不開(kāi)GSM數據通信平臺。GSM數據通信平臺是利用GSM短消息功能傳輸各種檢測、監控數據信號和控制命令的通用通信平臺,可以廣泛應用于遠程監控和數據采集、移動(dòng)目標的監控以及個(gè)人信息終端。具有不需另外鋪設網(wǎng)絡(luò )、通訊費用低廉、不受地域限制、任意設置傳輸機制等特點(diǎn)。本方案采用法國WAVECOM公司的GSM 模塊,其數據接口為RS232,可與微控制器的UART接口直接連接。

綜上所述,在綜合考慮運營(yíng)費用和實(shí)現的難易程度等因素,目前的短信業(yè)務(wù)最適合定位信息的傳送,而且在使用這種業(yè)務(wù)的同時(shí)還可進(jìn)行話(huà)音聯(lián)絡(luò ),互不沖突。

1.4 PAGER尋呼接收模塊

目前的GSM系統還不能提供廣播式短消息服務(wù),為了實(shí)現廣播下行,在系統中增加了尋呼模塊。車(chē)載系統有了它也就具有了接收群呼的功能,調度指揮中心可實(shí)現廣播下行。

尋呼機主要由RF接受部分和DECODER解碼部分組成。其功能是將接收到的信息電磁波轉變成無(wú)線(xiàn)電射頻調制信號,再經(jīng)過(guò)變換、解調恢復出數字基帶信號,送到后續的CPU進(jìn)行處理。接收部分:包括天線(xiàn)組件、放大混頻電路和解調電路,實(shí)現由射頻信號向中頻信號、直到二進(jìn)制代碼流的轉換。解碼部分:完成對接收到的二進(jìn)制信息的譯碼,通過(guò)對數碼序列中的前置碼進(jìn)行識別來(lái)判別當前所接受的數碼是否為POCSAG碼,如果是,再解調出包括地址和信息信號的POCSAG無(wú)線(xiàn)尋呼碼,并按特定格式傳送給車(chē)載系統CPU作存儲和顯示。無(wú)線(xiàn)尋呼組碼解碼方案有POCSAG和FLEX兩種數據協(xié)議格式。FLEX是多頻漫游高速尋呼協(xié)議,具有編碼速率高、信道用戶(hù)容量大、抗干擾性能好、與現有尋呼技術(shù)兼容能力強、支持綜合數據傳輸、能很好地支持雙向尋呼、適合全國乃至世界范圍尋呼聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點(diǎn)。目前,我國無(wú)線(xiàn)尋呼組碼解碼方案普遍采用POCSAG協(xié)議,該協(xié)議是國際無(wú)線(xiàn)電咨詢(xún)委員會(huì )(CCIR)確認的國際尋呼通信的一號標準編碼 (簡(jiǎn)稱(chēng)國際1號碼 )。所以構建尋呼功能只需外加一個(gè)RF接收模塊和解碼芯片即可,如圖2所示。

作為車(chē)載系統的一部分,尋呼機接收功能主要實(shí)現大量的信息接收,包括公司的廣播通知、交通信息、新聞、股票信息、天氣預報等的接收,通過(guò)車(chē)載系統的相應軟件控制在其LCD屏幕上顯示,比傳統的尋呼機速度快,頁(yè)面顯示內容清晰,可以顯示文字、圖表、曲線(xiàn)及照片等。該功能模塊的增加為車(chē)載系統擴大了信息來(lái)源,增強了車(chē)載系統的功能。通過(guò)車(chē)載系統,使用者可以更加方便地接收、讀取、存儲和管理尋呼機的信息。

1.5 LCD液晶顯示模塊

實(shí)現電子地圖的顯示需要點(diǎn)陣圖形液晶顯示器。液晶顯示器(LCD)有黑白、彩色兩種,黑白屏以超扭曲向列型(STN)居多,對比度比TN型的更好。彩色屏以薄膜晶體管型(TFT)居多,分有源(Active)及無(wú)源(Passive)型兩種。TFT屏比STN屏響應速度快,可實(shí)現真彩色,但價(jià)格很高,約占整個(gè)產(chǎn)品成本的一半,主要用于高端電子類(lèi)產(chǎn)品。通常高端微控制器中都內嵌有一個(gè)8位或4位的、灰度為4～16級的液晶控制器,有支持STN顯示屏的,也有支持TFT顯示屏的,分辨率最高可達1024×512個(gè)像素,并內嵌有幾十KB的幀緩沖器。

考慮到價(jià)位以及功能的要求,一般選擇320×240 STN黑白液晶屏來(lái)顯示電子地圖、出租車(chē)的經(jīng)緯度及速度、通過(guò)PAGER接收調度指揮中心廣播下行的命令和控制中心通過(guò)GSM發(fā)來(lái)的短信消息等。由于車(chē)載系統中不便于使用觸摸屏,因此將液晶屏上的觸摸屏去掉,改換成有利于司機操作的鍵盤(pán)。

2 THOS清華嵌入式操作系統

嵌入式操作系統作為軟件系統的核心,在手持計算設備、控制系統、智能儀器儀表等各個(gè)領(lǐng)域起著(zhù)十分重要的作用。開(kāi)發(fā)具有自主知識產(chǎn)權的嵌入式操作系統,不僅關(guān)系到我國未來(lái)科技的發(fā)展,而且可以擺脫對國外操作系統的過(guò)分依賴(lài),為我國IT領(lǐng)域的發(fā)展提供一個(gè)良好的系統平臺。

考慮到未來(lái)工業(yè)發(fā)展對嵌入式操作系統的普遍需求,因此THOS操作系統定位為嵌入式、可配置、實(shí)時(shí)多任務(wù)的操作系統,并將各種驅動(dòng)程序等設計成均可自由裝卸的功能化模塊,主要用于控制系統、信息家電、各種移動(dòng)設備等嵌入式系統產(chǎn)品。清華嵌入式操作系統的特點(diǎn)如表1所示。

清華嵌入式操作系統無(wú)論和普通的操作系統(如服務(wù)器上用的操作系統和臺式機上的操作系統等)相比還是與其它嵌入式操作系統(如WindowsCE、pSoS、VxWorks、Palm OS)相比都有顯著(zhù)的優(yōu)點(diǎn)。

本文所介紹的GPS車(chē)載定位嵌入式系統不僅在硬件設計上具有外圍器件少、可裝卸、開(kāi)發(fā)設計周期短等優(yōu)點(diǎn),而且在系統軟件及驅動(dòng)程序的開(kāi)發(fā)上是基于具有自主知識產(chǎn)權的THOS平臺,達到了軟硬件協(xié)同設計的目的。由于該操作系統主要定位在與硬件緊密相連的控制系統和類(lèi)PC系統,因而在保持和Linux系統兼容的基礎上,具有易于向其它硬件平臺移植的特點(diǎn),以便根據不同的需要將其組合為滿(mǎn)足不同要求的系統,為嵌入式系統的軟硬件協(xié)同設計奠定了基礎。