無(wú)線(xiàn)車(chē)輛管理調度系統的設計與實(shí)現

引言

隨著(zhù)車(chē)輛數量的迅速增加，高效的車(chē)輛管理調度系統已經(jīng)成為各個(gè)車(chē)輛管理調度部門(mén)亟需的工具。而以 GPRS(通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù))和WLAN(無(wú)線(xiàn)局域網(wǎng))為代表的無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、以GPS(全球定位系統)為代表的無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)以及日益成熟的嵌入式系統軟硬件，都為先進(jìn)的無(wú)線(xiàn)車(chē)輛管理調度系統提供了技術(shù)基礎。

本文所實(shí)現的車(chē)輛管理調度系統中，車(chē)載終端是基于 Intel XScale處理器的嵌入式系統，外擴WLAN和GPRS實(shí)現與管理調度中心的無(wú)線(xiàn)通信；外擴GPS模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。而管理調度中心則是運行于PC機上并且具有友好人機界面的軟件系統。PC機擴展WLAN和GPRS模塊，從而可以實(shí)時(shí)地獲知系統中車(chē)輛的當前位置等信息并進(jìn)行調度。同時(shí)，系統預留了豐富的功能擴展空間，可進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

1 系統總體方案論證與選型

在本系統的總體方案中，無(wú)線(xiàn)通信技術(shù)、無(wú)線(xiàn)定位技術(shù)和嵌入式系統軟硬件技術(shù)是車(chē)輛調度系統實(shí)現的3個(gè)關(guān)鍵要素。以下分別對這3方面的主要備選技術(shù)進(jìn)行介紹，并通過(guò)論證選取最合適的技術(shù)方案。

無(wú)線(xiàn)通信方面，GPRS和WLAN兩者各有優(yōu)缺點(diǎn)。CPRS主要優(yōu)點(diǎn)是具有廣闊的覆蓋范圍，可以支持語(yǔ)音傳輸；而其劣勢則主要是數據傳輸速度較慢，同時(shí)其使用費用將與數據流量成正比。WLAN的優(yōu)缺點(diǎn)表現出與GPRS互補的特征，其主要優(yōu)點(diǎn)在于可以提供較高的數據傳輸速率，同時(shí)使用費很低，一旦WLAN網(wǎng)絡(luò )架設完成后，除了很少地維護工作外，其他幾乎不涉及任何費用；其劣勢主要是尚不支持語(yǔ)音業(yè)務(wù)，同時(shí)覆蓋范圍一般較小，目前尚無(wú)法與GPRS相比?；谏鲜龇治?，所以從本系統功能優(yōu)化和利于使用的角度考慮，決定將兩者都加入到系統中。同時(shí)，考慮到GPRS和WLAN在數據速率以及使用費用上的差異，所以當車(chē)輛處于WLAN覆蓋區內時(shí)，管理調度中心則優(yōu)先選擇通過(guò)WLAN網(wǎng)絡(luò )與車(chē)輛進(jìn)行通信；當車(chē)輛處在WLAN覆蓋區域之外而在GPRS覆蓋區域內時(shí)，則通過(guò) GPRS與車(chē)輛進(jìn)行通信。

無(wú)線(xiàn)定位系統方面，目前主要有美國的GPS、俄羅斯的CLONASS、我國自主開(kāi)發(fā)的“北斗衛星定位導航系統”等可供選擇，其中GPS的性能、覆蓋范圍、定位精度等性能等具有明顯優(yōu)勢，目前應用也最為廣泛。因而，決定采用GPS作為本系統的無(wú)線(xiàn)定位模塊。

嵌入式系統的軟硬件方面，目前有很多可選擇的方案。以下分硬件和軟件兩部分討論。

在硬件方面，嵌入式CPU的選擇非常重要。目前使用較為廣泛的嵌入式CPU主要有：Intel的XScale系列，主要用于手持終端；SAMSUNG的 S3C24XX系列，主要用于消費類(lèi)電子產(chǎn)品；FreeScale的PowerPc和ColdFire系列，主要用于POS機、工業(yè)控制；Atmel的 AT91系列，主要應用于工業(yè)控制等。根據本系統需要擴展的WLAN等各種外設模塊以及有可能需要處理多媒體業(yè)務(wù)的應用需求，因此選用Intel的 XScalePXA255@400 MHz作為車(chē)載設備的CPU。此CPU主頻為400MHz，廣泛應用于HP、Dell等國際知名廠(chǎng)商所生產(chǎn)的個(gè)人手持終端中，具有性能優(yōu)秀、運行穩定的特點(diǎn)。在CPU選定的基礎上，選用64 MB SDRAM、16MB NOR Flash存儲器和128 MB NAND Flash存儲器，與CPU共同構成核心嵌入式系統。

在嵌入式系統的軟件方面，首要的是操作系統(OS)的選擇。主要的備選方案有WinCE.Net和嵌入式Linux。其中，WinCE.Net具有更類(lèi)似于Windows的用戶(hù)界面和操作方法，可以使實(shí)際使用更加便捷。同時(shí)，由于本系統的車(chē)載終端需要讓最終用戶(hù)可自行定制開(kāi)發(fā)應用軟件，所以具有便捷的軟件開(kāi)發(fā)平臺也是很重要的。在此方面，WinCE.Net也具有明顯的優(yōu)勢，因此選用WinCE.Net作為車(chē)載沒(méi)備的OS。

除了上述3方面的論證之外，還有管理調度中心的問(wèn)題。為了實(shí)現的便捷，管理調度中心采用一臺性能較強的PC機作為服務(wù)器，通過(guò)擴展模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò )、WLAN網(wǎng)絡(luò )，同時(shí)運行管理調度軟件，從而完成管理和調度的工作。

根據以上的方案論證與選擇，可以得到如圖1所示的系統方案框圖。

2 系統的硬件設計

如上所述，管理調度中心準備采用PC機作為硬件平臺。因此，本系統的硬件設計工作主要集中在車(chē)載端。根據上述的方案論證與選型，可以得到如圖2所示的車(chē)載終端硬件框圖。

在擴展模塊中，GPS模塊選用FALCOM公司設計生產(chǎn)的JP7模塊，它是一個(gè)12通道GPS接收機，具有25.4 mm×25.4 mm x3 mm的超小體積，支持3D／2D／差分定位，3D定位模式時(shí)定位誤差最大為10 m。在本系統中，將此模塊通過(guò)兩線(xiàn)串口連接到核心嵌入式系統上，從而可以使車(chē)載設備能夠實(shí)時(shí)地獲得準確的位置和時(shí)間信息。

CPRS 模塊選用的是SIEMENS MC35i，它是一個(gè)全功能的GSM／GPRS模塊，支持 EGSM900和GSM1800雙頻，支持GPRS Class 8，數據速率最高可達85.6 kbit／s。在本系統中，將此模塊通過(guò)8線(xiàn)串口連接到核心嵌入式系統上，所有工作都由核心系統通過(guò)AT指令進(jìn)行控制。它既可以作為一個(gè)能夠撥打電話(huà)、收發(fā)短信的蜂窩電話(huà)，同時(shí)在需要接人GPRS網(wǎng)絡(luò )時(shí)也可以作為一個(gè)無(wú)線(xiàn)Modem。

WLAN模塊的選擇主要是考慮到市場(chǎng)上已經(jīng)有了各種性能穩定、接口多樣的WLAN網(wǎng)卡產(chǎn)品，而我們所選擇的PXA255 CPU可以很容易地外擴出PCMCIA接口，因此決定選用PCMCIA接口的WLAN網(wǎng)卡。在本系統中所選用的網(wǎng)卡型號為Cisco LMC352，主要是由于此款網(wǎng)卡的性能較好，同時(shí)也支持外接雙天線(xiàn)，這樣可以將天線(xiàn)安裝在車(chē)載終端外甚至汽車(chē)外殼上，從而減少汽車(chē)外殼對WLAN信號的屏蔽作用。

除了上述的擴展模塊外，還從CPU上引出了USBDevice接口，可用于軟件的調試；擴展了2個(gè) RS-232串口，可用于今后連接其他的串口設備；擴展了1個(gè)VGA接口、2個(gè)PS-2接口，這樣就可以在車(chē)載終端上使用顯示器和鍵盤(pán)鼠標，實(shí)現車(chē)載終端的可視化操作，同時(shí)也方便調試和更新軟件。

3 系統的軟件設計

3.1 管理調度中心軟件

管理調度中心軟件流程如圖3所示。

管理調度中心的軟件運行于一臺擴展 GPRS和WLAN模塊的PC機或者小型服務(wù)器上，可以隨時(shí)接入GPRS和WLAN網(wǎng)絡(luò )，而接入網(wǎng)絡(luò )后的控制和數據收發(fā)則由管理調度軟件來(lái)控制。圖3中未標出軟件退出路徑，因為實(shí)際使用中在任何時(shí)刻用戶(hù)都可以關(guān)閉軟件而退出管理調度軟件系統。

本軟件的開(kāi)發(fā)環(huán)境為 Visual Studio.NET 2003，采用C語(yǔ)言。軟件首先對與GPRS模塊相連接的串口進(jìn)行初始化，同時(shí)也檢測本機擴展的WLAN模塊是否已經(jīng)找到附近的AP并接入，正常情況下兩者的初始化均可在較短時(shí)間內完成，然后進(jìn)入空閑狀態(tài)。當用戶(hù)有調度的要求時(shí)，則需要首先確定日標車(chē)輛的ID(標識符)，這個(gè)ID既可以是每個(gè)車(chē)載終端唯一的IP地址或車(chē)牌號碼，也可以人為地給每個(gè)車(chē)輛指定一個(gè)更容易記憶的ID。隨后判斷此ID對應的車(chē)輛是否處于WLAN網(wǎng)絡(luò )所覆蓋的區域內，這是通過(guò)在 WLAN網(wǎng)絡(luò )上向該車(chē)載終端發(fā)送一個(gè)查詢(xún)信息來(lái)實(shí)現的。如果車(chē)輛在WLAN網(wǎng)絡(luò )中，那么車(chē)載終端立即向調度中心發(fā)送消息確認自己處于WLAN網(wǎng)絡(luò )中，此時(shí)軟件則優(yōu)先使用WLAN與車(chē)輛進(jìn)行通信；如果車(chē)輛不在WLAN網(wǎng)絡(luò )中，那么無(wú)法收到調度中心的查詢(xún)信息，因而也無(wú)法向調度中心回復確認消息，此時(shí)調度中心將使用GPRS與車(chē)輛通信。使用GPRS的過(guò)程中涉及到一個(gè)移動(dòng)IP的問(wèn)題：車(chē)載端每次撥號連接上GPRS網(wǎng)絡(luò )時(shí)，其IP地址一般都不一樣，所以無(wú)法采用 WLAN網(wǎng)絡(luò )中的IP地址與車(chē)輛綁定的方法。此時(shí)常用的解決方法是調度中心采用短信方式，首先要求車(chē)載終端上報其IP地址，然后再進(jìn)行通信。當管理調度中心的指令發(fā)出后，軟件則等待車(chē)載端回復確認消息。通過(guò)車(chē)輛確認的方法，可以確保車(chē)輛準確地收到了管理調度中心發(fā)出的指令，使得系統的誤操作概率最小。

3.2 車(chē)載終端軟件

車(chē)載終端軟件運行在基于XScale PXA255的嵌入式車(chē)載終端上，采用WinCE.Net 4.2作為操作系統。將不同的車(chē)輛管理調度系統中存在很大差異的具體業(yè)務(wù)內容剝離，即可得到如圖4所示的車(chē)載端軟件流程圖。圖中未標出軟件退出路徑，因為實(shí)際使用中在任何時(shí)刻用戶(hù)都可以關(guān)閉軟件而退出車(chē)載終端軟件系統。

本系統的車(chē)載端應用軟件采用Visual Studio.NET中的Smart Client工程模式進(jìn)行開(kāi)發(fā)，使用C語(yǔ)言。如圖4所示，本軟件首先進(jìn)行初始化的工作，將GPRS／WLAN／GPS所在的各個(gè)端口打開(kāi)，開(kāi)始供電。對于 GPRS模塊，上電后則會(huì )自動(dòng)搜索GSM網(wǎng)絡(luò )。如果所在位置有GSM網(wǎng)絡(luò )覆蓋，則自動(dòng)接入并穩定在可以隨時(shí)撥打／接聽(tīng)電話(huà)和收發(fā)短信的空閑狀態(tài)；如果無(wú) GSM網(wǎng)絡(luò )覆蓋，則定時(shí)重新搜索網(wǎng)絡(luò )。對于WLAN模塊，上電后通過(guò)驅動(dòng)程序控制其開(kāi)始搜索WLAN網(wǎng)絡(luò )，如果搜索到合適的AP則自動(dòng)接人并設定加密認證信息，以防止被攻擊；如果未搜索到，則定時(shí)重新搜索網(wǎng)絡(luò )。對于GPS模塊，冷啟動(dòng)后，在4 800 bit／s默認波特率上輸入控制命令，調整波特率至9 600 bit／s，同時(shí)通過(guò)命令控制GPS在后面的工作中每隔一個(gè)固定時(shí)間間隔輸出一次定位信息，本軟件所設定的這個(gè)時(shí)間間隔為1 s?？紤]到民用GPS在非差分模式下普遍的定位誤差在1 m～15 m，所以這個(gè)時(shí)間精度可以滿(mǎn)足絕大多數應用的要求。

在初始化后，軟件則啟動(dòng)兩個(gè)工作線(xiàn)程，分別用來(lái)處理GPS定位信息和無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )信息。其中處理GPS信息的線(xiàn)程首先要判斷是否已經(jīng)有效定位。根據實(shí)測，如果 GPS模塊是初次使用或者放置較長(cháng)時(shí)間后使用，此時(shí)模塊內部備電已耗盡，因此無(wú)法為冷啟動(dòng)后的定位提供最近一次位置信息做參考，此時(shí)有效定位需要5 min～10 min。其他情況下冷啟動(dòng)到有效定位大約需要10 s。有效定位后，此線(xiàn)程通過(guò)串口每秒接收一次GPS模塊輸出的當前位置、速度、時(shí)間等信息，并進(jìn)行相應的處理和記錄。處理無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )信息的線(xiàn)程則主要負責協(xié)調GPRS和WLAN網(wǎng)絡(luò )，使得車(chē)載終端能夠有效、可靠地與管理調度中心進(jìn)行通信。此線(xiàn)程首先掃描WLAN 網(wǎng)絡(luò )上與調度中心事先商量好的某個(gè)端口上有無(wú)查詢(xún)信息，若有，則返回查詢(xún)確認信息并等待實(shí)際指令；在收到指令之后首先向調度中心返回確認消息，然后再根據指令內容做相應動(dòng)作。如果在查詢(xún)階段未找到合適的AP接人，則查詢(xún)GPRS模塊有沒(méi)有收到調度中心發(fā)來(lái)的短信。如無(wú)，則重新回到掃描WLAN網(wǎng)絡(luò )的狀態(tài)；如有，則說(shuō)明調度中心需要與本終端通過(guò)GPRS進(jìn)行通信，那么車(chē)載終端應該立即撥號連接上GPRS網(wǎng)絡(luò )，并將獲得的IP地址以短信形式回傳給調度中心。之后的通信流程與WLAN網(wǎng)絡(luò )類(lèi)似，也是車(chē)載終端與管理調度中心通過(guò)指令信息和確認信息進(jìn)行交互。

上述的軟件流程描述并未涉及到指令內容等具體業(yè)務(wù)，這是由于車(chē)輛管理調度系統的各個(gè)使用者和單位的具體業(yè)務(wù)會(huì )有很大的差異。針對這樣的差異，本系統提供了豐富的可供定制修改的空問(wèn)，可以針對不同的具體業(yè)務(wù)有針對性地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，同時(shí)可以擴展出很多實(shí)用的功能。例如，可以在車(chē)載終端上輸入本次行駛的目的地，通過(guò)終端與管理調度中心的交互，依托中心后臺功能強大的數據庫和電子地圖系統，可以對本次的行駛路線(xiàn)給出建議并直觀(guān)地以地圖形式顯示在車(chē)載終端的顯示設備上。如果將行駛過(guò)程中的位置信息以文件形式記錄并在合適時(shí)上傳到管理調度中心的PC機上，則可以結合電子地圖實(shí)現軌跡回放的功能，復現車(chē)輛行駛的實(shí)際路線(xiàn)，更好地對車(chē)輛進(jìn)行管理。如果需要語(yǔ)音通信，則可以通過(guò)GSM模塊傳輸語(yǔ)音，實(shí)現車(chē)載電話(huà)的功能。

4 結束語(yǔ)

本文討論了基于GPRS／WLAN／GPS技術(shù)的無(wú)線(xiàn)車(chē)輛管理調度系統的設計方案，給出了系統總體框圖及其功能模塊，實(shí)現了系統的硬軟件。本系統的車(chē)載終端部分充分利用了WLAN的使用費低廉和數據傳輸速率高的優(yōu)勢、GPRS網(wǎng)絡(luò )覆蓋范圍廣的優(yōu)勢、GPS可實(shí)時(shí)定位和易于系統集成的優(yōu)勢；采用高性能的嵌入式系統將各個(gè)功能模塊整合起來(lái)，實(shí)現了性能優(yōu)秀、功能豐富而強大的車(chē)載終端。而管理調度中心采用PC機作為系統的服務(wù)器，擴展GPRS和WLAN模塊，在管理調度軟件的控制下完成命令和數據的收發(fā)，實(shí)現管理和調度功能；同時(shí)預留了豐富的功能擴展空間，可進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

本系統的硬軟件技術(shù)指標已達到產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)要求，設備工作穩定可靠，已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)并使用在深圳鹽田港的運輸車(chē)輛管理調度系統中，車(chē)載終端數量已達到1000臺左右并仍然有不斷訂貨，具有很廣闊的市場(chǎng)前景!