無(wú)線車輛管理調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

引言

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

本文所實(shí)現(xiàn)的車輛管理調(diào)度系統(tǒng)中，車載終端是基于 Intel XScale處理器的嵌入式系統(tǒng)，外擴(kuò)WLAN和GPRS實(shí)現(xiàn)與管理調(diào)度中心的無(wú)線通信；外擴(kuò)GPS模塊進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。而管理調(diào)度中心則是運(yùn)行于PC機(jī)上并且具有友好人機(jī)界面的軟件系統(tǒng)。PC機(jī)擴(kuò)展WLAN和GPRS模塊，從而可以實(shí)時(shí)地獲知系統(tǒng)中車輛的當(dāng)前位置等信息并進(jìn)行調(diào)度。同時(shí)，系統(tǒng)預(yù)留了豐富的功能擴(kuò)展空間，可進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

1 系統(tǒng)總體方案論證與選型

在本系統(tǒng)的總體方案中，無(wú)線通信技術(shù)、無(wú)線定位技術(shù)和嵌入式系統(tǒng)軟硬件技術(shù)是車輛調(diào)度系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的3個(gè)關(guān)鍵要素。以下分別對(duì)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(shì)則主要是數(shù)據(jù)傳輸速度較慢，同時(shí)其使用費(fèi)用將與數(shù)據(jù)流量成正比。WLAN的優(yōu)缺點(diǎn)表現(xiàn)出與GPRS互補(bǔ)的特征，其主要優(yōu)點(diǎn)在于可以提供較高的數(shù)據(jù)傳輸速率，同時(shí)使用費(fèi)很低，一旦WLAN網(wǎng)絡(luò)架設(shè)完成后，除了很少地維護(hù)工作外，其他幾乎不涉及任何費(fèi)用；其劣勢(shì)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(tǒng)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(tǒng)中。同時(shí)，考慮到GPRS和WLAN在數(shù)據(jù)速率以及使用費(fèi)用上的差異，所以當(dāng)車輛處于WLAN覆蓋區(qū)內(nèi)時(shí)，管理調(diào)度中心則優(yōu)先選擇通過(guò)WLAN網(wǎng)絡(luò)與車輛進(jìn)行通信；當(dāng)車輛處在WLAN覆蓋區(qū)域之外而在GPRS覆蓋區(qū)域內(nèi)時(shí)，則通過(guò) GPRS與車輛進(jìn)行通信。

無(wú)線定位系統(tǒng)方面，目前主要有美國(guó)的GPS、俄羅斯的CLONASS、我國(guó)自主開(kāi)發(fā)的“北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)”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(shì)，目前應(yīng)用也最為廣泛。因而，決定采用GPS作為本系統(tǒng)的無(wú)線定位模塊。

嵌入式系統(tǒng)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(fèi)類電子產(chǎn)品；FreeScale的PowerPc和ColdFire系列，主要用于POS機(jī)、工業(yè)控制；Atmel的 AT91系列，主要應(yīng)用于工業(yè)控制等。根據(jù)本系統(tǒng)需要擴(kuò)展的WLAN等各種外設(shè)模塊以及有可能需要處理多媒體業(yè)務(wù)的應(yīng)用需求，因此選用Intel的 XScalePXA255@400 MHz作為車載設(shè)備的CPU。此CPU主頻為400MHz，廣泛應(yīng)用于HP、Dell等國(guó)際知名廠商所生產(chǎn)的個(gè)人手持終端中，具有性能優(yōu)秀、運(yùn)行穩(wěn)定的特點(diǎn)。在CPU選定的基礎(chǔ)上，選用64 MB SDRAM、16MB NOR Flash存儲(chǔ)器和128 MB NAND Flash存儲(chǔ)器，與CPU共同構(gòu)成核心嵌入式系統(tǒng)。

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

除了上述3方面的論證之外，還有管理調(diào)度中心的問(wèn)題。為了實(shí)現(xiàn)的便捷，管理調(diào)度中心采用一臺(tái)性能較強(qiáng)的PC機(jī)作為服務(wù)器，通過(guò)擴(kuò)展模塊接入GPRS網(wǎng)絡(luò)、WLAN網(wǎng)絡(luò)，同時(shí)運(yùn)行管理調(diào)度軟件，從而完成管理和調(diào)度的工作。

根據(jù)以上的方案論證與選擇，可以得到如圖1所示的系統(tǒng)方案框圖。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

如上所述，管理調(diào)度中心準(zhǔn)備采用PC機(jī)作為硬件平臺(tái)。因此，本系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)工作主要集中在車載端。根據(jù)上述的方案論證與選型，可以得到如圖2所示的車載終端硬件框圖。

在擴(kuò)展模塊中，GPS模塊選用FALCOM公司設(shè)計(jì)生產(chǎn)的JP7模塊，它是一個(gè)12通道GPS接收機(jī)，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(tǒng)中，將此模塊通過(guò)兩線串口連接到核心嵌入式系統(tǒng)上，從而可以使車載設(shè)備能夠?qū)崟r(shí)地獲得準(zhǔn)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(shù)據(jù)速率最高可達(dá)85.6 kbit／s。在本系統(tǒng)中，將此模塊通過(guò)8線串口連接到核心嵌入式系統(tǒng)上，所有工作都由核心系統(tǒng)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、收發(fā)短信的蜂窩電話，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(wěn)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(kuò)出PCMCIA接口，因此決定選用PCMCIA接口的WLAN網(wǎng)卡。在本系統(tǒng)中所選用的網(wǎng)卡型號(hào)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，這樣可以將天線安裝在車載終端外甚至汽車外殼上，從而減少汽車外殼對(duì)WLAN信號(hào)的屏蔽作用。

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

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.1 管理調(diào)度中心軟件

管理調(diào)度中心軟件流程如圖3所示。

管理調(diào)度中心的軟件運(yùn)行于一臺(tái)擴(kuò)展 GPRS和WLAN模塊的PC機(jī)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(shù)據(jù)收發(fā)則由管理調(diào)度軟件來(lái)控制。圖3中未標(biāo)出軟件退出路徑，因?yàn)閷?shí)際使用中在任何時(shí)刻用戶都可以關(guān)閉軟件而退出管理調(diào)度軟件系統(tǒng)。

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(duì)與GPRS模塊相連接的串口進(jìn)行初始化，同時(shí)也檢測(cè)本機(jī)擴(kuò)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(nèi)完成，然后進(jìn)入空閑狀態(tài)。當(dāng)用戶有調(diào)度的要求時(shí)，則需要首先確定日標(biāo)車輛的ID(標(biāo)識(shí)符)，這個(gè)ID既可以是每個(gè)車載終端唯一的IP地址或車牌號(hào)碼，也可以人為地給每個(gè)車輛指定一個(gè)更容易記憶的ID。隨后判斷此ID對(duì)應(yīng)的車輛是否處于WLAN網(wǎng)絡(luò)所覆蓋的區(qū)域內(nèi)，這是通過(guò)在 WLAN網(wǎng)絡(luò)上向該車載終端發(fā)送一個(gè)查詢信息來(lái)實(shí)現(xiàn)的。如果車輛在WLAN網(wǎng)絡(luò)中，那么車載終端立即向調(diào)度中心發(fā)送消息確認(rèn)自己處于WLAN網(wǎng)絡(luò)中，此時(shí)軟件則優(yōu)先使用WLAN與車輛進(jìn)行通信；如果車輛不在WLAN網(wǎng)絡(luò)中，那么無(wú)法收到調(diào)度中心的查詢信息，因而也無(wú)法向調(diào)度中心回復(fù)確認(rèn)消息，此時(shí)調(diào)度中心將使用GPRS與車輛通信。使用GPRS的過(guò)程中涉及到一個(gè)移動(dòng)IP的問(wèn)題：車載端每次撥號(hào)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地址與車輛綁定的方法。此時(shí)常用的解決方法是調(diào)度中心采用短信方式，首先要求車載終端上報(bào)其IP地址，然后再進(jìn)行通信。當(dāng)管理調(diào)度中心的指令發(fā)出后，軟件則等待車載端回復(fù)確認(rèn)消息。通過(guò)車輛確認(rèn)的方法，可以確保車輛準(zhǔn)確地收到了管理調(diào)度中心發(fā)出的指令，使得系統(tǒng)的誤操作概率最小。

3.2 車載終端軟件

車載終端軟件運(yùn)行在基于XScale PXA255的嵌入式車載終端上，采用WinCE.Net 4.2作為操作系統(tǒng)。將不同的車輛管理調(diào)度系統(tǒng)中存在很大差異的具體業(yè)務(wù)內(nèi)容剝離，即可得到如圖4所示的車載端軟件流程圖。圖中未標(biāo)出軟件退出路徑，因?yàn)閷?shí)際使用中在任何時(shí)刻用戶都可以關(guān)閉軟件而退出車載終端軟件系統(tǒng)。

本系統(tǒng)的車載端應(yīng)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(duì)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(wěn)定在可以隨時(shí)撥打／接聽(tīng)電話和收發(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(duì)于WLAN模塊，上電后通過(guò)驅(qū)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(shè)定加密認(rèn)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(duì)于GPS模塊，冷啟動(dòng)后，在4 800 bit／s默認(rèn)波特率上輸入控制命令，調(diào)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(shè)定的這個(gè)時(shí)間間隔為1 s。考慮到民用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)間精度可以滿足絕大多數(shù)應(yīng)用的要求。

在初始化后，軟件則啟動(dòng)兩個(gè)工作線程，分別用來(lái)處理GPS定位信息和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息。其中處理GPS信息的線程首先要判斷是否已經(jīng)有效定位。根據(jù)實(shí)測(cè)，如果 GPS模塊是初次使用或者放置較長(zhǎng)時(shí)間后使用，此時(shí)模塊內(nèi)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，此線程通過(guò)串口每秒接收一次GPS模塊輸出的當(dāng)前位置、速度、時(shí)間等信息，并進(jìn)行相應(yīng)的處理和記錄。處理無(wú)線網(wǎng)絡(luò)信息的線程則主要負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)GPRS和WLAN網(wǎng)絡(luò)，使得車載終端能夠有效、可靠地與管理調(diào)度中心進(jìn)行通信。此線程首先掃描WLAN 網(wǎng)絡(luò)上與調(diào)度中心事先商量好的某個(gè)端口上有無(wú)查詢信息，若有，則返回查詢確認(rèn)信息并等待實(shí)際指令；在收到指令之后首先向調(diào)度中心返回確認(rèn)消息，然后再根據(jù)指令內(nèi)容做相應(yīng)動(dòng)作。如果在查詢階段未找到合適的AP接人，則查詢GPRS模塊有沒(méi)有收到調(diào)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(diào)度中心需要與本終端通過(guò)GPRS進(jìn)行通信，那么車載終端應(yīng)該立即撥號(hào)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(diào)度中心。之后的通信流程與WLAN網(wǎng)絡(luò)類似，也是車載終端與管理調(diào)度中心通過(guò)指令信息和確認(rèn)信息進(jìn)行交互。

上述的軟件流程描述并未涉及到指令內(nèi)容等具體業(yè)務(wù)，這是由于車輛管理調(diào)度系統(tǒng)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(duì)這樣的差異，本系統(tǒng)提供了豐富的可供定制修改的空問(wèn)，可以針對(duì)不同的具體業(yè)務(wù)有針對(duì)性地進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)，同時(shí)可以擴(kuò)展出很多實(shí)用的功能。例如，可以在車載終端上輸入本次行駛的目的地，通過(guò)終端與管理調(diào)度中心的交互，依托中心后臺(tái)功能強(qiáng)大的數(shù)據(jù)庫(kù)和電子地圖系統(tǒng)，可以對(duì)本次的行駛路線給出建議并直觀地以地圖形式顯示在車載終端的顯示設(shè)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(diào)度中心的PC機(jī)上，則可以結(jié)合電子地圖實(shí)現(xiàn)軌跡回放的功能，復(fù)現(xiàn)車輛行駛的實(shí)際路線，更好地對(duì)車輛進(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(xiàn)車載電話的功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文討論了基于GPRS／WLAN／GPS技術(shù)的無(wú)線車輛管理調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，給出了系統(tǒng)總體框圖及其功能模塊，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的硬軟件。本系統(tǒng)的車載終端部分充分利用了WLAN的使用費(fèi)低廉和數(shù)據(jù)傳輸速率高的優(yōu)勢(shì)、GPRS網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍廣的優(yōu)勢(shì)、GPS可實(shí)時(shí)定位和易于系統(tǒng)集成的優(yōu)勢(shì)；采用高性能的嵌入式系統(tǒng)將各個(gè)功能模塊整合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)了性能優(yōu)秀、功能豐富而強(qiáng)大的車載終端。而管理調(diào)度中心采用PC機(jī)作為系統(tǒng)的服務(wù)器，擴(kuò)展GPRS和WLAN模塊，在管理調(diào)度軟件的控制下完成命令和數(shù)據(jù)的收發(fā)，實(shí)現(xiàn)管理和調(diào)度功能；同時(shí)預(yù)留了豐富的功能擴(kuò)展空間，可進(jìn)行二次開(kāi)發(fā)。

本系統(tǒng)的硬軟件技術(shù)指標(biāo)已達(dá)到產(chǎn)業(yè)化的技術(shù)要求，設(shè)備工作穩(wěn)定可靠，已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)并使用在深圳鹽田港的運(yùn)輸車輛管理調(diào)度系統(tǒng)中，車載終端數(shù)量已達(dá)到1000臺(tái)左右并仍然有不斷訂貨，具有很廣闊的市場(chǎng)前景!