基于WMMP協(xié)議的危險品運輸車定位系統(tǒng)開發(fā)

楊生磊， 羅 勇， 楊世良

(鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院 河南 鄭州 450001； 2.中興通訊有限公司 陜西 西安 710065)

基于WMMP協(xié)議的危險品運輸車定位系統(tǒng)開發(fā)

楊生磊1，2， 羅 勇1， 楊世良1，2

(鄭州大學(xué) 電氣工程學(xué)院 河南 鄭州 450001； 2.中興通訊有限公司 陜西 西安 710065)

采用WMMP協(xié)議，設(shè)計了一套危險品運輸車實時定位系統(tǒng).該定位系統(tǒng)由車載定位終端和車輛監(jiān)控中心服務(wù)器組成，車載定位終端對車輛實時信息進行采集和發(fā)送，監(jiān)控中心服務(wù)器接收車輛定位信息并進行處理.通過監(jiān)控中心GIS監(jiān)控系統(tǒng)，可實時了解所監(jiān)控車輛的運行情況，提高危險品運輸?shù)陌踩?

WMMP協(xié)議； 定位系統(tǒng)； 電子地圖； 地理信息系統(tǒng)； GPRS

0 引言

隨著經(jīng)濟和社會的發(fā)展，危險品運輸車日漸增多，對人群、環(huán)境的威脅越來越大[1].目前，我國的危險品運輸方式處于起步階段，大部分仍是采用傳統(tǒng)普通貨物的運輸方法，危險品運輸環(huán)節(jié)存在很多安全隱患，在運輸過程中缺乏有效的監(jiān)管手段，危險事故時有發(fā)生[2].

圖1 WMMP協(xié)議棧Fig.1 WMMP protocol stacks

近年來,許多專家學(xué)者對危險品運輸監(jiān)控和管理進行了深入的研究.秦玉等[2]采用無線射頻識別RFID以及GPRS /GPS技術(shù)和傳感器技術(shù)研制出危險品集裝箱狀態(tài)信息實時監(jiān)測系統(tǒng).許松華[3]分析了危險貨物運輸車輛監(jiān)控系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù),采用條形碼作為貨物信息存儲單元,車載系統(tǒng)實時將貨物種類和自身車速、GPS位置等信息上傳給監(jiān)控中心進行管理.沈立明等[4]在寶鋼危險品運輸車輛監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計中提出運用GPS、GIS(地理信息系統(tǒng))、GPRS網(wǎng)絡(luò)技術(shù)對危險貨物運輸進行實時監(jiān)控的方法.但是以上研究工作對危險品運輸監(jiān)控系統(tǒng)的具體實現(xiàn)和數(shù)據(jù)傳輸過程缺乏詳細的設(shè)計，同時沒有考慮貨物運輸過程中數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?作者基于此設(shè)計了基于WMMP(wireless machine management protocol，無線機器管理協(xié)議)協(xié)議的危險品運輸車定位系統(tǒng)，對系統(tǒng)車載定位終端的軟硬件實現(xiàn)和數(shù)據(jù)傳輸進行了詳細的設(shè)計，采用WMMP協(xié)議來提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?WMMP協(xié)議是構(gòu)建在UDP協(xié)議之上的應(yīng)用層協(xié)議，目的是為了降低傳輸數(shù)據(jù)的丟包率，提高其可靠性，WMMP協(xié)議棧如圖1所示.

本文的危險品運輸車定位系統(tǒng)融合GPS、GPRS、GIS和GSM于一體，實現(xiàn)了對危險品運輸車輛的實時動態(tài)監(jiān)控.通過監(jiān)控終端屏幕能在電子地圖上清晰、實時地了解車輛位置，顯示車輛的瞬時速度，同時能將每個駕駛員的超速紀(jì)錄、違規(guī)路線等信息存儲在中心數(shù)據(jù)庫.該系統(tǒng)能準(zhǔn)確監(jiān)控運行中的危險品運輸車輛，為及時掌控車輛運行狀態(tài)，促進安全生產(chǎn)提供了有力的技術(shù)保障.

危險品運輸車定位系統(tǒng)通過GPRS網(wǎng)絡(luò)進行數(shù)據(jù)傳輸，但由于GPRS網(wǎng)絡(luò)具有帶寬較窄、延遲較大等缺點，因此不適于TCP協(xié)議進行通信[5].而基于無連接UDP協(xié)議傳輸，具有效率高、流量小、節(jié)省網(wǎng)絡(luò)帶寬等優(yōu)點，缺點是沒有確認(rèn)機制，有可能造成丟包現(xiàn)象.基于上述情況，本文引入WMMP協(xié)議，通過對傳輸?shù)臄?shù)據(jù)進行3DES(triple data encryption algorithm，三重數(shù)據(jù)加密算法)加密[6]，在應(yīng)用層實現(xiàn)了包確認(rèn)和重傳機制.根據(jù)實際測試，采用WMMP方式傳輸，丟包率能控制在1%以下.本文將WMMP協(xié)議應(yīng)用到GPRS無線傳輸定位系統(tǒng)，由定位終端獲得GPS模塊數(shù)據(jù)，包括動態(tài)位置(經(jīng)度、緯度、海拔、速度)、時間等信息，然后將信息依據(jù)WMMP協(xié)議進行3DES加密打包，通過GPRS實時發(fā)送到內(nèi)嵌有WMMP協(xié)議的M2M(machine to machine，機器與機器之間通信)平臺服務(wù)器，M2M平臺服務(wù)器將數(shù)據(jù)通過Internet發(fā)送到車輛監(jiān)控中心數(shù)據(jù)服務(wù)器上.車輛監(jiān)控中心將得到的數(shù)據(jù)在GIS的電子地圖上進行定位終端運動軌跡顯示，并可對定位終端的位置、速度、運動方向和狀態(tài)進行實時的監(jiān)控和查詢.同時，車輛監(jiān)控中心也可以向定位終端發(fā)送指令，實現(xiàn)整個系統(tǒng)的交互式運作.該系統(tǒng)可以保證車輛始終處于監(jiān)控中心的監(jiān)控視野內(nèi)，為提高車輛的運輸安全提供了保障.

1 工作原理與功能

危險品運輸車定位系統(tǒng)主要由車輛監(jiān)控中心、M2M平臺服務(wù)器、車載定位終端和GPS定位系統(tǒng)四個部分組成，如圖2所示.

車載定位終端將車輛的坐標(biāo)位置、即時速度、海拔、時間等信息進行3DES加密，按WMMP傳輸協(xié)議格式封裝成數(shù)據(jù)包,由GPRS通信模塊經(jīng)中國移動無線通訊網(wǎng)發(fā)送到中國移動的無線M2M服務(wù)平臺，再由M2M平臺經(jīng)由Internet上傳至監(jiān)控中心.監(jiān)控中心服務(wù)器將該數(shù)據(jù)包進行3DES解密，然后解析處理，并結(jié)合GIS進行地圖匹配，可在電子地圖上清晰地顯示當(dāng)前監(jiān)控終端的地理位置、速度等信息.同時將終端的運動及狀態(tài)信息存儲到監(jiān)控中心數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，作為事故事后處理依據(jù).

2 定位終端硬件設(shè)計

定位終端主要由嵌入式CPU、GPS接收機模塊、GPRS通信模塊、TF卡模塊、手柄模塊、攝像頭模塊等組成.由于定位終端需要完成GPS數(shù)據(jù)處理、WMMP通信、攝像頭拍照、3DES加解密運算等比較復(fù)雜的功能，同時考慮到硬件所需的IO口數(shù)量和串口數(shù)量，選用STM32F103VBT6作為處理器芯片.它是意法半導(dǎo)體(ST)生產(chǎn)的使用ARM?CortexTM-M3 32位的RISC內(nèi)核的高性能嵌入式處理器，可滿足系統(tǒng)功能需求.整個定位終端硬件結(jié)構(gòu)如圖3所示.

圖2 危險品運輸車監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.2 Structure of dangerous goods vehicle monitoring and control system

圖3 定位終端硬件結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Hardware structure of locating terminal

2.1GPRS模塊接口電路設(shè)計

在定位終端中，使用華為公司的GPRS模塊EM310完成與監(jiān)控中心的通信功能，該模塊內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議棧和擴展的TCP/IP的AT指令集，方便用戶進行數(shù)據(jù)傳輸?shù)拈_發(fā)[7].STM32F103通過USART3與EM310模塊連接，為了保證傳輸數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，采用4線制串口實現(xiàn)大量數(shù)據(jù)的傳輸.由于EM310的RST管腳對干擾比較敏感，在PCB布線時不能超過2 cm，以免受到干擾而導(dǎo)致模塊非正常復(fù)位.EM310模塊的VDD-IO管腳是漏極開路輸出，為串口通信提供參考電平，所以一定要將其接到定位終端系統(tǒng)的VCC(3.3 V)上.另外EM310模塊的揚聲器接口和麥克風(fēng)接口與手柄上的揚聲器和麥克風(fēng)相連，實現(xiàn)了車載定位終端的電話功能.GPRS接口電路如圖4所示.

處理器通過置低GPRS_TERM_ON引腳電平100 ms來控制EM310模塊開機.GPRS_RST是復(fù)位引腳，GPRS_CTS是處理器控制EM310模塊清除發(fā)送引腳,GPRS_RTS是請求EM310模塊發(fā)送數(shù)據(jù)引腳，GPRS_RI是EM310模塊振鈴指示引腳.

圖4 GPRS模塊接口電路Fig.4 Interface circuit of GPRS module

2.2GPS模塊接口電路設(shè)計

該定位終端采用的是MTK方案的GPS接收機GS-89，該模塊由韓國Gstar公司生產(chǎn)，采用SiRF StarIII高性能GPS芯片組，定位精度可以達到10 m以內(nèi).STM32F103通過USART2跟GS-89接口相連(圖5).GPS接收機要計算出二維坐標(biāo)至少需3顆衛(wèi)星，而至少4顆衛(wèi)星才能計算出三維坐標(biāo).GPS定位采用測距交匯定位方法，GS-89模塊在某一時刻接收到3顆以上衛(wèi)星的導(dǎo)航電文信號，就可實現(xiàn)對GPS衛(wèi)星的跟蹤、鎖定和測量，這些數(shù)據(jù)經(jīng)過模塊內(nèi)部的處理器計算出GS-89中心的數(shù)據(jù)信號，生成符合NMEA-0183格式的數(shù)據(jù)，經(jīng)由USART2傳輸?shù)絊TM32F103進行處理.

2.3終端手柄模塊

終端手柄模塊主要包括數(shù)字按鍵、LCD顯示、麥克風(fēng)、耳機接口、揚聲器等幾個功能部分.手柄模塊主要是實現(xiàn)定位終端的人機交互功能，手柄通過串口用連接線與處理器進行通訊.手柄上的按鍵有數(shù)字鍵盤、接聽電話、掛斷電話按鍵；LCD顯示屏可以顯示車輛的位置坐標(biāo)、速度、海拔、方向、接收信號強度和鍵盤輸入數(shù)據(jù)信息.手柄上安裝的麥克風(fēng)、揚聲器和耳機接口通過連線與GPRS模塊進行連接，主要實現(xiàn)通過GPRS模塊接打電話的功能.

圖5 GPS模塊接口電路Fig.5 Interface circuit of GPS module

圖6 M2M平臺短連接工作流程圖Fig.6 Work flow chart of short link of M2M platform

3 定位終端軟件設(shè)計

3.1M2M服務(wù)器平臺工作流程

GPRS與M2M平臺之間的通信有兩種連接方式：長連接和短連接.本系統(tǒng)由于傳輸?shù)臄?shù)據(jù)量不是太大，為了節(jié)省帶寬，采用短連接方式.短連接是指通信雙方需要數(shù)據(jù)交互時，就建立一個WMMP過程，數(shù)據(jù)發(fā)送完成后，則斷開此WMMP過程.短連接由于數(shù)據(jù)的交互在較短的時間內(nèi)完成，可以不需要心跳包來維持鏈路，但仍然需要通過心跳包告知M2M平臺它的運行狀態(tài)，以便進行監(jiān)控和故障報警[8].

定位終端與M2M平臺通信工作流程如圖6所示.

車載終端與M2M服務(wù)平臺通信需要采用符合WMMP協(xié)議的報文格式進行通信.通信報文結(jié)構(gòu)如表1所示.

3.2WMMP協(xié)議中的3DES算法

為了提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，WMMP協(xié)議中采用3DES算法對數(shù)據(jù)進行加密.DES加密算法采用56位長的密鑰與64位分組的明文，按位替換或交換的方法形成密文組進行加密.DES加密算法加密流程如圖7所示.

表1 WMMP通信報文結(jié)構(gòu)

圖7 DES加密流程圖Fig.7 Flow chart of encryption algorithm based on DES

3DES是以DES為基本模塊，通過組合分組方法設(shè)計的一種分組加密算法，它是用3條56位的密鑰對數(shù)據(jù)進行3次加密，使數(shù)據(jù)更安全[9].3DES的加密過程如圖8所示：首先用密鑰K1對明文進行DES加密，其次用密鑰K2對上面的結(jié)果進行DES解密，最后用密鑰K3對上一步驟的結(jié)果進行DES加密生成密文.3DES的解密過程則與加密過程相反.危險品運輸車定位系統(tǒng)進行WMMP通信時采用3DES加密算法對傳輸數(shù)據(jù)進行加密，保證了數(shù)據(jù)的安全性.

3.3定位終端軟件架構(gòu)

定位終端軟件主要負責(zé)完成GPS信號的解析并打包，GPRS通信模塊與M2M平臺的數(shù)據(jù)通信，與手柄交互通信，將定位數(shù)據(jù)信息存儲到TF卡中，根據(jù)監(jiān)控中心的指令對監(jiān)控車輛特定部位進行拍照等.定位終端軟件共分為4個部分：GPS數(shù)據(jù)解析，GPRS數(shù)據(jù)傳輸，攝像頭拍照，TF卡數(shù)據(jù)存儲.定位終端軟件流程如圖9所示.

圖8 3DES算法加解密流程圖Fig.8 Flow chart of encryption and decryption based on 3DES

圖9 定位終端軟件流程圖Fig.9 Flow chart of locating terminal software

3.4GPS數(shù)據(jù)的獲取和解析

GS-89模塊的輸出內(nèi)容采用NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)格式，數(shù)據(jù)代碼是ASCⅡ碼字符，包括六種不同的數(shù)據(jù)幀，不同的數(shù)據(jù)幀的幀格式和幀頭都不同，幀內(nèi)信息段之間采用逗號隔開，各幀均以回車換行符作為幀尾，標(biāo)識一幀的結(jié)束.GPS的經(jīng)緯度、時間、對地速度、海拔高度等信息可以從“$GPGGA”和“$GPRMC”兩種數(shù)據(jù)幀中解析出來.這兩種幀數(shù)據(jù)在程序中通過USART2的串口接收中斷程序來完成.USART2的串行接收中斷子程序流程如圖10所示.

GPS數(shù)據(jù)解析流程如圖11所示.“$GPGGA”幀信息中包含有時間、經(jīng)度、緯度和海拔高度等定位信息.“$GPRMC”幀信息中包含有日期、對地速度和方向等信息.使用函數(shù)GetGpsInfo來解析GPS數(shù)據(jù)信息.該函數(shù)的輸入?yún)?shù)pGGAFrame是存儲“$GPGGA”幀的緩沖區(qū)首地址,pRMCFrame是存儲“$GPRMC”幀的緩沖區(qū)首地址，pGpsInfoFrame為解析后的GPS信息幀所存儲的緩沖區(qū)的首地址.GPS信息解析成功函數(shù)返回值為NULL，解析不成功返回值為非NULL.

解析后的信息包有些數(shù)據(jù)長度不確定，為了減少監(jiān)控中心的解析錯誤，信息包的每個信息段都采用逗號結(jié)尾.這樣做雖然增大了數(shù)據(jù)量，但提高了監(jiān)控中心數(shù)據(jù)解析正確性.由于危險品運輸車是受監(jiān)控的動態(tài)目標(biāo)，監(jiān)控中心需要實時的監(jiān)控車輛，必須獲得車輛的空間位置和運行速度，同時根據(jù)GPS數(shù)據(jù)格式的特點組織GPS信息包，其結(jié)構(gòu)如表2所示.

表2 GPS信息包結(jié)構(gòu)

圖10 USART2的串行接收中斷子程序流程Fig.10 Flow chart of interrupt sub-program of USART2 serical receiving

圖11GPS數(shù)據(jù)解析流程圖圖12網(wǎng)絡(luò)連接流程圖

Fig.11Flow chart of GPS data analyzingFig.12Flow chart of network connecting

3.5GPRS模塊數(shù)據(jù)收發(fā)

處理器通過置低GPRS_TERM_ON 引腳的電平100 ms，可以觸發(fā)GPRS模塊開機，然后通過發(fā)送AT指令進行網(wǎng)絡(luò)連接和數(shù)據(jù)發(fā)送.在執(zhí)行AT%IPOPEN指令打開遠程網(wǎng)絡(luò)連接時，若連接失敗，將有可能導(dǎo)致模塊長時間無響應(yīng)(等待AT%ETCPIP的返回，此時協(xié)議棧已經(jīng)毀壞，需要重新啟動模塊)[10].對此情況，可以采取2種解決方案：一是在給定時間內(nèi)無響應(yīng)時將模塊重啟，再重新運行程序，其優(yōu)缺點顯而易見；二是利用AT%IPCONF指令設(shè)置返回時間，使得AT%IPCONF在給定時間內(nèi)強行結(jié)束.這樣又帶來一個新問題是連接成功率的下降.本文采用第二種方案，同時在連接失敗時循環(huán)重連，在一定程度上解決了這個問題.具體的的網(wǎng)絡(luò)連接順序如圖12所示.

3.6WMMP協(xié)議通訊幀結(jié)構(gòu)分析

定位終端通過M2M服務(wù)平臺與監(jiān)控中心之間建立短連接.連接結(jié)束，定位終端通過向M2M服務(wù)平臺定時發(fā)送心跳包通知M2M平臺鏈路的連接狀態(tài).由于定位終端和監(jiān)控中心之間有建立連接、終止連接、數(shù)據(jù)傳輸?shù)刃畔⒔粨Q要求，因此，根據(jù)WMMP協(xié)議要求，制定了應(yīng)用層相應(yīng)通信幀.WMMP通訊格式為幀頭2字節(jié)、幀類型1字節(jié)、幀體可變和幀尾2字節(jié).

幀類型主要包括數(shù)據(jù)幀、命令幀和應(yīng)答幀3種.數(shù)據(jù)幀，是定位終端向監(jiān)控中心發(fā)送的車輛狀態(tài)信息，其幀體包含幀長度2字節(jié)，GPS信息包可變，CRC檢驗2字節(jié)；命令幀，是監(jiān)控中心對車輛發(fā)出的指令，命令幀沒有幀體；應(yīng)答幀，是對傳輸?shù)闹噶詈蛿?shù)據(jù)信息的應(yīng)答，其幀體長度為1個字節(jié)，0x00表示傳輸正確，0x01表示傳輸不正確.

數(shù)據(jù)幀幀體中的GPS信息包包含有危險品運輸車的時間和狀態(tài)信息，監(jiān)控中心根據(jù)對GPS信息包的解析可以知道在該時間點危險品運輸車的經(jīng)緯度位置、海拔高度和運行速度，既可實時掌握車輛的運行情況，又可以查詢車輛歷史運行軌跡.

4 監(jiān)控中心系統(tǒng)設(shè)計

圖13 監(jiān)控中心軟件流程Fig.13 Software flow chart of monitoring center

監(jiān)控中心主要由數(shù)據(jù)通信服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、Web-GIS服務(wù)器、監(jiān)控終端等部分構(gòu)成，完成監(jiān)控中心對受監(jiān)控車輛的實時監(jiān)控需要[11-12].通信服務(wù)器主要完成數(shù)據(jù)接收、數(shù)據(jù)解析、命令合成和數(shù)據(jù)發(fā)送工作.數(shù)據(jù)庫服務(wù)器用來存儲GPS數(shù)據(jù)、人員和車輛信息.Web-GIS服務(wù)器完成地圖匹配和Web網(wǎng)頁生成工作.監(jiān)控終端安裝有各類管理軟件，完成對整個系統(tǒng)的管理和監(jiān)控界面的顯示工作.監(jiān)控中心軟件流程如圖13所示.在監(jiān)控終端可以查詢受監(jiān)控車輛的歷史行駛路徑和駕駛?cè)藛T情況，也可以通過監(jiān)控終端向受監(jiān)控車輛發(fā)送控制指令，實現(xiàn)對車輛合理調(diào)度.

該系統(tǒng)經(jīng)過調(diào)試與行車測試，監(jiān)控中心能夠?qū)崟r準(zhǔn)確獲取被測試車輛的狀態(tài)信息，并通過監(jiān)控中心的監(jiān)控終端在地圖上顯示被監(jiān)控車輛的位置，可通過查詢條件查詢車輛的歷史運動軌跡.車載定位終端在開機30 s后就可與監(jiān)控中心管理平臺建立UDP/IP連接，每隔30 s向監(jiān)控中心管理平臺發(fā)送一次GPS定位信息，監(jiān)控中心的監(jiān)控終端可在地圖上顯示車輛的具體位置.在測試過程中對航天無線1號運輸車的運行軌跡進行查詢，查詢時長60 min，定位時間間隔設(shè)定為5 min，查詢結(jié)果如圖14所示.

圖14 監(jiān)控終端的測試畫面Fig.14 Test picture of monitoring terminal

5 結(jié)束語

危險品運輸車定位系統(tǒng)包括車載定位終端和監(jiān)控中心，采用WMMP協(xié)議和3DES加密算法進行通信，實現(xiàn)監(jiān)控中心對危險品運輸車的實時監(jiān)控功能.車載定位終端硬件采用ARM處理器，具有比普通單片機更快的速度和數(shù)據(jù)處理能力，可穩(wěn)定地實現(xiàn)WMMP通信和3DES加密算法.定位終端軟件采用WMMP通信和3DES算法進行加密，可以保證數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院桶踩?該危險品運輸車定位系統(tǒng)經(jīng)過實際測試，監(jiān)控中心的GIS系統(tǒng)能夠有效掌握監(jiān)控車輛的即時運行信息，定位終端與監(jiān)控中心數(shù)據(jù)通訊的丟包率低于1%，系統(tǒng)設(shè)計合理，可靠性強，具有很高的實用價值.

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DevelopmentofLocationSystemforDangerousGoodsVehicleBasedonWMMP

YANG Sheng-lei1,2, LUO Yong1, YANG Shi-liang1,2

(1.SchoolofElectricalEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China;2.ZTECorporation,Xi’an710065,China)

A real-time location system for dangerous goods vehicle was designed by using WMMP protocol.This system was consisted of vehicle location terminal and vehicle monitoring center servers.The real-time information was collected and transmitted by vehicle location terminal.The vehicle location information was

and processed by monitoring center server. So it could instantly understand the operation of the monitored vehicle by the GIS monitoring system.The safety for transporting dangerous goods was improved by this system.

WMMP;positioning system;electronic map;GIS;GPRS

TP 277

A

1671-6841(2011)04-0048-08

2011-01-15

楊生磊(1978-)，男，碩士研究生,主要從事嵌入式系統(tǒng)開發(fā)研究，E-mail：398528417@qq.com；通訊作者： 羅勇(1977-)，男，副教授，博士，主要從事嵌入式系統(tǒng)研究.