山區(qū)長途客運車輛監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計與實現(xiàn)

郭琳

(商洛學(xué)院，陜西 商洛 726000)

0 引言

應(yīng)用于遠(yuǎn)程目標(biāo)無線監(jiān)測系統(tǒng)的定位技術(shù)，目前比較成熟的主要有衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)和移動定位服務(wù)網(wǎng)絡(luò)，世界上正在使用或建設(shè)的衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)主要有美國的GPS、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo和中國的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)。其中美國的GPS已經(jīng)發(fā)展的很成熟，具有信號覆蓋廣、精度高等特點，產(chǎn)品在世界市場中占絕對優(yōu)勢;我國開發(fā)的BD-2(Beidou2)導(dǎo)航系統(tǒng)現(xiàn)已面向全國和亞太大部分地區(qū)提供連續(xù)無源定位、導(dǎo)航、授時等服務(wù)，具有雙向短報文通信功能［1-2］。北斗相關(guān)的產(chǎn)品已開始在市場中推廣，2013年交通運輸部開始在9個示范省市使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，率先應(yīng)用于我國重點營運車輛的監(jiān)控，包括大客車、旅游包車和危險品運輸車輛，完成對車輛的監(jiān)控、車輛的出行服務(wù)與指揮調(diào)度等任務(wù);全球移動通訊系統(tǒng)(簡稱GSM)具備完善的通信體制，且準(zhǔn)備進(jìn)入4G時代，能彌補(bǔ)衛(wèi)星定位在山區(qū)或建筑物密集地區(qū)的不足，減少定位監(jiān)控的盲區(qū)［3］。綜合以上幾種定位技術(shù)的特點，設(shè)計一種基于BD-2/GPS雙模接收機(jī)的客運車輛監(jiān)測系統(tǒng)，對山區(qū)客運公司的營運客車進(jìn)行定位和實時監(jiān)測，改善山區(qū)客運安全環(huán)境［4］。

1 客運車輛監(jiān)測系統(tǒng)軟件的總體結(jié)構(gòu)與設(shè)計功能

本文在完成了系統(tǒng)理論架構(gòu)和硬件設(shè)計的基礎(chǔ)上，進(jìn)行系統(tǒng)軟件的開發(fā)設(shè)計。根據(jù)客運車輛監(jiān)測系統(tǒng)開發(fā)需求，其軟件的功能流程如圖1所示，首先需要實時接收信號采集板采集的信息數(shù)據(jù)，經(jīng)過格式處理之后由GSM發(fā)送到監(jiān)控服務(wù)中心，然后接收、處理和存儲。主要功能如下:

圖1 系統(tǒng)軟件功能設(shè)計流程圖

(1)定位跟蹤功能。當(dāng)需要對被監(jiān)控的車輛進(jìn)行定位跟蹤時，監(jiān)控服務(wù)中心發(fā)送定位請求，可以實時獲取被監(jiān)控目標(biāo)的基于BD-2/GPS/GSM三方位置信息。(2)車輛運行參數(shù)檢測和保護(hù)功能?？梢詫崿F(xiàn)被監(jiān)控目標(biāo)的動態(tài)參數(shù)檢測和遠(yuǎn)距離數(shù)據(jù)傳輸，當(dāng)車輛發(fā)生異常狀況或被盜時，能夠遠(yuǎn)程發(fā)送參數(shù)保護(hù)請求，對被控車輛進(jìn)行相關(guān)的安全保護(hù)或防盜操作。(3)提供GIS服務(wù)功能。根據(jù)跟蹤到的經(jīng)緯度位置，能在數(shù)據(jù)庫中查找到具體的地理位置信息，加快事故應(yīng)急響應(yīng)的速度，為救援行動節(jié)約時間。

基于BD-2/GPS/GSM的客運車輛監(jiān)測系統(tǒng)，利用BD-2/GPS雙模接收機(jī)［5］獲取被監(jiān)控目標(biāo)的組合位置信息［6-7］，實現(xiàn)對長途客車的定位、預(yù)警和運行參數(shù)的檢測與保護(hù)等功能。該系統(tǒng)的軟件工作流程如圖2所示。

圖2 監(jiān)測系統(tǒng)軟件總體流程圖

2 車載終端軟件

車載終端采用BD-2/GPS智能OEM板，負(fù)責(zé)衛(wèi)星定位和目標(biāo)車輛與監(jiān)控服務(wù)中心的通信，采用PC104總線的嵌入式主板SX-340作為擴(kuò)展平臺，負(fù)責(zé)對采集到的車輛車速、轉(zhuǎn)速、油壓、輪胎壓力等狀態(tài)信號進(jìn)行采集、接收和處理，并通過RS232串口與車載ECU實時通信。

2.1 串口連接模塊與模塊初始化的設(shè)計

利用VC6.0實現(xiàn)串口通信的方法主要有串口通信控件、Windows API函數(shù)或第三方設(shè)計類［8］。本系統(tǒng)采用第三方設(shè)計類CSerialPort作為設(shè)計基礎(chǔ)，可以結(jié)合系統(tǒng)的需要來設(shè)計串口通信。CSerialPort的工作基本流程是:先設(shè)置串口參數(shù)然后啟動串口通信檢測線程，當(dāng)接收到數(shù)據(jù)時以消息形式通知主程序并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，發(fā)送數(shù)據(jù)是通過串口發(fā)送緩沖區(qū)完成。系統(tǒng)的車載終端接收通信板卡通過BD-2/GPS和GSM獲得跟蹤信息數(shù)據(jù)，并接收監(jiān)控服務(wù)中心發(fā)送的命令指示;系統(tǒng)在定位與通信之前，需要對GSM通信單元初始化，包括檢測與串口的連接情況、設(shè)置短消息提示功能、設(shè)置短消息格式和判斷短消息存儲情況等內(nèi)容。BD-2/GPS的初始化自動完成。

2.2 定位監(jiān)控模塊的設(shè)計與車輛運行參數(shù)檢測保護(hù)

圖3 定位監(jiān)控模塊程序流程圖

當(dāng)需要跟蹤和控制某個車輛的運動狀態(tài)參數(shù)時，通過信號采集模塊讀取車輛狀態(tài)信息，并同時收到BD-2/GPS定位信息，根據(jù)信號強(qiáng)弱切換合適的定位系統(tǒng)模式，然后對數(shù)據(jù)信息以協(xié)議方式封裝并通過GSM基站轉(zhuǎn)發(fā)給客運監(jiān)控服務(wù)中心，工作流程如圖3所示。為了滿足系統(tǒng)動態(tài)數(shù)據(jù)傳輸?shù)囊螅瑢Σ煌瑏碓春头N類的數(shù)據(jù)進(jìn)行定義時，需要對定位、狀態(tài)參數(shù)和查詢信息等進(jìn)行排序。在山區(qū)行駛的客運車輛，往往受到復(fù)雜公路與氣候的影響比較大，主動安全的設(shè)置非常重要。系統(tǒng)對被監(jiān)控車輛運行參數(shù)保護(hù)的操作封裝成一個類CSafeguard，實現(xiàn)車輛運行的實時故障檢測、車輛運行關(guān)鍵參數(shù)保護(hù)(車速、水溫、機(jī)油壓力、輪胎壓力等)、車輛事故記錄和車輛防盜等功能。

2.3 GSM通信與北斗通信模塊的設(shè)計

GSM單元主要用來進(jìn)行輔助定位以及與監(jiān)控中心進(jìn)行通信，通過嵌入式主板SX-340完成BD-2與GPS的模式切換，利用RS232串口從車載信號采集系統(tǒng)獲取數(shù)據(jù)，然后把這些數(shù)據(jù)和對應(yīng)客車信息進(jìn)行排序編輯，以短消息的形式自動發(fā)送到SIM移動卡，在監(jiān)控中心計算機(jī)上存儲與管理。設(shè)計中采用PDU(Protocol Description Unit)模式［9］，它可以編輯文字、聲音或者圖像，支持中英文短信息發(fā)送。PDU模式將信息編碼為十六進(jìn)制PDU序列串，發(fā)送和接收短信息的格式略有不同，下面以發(fā)送短消息為例，向SIM卡號碼為“8615991878038”的車載用戶發(fā)送內(nèi)容為“你好”的信息編碼為＜0011000D9191685199818730F80008AA044F60597DFF01＞;北斗通信利用車載用戶機(jī)與地面監(jiān)控服務(wù)中心之間的通信服務(wù)，每次提供最多1680bit或120個漢字的短消息［10］。其工作流程為:當(dāng)車輛終端收到監(jiān)控中心的信號時，通過定位通信模塊定位，獲取BD-2、GPS和GSM三者的經(jīng)緯度信息，再按照通信協(xié)議要求重新編碼發(fā)回監(jiān)控中心;當(dāng)車載終端收到監(jiān)控中心的車輛操作命令時，按照要求完成車輛參數(shù)保護(hù)的操作;最后將車輛主要狀態(tài)參數(shù)和操作結(jié)果反饋給監(jiān)控中心。

3 監(jiān)控服務(wù)中心軟件

3.1 通信服務(wù)模塊的設(shè)計

如圖4所示，當(dāng)中心收到車載終端連接請求或主動選擇監(jiān)控目標(biāo)時，啟動線程進(jìn)行監(jiān)控，并結(jié)合數(shù)據(jù)庫模塊收發(fā)、處理和存儲信息。當(dāng)被監(jiān)控的數(shù)量接達(dá)到上限時，可以選擇合適目標(biāo)退出線程，再繼續(xù)啟動新線程監(jiān)控其他車輛。監(jiān)控過程中，將目標(biāo)終端的地址、端口號以及連接狀態(tài)在人機(jī)交互界面上顯示出來。監(jiān)控服務(wù)中心與車載終端的通信主要包括定位監(jiān)控請求和車輛運行參數(shù)保護(hù)等。

圖4 與車載終端通信模塊程序流程圖

3.2 Google Earth 翻譯模塊

選擇Plus版的Google Earth客戶端軟件對GSM模塊發(fā)回短消息中的經(jīng)緯度信息進(jìn)行定位和實名翻譯［11］。當(dāng)系統(tǒng)向指定的SIM卡發(fā)送來一條短消息，其中包含被控車輛的經(jīng)度、緯度、時間、速度等信息，需要對這些英文信息字符進(jìn)行翻譯，系統(tǒng)選擇用RMC數(shù)據(jù)格式。在實驗測試過程中，設(shè)置接收短消息的手機(jī)號碼為:1599187＊＊＊＊(商洛移動用戶)，被控客車上的SIM號碼為:1348822＊＊＊＊(西安移動用戶)，短消息服務(wù)中心號碼:861871058＊＊＊＊;測試地點在商洛市某高校電控實驗室;BD-2信號強(qiáng)度一般，GPS信號強(qiáng)度一般，GSM信號強(qiáng)度較好。RMC數(shù)據(jù)的翻譯見表1，測試收到短消息內(nèi)容為:

SMS1:$GPRMC，131123.999，A，3351.5756，N，10957.0577，E，0.05，33.50，281113，，，A*87;

SMS2:$GPRMC，131124.999，A，3416.1119，N，10900.0092，E，1.95，45.70，281113，，，A*75;

SMS3:$GPRMC，131125.999，A，3351.5172，N，10957.0163，E，0.04，33.50，281113，，，A*5E。

表1 RMC數(shù)據(jù)格式翻譯

從上述的數(shù)字串中選出經(jīng)緯度信息，然后輸入到Google Earth的Search對話窗口中，進(jìn)行搜索實名定位。實例結(jié)果:測試時間為2013年11月28日13點11分23秒，被控客車實際位置在西安市城東客運站停車場內(nèi)，處于一檔緩慢前進(jìn)狀態(tài)，跟車實測車速處于9.00 km/h～9.68 km/h之間;商洛測試點接收到短消息，車速為9.22 km/h，最大相對誤差為4.96%，可以滿足實際需要。

3.3 中心數(shù)據(jù)庫模塊的設(shè)計

根據(jù)山區(qū)地形與公路復(fù)雜程度，交通管理部門還可以對特殊地點做特殊標(biāo)記并編入實名范疇，建立數(shù)字化的地名數(shù)據(jù)庫。實際推廣中，客運車輛途徑的交通要道和交通特殊地點要在衛(wèi)星地圖上做數(shù)字化編號標(biāo)記，使每一個編號對應(yīng)一個地理位置，相對應(yīng)有一個合適的理想的客車行駛動態(tài)參數(shù)。車輛監(jiān)控單位聯(lián)合移動通信公司為被控目標(biāo)安裝車載設(shè)備并配備專用SIM卡，建立車牌號數(shù)據(jù)庫的拓展庫，如圖5所示。如果車輛發(fā)生意外情況，不僅監(jiān)控中心可以立即采取應(yīng)急反應(yīng)，還會自動記錄車輛在此時刻的狀態(tài)參數(shù)。車輛監(jiān)控服務(wù)中心的軟件還有初始化和串口模塊，與車載終端軟件類似。

圖5 SIM卡號拓展動態(tài)數(shù)據(jù)庫

4 結(jié)束語

基于對當(dāng)前遠(yuǎn)程目標(biāo)定位與監(jiān)控技術(shù)的研究與分析，結(jié)合山區(qū)客運安全環(huán)境與實際發(fā)展情況，車載終端的軟件實現(xiàn)了根據(jù)監(jiān)控服務(wù)中心發(fā)送的定位請求獲取BD-2/GPS的位置信息，根據(jù)監(jiān)控服務(wù)中心發(fā)送的檢測請求獲取車輛運行實時參數(shù)，并根據(jù)監(jiān)控服務(wù)中心發(fā)送的車輛運行參數(shù)保護(hù)請求實現(xiàn)對車載終端的遠(yuǎn)程保護(hù);監(jiān)控服務(wù)中心的軟件完成了指令發(fā)送、信息數(shù)據(jù)接收處理、地理信息地圖的集成拓展和數(shù)據(jù)庫的建立與查詢等模塊設(shè)計。該系統(tǒng)結(jié)合了BD-2與GPS的技術(shù)優(yōu)勢，并利用移動通信網(wǎng)絡(luò)傳輸數(shù)據(jù)，應(yīng)對環(huán)境復(fù)雜的山區(qū)公路客運，具有較好的實用效果。系統(tǒng)在開發(fā)應(yīng)用過程中，針對監(jiān)控對象較少的客運公司，只需要一部手機(jī)和一臺電腦即可，如果針對大集團(tuán)監(jiān)控模式，則需要設(shè)計基于GIS的監(jiān)控管理平臺，實現(xiàn)電子地圖的集成、車載軌跡查詢等功能。

［1］安家春，王澤民，胡志剛，等.北斗二代在中國及周邊海域的定位分析［J］.大地測量與地球動力學(xué)，2013，33(3):83-86.

［2］黃建華，吳升.面向北斗二代終端的導(dǎo)航地圖更新框架［J］.福州大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，40(3):347-351.

［3］ZHOU JUE，CHENG PENG-GEN，LI JING.Design and implementation of vehicle integrated monitoring system based on MS4W and GPRS/GSM technology［J］.Journal of East China Institute of Technology(Natural Science)，2009，32(2):177-179.

［4］郭琳，李傳博.山區(qū)城際公路客運安全評價研究——以商洛市六縣一區(qū)為例［J］.商洛學(xué)院學(xué)報，2013，27(2):68-73.

［5］丁昊，譚美景，王萬歷，等.北斗數(shù)據(jù)接入中間件的設(shè)計與實現(xiàn)［J］.測繪工程，2013，22(3):20-23.

［6］劉季，張小紅.GPS/BD組合導(dǎo)航定位試驗和精度分析［J］.測繪信息與工程，2012，37(4):1-3.

［7］侯博，謝杰，范志良，等.多模衛(wèi)星信號模擬器設(shè)計與實現(xiàn)［J］.計算機(jī)測量與控制，2012，20(1):170-172.

［8］宋洪濤.GPS接收機(jī)抗干擾技術(shù)研究［D］.黑龍江:哈爾濱工程大學(xué)，2011.

［9］龔建偉，熊光明.Visual C++/Turbo C串口通信編程實踐［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2004.

［10］施闖，趙齊樂，李敏，等.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的精密定軌與定位研究［J］.中國科學(xué):地球科學(xué)，2012，42(6):854-861.

［11］馮春生，朱瑞祥，張勇.基于GPS/GSM/SMS的農(nóng)機(jī)肇事監(jiān)測技術(shù)［J］.農(nóng)機(jī)化研究，2008，30(3):87-89.