基于北斗二號(hào)和GPRS的物資運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)

摘要 根據(jù)實(shí)際需求，提出了物資監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)具有的功能。介紹了北斗二號(hào)的定位原理和GPRS通信原理，在此基礎(chǔ)上對(duì)監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控中心和終端機(jī)進(jìn)行了設(shè)計(jì)。文中設(shè)計(jì)的物資運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)具有定位精確、價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，在物資運(yùn)輸監(jiān)控領(lǐng)域具有廣范的應(yīng)用空間。
關(guān)鍵詞 北斗二號(hào)；GPRS；監(jiān)控系統(tǒng)

1 系統(tǒng)功能
1．1 物資監(jiān)控和管理
    系統(tǒng)可以對(duì)物資的位置、速度、方位、狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，對(duì)物資的出入庫(kù)、運(yùn)輸過(guò)程、運(yùn)達(dá)情況、消耗情況進(jìn)行全程掌握。系統(tǒng)管理平臺(tái)設(shè)置有各類(lèi)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)信息數(shù)據(jù)庫(kù)，終端機(jī)上報(bào)的位置信息由管理平臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)，用戶(hù)可根據(jù)地圖、時(shí)間段、回放速度對(duì)運(yùn)輸物資車(chē)輛的行駛軌跡進(jìn)行回放。車(chē)輛的歷史軌跡包含了時(shí)間、地點(diǎn)等多種信息、為事后的數(shù)據(jù)分析和物資管理以及新物資運(yùn)輸方案的制定提供了有力支持。
1．2 運(yùn)輸定位和導(dǎo)航
    系統(tǒng)終端機(jī)接收北斗衛(wèi)星信號(hào)，獲得物資實(shí)時(shí)位置，并向監(jiān)控中心發(fā)送位置、行駛速度、方向和狀態(tài)數(shù)據(jù)，從而在物資監(jiān)控中心得知所運(yùn)物資的動(dòng)態(tài)。利用北斗衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)對(duì)運(yùn)輸物資的車(chē)輛提供導(dǎo)航服務(wù)，同時(shí)物資監(jiān)控中心根據(jù)道路通行情況，為車(chē)輛選擇最佳的運(yùn)輸路線，及時(shí)掌握道路損毀和通行情況，根據(jù)需要隨時(shí)調(diào)整運(yùn)輸路線，保證運(yùn)輸任務(wù)順利完成。
1．3 安全防范
    物資遇到危險(xiǎn)或緊急情況后，可以觸動(dòng)車(chē)內(nèi)的報(bào)警開(kāi)關(guān)，終端機(jī)立即報(bào)告車(chē)輛的位置、速度、狀態(tài)等，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)，監(jiān)控中心彈出報(bào)警幕，以紅色警示提醒值班人員運(yùn)輸物資遇險(xiǎn)。系統(tǒng)平臺(tái)自動(dòng)顯示求救物資的信息，可根據(jù)指令打開(kāi)單向語(yǔ)音監(jiān)聽(tīng)裝置。求助狀態(tài)可由系統(tǒng)平臺(tái)解除。對(duì)運(yùn)輸特殊物資的車(chē)輛可設(shè)置限制速度、溫濕度、車(chē)輛傾斜度等特殊條件。一旦超過(guò)限速設(shè)置，終端會(huì)向用戶(hù)監(jiān)管中心自動(dòng)報(bào)警，車(chē)上有聲音提示，監(jiān)控中心人員也會(huì)提示該物資出現(xiàn)危險(xiǎn)報(bào)警。車(chē)輛在執(zhí)行任務(wù)前，可以根據(jù)需要，指定行駛區(qū)域或路線。當(dāng)車(chē)輛行駛中偏離區(qū)域或路線時(shí)，監(jiān)控軟件會(huì)發(fā)出警報(bào)，管理人員就會(huì)及時(shí)通知車(chē)輛及時(shí)糾正。物資在運(yùn)輸前，可以根據(jù)需要，對(duì)車(chē)輛開(kāi)門(mén)的時(shí)間或地點(diǎn)進(jìn)行設(shè)置。在車(chē)輛未按規(guī)定開(kāi)門(mén)時(shí)，車(chē)載終端將發(fā)出報(bào)警。
1．4 電子地圖功能
    可對(duì)當(dāng)前地圖進(jìn)行放大與縮小操作，以便了解整個(gè)地區(qū)的總體情況和某個(gè)區(qū)域的詳細(xì)情況。電子地圖對(duì)不同的地物具有不同的編碼，在地圖上以其特定的方式和顏色顯示，值班員可以根據(jù)愛(ài)好和需要自行配置顯示方案。地圖上可以顯示路名、建筑物名稱(chēng)等標(biāo)注信息，值班員可以根據(jù)需要隱藏或顯示標(biāo)注。電子地圖在移動(dòng)時(shí)，路名可以動(dòng)態(tài)顯示位置，保證路名處于可見(jiàn)狀態(tài)。電子地圖在縮放時(shí)，相鄰標(biāo)注可以自動(dòng)避讓?zhuān)ＷC注記不被壓蓋?？蛇M(jìn)行地理位置、建筑物的查詢(xún)，以及該位置附件空車(chē)、重車(chē)、所有車(chē)輛的查詢(xún)。

2 “北斗二號(hào)”和GPRS原理
2．1 北斗二號(hào)定位原理
    北斗二號(hào)衛(wèi)星定位系統(tǒng)是我國(guó)獨(dú)立研制的新一代衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，該系統(tǒng)于2004年開(kāi)始建設(shè)。在體制上北斗二號(hào)衛(wèi)星和美國(guó)的GPS、俄國(guó)的Glonass和歐盟建設(shè)中的Galileo一樣，同屬于RNSS(Radio Navigation Satellite System)。
    “北斗二號(hào)”導(dǎo)航定位系統(tǒng)通過(guò)測(cè)量衛(wèi)星至用戶(hù)的信號(hào)傳播延遲，利用測(cè)距原理實(shí)現(xiàn)導(dǎo)航定位。通過(guò)3顆衛(wèi)星測(cè)距，得到用戶(hù)至衛(wèi)星的距離，確定兩維位置；再通過(guò)增加第4顆衛(wèi)星的測(cè)量，可以計(jì)算三維位置和時(shí)間。該系統(tǒng)由地面段、空間段和用戶(hù)端組段構(gòu)成，采用CG3200坐標(biāo)系，以北斗時(shí)為系統(tǒng)時(shí)間基準(zhǔn)。正在建設(shè)的“北斗二號(hào)”衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)空間段，將由5顆靜止軌道衛(wèi)星和30顆非靜止軌道衛(wèi)星組成，作為無(wú)源導(dǎo)航衛(wèi)星，不同于第一代有源導(dǎo)航，可以為需要導(dǎo)航的用戶(hù)帶來(lái)安全。該衛(wèi)星提供兩種服務(wù)方式，即開(kāi)放服務(wù)和授權(quán)服務(wù)。開(kāi)放服務(wù)是在服務(wù)區(qū)內(nèi)免費(fèi)提供定位、測(cè)速和授時(shí)服務(wù)，定位精度為10 m，授時(shí)精度為50 ns，測(cè)速精度為0．2m／s。授權(quán)服務(wù)是向授權(quán)用戶(hù)提供更安全的定位、測(cè)速、授時(shí)和通信服務(wù)。
    和其他定位系統(tǒng)一樣，北斗二號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)的所有功能最終都是通過(guò)用戶(hù)設(shè)備實(shí)現(xiàn)，因此用戶(hù)設(shè)備是系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分。從應(yīng)用對(duì)象區(qū)分，用戶(hù)設(shè)備包括手持、車(chē)載、艦載以及嵌入式等，個(gè)人、車(chē)輛、艦船等移動(dòng)載體提供導(dǎo)航定位、報(bào)文通信和授時(shí)業(yè)務(wù)。而從功能上，用戶(hù)設(shè)備則分為基本型、授時(shí)型等多種類(lèi)型。“北斗二號(hào)”衛(wèi)星星座圖如圖1所示。

2．2 GPRS通信原理
    GPRS是通用分組無(wú)線業(yè)務(wù)(General Packet Radio Service)的簡(jiǎn)稱(chēng)，它是利用“包交換”(Packet Switched)概念發(fā)展出的一套無(wú)線傳輸方式。它的基本功能是在移動(dòng)終端和互聯(lián)網(wǎng)的路由器之間傳輸分組數(shù)據(jù)。
    由于GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、無(wú)線調(diào)制標(biāo)準(zhǔn)、突發(fā)結(jié)構(gòu)、跳頻規(guī)則以及相同的TDMA幀結(jié)構(gòu)，所以在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上構(gòu)建GPRS系統(tǒng)時(shí)，不需要對(duì)GSM系統(tǒng)中的大部分硬件作改動(dòng)，只需軟件升級(jí)。在GSM系統(tǒng)的基礎(chǔ)上只需要增加GPRS服務(wù)支持結(jié)點(diǎn)(SGSN，Serring GPRS Supporting Node)，GPRS網(wǎng)關(guān)支持結(jié)點(diǎn)(GGSN，Gateway GPRS Support Node)和分組控制單元(PCU，Packet Control Unit)，便可構(gòu)成完整的GPRS系統(tǒng)。
    由于GPRS引入了分組交換能力，因此與GSM電路交換相比，GPRS具有“按流量計(jì)費(fèi)”、“快捷登錄”、“高速傳輸”、“永遠(yuǎn)在線””自如切換”等優(yōu)點(diǎn)。正因?yàn)镚PRS擁有的這些優(yōu)點(diǎn)，使得其在無(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)中得到廣泛應(yīng)用，GPRS網(wǎng)主要為用戶(hù)提供突發(fā)性數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，GPRS可以分為面向個(gè)人用戶(hù)的橫向應(yīng)用和面向集團(tuán)用戶(hù)的縱向應(yīng)用兩種。GPRS網(wǎng)絡(luò)參考模型如圖2所示。

    移動(dòng)終端(MS)：移動(dòng)終端包括移動(dòng)物理設(shè)備和SIM卡兩部分。移動(dòng)臺(tái)的類(lèi)型很多，除了車(chē)載臺(tái)、便攜式移動(dòng)臺(tái)，還有手機(jī)等。SIM卡是一張符合ISO標(biāo)準(zhǔn)的IC卡，由CPU和存儲(chǔ)器以及串行通信單元組成。
    基站子系統(tǒng)(BSS)：基站子系統(tǒng)由基站收發(fā)信臺(tái)(BTS)和基站控制器(BSC)兩部分組成?；咀酉到y(tǒng)一方面通過(guò)BTS利用無(wú)線接口與移動(dòng)臺(tái)相連，負(fù)責(zé)信息的無(wú)線發(fā)送／接收和無(wú)線資源的管理；另一方面，通過(guò)BSC和網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)中的移動(dòng)業(yè)務(wù)交換中心(MSC)相連，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)用戶(hù)之間以及移動(dòng)用戶(hù)和固定電話(huà)網(wǎng)絡(luò)用戶(hù)之間的通信連接。
    移動(dòng)業(yè)務(wù)控制中心(MSC)：MSC是網(wǎng)絡(luò)子系統(tǒng)的核心。MSC是交換機(jī)，具有號(hào)碼存儲(chǔ)、呼叫處理、路由選擇、回波抵消和超負(fù)荷控制等功能。MSC可以從HLR，VLR和AUC獲取處理用戶(hù)位置登記和呼叫請(qǐng)求所需的全部數(shù)據(jù)。反之，MSC也根據(jù)其獲取的最新信息請(qǐng)求更新數(shù)據(jù)庫(kù)的部分功能。
    GPRS業(yè)務(wù)支持節(jié)點(diǎn)(SGSN)：主要功能是對(duì)移動(dòng)終端進(jìn)行鑒權(quán)和移動(dòng)性管理，建立移動(dòng)終端到GGSN的傳輸通道，接收從BSS傳送來(lái)的移動(dòng)終端分組數(shù)據(jù)，通過(guò)GPRS骨干網(wǎng)傳送給GGSN或者將分組發(fā)送到同一服務(wù)區(qū)內(nèi)的移動(dòng)終端。SGSN還可集成計(jì)費(fèi)網(wǎng)關(guān)、邊緣網(wǎng)關(guān)和防火墻的功能。
    GPRS網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)(GGSN)：是連接GPRS網(wǎng)絡(luò)與外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)。對(duì)于外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)來(lái)說(shuō)，它就是一個(gè)路由器，負(fù)責(zé)存儲(chǔ)已經(jīng)激活的GPRS用戶(hù)的路由信息。GGSN接收移動(dòng)終端發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)發(fā)到相應(yīng)的外部網(wǎng)絡(luò)，或接收來(lái)自外部數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)，通過(guò)隧道技術(shù)，傳送給相應(yīng)的SGSN。另外GGSN還可以具有地址分配、計(jì)費(fèi)、防火墻功能。
    SGSN和GGSN兩節(jié)點(diǎn)可分可合，即它們的功能既可以由一個(gè)物理節(jié)點(diǎn)全部實(shí)現(xiàn)，也可以由不同的物理節(jié)點(diǎn)實(shí)現(xiàn)。它們都應(yīng)有IP路由功能，并能與IP路由器互聯(lián)。
    GPRS主要是用來(lái)提供非語(yǔ)音數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，GPRS提供移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)到TCP／IP或X．25網(wǎng)絡(luò)的接口，可以把GPRS網(wǎng)絡(luò)看作是一個(gè)IP子網(wǎng)。

3 監(jiān)控系統(tǒng)構(gòu)建
    物資監(jiān)控系統(tǒng)由監(jiān)控中心、通信網(wǎng)絡(luò)和終端機(jī)組成。其中通信網(wǎng)絡(luò)選擇GPRS公共通信網(wǎng)絡(luò)，文中重點(diǎn)對(duì)監(jiān)控中心和終端機(jī)進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3．1 監(jiān)控中心
    監(jiān)控中心是系統(tǒng)的重要組成部分，負(fù)責(zé)和接收終端的交互及用戶(hù)管理，并根據(jù)接收終端的請(qǐng)求響應(yīng)定位服務(wù)，同時(shí)負(fù)責(zé)各個(gè)分中心的網(wǎng)絡(luò)互連，完成各種信息的分類(lèi)、記錄和轉(zhuǎn)發(fā)以及分中心之間業(yè)務(wù)信息的流動(dòng)，并對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行監(jiān)控。監(jiān)控中心動(dòng)態(tài)獲取道路狀況及實(shí)時(shí)監(jiān)控、指揮移動(dòng)終端，GIS系統(tǒng)與衛(wèi)星定位系統(tǒng)的緊密結(jié)合可以提高監(jiān)控中心的工作效率。
    監(jiān)控中心硬件由一臺(tái)服務(wù)器、監(jiān)控端計(jì)算機(jī)以及部分輔助設(shè)備構(gòu)成，服務(wù)器和監(jiān)控端計(jì)算機(jī)由局域網(wǎng)連接。如因條件限制也可將服務(wù)器和各監(jiān)控端功能集成在一臺(tái)電腦上。
    監(jiān)控中心客戶(hù)端軟件有系統(tǒng)設(shè)置、地圖窗口、位置管理和物資管理4個(gè)功能模塊。系統(tǒng)設(shè)置有通信設(shè)置、修改密碼、報(bào)警開(kāi)關(guān)和軌跡回放等。地圖窗口有地圖選擇、地圖設(shè)置、圖元設(shè)置和車(chē)輛狀態(tài)設(shè)置。位置管理有圍欄設(shè)置、區(qū)域設(shè)置和位置設(shè)置。物資管理有狀態(tài)查詢(xún)、各種數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)警處理和指令發(fā)送等功能。具體如圖3所示，監(jiān)控中心客戶(hù)端軟件運(yùn)行界面如圖4所示。

3．2 終端機(jī)設(shè)計(jì)
    終端機(jī)的功能模塊主要由主控機(jī)、北斗定位導(dǎo)航模塊、GPRS模塊和LED顯示模塊組成，具體如圖5所示。

    (1)主控機(jī)。是車(chē)載終端的核心部件，主要負(fù)責(zé)與北斗定位導(dǎo)航橫塊、GPRS模塊的通信，提供人機(jī)交互的接口LED顯示屏及觸摸屏，同時(shí)支撐嵌入式操作系統(tǒng)所需的底層硬件資源和相關(guān)硬件部分。
    (2)北斗定位導(dǎo)航模塊。主要接收北斗定位導(dǎo)航信息，實(shí)時(shí)提供車(chē)輛的位置、速度、時(shí)間等信息。
    (3)GPRS摸塊。主要負(fù)責(zé)與監(jiān)控中心的通信，將物資的位置信息、送達(dá)情況、安全情況傳給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心發(fā)來(lái)的指令也通過(guò)GPRS網(wǎng)絡(luò)傳播。
    (4)LED顯示屏及觸摸屏。主要提供人際交互的平臺(tái)，通過(guò)LED顯示屏提供給用戶(hù)簡(jiǎn)單友好的界面；用戶(hù)可以通過(guò)觸摸屏輸入控制命令等。

4 結(jié)束語(yǔ)
    基于“北斗二號(hào)”的物資運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)，利用“北斗二號(hào)”衛(wèi)星定位導(dǎo)航系統(tǒng)進(jìn)行定位導(dǎo)航，利用GPRS通信網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心和終端機(jī)之間的通信。“北斗二號(hào)”是我國(guó)獨(dú)立開(kāi)發(fā)的全球衛(wèi)星地位系統(tǒng)，不是“北斗一號(hào)”功能的簡(jiǎn)單延伸，而是GPS全球定位系統(tǒng)和伽利略系統(tǒng)，定位精度達(dá)到GPS民用水平，并且技術(shù)上不受制于人。GPRS通信網(wǎng)絡(luò)具有永遠(yuǎn)在線、快速登錄、高速傳輸、按量收費(fèi)、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。設(shè)計(jì)的物資運(yùn)輸監(jiān)控系統(tǒng)具有定位精確、價(jià)格低廉、簡(jiǎn)單實(shí)用的優(yōu)點(diǎn)，在物資運(yùn)輸監(jiān)控領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用空間。