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

前 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發(fā)應(yīng)用軟件，所以具有便捷的軟件開發(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，開始供電。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