基于GPS定位及3G通信客運(yùn)車輛監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：智能交通系統(tǒng)致力于交通系統(tǒng)的信息化、智能化和社會(huì)化，可有效解決日益嚴(yán)重的城市交通問題，因此備受各國(guó)關(guān)注。作為ITS的關(guān)鍵之一：客運(yùn)車輛監(jiān)控平臺(tái)及系統(tǒng)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛。為了使客運(yùn)車輛運(yùn)行的順暢、安全、綠色低碳，在采用基于差分GPS定位及中國(guó)聯(lián)通3G通信技術(shù)的基礎(chǔ)上完成了一種客運(yùn)車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)及相應(yīng)子系統(tǒng)的詳細(xì)設(shè)計(jì)，并通過在西安市某范圍內(nèi)對(duì)此系統(tǒng)實(shí)例部署實(shí)施的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)可以集客運(yùn)車輛監(jiān)控、調(diào)度、防盜防搶等功能于一體，并具備低成本及高效率。
關(guān)鍵詞：客運(yùn)車輛監(jiān)控；GPS定位；3G通信；智能交通

0 引言
    隨著機(jī)動(dòng)車輛規(guī)模的快速增長(zhǎng)，道路堵塞、交通事故、環(huán)境污染、能源浪費(fèi)等現(xiàn)象變得越來越嚴(yán)重，采取手段改善日趨嚴(yán)重的交通狀況就愈顯迫切。GPS，GIS，3G等新技術(shù)在車載導(dǎo)航和目標(biāo)監(jiān)控領(lǐng)域的應(yīng)用使得研究智能交通系統(tǒng)(Intelligent Transportation Systems，ITS)不斷獲得突破，作為ITS的關(guān)鍵之一：客運(yùn)車輛監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)展也極為迅速，但研究成果表明，在目前該類車輛監(jiān)控產(chǎn)品的使用和測(cè)試中還存在諸如定位不夠準(zhǔn)確、終端和監(jiān)控中心數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸困難、精度不高、價(jià)格昂貴等問題。針對(duì)以上關(guān)鍵技術(shù)及難題，本文設(shè)計(jì)了一種基于差分GPS定位及中國(guó)聯(lián)通3G通信技術(shù)的客運(yùn)車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)。

1 客運(yùn)車輛監(jiān)控系統(tǒng)解決方案
1．1 客運(yùn)車輛監(jiān)控系統(tǒng)架構(gòu)
    基于GPS定位及3G通信的客運(yùn)車輛監(jiān)控系統(tǒng)在客運(yùn)車輛上安裝車載終端主機(jī)、車載攝像機(jī)、無線網(wǎng)傳模塊等，對(duì)車內(nèi)外情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控；監(jiān)控指揮中心對(duì)前端獲取的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1．2 系統(tǒng)各組成部分說明
1．2．1 車載視音頻監(jiān)控模塊
    在車輛進(jìn)出口及重要位置安裝視頻攝像機(jī)，獲取車內(nèi)外的視頻信號(hào)，并傳輸給車載終端主機(jī)；車載視頻監(jiān)控終端負(fù)責(zé)采集視音頻數(shù)據(jù)、數(shù)字化壓縮處理，并進(jìn)行數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)保存在車載終端的硬盤內(nèi)。
1．2．2 信患交互模塊
    車載終端主機(jī)可通過3G無線網(wǎng)絡(luò)(中國(guó)聯(lián)通WCDMA)與中心平臺(tái)進(jìn)行交互上傳車內(nèi)外視頻圖像信息及報(bào)警信號(hào)；GPS衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)以及語音信息等交互功能。
1．2．3 GPS定位模塊
    車載終端主機(jī)可采集GPS衛(wèi)星定位信息，并通過3G無線網(wǎng)絡(luò)(中國(guó)聯(lián)通WCDMA)上傳至與中心平臺(tái)；中心平臺(tái)屏幕顯示車輛所在位置、速度、方向角等信息；并可實(shí)現(xiàn)車載電話功能。
1．2．4 中心管理平臺(tái)
    通過3G無線網(wǎng)絡(luò)(中國(guó)聯(lián)通WCDMA)對(duì)車載終端主機(jī)進(jìn)行集中管理；中心管理平臺(tái)具備車輛調(diào)度、車輛報(bào)警處理、遠(yuǎn)程指揮等功能。
1．2．5 車載終端主機(jī)說明
    組成：需要定位、跟蹤的車輛需安裝車載單元稱為車載終端。車載終端組成包括主機(jī)(由GPS接收機(jī)、WCDMA收發(fā)模塊、數(shù)字視頻服務(wù)器等構(gòu)成)、顯示設(shè)備、其他數(shù)據(jù)采集設(shè)備如攝像頭等。
    功能模塊：車載終端是客運(yùn)車輛監(jiān)控調(diào)度的重要部件，GPS接收機(jī)完成GPS衛(wèi)星信號(hào)的分析計(jì)算，通過WCDMA通信模塊發(fā)送給GPS調(diào)度管理中心。顯示設(shè)備可收發(fā)消息、實(shí)現(xiàn)調(diào)度功能、發(fā)出提示信息，攝像頭可拍照并由主機(jī)將數(shù)據(jù)上報(bào)到中心。

2 系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)分析
2．1 差分GPS定位技術(shù)
    差分GPS(Differential GPS，DGPS)定位需要至少2臺(tái)GPS信號(hào)接收機(jī)，分別安放在運(yùn)動(dòng)載體(客運(yùn)車輛)和基準(zhǔn)站(已知點(diǎn)位坐標(biāo))上，前者稱為動(dòng)態(tài)GPS信號(hào)接收機(jī)，后者稱為基準(zhǔn)GPS接收機(jī)。二者同步地對(duì)一組在視GPS衛(wèi)星進(jìn)行觀測(cè)，基準(zhǔn)接收機(jī)為動(dòng)態(tài)接收機(jī)提供差分改正數(shù)，并稱為DGPS數(shù)據(jù)，動(dòng)態(tài)接收機(jī)利用自己的GPS觀測(cè)值和來自基準(zhǔn)接收機(jī)的DGPS數(shù)據(jù)精確地解算出運(yùn)動(dòng)實(shí)體的三維坐標(biāo)。只有一臺(tái)基準(zhǔn)接收機(jī)用來發(fā)送“偽距校正值”的DGPS測(cè)量模式叫做單基準(zhǔn)站偽距DGPS測(cè)量，其工作原理可通過圖2直觀表示。

    實(shí)際操作中把基準(zhǔn)接收機(jī)設(shè)在監(jiān)控中心，動(dòng)態(tài)接收機(jī)則放于客運(yùn)車輛上，經(jīng)測(cè)試，DGPS測(cè)量可以把單點(diǎn)動(dòng)態(tài)實(shí)體定位精度提高到10 m之內(nèi)，也可以較好的解決GPS靜態(tài)定位漂移的問題。
2．2 WCDMA無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)
    第三代(3G)無線通信技術(shù)中寬帶碼分多址(Wideband Code Division Multiple Access，WCDMA)技術(shù)是全球商用時(shí)問最長(zhǎng)，技術(shù)成熟、可演進(jìn)性最好的。具有網(wǎng)絡(luò)速度快、支持業(yè)務(wù)廣、終端種類多、國(guó)內(nèi)覆蓋范圍廣的特點(diǎn)，這也是本文采用此技術(shù)的原因。
    WCDMA采用直接序列擴(kuò)頻碼分多址(DSCDMA)、頻分雙工(FDD)方式，碼片速率為3．84Mc／s，載波帶寬為5 MHz。基于Release99／Release 4版本，可在5 MHz的寬帶內(nèi)提供最高384 Kb／s的用戶傳輸速率。WCDMA能夠支持移動(dòng)／手提設(shè)備之間的語音、圈像、致?lián)约耙曨l通信，速率可達(dá)2 Mb／s(對(duì)于局域網(wǎng)而言)或384 Kb／s(對(duì)于寬帶而言)。輸入信號(hào)先被數(shù)字化，然后在一個(gè)較寬的頻譜范圍內(nèi)以編碼的擴(kuò)頻模式進(jìn)行傳輸，窄帶CDMA使用的是200 kHz寬度的載頻，而WCDMA使用的則是一個(gè)5MHz寬度的載頻。
2．3 視頻傳輸流量控制方法
    為了實(shí)現(xiàn)3G環(huán)境下視頻傳輸系統(tǒng)工作的的穩(wěn)定，采用了如下方法，基本工作原理如圖3所示。核心思想是在處理器端增加了視頻傳輸流量控制模塊，并增加了監(jiān)控端接受緩沖區(qū)尺寸變化的反饋。根據(jù)監(jiān)控端所占用的緩沖區(qū)大小就可以近似的知道當(dāng)前傳輸?shù)乃俾适欠窈线m，當(dāng)接收緩沖區(qū)之中的內(nèi)容比較多時(shí)說明視頻幀有堆積現(xiàn)象，此時(shí)應(yīng)減少視頻傳輸?shù)膸瑪?shù)，并以合適的時(shí)延調(diào)節(jié)以獲得較好的傳輸質(zhì)量；相對(duì)應(yīng)的在接受緩沖區(qū)中積累的數(shù)據(jù)較小時(shí)可以適當(dāng)增大傳輸數(shù)據(jù)的幀數(shù)。

3 基于GPS定位及3G通信的客運(yùn)車輛監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)例分析
    基于以上系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)方法說明，實(shí)現(xiàn)了一個(gè)基于GPS定位及3G通信的客運(yùn)車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)：系統(tǒng)中有效利用現(xiàn)有的公共通信網(wǎng)絡(luò)中國(guó)聯(lián)通WCDMA網(wǎng)絡(luò)作為移動(dòng)通信鏈路，在WCDMA網(wǎng)絡(luò)上建立公交數(shù)據(jù)專用網(wǎng)絡(luò)VPDN；考慮到車內(nèi)的無線和強(qiáng)電磁干擾，采用數(shù)字化解決方案，選用無線數(shù)字網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控終端進(jìn)行視頻處理傳輸；每輛車內(nèi)安裝攝像機(jī)、無線數(shù)字監(jiān)控終端，視頻服務(wù)器，通過WCDMA無線通信鏈路將視頻信號(hào)及GPS信息遠(yuǎn)程傳送至中心監(jiān)控管理平臺(tái)；監(jiān)控中心服務(wù)器用于接收車輛的位置、速度、司機(jī)的反饋信息等，進(jìn)行分析和計(jì)算，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地報(bào)告被監(jiān)測(cè)點(diǎn)的情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題并進(jìn)行處理，并告知執(zhí)行一些監(jiān)控中心分配下來的任務(wù)。系統(tǒng)主監(jiān)控界面效果圖如圖4所示。

    系統(tǒng)主要功能有：遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和調(diào)度；錄像、回放及報(bào)警；GPS定位；雙向視頻通話等。
    經(jīng)為期3個(gè)月的測(cè)試及反饋信息發(fā)現(xiàn)此系統(tǒng)主要具備以下特點(diǎn)：
    系統(tǒng)具備電信級(jí)處理能力，可實(shí)現(xiàn)較大規(guī)模數(shù)據(jù)即時(shí)處理和響應(yīng)、確保系統(tǒng)無故障運(yùn)行；
    定位精度高，在原有類似產(chǎn)品基礎(chǔ)上有了明顯的改善；
    由于采用WCDMA的3G通信技術(shù)，無線通信高速、穩(wěn)定、實(shí)時(shí)性好；
    高度的開放性和強(qiáng)大的可擴(kuò)展性，可根據(jù)用戶需求實(shí)現(xiàn)功能擴(kuò)展。

4 結(jié)語
    基于GPS定位及3G通信的客運(yùn)車輛視頻監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)中綜合應(yīng)用了差分GPS定位技術(shù)、WCDMA的3G無線通信技術(shù)、視頻傳輸流量控制技術(shù)及先進(jìn)的無線互聯(lián)方法，經(jīng)測(cè)試所構(gòu)建的客運(yùn)車輛監(jiān)控系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)視頻實(shí)時(shí)瀏覽、車輛定位管理、多種報(bào)警等各種功能，提高了客運(yùn)車輛運(yùn)行的安全保障、乘客的滿意度、管理效率，同時(shí)也降低了運(yùn)行成本。今后的工作將集中在研究更為先進(jìn)的GPS定位技術(shù)、3G網(wǎng)絡(luò)技與“物聯(lián)網(wǎng)”的結(jié)合及在車載導(dǎo)航、交通事故應(yīng)急響應(yīng)等方面的應(yīng)用，為發(fā)展智能交通系統(tǒng)提供參考。