關鍵詞 物流 車載終端 電子地圖 GPS定位GPRS通信Windows CE
物流在現(xiàn)代社會中正扮演著越來越重要的角色。但是，與國外技術(shù)密集型的物流行業(yè)相比，國內(nèi)物流行業(yè)在信息化、智能化程度上還存在著較大差距。鑒于這樣一種狀況，本文提出了一個基于WindowsCE平臺的物流車載終端設計方案。該物流車載終端以Liod評估板(簡稱為“Liod板”)為硬件平臺，在嵌入式操作系統(tǒng)Windows CE上實現(xiàn)的功能有：電子地圖，實現(xiàn)地圖4級縮放、平移、歸中功能；無線通信，實現(xiàn)終端與控制中心的GPRS無線通信；GPS定位，定位車載終端當前的位置；稱重與打印，讀取電子秤數(shù)據(jù)，實現(xiàn)票據(jù)的打??；語音提示，提供更好的人機交互功能。
1 軟硬件平臺簡介
本車載終端以Liod板為硬件平臺。Liod板的核心PXA270是一款屬于Intel XScale微架構(gòu)的高性能、低功耗嵌入式處理器。在本設計中要用到的主要有LCD、觸摸屏、以太網(wǎng)接口、全功能串口、音頻接口等。本設計方案采用WindowsCE作為軟件平臺。WindowsCE是一種針對小容量、移動式、智能化設備的多任務、搶占式、模塊化實時嵌入式操作系統(tǒng)。Windows CE具有與桌面Windows幾乎完全兼容的API接口，為了配合WindowsCE上的應用程序開發(fā)，微軟公司推出了eMbedded Visual C++(簡稱 “eVC”)集成開發(fā)環(huán)境。本系統(tǒng)采用的是eVC 4．O。
2 硬件設計
2.1 系統(tǒng)硬件設計
在Liod板的基礎上擴充了部分外圍電路。根據(jù)Liod板提供的硬件資源和系統(tǒng)需要使用的硬件情況，硬件設計主要包括兩個部分：以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口電路設計和電子秤硬件電路設計。
無線通信設備采用GPRS Modem。該GPRS Modem通過Liod板的串行口COMl發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；GPS定位采用12通道定位模塊GARMIN-15L；打印機采用TD58熱敏打印機；電子秤采用應變片壓力傳感器結(jié)合C805lF020單片機自行開發(fā)；語音提示模塊直接使用Liod板提供的音頻接口。由于GPS接收模塊、熱敏打印機、電子秤都要通過串行口與Liod板通信，Liod板原有的串口數(shù)量已經(jīng)無法滿足要求，因此采用ZNE-100T以太網(wǎng)轉(zhuǎn)串口模塊，把Liod板的以太網(wǎng)口擴充成3個串行口。系統(tǒng)的硬件連接如圖1所示。
2.2 以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口電路
該電路的核心轉(zhuǎn)換部分采用ZNE-100T網(wǎng)絡模塊。經(jīng)過該電路的轉(zhuǎn)換，對串口的操作跌射為通過以太網(wǎng)進行的數(shù)據(jù)發(fā)送和接收。ZNE-100T模塊引腳定義如表l所到。
上述引腳中，GPIO0～GPIO4是可控制通用I／O口。在功能板的設計中，使用了3個RS232串口分別發(fā)送和接收電子秤數(shù)據(jù)、打印機數(shù)據(jù)和GPS數(shù)據(jù)。本系統(tǒng)采用帶有使能控制信號的MAX322l電平轉(zhuǎn)換芯片選擇要使用的串口，具體做法是將GPIO0～GPIO2分別連接到3個MAX322l的使能端(EN)，這樣就可以通過軟件來選擇需要的串口。使能端均為低電平有效，當有一個串口的使能端為O時，其他兩個串口使能端必須為l。
2．3 電子秤硬件設計
電子秤使用應變片壓力傳感器、AD822l運算放大器和C8051F320芯片進行設計。電子秤硬件電路框圖如圖2所示。
物品重量通過應變片壓力傳感器轉(zhuǎn)換成比較微弱的電壓信號。此電壓信號經(jīng)過AD822l運算放大器放大，送到C805lF020的ADC1轉(zhuǎn)換器；轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)通過串口發(fā)送出去，同時在擴展板的液晶顯示屏上顯示重量。電子秤的UART0和PC串口都使用9600 bps的波特率。
C8051F020的ADCl轉(zhuǎn)換器是8位的，因此轉(zhuǎn)換數(shù)據(jù)是0～255。電子秤的分辨率為20g，最大稱量量程是5．1 kg。
3 軟件設計
3.1 電子地圖
電子地圖模塊采用柵格圖像實現(xiàn)。柵格圖像又稱“位圖”，由像素點組成。與矢量圖像不同，柵格圖像在用作電子地圖時需要在地圖元素和數(shù)據(jù)之間建立對應關系。
首先對坐標系統(tǒng)進行簡單的說明。假設有一個形狀為嚴格矩形的地圖，其像素坐標原點為(O，0)，地圖X軸方向上的寬度假設為W個像素點，Y軸方向的高度假設為H個像素點，某個點的像素坐標為(x，y)，則定義該像素點的歸一化坐標為(x／W，y／H)。這樣，地圖左上角的歸一化坐標為(0．0，O．O)，右下角歸一化坐標為(1．0，1．O。把這樣的坐標系統(tǒng)稱為“歸一化坐標系”。
采用歸一化坐標系可以簡化柵格地圖的多級縮放。由于本終端要將車輛當前的位置顯示在地圖上，而對于不同的地圖級別，地圖的分辨率是不一樣的。那么，當?shù)貓D放大或縮小時，車輛對應的像素坐標就會發(fā)生改變；但是，在GPS連續(xù)的兩次更新間隔之間，車輛在地圖上的歸一化坐標是不會變化的。地圖放大或縮小后，只需要用新地圖的像素寬度乘以歸一化x坐標，即可得到車輛在新地圖上的X軸像素坐標；同理，可得車輛在新地圖上的Y軸像素坐標。這樣，坐標計算過程就可以統(tǒng)一起來。本設計中的電子地圖模塊統(tǒng)一采用歸一化坐標系。
根據(jù)設計要求，本終端的電子地圖支持4級縮放。設計中采用一幅大小為225l×1557、格式為BMP的成都地圖作為原始地圖，即所能支持的最大分辨率的地圖。把縮小8倍以后的地圖作為所能支持的最小分辨率地圖，因此地圖級別與放大倍數(shù)之間具有如表2所列的對應關系。
程序啟動時將所有位圖文件載入內(nèi)存，以加快響應速度。此后，當執(zhí)行放大或縮小地圖的操作時，則將相應的位圖顯示在屏幕上；同時，根據(jù)新的位圖大小和車輛的歸一化坐標計算出車輛在地圖的像素位置，并將車輛位置在地圖上顯示出來。
就車載終端而言，所覆蓋的地理范圍相對地球半徑來說幾乎無窮小，故可以認為該電子地圖所對應的經(jīng)緯度坐標是線性變化的，即地圖坐標和GPS坐標之間近似為線性映射關系。此線性映射關系的原理如圖3所示。
由于GPS得到的是當前車輛的經(jīng)緯度坐標，而電子地圖模塊使用的是歸一化坐標系，因此需要在兩種坐標之間進行轉(zhuǎn)換。此轉(zhuǎn)換過程是依靠地圖左上角點和右下角點這兩個基準點來實現(xiàn)的，因此首先需要求得地圖左上角和右下角的經(jīng)緯度坐標。有了這兩個數(shù)據(jù)以后，當從GPS硬件模塊讀取到經(jīng)緯度坐標時，根據(jù)近似的線性映射關系，就可計算出該坐標在地圖上的歸一化坐標，由此可得相應的像素點坐標，即可將車輛位置顯示出來。
對于地圖左上角點和右下角點的經(jīng)緯度坐標的求取，通過實際測量的方法是很難做到準確無誤的。因此本設計采用一種間接的方法來求得地圖左上角和右下角的經(jīng)緯度坐標。
假設在地圖邊界內(nèi)部有兩個任意點，把這兩個點稱為“參考點”，并且已知這兩個參考點的經(jīng)度、緯度、歸一化x坐標、歸一化，坐標；設參考點1的這4個參數(shù)為point1=(lon1，latl，x1，y1)，參考點2的這4個參數(shù)為point2=(lon2，lat2，x2，y2)，即pointl和point2已知。根據(jù)前面的說明可知，左上角點的歸一化坐標為(O．O，O．0)，而右下角點的歸一化坐標為(1．0，1．0)。另外假設左上角點用pomtTL表示，其經(jīng)緯度為lonTL和latTL；右下角點用pointBR表示，其經(jīng)緯度為lonBR和1atBR(TL意即TopLeft，BR意即BottomRight)，則有pomtTL=(lonTL，latTL，0，0，0．O)。同理，對于右下角的點有pointBR=(lonBR，latBR，1．O，1．O)。
由于將經(jīng)緯度與地圖坐標之間近似為線性映射關系，因此根據(jù)歐氏幾何原理可知，由已知的pointl和point2，可以計算出pointTL和pointBR的未知參數(shù)：
可見，要得到地圖左上角和右下角的經(jīng)緯度坐標，只需要知道2個參考點的4個參數(shù)就可以了。在本系統(tǒng)中，實地采集了3個參考點，得到的數(shù)據(jù)如表3所列。
根據(jù)式(1)和式(2)，上面的3個參考點之間兩兩結(jié)合可以求出一組左上角和右下角的經(jīng)緯度，總共可以有3種組合方案，也就是可以求得3組經(jīng)緯度值。然后，對這三組經(jīng)緯度取平均，以減小誤差，提高精度。
上述過程是在GPS數(shù)據(jù)處理模塊初始化過程中完成的。為了提高系統(tǒng)的靈活性和可靠性，參考點數(shù)據(jù)都是存放在外部數(shù)據(jù)文件中的，因此，需要在程序啟動時將相應的數(shù)據(jù)讀入到內(nèi)存中。為此，專門為參考點定義了一個數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)
本設計定義了用于存儲參考點信息的數(shù)據(jù)文件的格式，如表4所列。
上述工作完成之后，參考點數(shù)據(jù)的存儲和讀取就比較簡單了?；鶞庶c和車輛位置的計算都只是簡單的代數(shù)計算過程，容易實現(xiàn)。至于地圖的顯示和控制則需要通過Windows CE的API接口來完成。
3.2 GPRS模塊
本車載終端采用GPRS Modem與控制中心進行無線數(shù)據(jù)通信，對GPRS Modem的控制和讀寫通過串口進行。由于與控制中心交互的數(shù)據(jù)種類較多，因此定義了相應的應用層數(shù)據(jù)包格式。數(shù)據(jù)包的所有字段均采用單字節(jié)ASCII編碼且為固定長度。在發(fā)送端，數(shù)值型字段需要在發(fā)送前格式化為定長字符串再封裝到數(shù)據(jù)包中；在接收端，需要將數(shù)據(jù)包中的格式化字符串還原為數(shù)值型常量。數(shù)值型字段不足部分以字符“O”為前導字符進行填充；字符型字段不足部分以空格(SPACE，0x20)為前導字符填充。字符串型字段的長度不包括字符串結(jié)尾的NULL字符(在C語言中為0x00)。所有采用UNICODE編碼的字符數(shù)據(jù)在封裝到數(shù)據(jù)包中之前必須進行轉(zhuǎn)換。
定義的數(shù)據(jù)包主要有以下幾類：客戶端位置更新數(shù)據(jù)包；客戶端接件信息數(shù)據(jù)包；客戶端送達簽收數(shù)據(jù)包；服務器新任務數(shù)據(jù)包；客戶端確認數(shù)據(jù)包；服務器確認數(shù)據(jù)包；客戶端車輛故障數(shù)據(jù)包；客戶端道路堵塞數(shù)據(jù)包。
為了能夠正確解析數(shù)據(jù)包中的數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)包都具有相同的包頭(head)，即數(shù)據(jù)包類型(packet type)，時間戳標記(time stamp)、數(shù)據(jù)包順序號(packet sequencenumber)3個字段。當接收到一個數(shù)據(jù)包之后，根據(jù)包頭中的類型字段就能判斷該數(shù)據(jù)包主體部分的長度，由此即可正確解析出包中的內(nèi)容。包頭之后是數(shù)據(jù)包主體(body)部分，不同數(shù)據(jù)包類型有著不同的字段和長度。上述8種定義類型之外的數(shù)據(jù)包均為未定義類型，應當被丟棄。類型為NTSK、TMLF、RCNG的數(shù)據(jù)包需要接收端的確認；而RECV、SEND、UPDT、CACK、SACK這5種類型的數(shù)據(jù)包不需要確認。
GPRS Modem的數(shù)據(jù)傳輸與接收是通過串口編程來實現(xiàn)的。Windows CE平臺上的串口編程依賴于與文件相關的API接口：CreateFile()打開串口，ReadFile()從串口讀取數(shù)據(jù)，WriteFile()向串口寫入數(shù)據(jù)。由于網(wǎng)絡數(shù)據(jù)包的到來是一個異步過程，因此還需要處理串口的異步事件：GetCommMask()取得串口已經(jīng)設置的事件，setCom-mMask()設置串口事件集，WaitCommEvent()等待預先設置的串口事件集中的某一事件發(fā)生。
3．3 稱重與打印模塊
該模塊實現(xiàn)了電子稱重和憑單打印功能。
由于采用ZNE-100T以太網(wǎng)口轉(zhuǎn)串口模塊把Liod板的以太網(wǎng)口擴充為3個串口，因此對外擴的3個串口的訪問是通過以太網(wǎng)口進行的，這涉及Windows CE下的網(wǎng)絡編程。對外擴串口的控制是通過向ZNE-100T模塊的3003端口寫入控制命令字來實現(xiàn)的；數(shù)據(jù)的收發(fā)是通過ZNE-100T模塊的4001端口實現(xiàn)的。
網(wǎng)絡編程接口采用的是Winsock1．1，采用面向連接的TCP協(xié)議。對數(shù)據(jù)的讀寫采用了非阻塞的方式：寫操作直接將數(shù)據(jù)寫到套接口的輸出緩沖區(qū)中；而數(shù)據(jù)的讀取因為是一個異步過程，因此放在一個單獨的線程中完成。在此線程中定義了OnRead()、OnError()、OnDisconnect()回調(diào)函數(shù)，用于把線程中讀取到的數(shù)據(jù)遞交給上層或者處理讀取過程中發(fā)生的異常事件。
由于打印機、電子秤、GPS都是通過ZNE-lOOT模塊進行控制的，而Liod板提供的以太網(wǎng)口只有一個，因此在任何時刻都只能與打印機、電子秤、GPS三者中的一個通信，而其他兩個設備的串口則處于關閉狀態(tài)。這是通過向ZNE-100T模塊的3003端口發(fā)送不同的控制命令字完成的。
對于稱重，只存在由C8051F020單片機向Liod板的單向數(shù)據(jù)傳輸，稱量的范圍為40g～5lOOg，因此重量數(shù)據(jù)采用2個字節(jié)表示，單位為g。為了確保數(shù)據(jù)傳輸?shù)臏蚀_，除了2個字節(jié)的重量數(shù)據(jù)之外，還加入了幾個字節(jié)的冗余數(shù)據(jù)。電子秤的數(shù)據(jù)幀格式如下：
其中，OxAA Ox55作為起始標記；結(jié)尾處的0x05既表明重量數(shù)據(jù)幀的長度，也作為結(jié)束標記。
就打印機而言，控制命令字和要打印的數(shù)據(jù)都在同一個數(shù)據(jù)流中發(fā)送給打印機，由打印機去區(qū)分命令和數(shù)據(jù)。由于Windows CE默認支持的字符集是UNICODE字符集，因此輸出給打印機的字符需要轉(zhuǎn)換成多字節(jié)字符發(fā)送給打印機才能正確打印，這是通過標準C提供的wcs tombs()庫函數(shù)實現(xiàn)的。
3.4 語音提示模塊
考慮到配送人員在駕駛車輛的過程中不便于時刻留意系統(tǒng)中任務的變化情況，因此在車載終端上加入了語音提示模塊。
Windows CE提供了音頻API接口：
BOOL WINAPI PlaySound(LPCSTR pszSound，HMOD-ULE hmod，DWORDfdwSound)；
該函數(shù)的第1個參數(shù)表示要播放的音頻文件，第2個參數(shù)設置為NULL，第3個參數(shù)指定影響聲音播放的一些標志。因此，語音模塊的實現(xiàn)就是在不同的情況下播放不同的提示聲音。
4 結(jié)論
基于Liod評估板的車載物流終端集成了電子地圖、GPS定位、GPRS無線通信、打印與稱重、語音提示等功能。由于采用柵格圖像來實現(xiàn)電子地圖，因此通過將小范圍內(nèi)的地理經(jīng)緯度坐標簡化為線性坐標模型，可成功地在柵格圖像上實現(xiàn)車輛定位的功能。
編者注：本文為期刊縮略版，全文見本刊網(wǎng)站www.mesnet.com.cn。
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