利用GPS模塊與GPRS實現(xiàn)出租車監(jiān)控調度系統(tǒng)設計方案

1 引言

在車輛定位系統(tǒng)中，GPS 系統(tǒng)是目前世界上應用得最為廣泛的，其功能作用已廣為人所接受。它能為用戶提供全球、全天候、高精度、連續(xù)實時的導航、定位和授時。

隨著移動 GPRS 業(yè)務的開展，GPRS 在無線傳輸中已經成為一種成熟可靠的傳輸方式。

GPRS 網(wǎng)本身支持TCP/IP、X.25 等協(xié)議，可以直接與IP 網(wǎng)或X.25 網(wǎng)互通，實現(xiàn)GPRS 終端的上網(wǎng)功能。它可以保證永遠在線，而且是按照流量記費，不傳輸數(shù)據(jù)時不計費，同時中國移動公司的眾多基站和可靠的頻段信號能夠保證信息傳輸及時、無誤。

2 系統(tǒng)總體結構和實現(xiàn)功能介紹

本系統(tǒng)基于 GPS/GPRS 進行設計，主要以出租車公司為服務對象，總體結構如圖1：

主要實現(xiàn)的功能為：

出租車終端利用 GPS 模塊實時地接收其定位、速度、時間等信息，然后通過GPRS 模塊將這些信息上傳至監(jiān)控中心，在遇到緊急情況時，向監(jiān)控中心發(fā)出求救警報。

監(jiān)控中心將接收到的信息寫入數(shù)據(jù)庫，對車輛的位置、速度進行實時的監(jiān)控，必要時發(fā)出警告信息，處理客戶預訂業(yè)務時向出租車發(fā)送調度信息。

3 整體系統(tǒng)的設計

本系統(tǒng)的設計主要由三部分組成：出租車終端軟硬件設計、監(jiān)控中心軟件設計以及車載終端和監(jiān)控中心通信程序設計。

3.1 出租車終端的軟硬件設計

3.1.1 出租車終端的硬件設計

該終端硬件部分主要由主控芯片、GPRS 模塊、GPS 模塊組成。

主控芯片選用三星公司生產的 S3C2410 處理器，該處理器采用ARM920T 內核，S3C2410外圍電路包含電源模塊、64M SDRAM、64M FLASH、RS232 串行口、USB 接口、4×4 鍵盤接口模塊、LCD 模塊等。

GPS 模塊選用的是Compass Systems 公司生產的GM611 滑鼠型GPS 衛(wèi)星接收機，它具有超高靈敏度、超低功耗和超小體積的特點，而且?guī)娏Υ判裕瑩碛袊栏竦姆浪O計，可將其直接吸附于車頂使用，2D 定位精度小于10 米。該GPS 模塊與主板的串口1 連接，上電后以每秒鐘一次的頻率將定位信息傳送給處理器。

GPRS 模塊選用的是WAVECOM 公司生產的WISMO QUIK Q2406A 模塊，它是GSM/GPRS 900/1800 雙頻模塊，與標準的AT 指令兼容。它與S3C2410 主板的串口2 連接，實現(xiàn)GPRS 撥號上網(wǎng)。

3.1.2 出租車終端的軟件設計

該終端的軟件設計主要包含兩個部分：GPS 定位信息的接收和GPRS 撥號上網(wǎng)的實現(xiàn)。

由于終端移植了嵌入式Linux（內核版本為2.6.16），它提供豐富的設備支持和成熟的系統(tǒng)管理能力，因而大大地簡化了軟件的開發(fā)過程。

（1）GPS 定位信息接收的實現(xiàn)

該過程主要通過 Linux 串口通信編程來實現(xiàn)，在實現(xiàn)過程中的關鍵處理部分是：串口屬性設置以及對接收到的GPS 信息的解析。

由于 GPS 模塊輸出的每幀數(shù)據(jù)都是以換行符結束，所以在設置串口屬性的時候可將其模式設為規(guī)范（Canonical）模式，即每次讀取串口時先將數(shù)據(jù)保存到緩存，直到讀到換行符時所有數(shù)據(jù)才會被傳輸，這樣就能保證每次讀取的是整幀數(shù)據(jù)，方便之后的幀頭判斷和信息解析。接下來還要根據(jù)GPS 模塊的默認參數(shù)配置串口傳輸速率為4800bps，8 位數(shù)據(jù)位，1 位停止位，無校驗位，串口屬性就設置完畢了。

GPS 模塊的輸出幀遵循NMEA0183 標準，具有多種格式，主要由幀頭進行標志，包括$GPGGA、$GPGLL、$GPGSA、 $GPGSV、$GPGMC、$GPVTG 六種幀，分別描述不同信息，一般來說$GPRMC 幀就可以提供我們所關心的數(shù)據(jù)，如經緯度、速度、時間等，所以只需對該幀信息進行提取。$GPRMC 幀的格式如圖2：

在每次讀取的時候首先需要對幀頭進行判斷是否是$GPRMC 幀，然后再根據(jù)幀中的逗號位置，對該幀數(shù)據(jù)進行解析，提取所需的定位、速度和時間信息。

（2）GPRS 撥號上網(wǎng)的實現(xiàn)

該部分是整個系統(tǒng)的關鍵，是實現(xiàn)出租車終端和監(jiān)控中心進行無線通信的基礎，該過程主要依靠PPP（點到點協(xié)議）來實現(xiàn)，它可以實現(xiàn)在串行鏈路上創(chuàng)建和運行IP 協(xié)議。

為了能夠實現(xiàn)PPP 連接，首先需要配置內核使其支持PPP，然后通過交叉編譯生成ARM平臺下的pppd 和chat 應用程序。PPP 連接的建立和維持需要由pppd 和內核中的PPP 驅動程序配合完成。chat 程序主要用于和GPRS 模塊進行交互，完成撥號和各項配置。執(zhí)行pppd的時候將首先調用chat 程序進行撥號連接，PPP 鏈路的建立流程如圖3：

首先執(zhí)行 chat 程序對中國移動的接入號碼進行撥號，建立與PPP 服務器端的物理連接，然后進行LCP 鏈路的協(xié)商，主要協(xié)商一些鏈路參數(shù)（數(shù)據(jù)幀格式、最大傳輸單元等），協(xié)商成功后將建立與PPP 服務器端的數(shù)據(jù)鏈路，接著向PPP 服務器端提供用戶和口令進行PAP驗證，在未通過驗證之前是不能進行任何數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，最后，進行IPCP 協(xié)商，主要進行IP地址的協(xié)商，協(xié)商成功后，出租車終端將獲得GGSN（GPRS 網(wǎng)關）為其動態(tài)分配的IP 地址。PPP 鏈路就建立完成了，之后出租車終端就相當于公網(wǎng)上的一臺主機，可以自由地與Internet 的其他主機進行數(shù)據(jù)交互了。

3.2 監(jiān)控中心的軟件設計

監(jiān)控中心是位于出租車公司的控制中心，它與公司服務器進行局域網(wǎng)連接如圖1，服務器具有固定公網(wǎng)（Internet）IP 地址，而監(jiān)控中心的IP 地址為局域網(wǎng)IP，公網(wǎng)上的主機（出租車終端）是不能通過該IP 來訪問監(jiān)控中心的，要想實現(xiàn)這個過程，必須在公司服務器設置端口映射，端口映射的原理是將擁有固定IP 地址的服務器端口映射到處于局域網(wǎng)的某臺主機端口上，如圖4：

上圖中，將服務器的1111 端口映射到局域網(wǎng)內監(jiān)控中心的2222 端口，這樣外網(wǎng)主機發(fā)往服務器1111 端口的數(shù)據(jù)都將被重定向到監(jiān)控中心的2222 端口，監(jiān)控中心只要開放并監(jiān)聽該端口，即可獲得相關數(shù)據(jù)。

監(jiān)控中心主機采用 Debian Linux 操作系統(tǒng)，Debian 是一套為計算機設計的自由操作系統(tǒng)，它包含一萬五千多個軟件包，都是自由開源的，并被包裝成容易安裝的deb 格式，Debian是一款功能強大的Linux 操作系統(tǒng)。

監(jiān)控中心的軟件設計主要完成以下兩個任務：接收出租車終端發(fā)送過來的信息并寫入數(shù)據(jù)庫；設計圖形管理軟件，方便各項功能的實現(xiàn)。

（1）接收出租車終端發(fā)送過來的定位信息并寫入數(shù)據(jù)庫

設計一個守護（Daemon）進程，它可以實現(xiàn)在操作系統(tǒng)啟動后一直在后臺運行，不受控制終端的控制，該進程主要用于監(jiān)聽本監(jiān)控中心的指定端口，接收由出租車終端發(fā)送過來的定位、速度和時間信息，然后將所有信息寫入POSTGRESQL8.0 數(shù)據(jù)庫［4］。POSTGRESQL數(shù)據(jù)庫是世界上可以獲得開放源碼的最先進的數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，支持幾乎所有 SQL 構件（包括子查詢，事務和用戶定義類型和函數(shù)），并且為多種開發(fā)語言提供接口（包括 C，C++，Java 等）。

Linux 系統(tǒng)下采用C 語言對該數(shù)據(jù)庫進行操作，主要用到以下三個函數(shù)：

PQconnectdb（“dbname=psql_data”）用于打開名為psql_data 的POSTGRESQL 數(shù)據(jù)庫；PQexec（PQconnectdb（），sql_query）用于對打開的數(shù)據(jù)庫執(zhí)行各種SQL 語句；PQfinish（）用于關閉打開的數(shù)據(jù)庫。

（2）圖形管理軟件設計

監(jiān)控中心采用 GTK+2.0 進行圖形管理軟件的開發(fā)，GTK+2.0 采用面向對象的C 語言開發(fā)框架，盡管完全用 C 寫成的，但它是基于類和回調函數(shù)的思想實現(xiàn)的，應用它可以輕松的在Linux 系統(tǒng)平臺的X WINDOW 環(huán)境下開發(fā)出漂亮的圖形界面應用程序。

該管理軟件采用雙線程編程，實現(xiàn)的功能如圖5：

POSTGRESQL 數(shù)據(jù)庫中保存的信息是各項功能實現(xiàn)的基礎。由于GTK+2.0 開發(fā)可以完全使用C 語言來實現(xiàn)，所以在一個GTK+2.0 程序中可以很方便的進行POSTGRESQL 數(shù)據(jù)庫的各項操作。需要注意的是在使用GTK+2.0 開發(fā)中文軟件的時候要將輸入字符設置為utf-8 的格式，否則軟件不能正常顯示中文字。

3.3 車載終端和監(jiān)控中心通信程序設計

出租車終端已獲得 IP 實現(xiàn)撥號上網(wǎng)，監(jiān)控中心也進行了服務器端的端口映射，兩者都成為了連上Internet 的主機，接下來就可以通過Socket（嵌套字）實現(xiàn)兩主機進程間的通信。

在網(wǎng)絡通信過程中，各主機的進程是由與其綁定的端口號來進行區(qū)分的。

出租車終端和監(jiān)控中心采用 client 和server 模型，因為數(shù)據(jù)發(fā)送比較頻繁，所以使用UDP 協(xié)議進行數(shù)據(jù)包的傳輸，以提高傳輸速率。首先由車載終端進程創(chuàng)建一個Socket，接著向監(jiān)控中心指定端口發(fā)起連接請求。監(jiān)控中心進程也創(chuàng)建一個Socket，并將其綁定到該指定端口，接著對該端口進行監(jiān)聽，一旦檢測到連接請求，隨即調用connect 函數(shù)建立該連接，從而在兩主機上的Socket 之間建立連接，之后雙方進程之間就可以通過send（）和recv（）函數(shù)進行數(shù)據(jù)的發(fā)送和接收操作了。

4 結論

本文提出了一套完整的出租車監(jiān)控調度系統(tǒng)設計方案，充分利用了 GPS 精確的定位能力和GPRS 穩(wěn)定、高速的無線數(shù)據(jù)傳輸能力。在經過實際調試應用后，系統(tǒng)運行穩(wěn)定。再加上本系統(tǒng)軟件部分都是在Linux 操作系統(tǒng)下實現(xiàn)，使得系統(tǒng)開發(fā)成本大大降低，如果在車載終端硬件設計時能夠進行針對性的優(yōu)化配置，將使得成本進一步降低。另外，在本系統(tǒng)的基礎上擴展其他功能也是很方便的，如在車載終端引入電子地圖的導航功能，以及監(jiān)控中心引入路況報告功能等。隨著GPS定位能力的進一步提高和3G時代帶來的移動通信速率的提升，相信本系統(tǒng)將擁有更為廣闊的應用前景。