利用GPS模塊與GPRS實(shí)現(xiàn)出租車監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(yīng)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(shí)時(shí)的導(dǎo)航、定位和授時(shí)。

隨著移動(dòng) GPRS 業(yè)務(wù)的開展，GPRS 在無線傳輸中已經(jīng)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(shí)現(xiàn)GPRS 終端的上網(wǎng)功能。它可以保證永遠(yuǎn)在線，而且是按照流量記費(fèi)，不傳輸數(shù)據(jù)時(shí)不計(jì)費(fèi)，同時(shí)中國(guó)移動(dòng)公司的眾多基站和可靠的頻段信號(hào)能夠保證信息傳輸及時(shí)、無誤。

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和實(shí)現(xiàn)功能介紹

本系統(tǒng)基于 GPS/GPRS 進(jìn)行設(shè)計(jì)，主要以出租車公司為服務(wù)對(duì)象，總體結(jié)構(gòu)如圖1：

主要實(shí)現(xiàn)的功能為：

出租車終端利用 GPS 模塊實(shí)時(shí)地接收其定位、速度、時(shí)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(shí)，向監(jiān)控中心發(fā)出求救警報(bào)。

監(jiān)控中心將接收到的信息寫入數(shù)據(jù)庫(kù)，對(duì)車輛的位置、速度進(jìn)行實(shí)時(shí)的監(jiān)控，必要時(shí)發(fā)出警告信息，處理客戶預(yù)訂業(yè)務(wù)時(shí)向出租車發(fā)送調(diào)度信息。

3 整體系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

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

3.1 出租車終端的軟硬件設(shè)計(jì)

3.1.1 出租車終端的硬件設(shè)計(jì)

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(chǎn)的 S3C2410 處理器，該處理器采用ARM920T 內(nèi)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(chǎn)的GM611 滑鼠型GPS 衛(wèi)星接收機(jī)，它具有超高靈敏度、超低功耗和超小體積的特點(diǎn)，而且?guī)?qiáng)力磁性，擁有嚴(yán)格的防水設(shè)計(jì)，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(chǎn)的WISMO QUIK Q2406A 模塊，它是GSM/GPRS 900/1800 雙頻模塊，與標(biāo)準(zhǔn)的AT 指令兼容。它與S3C2410 主板的串口2 連接，實(shí)現(xiàn)GPRS 撥號(hào)上網(wǎng)。

3.1.2 出租車終端的軟件設(shè)計(jì)

該終端的軟件設(shè)計(jì)主要包含兩個(gè)部分：GPS 定位信息的接收和GPRS 撥號(hào)上網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)。

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

（1）GPS 定位信息接收的實(shí)現(xiàn)

該過程主要通過 Linux 串口通信編程來實(shí)現(xiàn)，在實(shí)現(xiàn)過程中的關(guān)鍵處理部分是：串口屬性設(shè)置以及對(duì)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(jié)束，所以在設(shè)置串口屬性的時(shí)候可將其模式設(shè)為規(guī)范（Canonical）模式，即每次讀取串口時(shí)先將數(shù)據(jù)保存到緩存，直到讀到換行符時(shí)所有數(shù)據(jù)才會(huì)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(rèn)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(yàn)位，串口屬性就設(shè)置完畢了。

GPS 模塊的輸出幀遵循NMEA0183 標(biāo)準(zhǔn)，具有多種格式，主要由幀頭進(jìn)行標(biāo)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(guān)心的數(shù)據(jù)，如經(jīng)緯度、速度、時(shí)間等，所以只需對(duì)該幀信息進(jìn)行提取。$GPRMC 幀的格式如圖2：

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

（2）GPRS 撥號(hào)上網(wǎng)的實(shí)現(xiàn)

該部分是整個(gè)系統(tǒng)的關(guān)鍵，是實(shí)現(xiàn)出租車終端和監(jiān)控中心進(jìn)行無線通信的基礎(chǔ)，該過程主要依靠PPP（點(diǎn)到點(diǎn)協(xié)議）來實(shí)現(xiàn)，它可以實(shí)現(xiàn)在串行鏈路上創(chuàng)建和運(yùn)行IP 協(xié)議。

為了能夠?qū)崿F(xiàn)PPP 連接，首先需要配置內(nèi)核使其支持PPP，然后通過交叉編譯生成ARM平臺(tái)下的pppd 和chat 應(yīng)用程序。PPP 連接的建立和維持需要由pppd 和內(nèi)核中的PPP 驅(qū)動(dòng)程序配合完成。chat 程序主要用于和GPRS 模塊進(jìn)行交互，完成撥號(hào)和各項(xiàng)配置。執(zhí)行pppd的時(shí)候?qū)⑹紫日{(diào)用chat 程序進(jìn)行撥號(hào)連接，PPP 鏈路的建立流程如圖3：

首先執(zhí)行 chat 程序?qū)χ袊?guó)移動(dòng)的接入號(hào)碼進(jìn)行撥號(hào)，建立與PPP 服務(wù)器端的物理連接，然后進(jìn)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(wù)器端的數(shù)據(jù)鏈路，接著向PPP 服務(wù)器端提供用戶和口令進(jìn)行PAP驗(yàn)證，在未通過驗(yàn)證之前是不能進(jìn)行任何數(shù)據(jù)傳輸?shù)?，最后，進(jìn)行IPCP 協(xié)商，主要進(jìn)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(guān)）為其動(dòng)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(dāng)于公網(wǎng)上的一臺(tái)主機(jī)，可以自由地與Internet 的其他主機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互了。

3.2 監(jiān)控中心的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心是位于出租車公司的控制中心，它與公司服務(wù)器進(jìn)行局域網(wǎng)連接如圖1，服務(wù)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(jī)（出租車終端）是不能通過該IP 來訪問監(jiān)控中心的，要想實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程，必須在公司服務(wù)器設(shè)置端口映射，端口映射的原理是將擁有固定IP 地址的服務(wù)器端口映射到處于局域網(wǎng)的某臺(tái)主機(jī)端口上，如圖4：

上圖中，將服務(wù)器的1111 端口映射到局域網(wǎng)內(nèi)監(jiān)控中心的2222 端口，這樣外網(wǎng)主機(jī)發(fā)往服務(wù)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(guān)數(shù)據(jù)。

監(jiān)控中心主機(jī)采用 Debian Linux 操作系統(tǒng)，Debian 是一套為計(jì)算機(jī)設(shè)計(jì)的自由操作系統(tǒng)，它包含一萬五千多個(gè)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(qiáng)大的Linux 操作系統(tǒng)。

監(jiān)控中心的軟件設(shè)計(jì)主要完成以下兩個(gè)任務(wù)：接收出租車終端發(fā)送過來的信息并寫入數(shù)據(jù)庫(kù)；設(shè)計(jì)圖形管理軟件，方便各項(xiàng)功能的實(shí)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(kù)

設(shè)計(jì)一個(gè)守護(hù)（Daemon）進(jìn)程，它可以實(shí)現(xiàn)在操作系統(tǒng)啟動(dòng)后一直在后臺(tái)運(yùn)行，不受控制終端的控制，該進(jìn)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(shí)間信息，然后將所有信息寫入POSTGRESQL8.0 數(shù)據(jù)庫(kù)［4］。POSTGRESQL數(shù)據(jù)庫(kù)是世界上可以獲得開放源碼的最先進(jìn)的數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)，支持幾乎所有 SQL 構(gòu)件（包括子查詢，事務(wù)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(duì)該數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行操作，主要用到以下三個(gè)函數(shù)：

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

（2）圖形管理軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)控中心采用 GTK+2.0 進(jìn)行圖形管理軟件的開發(fā)，GTK+2.0 采用面向?qū)ο蟮腃 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(diào)函數(shù)的思想實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)用它可以輕松的在Linux 系統(tǒng)平臺(tái)的X WINDOW 環(huán)境下開發(fā)出漂亮的圖形界面應(yīng)用程序。

該管理軟件采用雙線程編程，實(shí)現(xiàn)的功能如圖5：

POSTGRESQL 數(shù)據(jù)庫(kù)中保存的信息是各項(xiàng)功能實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)。由于GTK+2.0 開發(fā)可以完全使用C 語言來實(shí)現(xiàn)，所以在一個(gè)GTK+2.0 程序中可以很方便的進(jìn)行POSTGRESQL 數(shù)據(jù)庫(kù)的各項(xiàng)操作。需要注意的是在使用GTK+2.0 開發(fā)中文軟件的時(shí)候要將輸入字符設(shè)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(shè)計(jì)

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

在網(wǎng)絡(luò)通信過程中，各主機(jī)的進(jìn)程是由與其綁定的端口號(hào)來進(jìn)行區(qū)分的。

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

4 結(jié)論

本文提出了一套完整的出租車監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jīng)過實(shí)際調(diào)試應(yīng)用后，系統(tǒng)運(yùn)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(shí)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(shè)計(jì)時(shí)能夠進(jìn)行針對(duì)性的優(yōu)化配置，將使得成本進(jìn)一步降低。另外，在本系統(tǒng)的基礎(chǔ)上擴(kuò)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(dǎo)航功能，以及監(jiān)控中心引入路況報(bào)告功能等。隨著GPS定位能力的進(jìn)一步提高和3G時(shí)代帶來的移動(dòng)通信速率的提升，相信本系統(tǒng)將擁有更為廣闊的應(yīng)用前景。