近年来我国汽车行业飞速发展，每年都以几百万辆的速度递增，可是随着汽车的日益增多，城市智能交通，车辆管理表现出相对滞后的现象，如道路堵塞，交通事故，车辆被盗，这些已成为一个严重的社会问题。因此对于机动性强，数量众多的汽车进行有效监控，紧急救援和提供各种信息服务的需求越来越多。同时随着导航应用技术的飞速发展和通讯技术的不断提高，全球定位(GPS)系统与无线通信技术的发展使得对移动载体进行实时定位和远程监控调度成为可能，使人们能对移动载体进行全方位、全天候、实时地监控调度。目前，在车载终端多采用通过GSM短信方式实现与监控中心传输GPS定位信息的方案。此方案存在传送时间不确定，信道容量有限和可扩展性差的缺点，而对于GPS定位数据的漂移处理上，多数产品未能采取有效而实用的算法，在监控中心的上位机软件多数研究与开发还是基于组件式GIS的C/S模式，需要用户安装客户端软件方可使用，且必须定期更换地图信息源文件才能保证地理信息的准确，因此，本文尝试结合GPS、GPRS、WebGIS技术的各自优势，来设计智能车辆管理系统。
1系统组成
从整个系统设计来看，可以分为车载单元、GPRS无线网络和监控中心3部分组成。车载单元主要包括语音设备、无线传输终端、GPS卫星定位终端、指纹识别模块和电源设备等，主要完成现场数据的采集、编码、打包与传输、语音通信和车辆工况参数采集、GPS定位等功能。GPRS无线网络是基于移动公司的GPRS移动通信公众网，包括MSC基站控制器、SGSN业务支撑节点和GGSN网关支撑节。监控中心包括Web服务器、数据库服务器，主要负责与车载单元及客户端的连接及数据交换，监控中心采用专线、宽带网连接Internet，并配置公网固定IP地址。对无特殊需要的用户，监控中心可统一设在设备提供商的机房，以减少硬件的投入，Web服务器可实现无线传输终端的录入管理，车辆、用户信息的维护，具有Web及Wap页面的发布功能，并负责媒体数据流的分发管理，监控人员可通过浏览器登陆Web服务器进入系统，进行实时监视和操控车载终端。整体系统结构如图1所示。
图1系统总体结构
车载卫星定位系统的数据流程，首先由车载系统设备上的GPS卫星接收模块采集到GPS卫星数据，经单片机进行导航数据处理，如果是无效数据则丢弃数据，如果是有效数据，则提取出有效的定位数据得到汽车的地理坐标信息，该信息经车载系统处理后，由GPRS无线通信模块发送到GPRS无线通信网上。GPRS网络根据相应的协议在车载系统和接入Internet的监控中心之间建立一条支持TCP/IP的数据通道。监控中心把通过这条数据通道传送来的车辆位置数据经数据库和GIS技术显示在电子地图上，监控中心还可通过该通道向下发送控制命令和服务信息。因此，除车辆定位外，系统还可提供如调度、监控、紧急求助及移动电话等多种服务。
2硬件设计
整个系统的硬件由处理器芯片、存储器、GPS、GPRS、指纹、语音等模块组成，如图2所示。
图2硬件系统图
主控处理芯片选用ST公司的STM32F103VC单片机，其采用ARMCortex‐M3内核。内部数据路径、寄存器、存储器接口都是32位，Cortex‐M3采用了哈佛结构，拥有独立的指令总线和数据总线，可以让取指与数据访问并行不悖。这样一来数据访问不再占用指令总线，从而提升了性。GPRS模块采用SIMCom公司的SIM900A模块，其内置了TCP/IP和PPP协议，不需要移植TCP/IP协议就可以利用GPRS服务与终端建立连接、传输数据。GPS接收模块采用GlobalSat公司的EB-3631CX模块，此模块上电完成初始自检后，自动接收来自天线的GPS射频信号，经变频、放大、相关、混频等一系列处理后，完成并行通道对其视界内几何位置最佳的数颗卫星的连续跟踪，并测出信号从卫星到接收天线的传播时间，解译出GPS卫星所发送的导航电文。导航电文选取GPRMC格式，其格式下包含较全的GPS信息，最后经由串口输出纬度、经度、速度、时间、方向等定位信息到单片机。指纹模块采用深圳指昂公司的的ZAZ-010-B系列指纹识别模块，模块输出为TTL电平，要与单片机的串口相连接需要增加电平转换电路，这里我们选用了MAX232电路。
语音部分选用PWM语音播放方式，普通的语音播放一般采用D/A的方式来还原模拟语音信号，这就要求D/A有比较高的处理位数，必然会增加成本，PWM方式实现简单，语音质量也有较好的保证。以25KA/D采样速率采样语音数据，将采集的数据存于Flash存储器中（Flash采用了SST公司生产的SST25VF016B，带有2MByte的容量，以25K采样速率时录音时间达到80秒）。PWM波是由谐波和直流量合成，谐波是需要被滤除的信号，即通过模拟低通滤波器可以将调制后的PWM信号转换成模拟信号，滤波器可以消除大部分高频成分，最后只留下了直流量，达到还原模拟信号的目的。GPS模块、GPRS模块和指纹模块均采用串行通信方式实现与单片机的通信，数据传输控制简单可靠，覆盖范围广，实时性强。
3车载移动单元的软件设计
3.1μC/OS-Ⅱ操作系统
实时操作系统选用μC/OS-Ⅱ，它是一个免费的源代码公开的系统，提供了实时操作系统所需的基本功能。μC/OS-Ⅱ内核包含了任务调度、任务管理、时间管理、内存管理和任务间的通信与同步等基本功能。可以针对不同的硬件优化代码，去掉不需要的变量和不使用的函数，我们所用的实时操作系统需要向下负责管理硬件系统提供的各种资源，向上为各个层次协议软件提供数据通信接口，共享信息以及进程管理等。
3.2系统初始化程序的实现
软件系统初始化首先要定义入口指针，使整个应用程序只有一个入口指针，微处理器复位以后，PC指针将指向设定地址。然后设置各中断的优先级以及开放启动中断。系统初始化时需要设置一张中断向量表，对应各中断向量入口。在控制器访问外部设备之前，需要设置各个外设地址空间，最后完成各串口所连接外设的初始化。
3.3GPS信号定位处理
GPS模块在运行时不断接收来自卫星的星历参数和时间信息，经过所带算法计算求出模块自身的三维位置、方向以及运动速度和时间信息等。我们在应用软件开发时，不需要再考虑如何来提高GPS定位信息精度，因为我们是从GPS模块处接收的数据，这个数据已经经过接收机的处理，已经达到最好的精度，如果需要考虑，可以重新选择精度高的GPS模块。
由于GPS的导航卫星信号容易受到外部干扰或屏蔽问题，当GPS芯片收星能力不足时，如当车辆行驶在城市高楼区、地下隧道内、立交桥下时，由于卫星信号受到遮挡而容易暂时“丢失”，而使GPS接收机此时无法给出定位解或定位精度很差。即产生周调，从而失去定位能力。而如果收讯能力过强的话也有副作用，因为卫星发射的GPS信号本身就是电磁波，在地形复杂的环境比如高楼林立的城市中容易发生发射而产生杂波，这些信号会对GPS定位产生不利的干扰，从而产生漂移现象。GPS模块本身的动态滤波系统无法消除这些粗差的影响。目前，关于粗差的有效辨识和剔除，人们在理论上建立了一些具有针对性的实用方法，如抗差Kalman滤波法、自适应滤波法以及粗差探测修复法等。在算法研究上需要解决几个问题：
①确定对GPS数据施加算法的环节和时机；
②确定判定GPS漂移数据的标准；
③确定矫正GPS漂移数据的方法。如下给出了一种实用的矫正的算法：空间距离原则。
GPS模块可以从卫星接收到三种数据：目标速率v、目标位置p、目前时间t。因此，GPS接收模块在固定时间间隔内所移动的距离D=vt，考虑移动目标的实际情况，在时间间隔t内两点间的距离d应该限制在一定范围内，超过了这个范围就认定GPS接收到的数据为周调数据，就应该对其舍去或处理。D和d的比值应该限定在1附近，如果比值超过1一定限度，就有理由确定GPS数据是一个粗差，应予以校正。在使用前面两种GPS数据判定方法后，对断定为奇异点的GPS数据，可以使用3种方法进行平滑处理：
①当gps取回的速度小于一定值时（由于我们是车载，所以我定义的是2公里/小时），则认为静止，将此时所取到的gps值全部舍弃掉。
②对于前一秒速度小于2，后一秒速度也小于2的情况，当前秒无论速度为多少都认为是静止。
③校验当前秒和前次坐标的距离，如果超过常识距离则丢弃当前点。
基于上述方法列出了如下针对速度的处理函数：
intfilter_spd(filter_type*p,intspd,char*lat,char*lot)
{staticu8power_first=20;
staticintspdacc=0,i,spd_tmp=0,ttt=0;
ttt=spd-spdacc;
if(spd>spdacc)
{if(spd-spdacc>600)
{spd=spdacc;}
else
{spdacc=spd;}}
else
{if(spdacc-spd>600)
{spd=spdacc;}
else
{spdacc=spd;}}
p->spd_filter_buf[p->spd_pt]=spd;
p->spd_pt++;
if(p->spd_pt>9)
{p->spd_pt=0;}
for(i=0;i<10;i++)
spd_tmp+=p->spd_filter_buf[i];
spd_tmp/=10;
if(power_first>0)
{power_first--;
if(power_first==0)
{memcpy(p->latitude,lat,4);
memcpy(p->longitude,lot,5);}
if(spd_tmp<400)
{memcpy(lat,p->latitude,4);
memcpy(lot,p->longitude,5);
return0;}
else
{memcpy(p->latitude,lat,4);
memcpy(p->longitude,lot,5);
returnspd_tmp;}}}
如下图3图4对比了直接采集的GPS数据和经过算法处理后的数据。
图3未处理时GPS的漂移数据
图4处理后的GPS数据
3.4数据传输程序设计
系统中所发送和接收的数据信息大部分都是在无线移动环境下得到的，通信的可靠性和稳定性是软件设计极为重要的一部分，主要包括车载终端的GPRS模块在线时数据通路的稳定性、掉线时GPRS能否快速连线。本系统选用的GPRS模块内嵌了TCP/IP协议栈，处理器使用AT指令集，可方便与监控中心服务器建立TCP/IP或UDP/IP连接。因此，系统的软件设计无需考虑链路层PPP控制脚本程序和网络层TCP/UDP套接字程序的设计，降低了系统软件设计的复杂度，提高了通讯的稳定性。为在车载设备终端和监控中心之间来建立数据传输通路，需要经历以下两个主要过程:
(1)GPRS初始化
图4描述了模块初始化登陆的过程，上电后，模块首先进行硬件初始化设置，如配置数据的传输波特率，设置线路工作参数等。初始化完成之后GPRS模块将打开SIM卡，并进行校验SIM卡的操作，如判断SIM卡是否被更换等。这一切完成后，GPRS模块就进入就绪状态，开始登录网络，与监控中心进行“握手”应答，这一部分就是软件设计的主要。下图5描述了GPRS模块初始化登陆的过程。
图5GPRS模块初始化过程
(2)GPRS建立数据链路
模块登录GPRS网络成功后获到一个动态分配的IP地址，开始准备接收监控中心发送的带监控中心服务器IP地址的短信。一旦得到服务器IP地址，先创建socket进行连接，连接成功后给监控中心发送带己方IP地址的短信，并开始等待接收启动命令标志头。如果在预定的等待时间内没有收到监控中心发送的启动命令，则说明监控中心此时没有收取到车载终端的IP地址，则发送第二条带终端IP地址的短信给服务端，重复以上过程三次后结束。“握手”应答成功以后，车载终端与监控中心的数据链路建立，即可进行数据的可靠传输。
3.5系统控制程序的架构
系统控制程序将进行GPRS数据的收发、GPS定位数据和指纹数据的采集、数据处理、其它消息响应处理以及用户交互等。在系统控制中每个任务都需要限定其优先级及任务切换。图6描述了任务间的关系及切换，系统控制程序首先判断GPRS是否在线，若不在线，则执行登陆GPRS任务，若在线，则判断是否有数据要发送，若有，则执行数据发送任务；反之，接下去判断是否收到响应信息。若无，则任务切换到空闲任务等待响应各种信号量和邮箱消息，否则接收响应信息，进行信息解读，并根据解读到的信息做出相应处理和响应。
图6系统任务关系
4监控中心软件设计
监控中心实际上是一台具有公网IP地址的网络服务器，通过编写监控系统软件(主要由Web电子地图数据库、车辆信息管理数据库等组成)，监控中心将实时接收终端通过无线通信模块发送来的导航数据，并进行解析和存储，将所有车辆的位置和运动状态都显示在电子地图上，并针对不同的情况进行处理。监控中心客户端进行实时监视和操控车载终端，就要求GIS运行效率高，传输安全可靠，并具有丰富的地图操作能力，因此，传统的GIS技术开发将难以胜任。基于GoogleMapsAPI的WebGIS可以妥善的解决这一问题，它基于IIS对象平台，具有标准接口，允许跨语言应用。在此基础上开发的应用系统可被视为相互协同工作对象的集合，可以进行许多功能的自定义。本系统使用Microsoft公司的visualstudio作为WebGIS开发平台，通过脚本命令调用地图API使用GIS组件库和工具库，创建新的或扩展已有的WebService应用程序，能够很方便地将GIS功能嵌入到已有的应用系统中，利于定制实用的用户界面。监控中心也可采用WebGIS技术的C/S或B/S构架，监控中心和数据服务器可以处于不同的物理位置。利用.NET技术的网络服务通过本地的监控中心访问数据服务器，以获取数据信息发送命令。
图7监控软件界面图
5结论
本车辆导航监控系统综合运用了GPS卫星定位技术、WebGIS技术和GPRS通用无线分组技术，将三者结合应用在车载导航和监控调度中，充分发挥了GPRS数据传输的优势，其具有传输速率高，误码率低，延时小，实时性强等显著特点。本系统适用于各类车辆管理系统，如公交车辆管理、出租车管理、驾校车辆管理、车队车辆等等。
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