一種新的GPS出租車調度系統(tǒng)的設計與實現(xiàn)

隨著IT產業(yè)的快速發(fā)展和互聯(lián)網(wǎng)的廣泛應用,過去許多由純硬件實現(xiàn)的嵌入式系統(tǒng)與產品已轉向由軟、硬件共同來實現(xiàn)。當前,以具有無線通訊功能的個人數(shù)字助理PDA、手持個人電腦HPC、交互式網(wǎng)絡信息家電、車載多媒體系統(tǒng)為代表的新一輪智能型3C(Computer、Communication、Consumer)合一的類PC嵌入式系統(tǒng)與技術[1]進入了一個嶄新的智能化、網(wǎng)絡化的發(fā)展階段,類PC嵌入式系統(tǒng)與產品的嵌入式操作系統(tǒng)及其應用軟件也同時得到了空前的發(fā)展與繁榮。

經濟的不斷發(fā)展使移動目標的定位、監(jiān)控、指揮和調度系統(tǒng)(如警用車輛的指揮調度、運鈔車的監(jiān)控與安全調度、出租車的經營管理和合理調度)成為公安、銀行以及公交運輸系統(tǒng)中一個越來越重要的問題。目前,用于交通管理系統(tǒng)的設備主要是無線電通信設備,由監(jiān)控調度中心向車輛駕駛員發(fā)出調度命令,駕駛員只能根據(jù)自己的判斷說出車輛所在的概略位置,而在夜間或在生疏地帶則無法確認自己的方位甚至迷路。因此,在調度管理和安全營運方面受到了一定程度的限制。

GPS(Global Position System)定位技術的出現(xiàn)給車輛、輪船等移動目標的導航定位提供了精確、實時的定位能力。由車載GPS系統(tǒng)所確定的車輛位置信息,通過車載電臺將其發(fā)送給調度指揮中心,調度指揮中心便可及時掌握各車輛的具體位置,并可以顯示在電子地圖上,非常直觀、清晰,然后進行安全、合理的調度。通過移動目標監(jiān)控調度系統(tǒng),調度指揮中心隨時可以知道入網(wǎng)移動目標的方位,不僅可以進行安全合理的監(jiān)控調度,而且可以為入網(wǎng)移動目標提供無線通訊、遇險報警、決策指揮等多項服務。

1 系統(tǒng)構成與原理

出租車調度系統(tǒng)主要由車載定位系統(tǒng)與調度指揮中心系統(tǒng)兩部分組成。調度指揮中心系統(tǒng)主要由監(jiān)控調度網(wǎng)絡服務器、彩色大屏幕顯示器、GSM模塊、穩(wěn)壓電源、系統(tǒng)監(jiān)控調度管理軟件和向量化電子地圖等六部分組成。本文僅介紹出租車車載定位系統(tǒng)。

目前國內出租車的經營管理和調度系統(tǒng)除具有監(jiān)督調度功能外,還提供無線通訊語音服務、遇險報警等。本文所介紹的具有自主知識產權的“GPS出租車調度系統(tǒng)”在功能上與現(xiàn)有方案大不相同,主要表現(xiàn)在兩方面:①車載系統(tǒng)不僅能顯示字符與漢字而且能顯示圖形(例如電子地圖);②調度指揮中心能對出租車進行群呼,實現(xiàn)大量信息的廣播下行,如交通信息、新聞、股票信息、天氣預報等。其主要目的是實現(xiàn)對某個地區(qū)出租車的分布情況進行實時統(tǒng)計。例如,當某個客戶向調度指揮中心打電話預約出租車時,總臺以廣播的方式通過尋呼臺向所有的出租車發(fā)出呼叫,并要求凡是處于以客戶為圓心的、半徑為某個值(由總臺確定)的區(qū)域中的出租車給與應答(當然是愿意承接此任務的司機)。總臺對所有處于此范圍的出租車進行統(tǒng)計分析,確定出一臺離用戶最近的、滿足客戶要求的(例如車型、性別、語言和年齡等)出租車。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

出租車車載系統(tǒng)主要由微控制器、GPS模塊、GSM無線通訊模塊、尋呼接收解碼模塊和LCD顯示模塊組件構成。

1.1 微控制器

車載系統(tǒng)中控制器的選擇至關重要,它不僅影響整個系統(tǒng)的性能,而且關系著車載系統(tǒng)的成本。目前國內的車載系統(tǒng)僅要求顯示字符、文字信息,普通的單片機就完全可以勝任,價格適中。然而,若要求顯示圖片、電子地圖等,則對控制器的頻率速度、存儲容量都有較高的要求。為了滿足其要求,車載系統(tǒng)中一般可選擇Intel StrongARM、ST StA2000、Motorola DragonBall等控制器,但價格很高,主要用于高端電子類產品上,例如掌上電腦HPC。針對各種小型數(shù)字設備的需求,目前各個半導體芯片廠商都投入了很大的力量研發(fā)、生產適用于這些設備的CPU及協(xié)處理器芯片。為了充分縮小尺寸,達到低功耗、低成本的要求,廠商甚至把少量存儲器、液晶顯示控制器以及I/O端口等也一并集成到芯片中。以上述處理器芯片為主,添加必要的外圍電路并配以少量外設,就可以非常方便地設計出功能強大的電子類產品。對其外圍模塊進行不同的組合,可以針對不同要求,設計出不同功能、不同價位的嵌入式控制產品。

1.2 GPS定位系統(tǒng)

GPS全球定位系統(tǒng)是美國國防部于1973年11月授權開始研制的全球性、全天候、連續(xù)的衛(wèi)星無線電導航系統(tǒng),歷經二十余年,耗資超過一百億美元,可提供實時的三維位置、三維速度和高精度的時間信息。由于GPS定位技術具有精度高、速度快、成本低的顯著優(yōu)勢,已成為目前世界上應用最廣泛、實用性最強的全球精密授時、測距、導航、定位系統(tǒng)。近幾年來,全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)獲得了迅速發(fā)展,GPS定位技術已經滲透到了經濟建設和科學技術的許多領域。

目前,有很多廠商都能提供GPS OEM板產品,如SiRF、Conexant、Sychip、GARMIN等公司。其中美國GARMIN公司是世界上最著名、深受用戶信賴的專業(yè)GPS廠家,在GPS的定位、導航領域一直走在世界最前列,在提供各種類型的GPS成品的同時,還提供一系列最經典的GPS OEM板產品。由于GARMIN OEM板的定位速度快、工作穩(wěn)定、耐電壓沖擊和高抗干擾性,因而此方案采用了GARMIN GPS25板。

出租車車載定位系統(tǒng)的GPS模塊接收衛(wèi)星(共24顆,分布在6個不同的地球軌道上)發(fā)出的定位資料,并根據(jù)從三顆以上不同衛(wèi)星發(fā)來的資料計算出自身所處地理位置的坐標。坐標資料經GSM無線模塊發(fā)射給調度指揮中心。調度指揮中心將車載GSM模塊發(fā)回的坐標資料等信息還原。同時與GIS的電子地圖匹配,在電子地圖上顯示坐標的位置,以便指揮中心清楚和直觀地掌握車輛的動態(tài)位置信息。

1.3 GSM無線通信模塊

車載電臺實現(xiàn)與調度指揮中心的聯(lián)絡(雙向通信)。目前的車載電臺絕大部分是調頻(FM)制式的模擬移動通信系統(tǒng),主要為語音通信設計。要傳送車載臺的定位信息首先要通過音頻調制解調器將數(shù)字信號轉換成音頻模擬信號,然后加載到音頻車載臺上發(fā)送出去。其缺點是需建電臺、申請頻率點使用權、覆蓋面窄、發(fā)射功率小及容量有限等。除此之外,由于語音信道的信噪比較低,利用此信道進行數(shù)據(jù)通信時,誤碼率會增加,嚴重時會導致通信失敗。因此,在此方案中采用了GSM移動通信中的短消息來完成GPS定位信息數(shù)據(jù)的傳輸。

全球移動通信系統(tǒng)GSM (Global System for Mobile Communications)是歐洲主要電信運營者和制造廠家組成的標準化委員會設計的數(shù)字移動通信系統(tǒng),也是我國目前覆蓋面最廣、功能最強、用戶最多的移動通訊系統(tǒng)。GSM系統(tǒng)可提供多種業(yè)務,目前已開通并較常用的業(yè)務有:話音、短信、數(shù)據(jù)等。短消息 SMS(Short Message Service)是GSM移動電信系統(tǒng)的補充業(yè)務之一,它借助GSM網(wǎng)信令傳遞間隙進行傳送,不會占用話務信道。短消息每次限制在160個字符以內,這對GPS定位信息足夠了。電信運營者一般不會對短消息的傳送增加通信費用,僅適當收取一點開通費或很少的維護費,因此短消息的使用是非常廉價的(以北京電信目前的收費標準,每月僅為15元)。短消息的編碼支持中文、韓文、日文等文字字符集及符號,并且傳送字符內容支持Unicode字符全集,因此可以傳送中文信息。短消息的發(fā)送和接收離不開GSM數(shù)據(jù)通信平臺。GSM數(shù)據(jù)通信平臺是利用GSM短消息功能傳輸各種檢測、監(jiān)控數(shù)據(jù)信號和控制命令的通用通信平臺,可以廣泛應用于遠程監(jiān)控和數(shù)據(jù)采集、移動目標的監(jiān)控以及個人信息終端。具有不需另外鋪設網(wǎng)絡、通訊費用低廉、不受地域限制、任意設置傳輸機制等特點。本方案采用法國WAVECOM公司的GSM 模塊,其數(shù)據(jù)接口為RS232,可與微控制器的UART接口直接連接。

綜上所述,在綜合考慮運營費用和實現(xiàn)的難易程度等因素,目前的短信業(yè)務最適合定位信息的傳送,而且在使用這種業(yè)務的同時還可進行話音聯(lián)絡,互不沖突。

1.4 PAGER尋呼接收模塊

目前的GSM系統(tǒng)還不能提供廣播式短消息服務,為了實現(xiàn)廣播下行,在系統(tǒng)中增加了尋呼模塊。車載系統(tǒng)有了它也就具有了接收群呼的功能,調度指揮中心可實現(xiàn)廣播下行。

尋呼機主要由RF接受部分和DECODER解碼部分組成。其功能是將接收到的信息電磁波轉變成無線電射頻調制信號,再經過變換、解調恢復出數(shù)字基帶信號,送到后續(xù)的CPU進行處理。接收部分:包括天線組件、放大混頻電路和解調電路,實現(xiàn)由射頻信號向中頻信號、直到二進制代碼流的轉換。解碼部分:完成對接收到的二進制信息的譯碼,通過對數(shù)碼序列中的前置碼進行識別來判別當前所接受的數(shù)碼是否為POCSAG碼,如果是,再解調出包括地址和信息信號的POCSAG無線尋呼碼,并按特定格式傳送給車載系統(tǒng)CPU作存儲和顯示。無線尋呼組碼解碼方案有POCSAG和FLEX兩種數(shù)據(jù)協(xié)議格式。FLEX是多頻漫游高速尋呼協(xié)議,具有編碼速率高、信道用戶容量大、抗干擾性能好、與現(xiàn)有尋呼技術兼容能力強、支持綜合數(shù)據(jù)傳輸、能很好地支持雙向尋呼、適合全國乃至世界范圍尋呼聯(lián)網(wǎng)等優(yōu)點。目前,我國無線尋呼組碼解碼方案普遍采用POCSAG協(xié)議,該協(xié)議是國際無線電咨詢委員會(CCIR)確認的國際尋呼通信的一號標準編碼 (簡稱國際1號碼 )。所以構建尋呼功能只需外加一個RF接收模塊和解碼芯片即可,如圖2所示。

作為車載系統(tǒng)的一部分,尋呼機接收功能主要實現(xiàn)大量的信息接收,包括公司的廣播通知、交通信息、新聞、股票信息、天氣預報等的接收,通過車載系統(tǒng)的相應軟件控制在其LCD屏幕上顯示,比傳統(tǒng)的尋呼機速度快,頁面顯示內容清晰,可以顯示文字、圖表、曲線及照片等。該功能模塊的增加為車載系統(tǒng)擴大了信息來源,增強了車載系統(tǒng)的功能。通過車載系統(tǒng),使用者可以更加方便地接收、讀取、存儲和管理尋呼機的信息。

1.5 LCD液晶顯示模塊

實現(xiàn)電子地圖的顯示需要點陣圖形液晶顯示器。液晶顯示器(LCD)有黑白、彩色兩種,黑白屏以超扭曲向列型(STN)居多,對比度比TN型的更好。彩色屏以薄膜晶體管型(TFT)居多,分有源(Active)及無源(Passive)型兩種。TFT屏比STN屏響應速度快,可實現(xiàn)真彩色,但價格很高,約占整個產品成本的一半,主要用于高端電子類產品。通常高端微控制器中都內嵌有一個8位或4位的、灰度為4～16級的液晶控制器,有支持STN顯示屏的,也有支持TFT顯示屏的,分辨率最高可達1024×512個像素,并內嵌有幾十KB的幀緩沖器。

考慮到價位以及功能的要求,一般選擇320×240 STN黑白液晶屏來顯示電子地圖、出租車的經緯度及速度、通過PAGER接收調度指揮中心廣播下行的命令和控制中心通過GSM發(fā)來的短信消息等。由于車載系統(tǒng)中不便于使用觸摸屏,因此將液晶屏上的觸摸屏去掉,改換成有利于司機操作的鍵盤。

2 THOS清華嵌入式操作系統(tǒng)

嵌入式操作系統(tǒng)作為軟件系統(tǒng)的核心,在手持計算設備、控制系統(tǒng)、智能儀器儀表等各個領域起著十分重要的作用。開發(fā)具有自主知識產權的嵌入式操作系統(tǒng),不僅關系到我國未來科技的發(fā)展,而且可以擺脫對國外操作系統(tǒng)的過分依賴,為我國IT領域的發(fā)展提供一個良好的系統(tǒng)平臺。

考慮到未來工業(yè)發(fā)展對嵌入式操作系統(tǒng)的普遍需求,因此THOS操作系統(tǒng)定位為嵌入式、可配置、實時多任務的操作系統(tǒng),并將各種驅動程序等設計成均可自由裝卸的功能化模塊,主要用于控制系統(tǒng)、信息家電、各種移動設備等嵌入式系統(tǒng)產品。清華嵌入式操作系統(tǒng)的特點如表1所示。

清華嵌入式操作系統(tǒng)無論和普通的操作系統(tǒng)(如服務器上用的操作系統(tǒng)和臺式機上的操作系統(tǒng)等)相比還是與其它嵌入式操作系統(tǒng)(如WindowsCE、pSoS、VxWorks、Palm OS)相比都有顯著的優(yōu)點。

本文所介紹的GPS車載定位嵌入式系統(tǒng)不僅在硬件設計上具有外圍器件少、可裝卸、開發(fā)設計周期短等優(yōu)點,而且在系統(tǒng)軟件及驅動程序的開發(fā)上是基于具有自主知識產權的THOS平臺,達到了軟硬件協(xié)同設計的目的。由于該操作系統(tǒng)主要定位在與硬件緊密相連的控制系統(tǒng)和類PC系統(tǒng),因而在保持和Linux系統(tǒng)兼容的基礎上,具有易于向其它硬件平臺移植的特點,以便根據(jù)不同的需要將其組合為滿足不同要求的系統(tǒng),為嵌入式系統(tǒng)的軟硬件協(xié)同設計奠定了基礎。