基于嵌入式Linux的车辆稽查系统设计书

1 基于嵌入式 1. 引言 目简要介绍 本项目采用嵌入式 术，结合 信技术和 解密技术，实现一个远程车辆稽查手持终端和相应的企业级服务器。该系统具有车辆稽查所需要的常用操作和数据库，并具有高安全性和全网监控的功能。 目提出的背景和意义 目前，我国的公路基础建设已进入快速发展阶段，公路里程有了大幅度的提高，汽车已经逐渐进入家庭，在路车辆不断增加。据不完全统计，每年全国漏征养路费高达人民币30国家造成了巨大的经济 损失。同时汽车的盗抢、丢失、违章等事件越来越多，需要交通征费稽查部门、公安交警部门上路检查的时间大大增加 。因此 ，在路面进行移动车辆稽查显得越发重要 。 在城市车辆稽查中，通常有以下三种方法： 第一种是通过单纯的人力进行路面拦截的车辆稽查。这种方法只能检查车辆驾驶员当时是否违反交通法则、驾驶员是否有相应的驾驶照、驾照是否过期失效或者是车辆是否超载违规、年审失效等基本信息，而关于车辆以前违规次数、车辆欠费情况等现场不能取得的重要信息往往无能为力。甚至有时候驾驶员无证驾驶，也可以推搪说成是忘记带驾驶证了，这给交通部 门工作带来很大的干扰。 第二种是采用笔记本电脑，通过查询笔记本电脑存储的车辆信息和驾驶员信息数据库而进行的车辆稽查。这种方法首先最大的缺点是数据库不能够实时同步，并且需要经常更新和维护数据库，给工作人员带来很大麻烦。其次是携带不方便，浪费资源。因为笔记本只用来查询，而不能集工作人员手机功能与一身，并且投资巨大，浪费财政。 第三种是采用便携式智能车辆稽查系统，该系统由笔记本电脑、摄像机、支架、 000/作系统、相关的识别软件构成，可以安放在收费站上面，也可以安放在车辆上面，具有实时捕捉图 像、自动识别车牌号，并且检查车辆是否欠费或者来历不明并且进行报警。该系统是目前最为先进的车辆稽查系统，能够大大提高工作人员的工作效率。主要 2 名称 缺点 纯人工路面稽查 方便 笔记本路面稽查 用麻烦 智能稽查系统 方便 表 1种稽查方法的优缺点比较 缺点是费用高，每套系统要 5 到 6 万人民币，并且在不能代替一切的车辆稽查，比如查询不能通过摄像头拍到的车辆或者是查询泊车是否超时等，均无能为力。 三种方法的优缺点比较如下表所示： 基于嵌入式 车辆稽查系统可以有效解决上述问题，用户只要一个手持终端，就可以进行路面车辆的轻松稽查，方便快捷，并且可以和数据库实时同步。该系统成本低廉、功耗低、集合了开源 有推广使用价值和借鉴意义。 色和创新点 虽然嵌入式 不是一个新鲜的话题，但是本系统在设计的时候充分考虑到了用户成本、系统稳定性、用户的需要等内容，使得本系统具有以下特色和创新点。 充分采用开源技术。终端大部分技术均采用了开源技术，包括引导程序、 形界面开发框架，服务器也采用了开源的 为服务器。 成本低廉。由于采用了开发技术，可以减少成本，而终端的设计本身就是立足在高性价比的 片上，而上网是采用 网，可以减少大部分的通信费用。 高安全性。采用 密算法实现服务器和终端的安全通信，并且用户需要认证才可以接入数据库。 集中控制。终端采用 术，使得服务器可以监控所有终端的状态、位置。 3 系统的可维护性和升级。大部分嵌入式系统在完成产品推出后，系统就难以升级，而本系统由于有强大的 为操作系统，可以不断地添加外部设备，充分利用开源技术，并且可以保持与时俱进，进行产品的升级。由于采用了中央数据库，从而可以保证系统的可维护性。 用户界面友好。大部分嵌入式设备的图形界面均相当简单，主要是满足了不同的需求，而本系统采用的图形界面框架，可以设计出和 相似的图形界面，相比其他嵌入式产品来说，友好的图形界面是一大特色。 可规模生产，具有产业价值。嵌入式系统的一大特点就是用户量大，同样，本系统一旦设计完成通过调试，可以大规模生产，并做为推广之用。 自主知识产权。 2 任务概述 标 本系统的目标是实现一个基于嵌入式 术、 术、 术、加解密技术的手持终端设备和基于 服务器系统。系统采用 C/S 模型，可以解决路面车辆信息的查询和数据库更新、拨打电话等功能，并具有高安全性和全网监控、全球导航功能。 户特点 本系统面向的用户属于交通稽查部门或者交警相关部门人员。这些人员对计算机的熟悉程度较低，因此系统应该具有友好的使用界面和稳定性。对于服务器可以由相关专业人员维护。 统特点 1终端性价比高。因为采用了 片和 作系统，在提高终端性能的同时降低价格。并且 网费用低，永远在线，按流量计费也进一步降低了费用，解决了费用问题。 2终端功能多。该系统集成查询、拨打电话、发送短消息功能于一身，并且提供了一个 面，可以获得很多的桌面应用软件，比如上网、文本编辑器等。在后续 的开发中，可以加上无线局域网、蓝牙功能，与小型打印机相连，实现增开罚单、缴费开单等 4 功能。 3终端携带方便。本系统体积小，可以随身携带，可以当做通用的智能手机那样使用，因此适合街道交通警察查询车辆情况。 4. 高安全性。服务器和终端的通讯是加密的，可以保证通信的安全。用户登录采用认证系统，可以保护本地数据库。服务器可以监控所有终端的状态信息。 3 需求分析 能需求 系统的功能结构图如图 2示。 能需求 终端响应时间： 3 天 可靠性： 365 天 拨打电话 基于嵌入式 辆稽查系统 手持终端设 备 服务器 图形界面 车辆查询 数据库更新 图形界面 数据库管理 终端管理 图 3统功能结构图 航 全网监控 5 服务器可支持终端： 500 台 本需求 终端单价： ,*9 间： 式； 定位状 态： A=有效定位， V=无效定位； 纬度 式； 纬度半球 N （北半球）或 S （南半球）； 经度 式； 经度半球 E （东经）或 W （西经）； 地面速率； 地面航向； 期， 日月年）格式； 磁偏角； 端软件设计 终端软件由引导程序、操作系统、应用程序组成。而应用程序借助操作系统，实现了车辆查询、更新、拨打电话、加解密、图形界面显示等功能。三者关系如下： 端引导程序 是在操作系统内核运行之前运行的一段小程序。 通过这段小程序，可以初始化硬件设备、建立内存空间的映射图，从而将系统的软硬件环境带到一个合适的状导程序 作系统内核 图 5终端软件组成 终端硬件 基于 架的图形界面 航 查询车辆信息息 拨打电话、发送 短信 10 态，以便为最终调用操作系统内核准备好正确的环境。 对于嵌入式系统来说，常用的 可以自己开发制作 了减少软件开发周期，应该选择开放的 过修改部分代码进行移植。 是德国 组开发的用于多种嵌入式 序，它可以运行在基于 多种嵌入式开发板上。由于其开源性，并且可移植的平台多、功能丰富、稳定性好，本系统使用 为启动引导程序。 作系统 随着消费类电子产品的快速发展，嵌入式操作系统得到了广泛的应用。目前，主流的嵌入式操作系统有 E、 S 。本系统采用嵌入式 软件开发平台，采用了 袭了主流 绝大部分特性，是 一个完全免费的、开放源代码的系统，用户可以根据用户自己的不同要求对操作系统进行裁减，以节省不必要的开销。另外， 统开发资源丰富，拥有丰富的驱动程序、应用程序和开发工具，能够根据用户的需要，移植到嵌入式 统中。 开源的操作系统和驱动程序，为终端的开发缩短了周期。 用程序 应用程序采用 C 和 C混合编程。主要完成系统的大部分功能，利用 统调用，可以直接通过串口和 信，从而完成无线上网、全球导航等功能，利用能，还可以实现拨打电话、发送短息等等。利用 架 ，可以编写图形界面，将有关数据以图形界面显示出来。 应用程序与服务器的数据需要经过加解密，因此需要借助加解密算法进行数据的封转，和服务器的通信需要遵循一定的协议，这个协议是架设在 议之上的应用层协议，是本系统专有的。 应用程序模块图如图 5示。注意如果需要和服务器通信的数据一般需要加解密，而数据如果本地使用，则不需要加解密。 11 基于 架的图形界面 航 解密引擎 用户登陆认证 查询车辆信息 开罚单单 打电话、发信 息 口 ） 图 5用程序软件构成 用函数 图形界面 图形界面采用 一个为嵌入式设备上的图形用户接口和应用开发而定做的 C+开发包，它通常可以运行在多种不同的处理器平台上。运行 要求一个较小的存储空间和内存。 以运行在不同的处理器上部署的 统。 图形界面采用 架开发，而有关的 航功能、查询车辆功能、开罚单功能、打电话、发信息等终端功能依赖函数实现，属于面向对象和面向过程混合编程。 这些封转好的函数如下表所示： 12 函数原型 功能描述 功能：用户登录 参数 ： 放密码 返回值：成功返回 0，失败返回 误原因存放在 功能：查询车辆 参数： 放查洵得到的数据， 长度 返回值：成功返回 0，失败返回 误原因存放在 功能：更新数据库车辆信息，供开罚单使用 参数： 定要更新的条目， 返回值：成功返回 0，失败返回 误原因存放在 功能 :取得 参数： 放 返回值：成功返回 0，失败返回 误原因存放在 功能 :拨打电话 参数： 返回值：无 功能 :发送短消息 参数： 放要发送的信息， 返回值：无 功能：发送 参数： 放 返回值：成功返回 0，失败返回 误原因存放在 * 功能 :取得其他终端的信息 参数： 返回值：无 13 加解密引擎 加解密算法采用标准 法，分别在服务器和终端实现。密钥管理采用数据库表进行管理 ，和对应的终端表连接起来。保证每个终端的加解密信息均不一样。密钥预先写入到终端里面，并且不可改变，由数据库统一维护。 加解密只需要三条函数 功能 :取得密钥信息 参数： 返回值：无 功能：加密数据 参数： 返回值：无 功能：解密数据 参数： 返回值：无 用函数 除了 统自带的 ，本系统为了操作的方便，将许多功能性的操作集成在一起，设计了一些供上层使用的函数，比如操 作串口函数，与 信函数，与 这里列举了一些做为代表。 与 信的列表如下： 函数原型 功能描述 功能：初始化串口为波特率 115200， 1个停止位，无奇偶校验和流控 参数：无 返回值：成功返回 0，失败返回 -1 功能：打开串口 参数：无 返回值：成功返回 0，失败返回 14 功能：往 参数： 指针 返回值：成功返回 0，失败返回 -1 功能：读取串口传送过来的字符，并使其以 0结束 参数： 指向一定数量的字符串缓冲区 返回值：成功返回 0，失败返回 -1 功能：比较 参数：指向需要比较的字符串 返回值：有返回 0，没有返回 -1 功能：检测 参数： 向 返回值：成功返回 0，失败返回 -1 功能：往 送字符串 数： 向发送的字符串 返回值：成功返回 0，失败返回 -1 功能：读取 参数： 向存储缓冲区 返回值：成功返回 0，失败返回 -1 功能：停止 参数：无 返回值：成功返回 0，失败返回 -1 ip,功能：建立 参数： 向端口字符串 返回值：成功返回 0，失败返回 -1 功能：关闭 参数：无 返回值：无 功能：发送短信息 参数： 向手机号码字符串， 返回值：成功返回 0，失败返回 -1 功能：检查是否登陆到服务器 参数： 指向 15 返回值：成功返回 0，失败返回 要说明 在 文件里面，还有关于操作串口的 义， 核没有实现他们，主要是库函数通过调用 数来实现各种串口操作的。本系统开发的时候会用到这些函数，这些函数是定义在 件里面。如下： / 返回 指 构中的接收 波特率。 / 返回 指 构中的发送波特率。 / 将 指 构中的接收波特率设置为 / 将 指 构中的发送波特率设置为 / 等待 指对象已写输出数据被传送出去。 / 挂起 /重启 指对象数据的接收和发送。 / 丢弃 定对象所有已写但还没传送以及所有已收到但还没有读取的数据。 / 获取与句柄 应对象的参数，并将其保存在 指的地方。 / 如果终端使用异步串行数据传输，则在一定时间内连续传输一系列 0 值比特位。 / 使用 构指针 指的数据，设置与终端相关的参数。 /* * 和 用这些符号常数 */ # / 挂起输出 。 # / 重启被挂起的输出。 # / 系统传输一个 符，使设备停止向系统传输数据。 # / 系统传输一个 符，使设备开始向系统传输数据。 16 /* * 和 用这些符号常数 */ # / 清接收到的数据但不读。 # / 清已写的数据但不传送。 # / 清接收到的数据但不读。清已写的数据但不传送。 /* * 使用这些符号常数 */ # / 改变立即发生。 # / 改变在所有已写的输出被传输之后发生。 # / 改变在所有已写的输出被传输之后并且在所有接收到但 / 还没有读取的数据被丢弃之后发生。 除了以上需要使用到的 外，我们要需要通用的 、 、 、 端和服务器通信协议 通过定义双方通信协议，可以大大简化操作，减少双方依赖性，达到通用接口的目的。对于服务器来说，只需要在 次处理通信协议就好了，按照协议规定的内容进行处理即可。首先，从 得 据，然后读取前 4 字节，取得数据长度，再进行解密，得出原本信息，之后根据条目数和条目内容分别进行操作即可。这些协议最后要经过加解密才可以发送。 看下图。 条目数 (2B) B) 度（ 2B） B) 度（ 2B） 容 已加密信息 容 长度（ 4B） 据 部 17 这些 分别有其标识符，标识符由两位构成，第一位表示操作类别，第二位表示具体操作。归纳如下： 标识符 宏定义 含义 00 陆 01 户名 02 码 10 陆结果 11 限不足 12 陆成功 20 询 21 牌号 22 份证 23 照 30 询结果 31 效车牌号 32 询得出汽车内容 40 新 41 新数据库 1 新数据库 50 新结果 51 新成功 18 60 据 61 度 62 度 70 他终端信息 71 端用户 72 码 73 置 80 终端信息 81 端标志符号 下面是个例子，讲述登陆过程如何封转成协议包，并进行加密和发送的，其他协议过程类似。 登陆过程，首先将数据封转成如下形式， 1 表示条目数为 1， 00 表示 作， 17表示后面的数据有 17B， 01 表示 4 表示长度，即 02 表示 5 表示密码长度为 5。 最后将总共长达 23B 的数据进行加密，注意 法是 8B 加密的，所以需要填充到24B，然后进行加密，加密后得出下面的的数据。 最后将这些数据发送到服务器即可。服务器首先读取前面 4 字节，得出数据长达 24B，然后将 24B 解密，然后分别解析里面的内容。比如，读取前面两个字节，得出条目数为 1，那么只需要进行一次循环即可，然后读取前面两个字节，得出 00，即 么按照处理。接着读 取 容为 17 字节，那么解析前面 2 个字节，得出 据长度信息，提取用户名出来，指针跳到下个 始出，即到了 始处，1 00 17 4 01 2 5 12345 24B 的加密信息 24 19 依次解析，直到 17 字节解析完。 端图形界面外观 （ 1）点击功能，查询车辆信息，输入车牌号即可查询车辆，需要登陆后才可以操作。如图 5 （ 2）查询车辆返回结果显示，其中部分内容通过滚动条可以显示。如图 5 图 5终端登陆服务器 图 5终端登陆服务器 20 6. 服务器设计 程语言和开发平台 由 司于 1995 年 5 月推出的 序设计语言（以下简称言）和 台的总称。 台由 拟机（ 用编程接口（ 称 成。 用 编程 接口为 作系统 的标准接口。在硬件或操作系统平台上安装一个 台之后， 用程序就可运行。现在 台已经嵌入了几乎所有的操作系统。这样 可以在各种系统中运行。 为三个体系 ： 台标准版 )， 台企业版 )， 台微型版 )。 我们使用的是 系。 优秀特性有： 面向对象 、分布式、安全健壮、高度可移植性、体系结构独立、多线程等等，而且有良好的图形界面和数据库 口支持，这是我为什么选择 言的主要原因。 一个全功能的开放源码 的 以帮助开发人员编写、编译、调试和部署 用，并将版本控制和 辑融入其众多功能之中。 它 由 司在 2000年创立，是开放源运动以及开发人员和客户社区的家园。 前可以在 S X 平台上进行开发，并在 用许可 )范围内使用。 支持 平台标准版 (用的创建、采用 2 层 及用于 2 层 用的 软件的核心组的创建。此外， 新 版 还预装了两个 务器，即 而免除了繁琐的配置和安装过程。所有这些都为 发人员创造了一个可扩展的开放源多平台的 支持他们在各自所选择的环境中从事开发工作，如 基于 方便性和优良特性，我们选定了它作为开发的平台。 据库无疑是目前最为强大的关系数据库管理系统 (一。近年来，数据库领域几乎总是处于领先地位。 产品非常优秀，使用过 据库的人对它的稳定性、可靠性都会留下深刻的印象。 持很好，自 以后，只要 现新的版本，都会有相应的 台下的版本。 在以后的版本上，加了对 拟机，可以运行 序实现对数据库的配置管理、网络连接、安 21 装和卸载等操作。 目标定位于高端工作站以及作为服务器的小型计算机 。 用服务器 102证的、最轻、最快、最具伸缩性的应用服务器，提供了企业门户软件、无线支持、高速缓存、轻量级 擎、商 务智能、快速应用开发、应用与业务集成、 务等多种应用开发功能，形成完整的电子商务应用开发和部署环境。使用了 用服务器 10g 的用户可以通过升级软件来取代升级硬件，大大的节省了基础设施的成本花费。 基于 先的技术、稳定的性能、强大的 持，本系统选用了 据库。 据库连接）是一种用于执行 句的 以为多种关系数据库提供统一访问，它由一组用 言编写的类和接口组成。工具 /数据库开发人员提供了一个标准的 此可以构建更高级的工具和接口，使数据库开发人员能够用纯 写数据库应用程序 。 编程方法比较简单，主要是分为装载驱动、建立连接、建立 行查询操作、返回结果集等。在此总结了本系统使用到的 和接口函数。 类名 主要成员函数 作用 取得数据库连接 创建一个 执行给定的 动到 获取当前行中某列值 表 6口类 22 据库设计 我们的数据库设计方法采用了 E R 图方法，省略了复杂的需求分析，直接根据资料划出 ，并且进行视图集成，然后将 往关系模型转化，转化成 5 张表和一张视图。最后使用 言进行数据库录入和采用 程对数据库进行操作。 在本系统数据库中，总共用到了驾驶员信息表、车辆信息表、驾照表、欠费信息单、用户表共 5 张表，考虑到安全性和方便性，我们将上述前四个表集成一个视图。这些表在一定程度上满足了稽查的需求。以后根据实际情况还可以添加扩展。我们主要介绍前 4 张表的 和对应的表信息。 车辆稽查系统数据库 见图 6 可以看出，驾驶员与驾照的关系是 1 比 1，而一个驾驶员可以拥有多于一 辆车，而一两车的欠费信息可以有多个。按照关系型数据库设计的原则，可以将 1 比 1，或者 1 比 此，我们得出了关系型数据库需要的四张表。见表6666 23 1 N 1 1 驾驶员 出生日 期 身份证号 姓名 性别 住址 拥有 驾照 驾照编号 发证日期 有效日期 生效日期 发证机关 准驾车型 拥有 车辆 车型 颜色 车牌号 购买地点 购买日期 欠费 欠费单 欠费日期 欠费原因 费用 欠费单 N 图 6车辆稽查系统数据库 24 表 6字段 类型 是否主键 是否外键 描述 8) 是 否 身份证号码 0) 否 是 驾驶员驾照编号 0) 否 否 姓名 2） 否 否 性别 否 出生日期 0) 否 否 住址 表 6 字段 类型 是否主键 是否外键 描述 0) 是 否 驾驶员驾照编号 0) 否 否 准驾车型 否 生效日期 否 有效日期 否 发证日期 0), 否 否 发证机关 表 6 字段 类型 是否主键 是否外键 描述 0) 是 否 车牌号 8) 否 是，参照 主 ) 否 否 车型 0) 否 否 车体颜色 0) 否 否 年检 0) 否 否 年税 否 购买日期 表 6 字段 类型 是否主键 是否外键 描述 0) 是 否 欠费单编号 00) 否 否 欠费原因 否 欠费日期 0) 否 否 欠费多少 25 服务器软件详细设计 服务器软件的处理流程如图 6。最底层是数据库 高层是图形界面层和面向终端的 接。之所以在最高层有两个方向，是因为一方面服务器要处理来自 接，执行数据库查询操作，而另一方面还需要提供本地的图形界面可以对数据库进行管理操作和对终端进行管理操作。 调用业务逻辑层，这一层是用于处理必要的信息转化工作的，比如编码转换、加解密等功能，而将 传来的字节转化为 码等。业务逻辑层最后通过调用数据库访问层执行最后的数据库连接、查询、更新等操作。 业务逻辑层 数据库引擎 图形界面 数据库 图 6服务器软件的处理流程 外界信息 终端信息缓冲器 日志记录 日志记录 数据库视图 数据库操作 网监控 26 主要是建立一个总服务器监听线程，然后对每个连接创建一个子服务器线程，处理与客户端有关的 接，并且从 得的字节输入到业务逻辑层，并把业务逻辑层送出来的数据回送给客户端。说到底，这一层主要是完成数据的传送和接收。如图 6 业务逻辑层主要是一个中间转换过程，主要为 服务。这一层必须先通过 后根据需要将解密后的信息转化为 用的字符集，比如符集。最后将数据包发送给数据包处理器进行相应的处理。有关数据包的格式我们在前面介 绍终端设计的时候说明了。在处理数据包过程中，需要访问数据库时候，就通过数据库引擎进行数据库访问操作。 如图 6示。 业务逻辑层 接收客户端信息 返回服务器信息 接请求 接 服务器监听线程 服务线程 n 创建 图 6 27 数据访问层主要承担所有的数据库访问操作，采用的技术主要是 术，但提供了更大的封装，并且它也提供了数据库连接池可以处理多个连接的取得和释放，使得效率更高。在数据库访问层中，起主要作用的是查询控制器，它提供的大多数成员函数是访问数据库经常需要用到的，包括查询、更新、删除操作等。 线程 n 线程 1 数据包处理器 数据库引擎或 终端缓冲区 图 6业务逻辑层 加解密引擎 编码转换器 查询控制器 数据库连接池 数据库 请求连接 归还连接 返回连接 建立连接 销毁连接 返回连接 令 令执行结果 图 6数据库访问层 28 据包处理流程 数据包处理过程如下： 标准数据包 读取条目数 条目数 1? 取操作类别 根据相应的操作类别处理 执行完毕 图 6数据包处理流程 29 接口设计 按照代码所属的层次、所属的包我们将使用到的各个自定义的类和相关的功能罗列出来。核心代码的分析主要是分析关键的类的实现代码。有关图形界面的因为大部分代码是自动生成的，而我们要做的只是添加相关的事件处理函数，所以图形界面的分析就省略了。 表 6系统所定义的类 所属层次 所属包 包含的类 类功能 服务器监听类，主程序入口 子服务线程类，线程入口 子服务器，处理与终端的 一切事宜 业务逻辑层 管理用户登陆 用于信息组装和转换 编码转换类 与 接口类 加解密类 数据包处理器 数据库访问层 口 数据库连接池操作接口 数据库连接池操作类 据库连接池管理类 存储用户表信息 存储车辆、驾驶员信息 查询控制器 图形界面层 全网监控 用于维护终端信息的缓冲区 用户维护登陆用户的 户名、位置、手机号码、终端标识符等。并写入文件，以作为日志记录 30 面设计 界面设计应该包含统一的数据库查询操作、管理全网终端的 志记录、帮助菜单等等。下面是界面的一部分。 图 6服务器图形界面 31 7. 外观设计 图 7终端外观设计 32 8. 可行性分析 本系统是一个基于嵌入式 术和无线通信技术的车辆稽查系统，分为服务器和终端两部分。本系统基于 C/S 模型，利用定制好的通信协议可以实现服务器和终端的通信。系统设计到 术、 术、数据库技术、 作系统技术等一系列 技术，技术难度高，系统复杂。然而，本系统可行性依然很高。 一、系统的设计良好。服务器和终端采用了明确定义好的通信协议，减少双方互相依赖的关系，并且使得系统有良好的扩