服务系统的智能车载终端设计与实现【参考论文】 39182.pdf

南京理工大学 硕士学位论文 公交车辆监控调度服务系统的智能车载终端设计与实现 姓名：管春杨 申请学位级别：硕士 专业：控制理论与控制工程 指导教师：杜国平 20080601 硕士论文公交车辆监控调度服务系统的智能车载终端设计与实现 摘要 本文以中小城市先进公共交通系统为应用背景，设计了中小城市的公交车辆监控调 度服务系统。该系统由公交车辆智能车载终端、电子站台、总监控调度中心、分监控调 度中心等部分组成。重点分析了公交车辆智能车载终端的功能需求，并完成了智能车载 终端相应的软硬件设计和测试。 公交车辆智能车载终端作为监控调度终端，能够为监控调度中心提供车辆位置、车 况参数等实时数据，还能够接收来自监控调度中心的命令。作为车载服务终端，不仅有 自动语音报站功能，还具备驾驶员与监控调度中心紧急语音通话或收发短消息等功能。 本智能车载终端分为主控板、从板两部分。主控板以l p c 2 3 6 8 微控制器为核心， 外扩定位模块、数据采集模块和g s m g p r s 通信模块等外设。从板以l p c 2 1 3 8 微控制 器为核心，外扩键盘、液晶显示模块和语音模块等人机交互外设。两板之间通过r s 4 8 5 总线通信。 实验结果表明，本智能车载终端的定位精度高，人机交互友好，自动语音报站报站 位置准确、语音清晰流畅，实现了作为先进交通系统中智能车载终端应具备的监控调度 与服务两大基本功能。通过对本课题的研究，笔者分析问题和解决问题的能力有了较大 的提高。 关键词：先进公共交通系统，a r m 微控制器，g p s ，g p r s ，人机交互，自动语音报 站 a b s t r a c t硕士论文 a b s t r a c t b a s e do na p t s ( a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) ，t h ep a p e rd e s i g n e dt h e s y s t e mo fb u sm o n i t o r i n g ，c o n t r o l ，d i s p a t c h i n ga n d s e r v i c ef o rs m a l la n dm e d i u mc i t i e s t h i s s y s t e mi n c l u d e si b b t ( t h ei n t e l l i g e n tb u s b o r n et e r m i n a l s ) ，e l e c t r o n i cb u ss t o p s ，t h ec e n t e ro f b m c d ( b u sm o n i t o r i n g ，c o n t r o la n dd i s p a t c h i n g ) a n dt h es u bc e n t e r so fb m c d i na d d i t i o n ， t h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n to fi b b tw a sa n a l y z e d m o r e o v e r , t h es o f t w a r ea n dh a r d w a r eo f i b b tw e r ed e s i g n e da n dt e s t e d a st h et e r m i n a lo fb m c d ，i b b tp r o v i d e st h er e a l t i m ep o s i t i o n i n gd a t af o rb u s ，t h e p a r a m e t e r so ft h ei m p o r t a n tp a r t so fb u s i na d d i t i o n ，i tc a nr e c e i v et h ec o n t r o lc o m m a n d s f r o mt h ec e n t e ro fb m c d 。 a st h et e r m i n a lo fs e r v i c e ，i b b tn o to n l yw o r k sa sa i la u t o m a t i cb u ss t o pa n n u n c i a t o r , b u ta l s op r o v i d e se m e r g e n c yc a l la n ds h o r tm e s s a g es e r v i c e i b b tc o n s i s t so ft h em a s t e rb o a r da n dt h es l a v eb o a r d t h em a s t e rb o a r d ，w i t hl p c 2 3 6 8 b e i n gi t sc o r e ，e x p a n d sp o s i t i o n i n gm o d u l e ，d a t aa c q u i s i t i o nm o d u l e ，g s m g p r sm o d u l e ，e r e t h es l a v eb o a r d ，w i t hl p c 213 8b e i n gi t sc o r e ，e x p a n d sk e y b o a r d ，l c dm o d u l ea n dv o i c e r e c o r d p l a y b a c km o d u l e t h ec o m m u n i c a t i o ni n t e r f a c eb e t w e e nt h em a s t e rb o a r da n ds l a v e b o a r di sr s 4 8 5b u s b a s e do nt h ed e s i g n e ds o f t w a r ea n dh a r d w a r e ，s y s t e md e b u g g i n ga n de x p e r i m e n t so n i b b tw e r ec o n d u c t e d t h er e s u l t si n d i c a t e dt h a ti b b tc a l lp r o v i d ep r e c i s ep o s i t i o n i n gd a t a ， u s e r - f r i e n d l ym a n m a c h i n ei n t e r f a c e , a n dc l e a ra n n o u n c e m e n to fb u ss t o pi n f o r m a t i o n i tc a n p e r f o r mt h eb a s i cf u n c t i o no fb m c da n ds e r v i c ef o ra p t s b yr e s e a r c h i n gt h es u b j e c t ，t h e a u t h o r sa b i l i t yt oa n a l y z ea n ds o l v ep r o b l e m sh a sb e e ni m p r o v e d k e yw o r d ：a p t s ，a r mm c u ，g p s ，g p r s ，m a i l m a c h i n ei n t e r f a c e ，a u t o m a t i cb u ss t o p a n n u n c i a t o r 声明户明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均 已在论文中作了明确的说明。 研究生签名： 鬈叠翅瑚年7 月 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的全部或部分内容，可以向有关部门或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的全部或部分内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：日 硕士论文 公交车辆监控调度服务系统的智能车载终端设计与实现 1 绪论 1 1 课题的背景 改革开放以来，随着我国国民经济的迅速发展，人们在生活水平不断提高的同时， 出行的次数相对以往更加频繁。当前人们同城出行的代步交通工具有很多，其中公共交 通工具作为动态占地面积最小的一种交通工具，在经济性、交通资源利用率、改善城市 交通环境上，比其它的交通工具拥有很大的优势。很多国家都在大力提倡和扶持公共交 通系统。 由于各方面的原因，我国公共交通系统的现状不容乐观，仍然存在着一些问题。大 多数城市的道路交通紧张状况曰趋严重，道路拥塞情况十分严重。虽然相关部门不断建 设更多道路，拓宽现有道路，但是效果并不理想。所以道路交通紧张的原因不仅仅是道 路建设的不够多，而且道路自身的利用率也不高。乘公共交通工具的市民人数在逐年地 下降，相反私家车逐年地增加，如此造成了道路的增长远远落后于机动车数量的增长， 交通紧张的状况越来越严重。 我国公共交通当前还是以常规地面公共汽车交通为主。下面着重分析我国公共汽车 的运营调度、服务方面的现状。 在公共汽车( 亦称公交车辆，公交车) 的运营调度方面，目前我国大部分城市公交 采取的仍然是人工经验型的调度方法。调度员无法实时获取公交站点候车乘客以及公交 车内乘客的数量，只能按照发车时刻表进行调度。在节假日等特殊时期调度员只能依赖 经验、直觉进行调度。这种调度方法的动态性能和实时性能较差，调度滞后性很大，由 此造成许多资源的浪费或者致使乘客长时间滞留在某站点。 在乘客服务方面，目前我国不少城市的公交车都安装了诸如自动报站器、车载电视、 i c 卡刷卡收费器等先进的高科技设备，公交车的服务水平较以往有大幅提高。但是由 于缺乏系统科学地规划，各种车载设备相互问缺乏通信，造成了信息流通不畅。同时因 为缺乏现场的监督与管理，驾驶员越站不停、超车、超速行驶、急停急开等不良现象也 时有发生，公交车的服务质量大打折扣。 在私家车的数量不断增加的前提下，如果公共交通的运营调度效率、乘客服务质量 没有提高，就会导致乘坐公交车的市民越来越少，直接给公交企业的运营带来亏损，公 交服务质量也会因此而不断恶化，从而形成了恶性循环。 1 2 国内外研究现状 关于公共交通方面的研究国内外早就开展，2 0 世纪9 0 年代便出现了智能交通系统 1 绪论硕士论文 ( i t s ，i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 这一概念。i t s 是当前世界上交通运输科技的 前沿，它是在较完善的道路设施基础上将信息技术、数据通信技术、电子传感技术、全 球定位技术、地理信息系统技术、计算机处理技术以及系统工程技术等有机地集成运用 于整个地面交通管理体系，而建立起的一种在大范围内、全方位发挥作用的实时、准确、 高效、智能的交通运输管理系统 1 】。它包括7 大服务领域，分别为先进交通管理系统、 出行信息服务系统、商用车辆运营系统、电子收费系统、先进公共交通系统、应急管理 系统、先进车辆控制系统( 2 】。 先进公共交通系统是i t s 系统中很重要的服务领域，它的研究是在i t s 框架下进行 的。下面重点介绍先进公共交通系统的架构及其国内外研究现状。 1 2 1 先进公共交通系统 先进公共交通系统( a p t s ，a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ) 主要涉及公共 交通领域，它是在对公交系统优化的基础上，运用系统工程理论将交通流诱导技术、差 分g p s 定位技术、g i s 及地图匹配技术、公交运营优化与评价技术、计算机网络技术、 数据库技术、通信技术、电子技术、智能卡技术等先进技术科学集成，形成集智能化调 度、公交电子收费、信息服务、网络通信子一体的先进的公共交通管理系统。【3 】 a p t s 的逻辑架构框图如图1 2 1 所示，它可以分为以下四个子系统：【3 1 a p t s 优化与设计子系统 该子系统对公交线网布局、线路公交方式配置、站点布置、发车间隔确定、票价的 制定等进行优化和设计，从规划方面提高公交服务水平。 2 a p t s 调度子系统 该子系统由监控中心、调度中心、智能车载终端设备、电子站牌等几部分组成，其 主要功能是实现公交车辆的自动调度和指挥，保证车辆的准点运行，并使出行者能够通 过电子站牌了解车辆的到达时刻，从而节约出行者的等车时间。 3 a p t s 信息服务子系统 该子系统通过可变信息牌、互联网等媒体将出行线路、换乘点、票价、车型等信息 发布出去，出行者可及时获取这些信息。 4 a p t s 评价子系统 该予系统通过建立一套科学的评价公交系统的指标体系对智能公交系统实施前后 的经济效益、社会效益和服务水平等方面进行评价。 2 硕士论文公交车辆盟控调度服务系统的智能车载终端设计与实现 图1 2 1先进公共交通系统的逻辑架构框图【3 】 1 2 2 国外研究现状 美国、日本、英国等国家都投入了较大的人力和物力从事a p t s 研究，在国际上处 于领先地位，并己取得显著的成果。自八十年代以来，许多国家公共交通部门开始应用 先进的信息与通信技术进行公共汽车定位、车辆监控、自动驾驶、计算机辅助调度及提 供各种公共交通信息以提高公交服务水平。【3 】 美国的a p t s 主要研究基于动态公共交通信息的实时调度理论和实时信息发布理 论，以及使用先进的电子、通讯技术提高公交效率和服务水平的实施技术。具体包括车 队管理、出行者信息、电子收费和交通需求管理等几方面的研究。其中车队管理主要研 究通信系统、地理信息系统、自动车辆定位系统、自动乘客计数、公交运营软件和交通 信号优先。出行者信息主要研究出行前、在途信息服务系统和多种出行方式接驳信息服 务系统。【3 】 日本由于机动车数量的增长和严重交通拥挤的影响，要保持正常的行车速度是十分 困难的，由此引起的公共交通的不便性和不可靠性导致乘客数量的急剧减少。东京都交 通局开发了城市公共交通综合运输控制系统( c t c s ) 。在c t c s 中，公共交通运营管理 系统是一个基本的框架，其目的是通过掌握运行情况以及积累乘客数据实现精确平稳的 公共交通运营服务。它将运营中的公共汽车和控制室之间建立信息交换，并利用诱导和 双向通讯的方法，将服务信息提供给公共汽车运营人员和驾驶人员，同时这些信息也通 过进站汽车指示系统和公交与铁路接驳信息系统提供给乘客。公共交通综合管理系统包 括累积运营数据、乘客计数、监视和控制公共汽车运营和乘客服务等功能，其中乘客服 1 绪论硕士论文 务功能中包括进站汽车指示、信息查询和公共交通与铁路接驳信息提示。【3 】 1 2 3 国内研究现状 近几年来，由于科学技术的进步和政府对公交投入力度的加大，我国先进公共交通 系统已初现端倪。上海的地铁安装了自动检票系统，可实现乘客的自动计数，统计客流 变化情况。还有一些城市正在着手实施公交“一卡通“ ，实现公交电子收费。杭州、上 海、北京、大连等几座大城市已在部分公交线路上建成了公交车辆跟踪调度系统，并安 装了电子站牌，车载g p s 定位设备，实现了对车辆的实时跟踪和定位、公交车与调度 室的双向通讯、以及电子站牌上实时显示下班车位置信息等功能。由于上述功能，使得 调度过程有据可依，并实现了计算机辅助管理，节约了劳动力，减轻了劳动负担，同时 提高了车辆运行正点率和服务水平，吸引了大量客流。1 3 】 这些系统虽然使得中国迈入了公交智能化时代，但由于它们缺乏对许多基础理论的 深入研究，一般没有将动态交通状态信息与车辆定位信息有效融合，而且某些系统的开 发和研制又缺乏交通领域专家的直接参与，使目前的系统具有以下缺陷：【3 】 1 不是以公交线网优化为基础，致使调度效果欠佳； 2 大多数系统线路与线路间缺乏联系，未能实现网络上的整体协调调度； 3 。缺少信息服务系统，使系统智能化程度大大降低； 4 没有先进的算法作保证，致使在电子站牌上显示的下班车到达时间不准确。 1 3 论文的主要工作 公共交通分为城市轨道交通、公共汽车，第三类公共交通运输三种。本文中所涉及 的“公共交通”概念，如果没有特殊说明，均指公共汽车类的狭义公共交通。 笔者在国内外研究现状的基础上，结合我国现阶段国情，针对经济条件一般的中小 城市，提出了一个公交车辆监控调度服务系统方案，并着重对该方案中的公交车辆智能 车载终端进行软硬件设计。 公交车辆智能车载终端分为主控板、从板两部分。主控板以l p c 2 3 6 8 微控制器为 核心，外扩定位模块、数据采集模块和g s m g p r s 通信模块等外设。它负责采集车辆 位置、车况参数等实时数据，同时与监控调度中心进行双向通信。从板以l p c 2 1 3 8 微 控制器为核心，外扩键盘、液晶显示模块和语音模块等人机交互外设。它为驾驶员、乘 客提供各种服务。两板采用r s 4 8 5 总线进行通信。 笔者的工作主要包括两部分。首先在主控板的硬件设计和相关驱动程序设计工作已 经完成的基础上，重点对从板进行硬件设计，具体包括硬件电路设计、器件选型以及相 关调试。然后是对智能车载终端进行软件设计与相关调试，具体包括： 1 从板各硬件模块驱动程序的设计与调试： 硕士论文 公交车辆监控调度服务系统的智能车载终端设计与实现 2 从板软件架构的设计与调试； 3 主控板软件架构的设计与调试； 4 车载终端与监控调度中心间的g p r s 通信协议，以及主控板与从板间的r s 4 8 5 总线通信协议的设计与调试。 1 4 论文的组织结构 本文各章内容安排如下： 第一章绪论。首先分析当前我国公共交通系统的现状，然后介绍了先进公共交通系 统的架构及其国内外研究现状，最后提出了本课题所要完成的工作和论文的组织结构。 第二章公交车辆智能车载终端总体设计。首先提出公交车辆监控调度服务系统的物 理架构，然后对该架构下的公交车辆智能车载终端进行功能需求分析，接着论述了智能 车载终端的设计工作中所涉及到的相关技术，最后进行智能车载终端的总体设计。 第三章公交车辆智能车载终端硬件设计。首先进行智能车载终端的硬件架构设计， 将该车载终端划分为主控板、从板两个硬件子系统，然后对从板进行详细的硬件电路设 计。 第四章公交车辆智能车载终端软件设计。根据智能车载终端功能需求，先分别进行 主控板和从板的软件架构以及相关通信协议的设计，然后对从板各硬件模块的驱动程序 和应用软件层程序进行设计。 第五章公交车辆智能车载终端调试与测试。在调试部分，本章介绍了智能车载终端 硬件和软件的调试步骤、调试技巧和注意事项。在测试部分，重点对智能车载终端中的 语音报站、车辆实时数据上传、短消息发送三例进行了测试。 第五章结论。首先总结本课题中笔者所做的工作，然后对智能车载终端设计中存在 的不足和可改进的地方做出说明，为进一步完善提出意见与建议。 硕士论文公交车辆监控调度服务系统的智能车载终端设计与实现 2 公交车辆智能车载终端总体设计 本章首先设计一个针对中小城市的公交车辆监控调度服务系统物理架构，然后对其 中的智能车载终端的功能需求和相关技术进行分析，最后对智能车载终端进行总体架构 设计。 2 1 中小城市公交车辆监控调度服务系统设计 虽然中小城市道路交通方面的压力不如大城市大，但是随着我国城镇化进程的加 快，中小城市的人口和机动车辆的数量在逐年攀升。怎样利用好现有的道路资源，以较 小的成本建设高效、实用的公交车辆监控调度服务系统是摆在各个中小城市面前急待解 决的问题。 笔者根据先进公共交通系统模型，以中小城市为应用背景，对其中的模块进行适当 裁剪，构建了一个较为完善、独立的公交车辆监控调度服务系统架构，具体的物理架构 如图2 1 1 所示。 图2 1 1中小城市公交车辆监控调度服务系统的物理架构图 上图所示的中小城市公交车辆监控调度服务系统，与第一章所述的先进公共交通系 统结构相比，裁剪掉了a p t s 优化与设计子系统和a p t s 评价子系统。本公交车辆监控 调度服务系统主要包括公交车辆监控调度、出行者服务两大业务。 2 1 1 公交车辆监控调度业务 公交车辆监控调度的工作过程如下所述，智能车载终端实时采集车辆、驾驶员和乘 2 公交车辆智能车载终端总体设计硕士论文 客的各种数据，经过处理融合后发往市公交总公司的总监控中心。电子站台终端实时 采集本站候车人数、乘客报警信息等数据，经过处理融合后发送到总监控中心。总监控 中心的服务器解析这两类数据并存储到相应数据库中。各分公司监控中心通过i n t e m e t 的v p n ( v i r t u a lp r i v a t en e t w o r k ，虚拟专用网络) 从总监控中心获取公交站台候车乘客 以及所管控的公交车辆的数据。 总监控中心负责对全市公交车辆的总体监控，而具体的车辆监控工作由各分公司的 监控中心完成。市公交总公司的总调度中心负责协调各分公司之间的车辆调度，具体 的车辆调度由分公司的区域调度中心完成。 下面分别介绍分公司的监控与调度工作： 在公交车辆监视方面，监控人员可以在g i s ( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，地理 信息系统) 电子地图上，一目了然地看到各公交站点位置、各公交车在各站点的上下车 人数、公交车的当前位置以及车内乘客数量等。 在公交车辆控制方面，当驾驶员有违规操作时( 如超速行驶、越站不停) ，监控人 员可发送警告信息到相应车辆的智能车载终端，以警示驾驶员。当驾驶员向监控中心发 出报警时( 如需要紧急救护、车内发生盗窃抢劫) ，监控人员会采取紧急措施。 在公交车辆调度方面，各分公司区域调度中心的服务器，通过公司内网从分公司的 监控中心获取各种数据，进而利用公交车辆调度算法产生调度决策。具体的调度信息经 由分公司监控中心和总公司总监控中心的服务器，向指定公交车辆或公交站台终端发 送，最终完成车辆调度和通知公交站台候车乘客相关公交车辆实时信息等任务。 2 1 2 出行者服务业务 以下三种场所下的出行者，均可享受到本公交车辆监控调度服务系统提供的服务。 将要外出的市民通过i n t e r n e t 访问市公交总公司的网站，可提前获知各种出行的静 态信息( 如达到目的地的最优公交线路、公交站点、换乘线路等) ，以及动态信息( 如 当前某线路公交车的乘客满载率) ，以便自主选择最佳出行时间和出行线路。 在公交站点候车的市民，通过站牌上的车辆位置指示灯、站台上的显示屏等设备， 不仅可获取某线路公交车预计到达本站点的时间、实时路况信息，还可以收看到新闻、 媒体广告。 正在乘坐公交车的市民，可以享受到自动语音报站、文明用语播报等服务。当车辆 工作状态异常时，智能车载终端会自动播放报警语音，以提醒驾驶员和乘客做出紧急处 理。当车辆抛锚时，驾驶员通过智能车载终端可以采用多种通信方式( 如拨打监控中心 电话、发送报警信息) 向分公司的监控调度中心报警，随后调度中心可命令离事故公交 。本论文中以后出现的“总监控中心”一词，若无特殊说i ! j 】，均指市公交总公司的总监控中心。 本论文中以后出现的“总调度中心”一词，若无特殊说明，均指市公交总公司的总调度中心。 8 硕士论文公交车辆监控调度服务系统的智能车载终端设计与实现 车最近的同线路同方向的公交车前往支援。 2 2 公交车辆智能车载终端需求分析 本论文的主要任务是在公交车辆监控调度服务系统框架下设计公交车辆智能车载 终端。 车载终端 的工作环境涉及到三类对象，分别是驾驶员、车内乘客以及公交站台上 候车的乘客、监控调度中心。车载终端要分别为驾驶员提供辅助驾驶信息、为乘客提 供各种服务、为监控调度中心提供实时数据，具体如下文所述。 车载终端为监控调度中心提供车辆、驾驶员、乘客三类数据。具体包括车辆位置和 速度、车辆机电液参数、车内实况图像、车内乘客人数、沿途各公交站点的上下车乘客 人数等数据。这些数据是调度中心产生调度决策的数据源，也是监控中心实施监控的重 要数据源。 车载终端为驾驶员提供辅助驾驶信息。具体包括当前日期时间、前方路况信息、车 辆机电液参数、车辆工作异常报警信息、上车乘客投币数、当前公交站点下车人数等。 同时车载终端还要为驾驶员提供与监控调度中心紧急通信的通道( 如语音通信、短消息 服务等) ，以便驾驶员在紧急情况下能够向监控调度中心报警或请求援助。 车载终端为乘客提供各种服务。具体包括播报文明用语、自动语音报站、对当前站 点下车的乘客播报本站点可换乘的线路等服务。 2 3 公交车辆智能车载终端相关技术 公交车辆智能车载终端涉及到诸多技术，诸如车辆定位技术、无线通信技术、数据 采集与处理技术、显示技术、人机交互技术。 2 3 1 车辆定位技术 目前车辆定位技术有很多，包括卫星定位技术、d r ( d e a dr e c k o n i n g ，航位推算) 、 m m ( m a pm a t c h i n g ，地图匹配定位法) 、信号标杆法等。其中卫星定位技术包括g p s ( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，全球定位系统) 技术、g l o n a s s ( g 1 0 b a lo r b i t i n g n a v i g a t i o n s a t e l i a t es y s t e m ，全球导航卫星系统) 技术、北斗卫星定位技术等。也可以组合使用各 种定位技术，如利用联邦卡尔曼滤波技术实现的g p s d r 组合定位技术、基于卡尔曼滤 波的g p s m m 组合定位方法等。【4 1 【8 】 综合考虑公交车辆的定位精度、定位设备成本等因素，本设计采用精度高、成本低 廉、应用广泛、终端产品开发容易的g p s 定位技术作为公交车辆智能车载终端的定位 。本论文中以后出现的“车载终端”一词，若无特殊说明均指本论文的设计对象公交车辆智能车载终端。 回本论文中以后现的“腑控训度中心”一词，若无特殊说明均指公交车辆所属分公司的监控中心j 区域调度中心。 9 2 公交车辆智能车载终端总体设计硕士论文 技术。 g p s 全球定位系统是美国从上世纪7 0 年代开始研制，为了弥补当时的海军导航卫 星系统n n s s ( n a v y n a v i g a t i o ns a t e l i t es y s t e m ) 的定位速度慢、定位精度低的缺点，1 9 7 3 年美国正式批准其陆海空三军联合研制第二代卫星导航系统授时与测距导航系统 全球定位系统，简称全球卫星定位系统g p s 。这期间一共耗资3 0 0 亿美元，历史2 0 年， 于1 9 9 3 年全面建成。与其它定位导航系统相比，g p s 有以下4 项特点：【4 5 1 【7 】 1 全球地面连续覆盖，能够保障全球、全天候连续三维定位。 2 定位精度高 g p s 能够为用户提供七种导航信息，即三维定位装置信息、三维速度信息和精确的 时间信息。从1 9 9 7 年开始美国对全部在轨卫星均已实施s a ( s e l e c t i v e a v a i l a b i l i t y ) 技 术，该技术使得g p s 民用的定位精度只达到1 0 0 m 。但是从2 0 0 0 年5 月开始美国暂时 取消了s a 政策，使得当前g p s 定位精度提高了1 0 倍，达到1 0 m 左右。1 0 m 的定位精 度能够满足一般交通工具的定位要求。 3 接近实时定位 系统所需的定位时间极短，g p s 接收机从开机冷启动到能精确定位一般只需3 0 s ， 正常工作时定位数据的刷新时间为1 s ，足以满足车辆定位对实时性的要求。 4 被动式全天候导航 用户不需要发射任何信号，只要装备的g p s 接收机能够收到4 颗或4 颗以上的g p s 卫星信号就可以进行定位，理论上g p s 系统可以容纳无限多用户使用。 为保证在美国实施s a 政策的情况下，公交车辆依然能有1 0 m 左右的定位精度。本 设计在g p s 技术的基础上，采用了d g p s ( d i f f e r e n t i a lg p s ，差分g p s ) 技术来提高车 辆的定位精度。根据d g p s 基准站所提供差分改正数据的不同类型，d g p s 可以分为位 置差分、伪距差分、相位平滑差分、载波相位差分四种。本设计采用位置差分法对公交 车辆进行精确定位，下面简要介绍位置差分法的原理。 如图2 3 1 所示，首先在某一精确位置已知的地方建立个差分站，差分站内安装 一台基准g p s 接收机，将它实时测得的观测量值( 该经纬度坐标需要转换为三维坐标) 和已知的精确位置值进行比较，得出差分改正数据，如式( 2 3 1 ) 所示。1 6 j a x r = x r x r o k = y r - y r 0 ( 2 3 1 ) l a z r = z r z r o 式中：x r ，y r ，z r 基准g p s 接收机所测得的基准站三维坐标； x r o ，y r o ，z r r 基准站在w g s 一8 4 世界大地坐标系内的三维坐标； 基准g p s 接收机将不同时标下的差分改正数据( a x r ，y r ，z r ) 不断地发往总 监控中心。同时公交车辆智能车载终端也会不断地向总监控中心上传实时数据帧，该数 硕士论文公交车辆峪控调度服务系统的智能车载终端设计与实现 据帧含有对应时标下的车辆经纬度坐标数据，该经纬度坐标在总监控中心被转化三维坐 标( x k i n ，y m ，z l c i l l ) 。利用这两组数据可以求出公交车辆在该时标下的精确位置( x k ， y k ，z k ) ，如式( 2 3 2 ) 所示。【6 】 ix k = x k i n + a x r y k = k + y r ( 2 3 2 ) l z k = z k r n + a z r 图2 3 1 差分g p s 原理图 位置差分方法也有不足的地方，但是有以下条件的保证，d g p s 方法依然能够大幅 提高公交车辆的定位精度。首先，d g p s 基准站和车载终端两处的g p s 接收机是同厂 家同型号的g p s 接收机，这点保证了两处的g p s 接收机采用相同的位置求解技术。再 者，基准站与公交车辆的距离不是很远，两者一般不会超过3 0 k m ，基本上能够保证两 地的g p s 接收机对同样一组g p s 卫星做伪距测量，因此两地解算出的位置坐标值具有 共同的误差。最后，同时标技术的应用，即对某时标下车辆瞬态位置的校正，必须使用 同时标下d g p s 基准站的g p s 接收机实时测得的观测量值。只有这样才能保证基准站 g p s 接收机和车载终端g p s 接收机是在同一时标下接收g p s 卫星信号。 2 3 2 无线通信技术 无线通信技术有很多种，例如常规通信网数据传输、集群通信网数据传输、蜂窝移 动通信方式、专用无线数据通信网、卫星通信方式等。其中蜂窝移动通信包括g s m 语 音业务、短消息业务、g p r s 数据传输业务、c d m a 数据传输业务等。 4 】 下面首先对应用广泛的几种无线通信技术进行分析，然后根据本设计中车载终端对 无线通信的具体要求选择最为合适的无线通信方式。 1 车载数传电台通信 2 公交车辆智能车载终端总体设计 硕士论文 这种通信方式目前在许多交通工具中仍被使用着。它是将模拟话音电台升级成为能 够用作数据传输的数传电台。由于它使用的是公用频段，不可避免地会收到信道严重污 染的影响。数传电台的通信速率一般很低，只有6 0 0 - - - 1 2 0 0 b p s 。这种数据传输方式在 公用移动通信网被广泛用作数据传输的大背景下使用得越来越少。【9 】 2 g s m 短消息通信 所谓短消息( 即短信) 是指长度不超过1 6 0 个字符的文本消息。短消息业务是由短 消息服务中心借助于g s m 网络完成的。虽然g s m 短消息通信的技术成熟稳定、g s m 网络覆盖面很广、安全性能好，但是它一次的通信量过低，无法满足车载终端的数据传 输速度要求，而且短信收发的延时对于实时通信来说是无法容忍的。所以g s m 短消息 不适合用于数据通信，但可用作文本通信。闭 3 g p r s 数据通信 1 】d o 【l l 】 g p r s 全称是g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ( 通用分组无线业务) 。它是在g s m 网 络基础上经过升级实现的2 5 代移动通信。g p r s 在g s m 网络中引入分组交换的传输 模式，在移动用户与远程数据网络( 如t c p i p 网络) 之间提供分组交换连接，从而可 以为移动用户提供高速的无线口业务。移动用户能够在任何时间、任何地点与远程数 据网络中有固定i p 地址的计算机终端进行实时数据通信。 在实际应用中g p r s 通信的数据传输速度大约在2 0 , - 一4 0 k b p s ，设备永远在线。由 于使用了分组技术，不需要为每次的数据访问建立连接，所以车载终端的g p r s 模块可 与监控中心的服务器进行实时数据通信。数据通信费是按数据流量计算，而不是按上网 时间计费，通常车载终端的常规数据通信费用很低。我国g p r s 网络的覆盖面非常广， 目前中国移动的g p r s 覆盖范围在中心城市几乎达到了1 0 0 ，在边远地区也达到8 0 以上。 针对以上的无线通信技术，公交车辆监控调度服务系统在以下几个方面给予应用： 在数据通信方面，综合考虑通信网络的数据传输速率、时延、覆盖范围、可靠性以 及通信费用等方面的因素，本设计采用g p r s 网络作为数据传输的主要通道。 在文本通信方面，采用g s m 短消息作为监控调度中心下发命令和驾驶员上传报警 信息的主要通道，同时采用g p r s 网络作为文本通信的辅助通道，。 在语音通信方面，采用g s m 语音业务作为驾驶员与监控调度中心工作人员紧急通 话的通道。 2 3 3 入机交互技术 人机交互是研究人、计算机以及它们相互影响的技术。它们之间通过信息交换进行 交互，这种交互是双向的，可由人向计算机输入信息，也可由计算机向人反馈信息。随 着技术的发展和应用变化，交换的信息内容从简单的字符信息向图形图像、声音、视频 1 2 硕士论文 公交车辆监控调度服务系统的智能车载终端设计与实现 等多媒体信息发展，交互的方式也变得多种多样。人机交互的支撑软件和硬件称为人机 界面，人机交互是通过一定的人机界面来实现的。【3 w 由智能车载终端的需求分析不难得出，人机交互所使用的输入设备为键盘，输出设 备包括字符图形显示设备和语音输出设备。 字符图形显示设备既可作为报警提示等单纯的显示终端使用，也可以充分发挥图形 用户界面的优势，利用窗口、命令按钮、文本框等控件，与键盘按键输入配合使用来完 成人机交互工作。例如驾驶员在自动语音报站工作异常时通过人机交互设备手动报站。 语音输出设备作为服务于乘客和驾驶员的功能模块，它提供车辆语音报站、在车辆 车况参数异常时向驾驶员和乘客发出报警音等功能。 人机界面的设计要遵循一致性、适应性、清晰性、易学易用性等原则。本车载终端 人机界面的设计要在这些原则的指导下，选用合适的人机交互输入输出设备；在可移植 嵌入式g u i 框架下利用面向对象的设计方法进行图形用户界面的设计，在分层模块化 设计思想的指导下高效组织各条语音段。 2 4 公交车辆智能车载终端总体设计 前几节分析了车载终端的功能需求，又探讨了本车载终端设计的相关技术，下面将 结合具体的应用背景中小城市公交车辆监控调度服务系统，进行车载终端的总体设 计，最终确定车载终端系统的总体架构。 本车载终端系统的总体架构如图2 4 1 所示。主控制器控制车载终端内各模块正常 工作，协调各模块之间的工作，还负责整个车载终端嵌入式系统的电源管理。 图2 4 1车载终端系统的总体架构图 车辆的开关量模拟量采集模块和车辆总线数据解析模块负责采集车辆各项运行参 1 3 2 公交车辆智能车载终端总体设计硕士论文 数。车辆定位模块采用g p s 定位技术，负责获取车辆实时位置和速度。车内图像采集 模块按照监控中心的指令实时采集车内图像，以便监控中心能够监视驾驶员工作和车内 偷盗行为。上下车乘客计数模块负责采集车辆在沿途各公交站台停靠时的上下车乘客 人数。该数据作为重要的调度决策数据源供给调度中心使用。该数据的采集有多种方式， 如光电检测法、压力传感法、i c 卡刷卡设备自动投币机总线输出法等【1 】，本设计用光 电检测法。 键盘模块和终端显示模块两者需要配合使用。终端显示模块需要显示文本与数据信 息，本设计中选用液晶显示模块作为终端显示模块。语音输出模块负责语音报站、播放 文明用语、发出车辆工作异常报警语音等语音信息。无线通信模块主要负责完成车载终 端与监控调度中心之间的实时数据通信，以及驾驶员与监控调度中心之间的语音、文本 通信。 电源模块负责管理整个车载终端嵌入式系统的电源，在车载终端处于正常工作模式 时能够为车载终端的各个模块提供充足的电源，在车载终端处于低功耗模式时能够设置 相关外设进入低功耗模式。 2 5 本章小结 本章首先设计了中小城市公交车辆监控调度服务系统的物理架构，然后在此架构下 对智能车载终端进行功能需求分析，接着论述智能车载终端设计工作中所涉及到的相关 技术，最后设计了智能车载终端的总体架构。 1 4 硕士论文公交车辆监控调度服务系统的智能车载终端设计与实现 3 公交车辆智能车载终端硬件设计 硬件是个嵌入式系统功能实现的物理基础，在整个嵌入式系统中有着重要的地 位。硬件设计的好坏直接关系到一个嵌入式系统能否可靠、稳定地运行。本车载终端需 要在有多种干扰源的公交车上长期运行，所以它的硬件设计要坚持高可靠性、强抗干扰 性、标准化、模块化、可扩展性等设计原则。基于以上原则，本章在车载终端总体设计 的基础上进行硬件总体设计与详细设计。 3 1 硬件总体设计 本车载终端的硬件采用主从板架构。其中主控板采集车辆运行的各种数据，同时与 监控中心双向通信。从板负责与驾驶员、乘客的人机交互工作，如接收用户按键、l c d 显示屏向驾驶员显示调度信息、向用户播报到站语音等。 主控板自身能够独立工作，而从板的各项服务功能可根据公交公司的具体需求定 制。两板各司其职，使得本车载终端工作的可靠性、稳定性较高。另外该方案中 g s m g p r s 模块在主控板上，而语音电路在从板上，这样能将强干扰模块与易受干扰 模块有效地隔离开。 两板采用r s 4 8 5 总线双向通信。r s 4 8 5 总线不但有较高的噪声抑制能力、传输距 离远、宽共模范围，而且电路控制方便，成本低廉。 3 1 1 主控板硬件架构介绍 主控板功能为采集车辆现场运行数据、车辆实时位置数据、与监控中心进行双向实 时通信。下面采用嵌入式技术，以微控制器为核心，在一定的接口电路与外围功能模块 的组合下构建出主控板的硬件架构。如图3 1 1 所示，主控板硬件系统被划分为系统电 源组成、微控制器模块、g p s 定位模块、现场数据采集模块、无线通信模块、主从板通 信模块。 1 5 3 公交车辆智能车载终端硬件设计硕士论文 图3 1 1 主控板的硬件架构图 1 系统电源组成 主控板电源系统含有车辆蓄电池和模块内置的u p s 电源两个电源供给源，其中模 块内置的u p s 电源由+ 6 v 铅酸蓄电池以及相关外围电路实现。主控板正常情况下使用 车辆蓄电池电源。如果车辆蓄电池电压较低，则不再使用车辆蓄电池，而改用模块内置 的u p s 电源供电，同时主控板内各模块进入低功耗模式。 有了内置u p s 电源的保护，如果车辆被盗或主控板的外部电源线被剪，主控板模 块会立即向监控中心报警，这样在一定程度上有车辆防盗作用。 2 微控制器模块 主控板采用p h i l i p s 公司生产的l p c 2 3 6 8 型微控制器作为整个单板的控制与计算 单元。它采用a r m 7 核，拥有着强大的计算能力，足以满足车载终端的计算与控制需 求。它拥有众多片内外设，这不仅利于快速开发产品，而且使得集成后的系统拥有很高 的可靠性与稳定性。 l p c 2 3 6 8 型微控制通过g p i o 口( 通用输入输出口) 采集车辆仪表的开关量信号； 通过a d 口采集车辆仪表的模拟量信号；通过u a r t 0 ，经由r s 2 3 2 电平转换，采集摄 像头模块传来的j p e g 图像数据；通过u a r t l 口控制g s m g p r s 模块，实现与监控中 心的语音、s m s 。g p r s 三种通信方式；通过u a r t 2 口实时采集g p s 模块传来的车辆 1 6 硕士论文 公交车辆| j 在控调度服务系统的智能车载终端设计与实现 位置数据；通过u a r t 3 口，经由r s 4 8 5 数据收发器的信号转换，主控板可作为r s 4 8 5 网络的一个数据收发终端，与从板、自动投币机等带有r s 4 8 5 接口的外设实时通信。 该车载模块具有记录历史数据( 如c a n 总线上的车况数据，摄像头拍摄到的关键 图像数据) 的“黑匣子”功能。微控制器将历史数据存储到写入速度快、适合高密度存 储的n a n df l a s hh y 2 7 u f 0 8 1g 2 a 中。 3 g p s 定位模块 采用丽台公司出品的g p s 模块g p s 9 8 0 5 作为车辆的定位模块。该模块具有超小型 尺寸，热启动时间为8 s ，并行1 2 通道，定位精度达到1 0 m ，速度精度达到0 1 m s ，时 间精度达至l j + l m s ，能够满足公交车辆在道路上定位的精度要求以及作为自动报站参考 基准的精度要求。【1 2 】 4 现场数据