无线通信在智能交通系统中的应用与研究.doc

毕业设计 论文 题 目无线通信在智能交通系统中的 应用与研究 系 院 专 业 班 级 学生姓名 学 号 指导教师 职 称 二 一三年六月九日 独 创 声 明 本人郑重声明 所呈交的毕业设计 论文 是本人在指导老师的指 导下 独立进行研究工作所取得的成果 成果不存在知识产权争议 尽我所知 除文中已经注明引用的内容外 本设计 论文 不含任何 其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果 对本文的研究做出重 要贡献的个人和集体均已在文中以明确方式标明 本声明的法律后果由本人承担 作者签名 二 年 月 日 毕业设计 论文 使用授权声明 本人完全了解滨州学院关于收集 保存 使用毕业设计 论文 的规定 本人愿意按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 同意学 校保存学位论文的印刷本和电子版 或采用影印 数字化或其它复制 手段保存设计 论文 同意学校在不以营利为目的的前提下 建立 目录检索与阅览服务系统 公布设计 论文 的部分或全部内容 允 许他人依法合理使用 保密论文在解密后遵守此规定 作者签名 二 年 月 日 滨州学院本科毕业设计 论文 I 无线通信在智能交通中的应用与研究 摘 要 近几十年来 随着我国城市经济水平的不断提高和城市化的推进 城市人口激增 但是 道路的建设远远低于城市车辆数量的增长 由 于城市空间和资源的限制 交通管理效率低下 城市道路拥挤 道路 建设就显得越发重要 特别是智能交通的规划和建设 政策鼓励公民 乘坐公交出行 运用无线通信技术对城市公交进行智能管理 解决公 交管理低下 公交车辆拥挤现象 智能交通系统是为了提高交通运输效率 充分利用道路空间 改 善道路交通现状 依据我国实际的道路状况 提出利用 3G 网络 GPS 网络和互联网等多种现代通信技术相结合的方案 本文提出了城市公 交智能监控的设计方案 设计实现了城市公交车经纬度信息的采集和 自动报站功能 并对该系统的功能的进一步的完善和发展前景进行了 展望 从而为实现我国城市公交车辆的智能化管理开辟了一条探索之 路 关键词 智能交通 GPS 3G Linux 套接字 滨州学院本科毕业设计 论文 II Application and research of wireless communication in the intelligent transportation Abstract In recent decades as China s increasing levels of urban economy and urbanization urban population growth however the growth in urban road is much lower than in the number of vehicles Due to the constraints of urban space and resource traffic management efficiency is poor urban road is congestion road construction becomes more and more important especially in the planning and construction of intelligent transportation policies to encourage citizens to take the bus trip the use of wireless communication technology in intelligent management of urban public transport intend to solve the low traffic management and the crowding buses Intelligent transportation system is to improve transportation efficiency and make full use of road space improve road traffic status quo According to China s actual road conditions make use of 3G networks GPS networks and the Internet and other modern communication technology programs combining this paper presents the design of urban bus intelligent monitoring solutions designed to achieve a city bus latitude and longitude information collection and automatic newspaper stand features and functionality of the system for further improvement and development prospect So as to achieve our intelligent management of urban public transport vehicles has opened up a path of exploration Key words ITS GPS 3G Linux Socket 滨州学院本科毕业设计 论文 i 目 录 第一章第一章 绪论绪论 1 1 1 智能交通系统中无线通信技术的发展趋势 1 1 1 1 智能交通系统概念 1 1 1 2 智能交通系统中无线通信技术的发展 1 1 2 国内外研究现状及研究意义 2 1 2 1 国外研究现状 2 1 2 2 智能交通系统研究的目的及意义 2 1 3 课题的研究内容和目标 3 1 3 1 研究内容 3 1 3 2 课题章节安排 3 1 4 本章小结 3 第二章第二章 GPS 与与 3G 技术技术 4 2 1 GPS 组成及其定位原理 4 2 1 1 GPS 组成及其定位原理 4 2 1 2 DGPS 定位原理和分类 5 2 2 3G 技术 7 2 2 1 3G 概述 7 2 2 2 3G 发展历程 7 2 2 3 基于 3G 的通信结构 协议及数据流程 8 2 3 本章小结 11 第三章第三章 智能公交监控系统的总体设计方案智能公交监控系统的总体设计方案 12 3 1 系统需求分析及其总体设计目标 12 3 2 硬件系统的总体设计方案 13 3 2 1 系统的硬件电路组成 13 3 2 2 各部分的组成和作用 14 滨州学院本科毕业设计 论文 ii 3 3 软件系统的总体设计方案 14 3 3 1 软件总体功能分析 14 3 3 2 系统软件组成 15 3 3 3 系统的数据流传输过程 16 3 4 本章小结 16 第四章第四章 智能公交监控系统的硬件电路设计智能公交监控系统的硬件电路设计 17 4 1 车载端硬件系统的总体结构 17 4 2 GPS 模块的硬件电路设计 18 4 3 监控终端主控单元的硬件电路设计 19 4 3 1 S3C2440 核心模块的特点 19 4 3 2 S3C2440 的接口电路 21 4 4 3G 模块的硬件电路设计 21 4 4 1 MC8630 的特点及其组成 22 4 4 2 3G 模块的 UIM 卡电路设计 23 4 5 本章小结 23 第五章第五章 智能交通系统的软件设计智能交通系统的软件设计 24 5 1 嵌入式操作系统的选择 24 5 2 嵌入式LINUX系统的基本结构 26 5 3 LINUX操作系统的移植 26 5 4 网络层的 TCP UDP 套接字程序设计 27 5 4 1 TCP UDP 协议对比 27 5 4 2 套接字概述 28 5 4 3 套接字编程 29 5 5 TCP 客户端程序设计 32 第六章第六章 总结与展望总结与展望 33 6 1 总结总结 33 6 2 展望展望 33 滨州学院本科毕业设计 论文 iii 参考文献参考文献 34 谢辞谢辞 35 滨州学院本科毕业设计 论文 1 第一章第一章 绪论绪论 1 1 智能交通系统中无线通信技术的发展趋势智能交通系统中无线通信技术的发展趋势 1 1 11 1 1 智能交通系统概念智能交通系统概念 随着我国城市化进程的加快 城市的人口和车辆的数量逐年递增 但是城 市道路的发展远远低于车辆数量的增长 由于城市空间和资源的限制 交通管 理效率低下 城市道路拥挤 道路建设就显得越发重要 特别是智能交通的规 划和建设 智能交通系统 Intelligent Transportation System 简称 ITS 将计算机 数 据通信 人工智能 传感器等技术综合运用于道路车辆运营 服务控制等领域 加强车辆 道路管理人员 使用者之间的联系 建设一种高效 准确的综合运 输系统 1 1 2 智能交通系统中无线通信技术的发展智能交通系统中无线通信技术的发展 在近几年 随着通信技术的发展 3G 牌照的发放 智能手机的兴起 无线 通信网络提供的业务正在从以语音为主 数据传输为辅转化到以数据传输为主 语音为辅 变得越来越智能化 数字化 全球化 先进的数据传输技术 通信 技术在智能交通系统的信息采集 处理中起到了重要作用 智能交通系统建立 在先进的无线通信技术上 车辆 行人都移动之中的 所以无线移动通信技术 已经成为智能交通系统的重要组成 在很多国家 GPS 3G CDMA 3G 等无 线通信技术相互结合 已经开始应用于智能交通系统领域 这种融合技术可以 实现交通管理中的紧急事件处理和紧急车辆管理功能 出行车辆的道路诱导和 导航服务 以及运营管理中心的车辆监控 调度功能 智能交通系统建设包括三部分内容 1 面向交通管理者的信息发布 目的是为工作在监控中心的人员提 供实时的信息 常用的媒介是监控中心的大屏幕和电视 同时也通过网络和专 用电台的方式向交警及交通运输调度部门发送信息 2 面向司机们的信息 常用的媒介是 LED 信息板 城市广播 LED 限速版等 向司机朋友提供实时的路况信息 3 面向社会公众的信息平台 主要通过网络 广播电台 电视台向 社会发布最新交通信息 为出行者选择合适的出行方式和线路提供更多的信息 滨州学院本科毕业设计 论文 2 这些信息系统之间的通信须依靠快速 稳定 高效的通信链路实现 依靠传统 的交通寻呼台方式 数字集群通信方式和蜂窝数字分组传输方式是不能够实现 的 所以 必须利用现有的专用短距离无线通信 GSM 3G CDMA 等方式 来实现 1 1 2 国内外研究现状及研究意义国内外研究现状及研究意义 1 2 1 国外研究现状国外研究现状 近几年机动车辆数量的迅猛增长 给城市道路交通带来了很大的压力 智 能交通系统的发展为这一问题的处理带来了希望 但是 这一系统的构建并不 是一朝一夕可以完成的 欧美和日本等国已经开始研究 但仍处于探索阶段 我国更是如此 从车辆定位监控系统的起步到现在的实验车的初步运行 无线 通信技术得到了不同程度的应用与发展 本课题在现有无线通信技术发展现状 的情况下 结合我国移动通信网络的基础 提出了以 GPS 3G CDMA 等通信 技术为基础的城市智能公交管理系统 1 2 2 智能交通系统研究的目的及意义智能交通系统研究的目的及意义 随着地球上人类数量的不断增多 地球上的资源变得越来越少 环境污染 越来越严重 各个国家都在采取不同的措施 合理开发利用本国资源 研发新 能源 保护环境 近几年车辆的迅猛发展 给人们的生活带来很大的方便 同 时也给环境带来了很大的压力 因此我国鼓励市民绿色出行 尽量少开私家车 乘坐公交车或地铁或骑自行车上下班 这时候一套科学合理的公交车监控管理 系统就显得很重要 高效准时的公交运营 低成本的运营成本才能吸引广大市 民乘坐公交 本公交管理系统欲达到的效果 一是站点自动报站 利用 GPS 定位技术和 3G 通信技术 实现车辆经纬度 的采集实现自动报站 并且把信息发送给车辆监控中心 二是车上视频监控 先进的 3G 技术可以提供高达 3Mbit s 的下载速率和 1Mbit s 的上传速率 向车辆监控中心发送实时的公交车中的视频影像 可以及 时的发现车辆上紧急情况 司机的不规范操作 乘客的逃票行为 这种先进的公共交通监控管理系统具有很多长处 对乘客而言 由于提高 了车辆运行的准时性 缩短乘客候车时间 从而增加了公交的吸引力和车辆的 滨州学院本科毕业设计 论文 3 载客量 对城市整体的发展产生很大的社会和经济效益 另一方面 可以提高 公交部门的服务质量和企业形象 实现公交运营管理 调度的智能化和现代化 从而成为交通系统建设中继高速公路电子收费和车辆自动导航系统后 又一重 要领域的探索和实践 同时为 3G 技术在交通领域的进一步发展应用奠定基础 2 1 3 课题的研究内容和目标课题的研究内容和目标 1 3 1 研究内容研究内容 本文对智能交通系统中用到的通信技术进行分析研究 对比不同通信方式 的优缺点 选用以 3G 通信方式为基础的 GPS 车辆定位监控系统的解决方案 并对系统中用到的 3G 技术和 GPS 技术的原理进行了分析说明 根据监控方案 的需求选择经济适用的 3G GPS 模块和控制模块 并对各模块的功能原理和接 口进行介绍 软件设计主要包括嵌入式系统的选择 TCP 套接字的设计 1 3 2 课题章节安排课题章节安排 本文主要有四部分组成 1 理论部分 包括绪论 GPS 和 3G 技术原理 监控系统总体设计 2 硬件电路部分 GPS 模块 3G 模块 主控单元模块 3 软件设计部分 车载终端 监控中心的软件设计 4 总结与展望 对设计进行总结和展望 1 4 本章小结本章小结 本章主要对研究课题的发展状况和背景进行概括总结 并对课题研究的必 要性进行了说明 同时对研究课题的内容和目标进行了概括性的总结 滨州学院本科毕业设计 论文 4 第二章第二章 GPSGPS 与与 3G3G 技术技术 该设计系统主要用到的模块包括 GPS 定位模块和 CDMA2000 通信模块 下面对定位系统和通信系统的工作组成 原理和特点进行详细阐述 2 1 GPS 组成及其定位原理组成及其定位原理 2 1 1 GPS 组成及其定位原理组成及其定位原理 GPS 的空间部分是由 24 颗卫星组成 21 颗工作卫星 3 颗备用卫星 它 位于距地表两万多千米的上空 运行周期为 12h 卫星均匀分布在 6 个轨道面 上 每个轨道面有 4 颗卫星 轨道倾角为 55 在全球任何地方 任何时间 都可观测到 4 颗以上的卫星 卫星中可以预存导航信息 GPS 的卫星因为大气 摩擦等问题 随着时间的推移 导航精度会逐渐降低 3 2 1 1 1 GPS 的系统组成的系统组成 GPS 系统通常由三个独立的部分组成 1 空间部分 21 颗工作卫星 3 颗备用卫星 2 用户设备部分 如车载终端 该部分用于接收 GPS 卫星发射信号 以获得定位信息 完成导航和定位工作 3 地面支撑系统 1 个主控站 3 个注入站 5 个监测站 2 1 1 2 GPS 的定位原理的定位原理 GPS 定位的基本原理是把高速运动的卫星瞬时位置作为起始数据 利用空 间距离交会的方法 确定测点的位置 如图所示 滨州学院本科毕业设计 论文 5 如果 T 时刻放置 GPS 接收机在地面待测点 可以测定信号传播到接收机的 时间 t 可以确定四个方程式 上述四个方程式中测试点的坐标 x y z 和 Vto为未知参数 其中 di c ti i 1 2 3 4 di i 1 2 3 4 分别为卫星 1 2 3 4 与接收机的距离 ti i 1 2 3 4 分别为卫星 1 2 3 4 的信号传播到接收机需要的时 间 C 是 GPS 信号传播的速度 等于光速 四个方程中各个参数意义如下 x y z 待测点的坐标 xi yi zi i l 2 3 4 由卫星导航电文求得的卫星 1 2 3 4 在 t 时 刻的空间位置坐标 Vti i l 2 3 4 由卫星星历提供的卫星 1 2 3 4 的卫星的钟差 Vto 接收机的钟差 由以上四个方程式即可以计算出接收机的钟差 Vto和测试点的坐标 x y z 4 2 1 22 1 2 DGPSDGPS 定位原理和分类定位原理和分类 2 1 2 1 DGPS 的定位原理的定位原理 DGPS 是英文 Difference Global Positioning System 的缩写 即差分全球定位 系统 方法是在一个精确的已知位置 基准站 上安装 GPS 监测接收机 计算 得到基准站与 GPS 卫星的距离改正数 该差值通常称为 PRC 伪距离修正值 基准站将此数据传送给用户接收机作误差修正 从而提高了定位精度 DGPS 是克服 SA 的不利影响 提高 GPS 定位精度的有效手段 可达到 级及以上精度 DGPS 一般可分为单基站 DGPS 多基准站区域 DGPS 广域 DGPS 和全球 DGPS 全球 DGPS 正在酝酿中 滨州学院本科毕业设计 论文 6 2 1 2 2 DGPS 的分类的分类 根据发送信息方式的不同 差分 GPS 分为两大类 位置差分和距离差分 距离差分又分为两类 载波相位差分和伪距差分 工作原理是一样的 都是从 基准站发送改正数 用户接收后经过修改后 就获得准确定位的结果 不同的 是 改正数的内容变了 定位的精度也不相同 下面对三种定位系统原理分别 介绍 5 1 位置差分原理 这是一种很简单的差分方法 用任何一种 GPS 接收机都可以改装或组成这 种系统 GPS 接收机观测 4 颗卫星的位置后便可进行三维定位 智能算出基准 站的位置坐标 由于存在着时钟误差 轨道误差 大气影响 SA 影响 多径效 应等其它误差 解算出的坐标与基准站的已知坐标是有偏差的 基准站利用数 据链将改正值发送出去 用户站接收并对用户站坐标值进行修正 X X0 Xl Y Y0 Y1 Z Z0 Zl 其中 X0 Y0 Z0 实测的坐标 X1 Yl Z1 其它方法求得的基准站精确坐标 X Y Z 基准站点的经纬度坐标修正值 由该修正值 可用下式表示推算出车辆所在的实际坐标 X X2 X Y Y2 Y Z Z2 Z 其中 X Y Z 修正之后车辆所在位置的经纬度坐标 X2 Y2 Z2 车载 GPS 接收机得到的实际测量坐标 经计算得到的坐标已消去了用户站和基准站之间的误差 这些误差是由 SA 影响 卫星轨道误差 大气影响等造成的 从而提高了定位的精确度 差分技 术实现定位精确的前提条件是用户站和基准站观测同一组卫星 位置差分定位 技术适用范围是用户与基准站间的距离在 100km 以内 2 伪距差分原理 应用最广的一种差分 在基准站上 观测所有卫星 根据基准站已知坐标 和各卫星的坐标 求出每颗卫星每一时刻到基准站的真实距离 再由测得的伪 距 算出伪距改正数 将其传输到车辆接收机 以提高定位精度 这种差分 能得到米级定位精度 如沿海广泛使用的 信标差分 6 滨州学院本科毕业设计 论文 7 3 载波相位差分原理 载波相位差分技术又称 RTK Real Time Kinematic 技术 是实时处理两 个测站载波相位观测量的差分方法 即是将基准站采集的载波相位发给用户接 收机 进行求差解算坐标 载波相位差分可使定位精度达到厘米级 大量应用于动态需要高精度位置 的领域 7 2 2 3G 技术技术 2 2 1 3G 概述概述 第三代移动通信技术 3rd generation 3G 指支持高速数据传输的移动 通信技术 3G 服务能同时传送声音及数据信息 速率一般在几百 kbps 以上 3G 是指将无线通讯与互联网等多媒体技术结合的新一代移动通信系统 目前 3G 存在四种标准 CDMA2000 WCDMA TD SCDMA WIMAX 3G 与 2G 的主要区别是在传输声音质量和数据的速度上的提升 它能在全 球范围内更好地实现无线漫游 并处理音乐 图像 视频流等多种媒体形式 提供包括电话会议 网页浏览 电子商务等多种信息服务 同时也要考虑与 2G 的良好兼容性 为了提供这种服务 无线网络必须能够支持不同的数据传输速 度 也就是说在室内 室外和行车的环境中能够分别支持至少 2Mbps 兆比特 每秒 384kbps 千比特 每秒 以及 144kbps 的传输速度 此数值根据网络环 境会发生变化 2 2 2 3G 发展历程发展历程 3G 网络是由 GSM 3G 网络的基础上发展演变形成的 GSM 3G 核心网演进 的方向是 GSM 核心网演进为 3G CS 域 3G 核心网演进为 3G PS 域 在演进 的过程中 既要考虑充分利用现网资源 实现网络平滑演进 又不能影响业务 运行和业务质量 GSM 3G 向 3G 的演进可以分为三个阶段 第一阶段 3G 建设初期 新建 3G 网络 即电路域新建 MSC Server MGW 分组域新建 SGSN 此外共用 2G 的 GMSC GGSN 和其他分 组域设备 第二阶段 3G 发展中期 2G 3G 共用核心网 升级 2G 的部分 MSC 为 滨州学院本科毕业设计 论文 8 MSC Server GPRS SGSN 为 3G SGSN 支持 3G 用户的接入 同时可以通过 3G 设备的 A 接口和 Gb 接口将部分 2G BSS 接入 3G 核心网 这个阶段 随着 3G 用户数量的增加 2G 网络会出现余量 可以将具备升级条件的 2G 设备升 级 降低资源消耗 提高网络效率 第三阶段 3G 发展后期 无法升级的 2G 移动交换中心 GPRS 接口服务 器逐步退网 形成统一的 3G 核心网 这个阶段 3G 无线覆盖趋于完善 2G 用户数逐渐变少 核心网不需要提供对 2G 无线接入网的支持 可以逐步淘汰 无法升级的设备 双接入设备也无须再支持 2G 无线网的接入 8 2 2 3 基于基于 3G 的通信结构 协议及数据流程的通信结构 协议及数据流程 根据无线接口技术的不同 现有 3G 技术可以分为联通的 WCDMA 技术 电信的 CDMA2000 技术和移动的 TD SCDMA 技术 考虑到传输带宽 网络稳 定性 实用性等因素 本系统采用电信 CDMA2000 作为无线网络传输 2 2 3 1 CDMA2000 简介简介 CDMA2000 是由窄带 CDMA CDMA IS95 技术研发发展而来的 是一种 宽带 CDMA 技术 也称为 CDMA Multi Carrier 是由美国高通北美公司为主导 提出 摩托罗拉 三星和 Lucent 都有参与 韩国成为该标准的主导者 这套系 统可以从原来的 CDMAONE 结构直接升级到 3G 结构 建设成本低廉 2 2 3 2 CDMA2000 网络结构组成网络结构组成 cdma2000 1X 网络主要有 BTS BSC 和 PCF PDSN 等节点组成 系统结 构如图 2 1 所示 滨州学院本科毕业设计 论文 9 图图 2 12 1 基于基于 ANSI 41ANSI 41 核心网的系统结构核心网的系统结构 其中 BTS 基站收发机 PCF 分组控制 BSC 基站控制器 PDSN 分组数据服务器 SDU 业务数据单元 MSC VLR 移动交换中心 访问寄存器 BSCC 基站控制器 由图可见 与 IS 95 相比 核心网中的 PCF 和 PDSN 是两个新增模块 通 过支持移动 IP 协议的 A10 A11 接口互联 可以支持分组数据业务传输 而以 MSC VLR 为核心的网络部份 支持话音和增强的电路交换型数据业务 与 IS 95 一样 MSC VLR 与 HLR AC 之间的接口基于 ANSI 41 协议 9 图中 BTS 在小区建立无线覆盖区用于移动台通信 移动台可以是 IS 95 或 cdma2000 1X 制式手机 BSC 可对对个 BTS 进行控制 Abis 接口用于 BTS 和 BSC 之间连接 A1 接口用于传输 MSC 与 BSC 之间的信令信息 A2 接口用于传输 MSB 与 BSC 之间的话音信息 A3 接口用于传输 BSC 与 SDU 交换数据单元模块 之间的用户话务 包括 语音和数据 和信令 A7 接口用于传输 BSC 之间的信令 支持 BSC 之间的软切换 滨州学院本科毕业设计 论文 10 以上节点与接口与 IS 95 系统需求相同 cdma2000 1X 新增接口为 A8 接口 传输 BS 和 PCF 之间的用户业务 A9 接口 传输 BS 和 PCF 之间的信令信息 A10 接口 传输 PCF 和 PDSN 之间的用户业务 A11 接口 传输 PCF 和 PDSN 之间的信令信息 A10 A11 接口是无线接入网和分组核心网之间的开放接口 新增节点 PCF 分组控制单元 是新增功能实体 用于转发无线子系统和 PDSN 分组控制单元之间的消息 PDSN 节点为 cdma2000 1X 接入 Internet 的接口模块 10 滨州学院本科毕业设计 论文 11 2 2 3 1 总体通信结构总体通信结构 在 ITS 系统中 利用 3G 网在车内系统 路边系统和监控中心之间进行通信 下面对原理进行说明 终端设备将数据送入 3G 无线模块 无线模块将数据进行分 组 通过 3G 网络和互联网送到监控中心的服务器 监控中心接收数据后 可以通 过互联网和 3G 网络向车辆发出各种指令 监控中心须接入互联网且具有固定和真 实的 IP 在对无线模块进行 3G 附着过程和 PDP Packet Data Protocol 分组数据协议 上 下文激活过程后 就可以利用 3G 来进行数据传输了 激活过程用于激活口协议 使数据能以 IP 数据报的形式传送 通过激活过程 3G 无线模块与 GGSN 建立一条 逻辑通路 进行数据传输 附着过程用于接入 SGSN SGSN 就可以对用户进行移 动性管理 监控中心和终端设备的各种数据和类型都要经过 3G 模块 SGSN GGSN 和 Internet 在传送的每个阶段利用的介质 协议也各不相同 所以 需要涉及到不同协议之间的转换 在通信系统的设计中 将数据封装为适宜的形式 以适合不同的协议 2 3 本章小结本章小结 本章主要对美国的全球定位系统 GPS 和 3G 通信网络的结构 协议 特点及工 作原理进行了详细阐述 对 3G 数据流工作的流程分析 可以明晰应用层数据封装 的概念 滨州学院本科毕业设计 论文 12 第三章第三章 智能公交监控系统的总体设计智能公交监控系统的总体设计方案方案 经过调查问卷 了解到人们日常出行对公交车的需求 结合实际无线通信技术 的水平 本章对智能公交系统设计的总体目标进行了概括 提出了硬件和软件的具 体解决方案 3 1 系统需求分析及其总体设计目标系统需求分析及其总体设计目标 乘客们在乘坐公交时 往往希望公交车能精确的站点报站 以免坐过站 或是 对什么时候下车很茫然 实时站点报站对乘客们提前做好下车准备也有益处 避免 下车时惊慌失措 公交管理系统也希望对车上情况实行监控 可以避免司机不规范 驾驶 保证乘客们的乘车安全 可以及时发现逃票乘客 也可以对车上扒手等不法 分子造成一定心里威胁 该系统须满足公交车运行过程中经纬度信息和车上视频的实时传输 利用 3G 模块把由 GPS 模块定位得到的经纬度信息和摄像头所录视频及时的传送到控制中 心的服务器 传送之前需要对数据进行分离 封装处理 然后通过 3G 数据链路联 接到 Internet 进而访问监控中心服务器的目的 为了扩展车载系统的功能 还可 以提供面板操作 短消息语音播报和图形显示等功能 以增加系统的可扩展性和司 机的操作方便性 可以通过 GPS 模块来采集卫星数据 进而传输经纬度 到站时刻等数据 但 是需要一个具有很强数据处理能力和可以控制的接口的微处理器 无线通信数据链 路的物理层可以由 3G 模块承载 但是需要有支持数据链路层和网络层协议栈的软 硬件平台 对于扩展数据传输 如车辆紧急故障警报 短消息语音播放等功能可以 通过控制 3G 模块实现 也可以通过专用模块实现 通过分析系统需求可以得出 该车载系统需要一个具有较强运算和控制能力的 主控芯片 并且可以同时支持网络协议栈和链路层的硬件平台 硬件系统为了解决 运算和 I O 控制问题 可以采用嵌入式系统 通过在嵌入式平台上构建支持网络通 信协议栈的嵌入式系统 可以很好的解决网络协议栈的很多内容 因此硬件平台选 用 SANGSUNG 公司的 S3C24490 处理器做主控单元 再加上 3G 模块和 GPS 定位 模块就构成了主要硬件平台 车载端软件系统选用嵌入式 linux 作为软件开发平台 滨州学院本科毕业设计 论文 13 监控中心通过 windows 操作系统自己就能通过套接字编程的方式构建 这样就可以 实现对公交车位置和车上情况进行监控 及时了解车辆位置和车上状况 并在需要 时对公交车辆进行实时的调度和控制 总体设计图如图 3 1 所示 11 图图 3 13 1 智能公交监控系统结构图智能公交监控系统结构图 3 2 硬件系统的总体设计方案硬件系统的总体设计方案 3 2 1 系统的硬件电路组成系统的硬件电路组成 移动终 端设备 监控中心服务器 监控中心管理端 图图 3 23 2 监控系统总体硬件电路示意图监控系统总体硬件电路示意图 滨州学院本科毕业设计 论文 14 该智能公交监控系统的硬件电路设计主要包括四个部分 车载端 3G 网络 Internet 和监控中心端 该监控系统的总体硬件电路设计如图 3 2 所示 3 2 23 2 2 各部分的组成和作用各部分的组成和作用 1 车载端 系统车载端是由控制单元 GPS 模块 3G 模块组成 主要功能是 车辆位置信息经纬度的采集 处理 并通过移动通信模块将信息发送到互联网 2 3G 网络 这一部分是由电信运营商提供的 本系统选用电信公司的 3G 网 络 公交管理部门只需向电信公司缴纳一定的通信服务费 无需参加移动设备的安 装 维护费用的投入 移动设备需要将受到的信息准确及时的发送到互联网 3G 网是连接车载端和互联网的纽带 3 互联网 移动网络和监控中心数据传输的桥梁 主要功能是将移动网络发 送来的信息传输到监控中心服务器端 供监控人员获取 4 监控中心端 由监控终端和服务器组成 实现监控人员对运行公交车的实 时监控和管理 12 3 3 软件系统的总体设计方案软件系统的总体设计方案 3 3 13 3 1 软件总体功能分析软件总体功能分析 主要从两个角度实现智能公交管理系统的功能 车载端和监控中心端 3 3 1 13 3 1 1 车载端车载端 对于车载端 软件应该包括以下几功能部分 1 GPS 数据获取 为了确定公交车位置经纬度信息 需要将 GPS 模块得到的 数据进行接收 2 经纬度数据分离 对经纬度数据进行分离 实现和固定站点位置进行有效 的比较 3 车辆当前位置数据的发送 将经纬度信息通过 3G 模块发送到移动网络 进 而实现和监控中心的联系 4 当前站点信息 礼貌用语的播报 5 信息数据的记录 滨州学院本科毕业设计 论文 15 3 3 1 23 3 1 2 监控中心端监控中心端 对于监控中心端而言 软件主要包括以下两部分 1 接收车载端发送的数据 监控中心通过监听端口 从 Internet 获得车载终端 发送的实时数据 2 车辆运行线路站点信息的设置 录入公交车运行线路途中站点的经纬度信 息 作为车载端的数据文件 3 3 23 3 2 系统软件组成系统软件组成 分析总体功能 可以得到系统软件总体流程图如图 3 3 所示 图图 3 33 3 系统软件总体设计流程图系统软件总体设计流程图 滨州学院本科毕业设计 论文 16 3 3 3 系统的数据流传输过程系统的数据流传输过程 软件系统的数据流程图如图 3 4 所示 数据流更能够说明系统软件的功能实现 过程 图图 3 43 4 软件系统的数据流程图软件系统的数据流程图 数据的传输过程 车载端软件从 GPS 模块采集到车辆经纬度信息 然后进行 系统定义事件的判定 当有到站事件发生时 播报到站站点信息 并将经纬度信息 和到站时间依次封装 加上 IP 数据包 ppp 数据包 再通过 3G 网络传送给监控中 心 从监控中心对车载端的控制过程看 车载系统受到监控中心的控制信息后 首 先剥离 ppp 数据报文 再剥离 IP 数据报文 最后通过匹配驱动以控制相应的硬件 设备 可以看出数据流之间实现一层一层的传输 层与层之间透明传输 从而保证 车载端的正确发送和监控中心的有效接受 13 3 4 本章小结本章小结 本章从设计需求角度出发 分析了智能公交报站系统的硬件组成 并提出了系 统软件解决方案 是本系统的总体设计章节 在章节安排上起到承上启下的作用 是理论向实际设计章节的过度 同时对下几章节具体软硬件模板的选取起到指导作 用 滨州学院本科毕业设计 论文 17 第四章第四章 智能公交监控系统的硬件电路设计智能公交监控系统的硬件电路设计 智能公交监控系统的硬件资源由两部分组成 车载端和网络监控中心端 监控 中心需要配有可以上网的 PC 机来作为监控服务器 只要需要向 ISP 申请固定 IP 地 址的网络即可 因此对这部分不做详细说明 本章将对车载端硬件电路的设计进行 详细的介绍 4 1 车载端硬件系统的总体结构车载端硬件系统的总体结构 智能公交监控系统车载端的硬件平台主要由三部分组成 1 能车载终端主控单元 2 3G 模块单元 3 GPS 模块单元 图图 4 14 1 系统总体硬件框图系统总体硬件框图 系统主控单元与 3G GPS 两个模块之间的连接通过串行端口实现 主控单元 模块对外提供三个通用的 UART 接口 UART0 UART2 设计采用将 UART2 控制 GPS 模块 UARTl 控制 3G 模块 而 UART0 用于保留做其它设备的接口 主控单元外围扩展了 LCD 控制接口 IIC 总线接口等 系统还扩展了 USB 接 滨州学院本科毕业设计 论文 18 口用来加载数据文件和导出信息 此外 根据模块和芯片供电的特点 提供匹配的 电源输入 该系统还设计了电源供电模块 系统的硬件电路设计框图如图 4 1 所 示 4 2 GPS 模块的硬件电路设计模块的硬件电路设计 对于 GPS 模块的选择 通常从支持的通信协议 技术参数 控制接口和成本 等几个方面考虑 目前最常用的 GPS 模块 大都采用 C A 编码 NMEA0183 协 议 并且支持 12 通道 该监控系统主要是实现经纬度数据的采集和接收 因此从 实用性角度出发 本系统的 GPS 模块采用的是 HOLUX 的 GB 87 模块 该模块支 持 NMEA0183 协议 支持 3 3V 5 5V 电压输入 TTL 接口电平 波特率可置 在 本系统中 GR 87 模块通过 6PIN 排线与主板相连 1 脚为电源输入脚 接 5 V 电 源 2 3 脚为 GPS 模块的数据接收和发送 5 脚接地 工作时 主控制器 S3C2440 与 GPS 模块串口 2 进行通信 通过设置模块定时输出 GPS 定位数据 由 主控制器对 GPS 数据进行处理 提取出经纬度 时间等有用信息 为自动报站及 正点考核提供可靠数据 保证报站及正点考核功能的实现 该定位模块的特点如表 4 2 所示 滨州学院本科毕业设计 论文 19 表表 4 24 2 GB 87GB 87 的特点的特点 主要特点 采用锂电池 重捕速度更快 寿命更长 抗电磁干扰强 1PPS 秒脉冲输出精度可达 1US 输出电平模式可供选择 精度 15m 位置 差分 3m 0 1m s 速度 定位时间 冷启动 40s 热启动 12s 重新捕获 2s 跟踪能力 12 并行通道 GPS L1 工作电压 3 5 5 5V 可选 功耗 0 9W 更新率 1Hz 技术指标 温度范围 300C 850C 工作温度 400C 900C 存储温度 外形尺寸 45 69 8 11 8mm物理指标 重量 40g GB 87 模块在设计上 采用当下最新技术和高度集成的电路设计 有效测量经 纬度数据的同时 对于系统功耗的降低和体积的减小都是很好的选择 此外外 该 模块还可以将卫星上次定位位置 时间及日期 轨道参数等数据保存在静态存储器 中 接收机内部有备用电池为存储器供电 诸多优点决定了它非常适合手持和智能 车载设备终端的开发和应用 所以该监控系统的采用的 GPS 模块为 GB 87 14 4 3 监控终端主控单元的硬件电路设计监控终端主控单元的硬件电路设计 4 3 14 3 1 S3C2440S3C2440 核心模块的特点核心模块的特点 主控单元为了实现串口 GPS 经纬度数据的采集和处理 控制和利用 3G 模块来 滨州学院本科毕业设计 论文 20 实现和监控中心的通信 需要选用有较强数据处理功能的处理器 因此本系统的主 控芯片选择了内核为 ARM920T 的 ARM9 处理器 由于 S3C2440 芯片应用比较广 泛 片内资源丰富 资料齐全 价格适中 所以选择它作为系统的微处理器 该处 理器是一款基于 RISC 的 32 位微处理器 工作频率为 400 MHz 最高可达 533 MHz 满足了举系统对处理速度的要求 同时该处理器还集成了丰富的通信接口和 控制器 有效地降低了系统的复杂度 为系统开发提供了良好的硬件平台 其尺寸 图形如图 4 3 所示 图图 4 34 3 Nan02440Nan02440 核心版图核心版图 滨州学院本科毕业设计 论文 21 4 3 24 3 2 S3C2440S3C2440 的接口电路的接口电路 S3C2440 核心版本身含有丰富的扩展接口 包括 LCD LAN AD USB 12C RTC JTAG 接口等 图图 4 44 4 S3C2440S3C2440 接口电路图接口电路图 该设计主要利用其外围串口电路实现和 GPS 和 3G 模块相连 10S 接口用于实 现车载端语音电路的扩展 S3C2440 接口电路如图 4 4 所示 15 滨州学院本科毕业设计 论文 22 4 4 3G 模块的硬件电路设计模块的硬件电路设计 根据无线接口技术的不同 现有 3G 技术可以分为联通的 WCDMA 技术 电 信的 CDMA2000 技术和移动的 TD SCDMA 技术 考虑到传输带宽 网络稳定性 实用性等因素 本系统采用电信 CDMA2000 作为无线网络传输 采用中兴公司的 MC8630 模块作为视频数据传输模块 4 4 14 4 1 MC8630MC8630 的特点及其组成的特点及其组成 MC8630 模块具有短信 数据业务 语音和 GPS 等功能 工作频段为 800MHz 通过均衡技术和双天线接收分集技术 下行速率可达 3 Mbit s 上行速 率可达 2 Mbit s 可以通过 USB 接口将 MC8630 模块连接到 MIN2440 S3C2440 为主芯片的开发板 处理器上 实现封装后的视频数据传输 MC8630 的总体结构 框架图如图 4 6 所示 16 滨州学院本科毕业设计 论文 23 图图 4 64 6 MC8630MC8630 结构框图结构框图 4 4 2 3G 模块的模块的 UIM 卡电路设计卡电路设计 模块支持 3V 的 UIM 卡 卡端口部分有 4 个管脚 管脚 V CARD 用来为卡 供电 在恶劣的环境下 一定要加上 ESD 保护卡 如图中 D2 器件是 ESD 器件以 便保护器件 图图 4 74 7 UIMUIM 卡电路参考设计图卡电路参考设计图 注意 注意 考虑到不同的卡的数据管脚输出的电流存在较大的区别 因此 DATA 管脚 需采用 10k 电阻上拉到 V CARD 的电源 UIM 卡电路 PCB 布线尽可能靠近模 块 防止其他干扰源干扰 UIM 卡的读写操作 4 5 本章小结本章小结 本章主要设计硬件电路部分 包括车载终端部分和监控中心服务器 其中车载 终端设备的设计是重点 车载终端包括 GPS 模块 3G 模块 主控芯片 根据实际 需求 性价比和扩展性等需求 选择使用 HOLUX 的 GB 87 模块 Sangsung 公司 滨州学院本科毕业设计 论文 24 的 S3C2440 主控芯片和中兴公司的 MC8630 模块三个主要部分 监控中心服务器硬件设备需要普通的 PC 机和具有实现网络连接的网络设备即 可实现 为了实现对车载设备的监控 需要向 ISP 申请具有固定接口地址的服务 滨州学院本科毕业设计 论文 25 第五章第五章 智能交通系统的软件设计智能交通系统的软件设计 5 1 嵌入式操作系统的选择嵌入式操作系统的选择 嵌入式系统是一种特殊的计算机系统 一般包括硬件设备 嵌入式操作系统和 应用软件 关系如图 5 1 所示 应用软件 嵌入式操作系统 硬件设备 嵌入式处理器 外围设备 图图 5 15 1 嵌入式系统的组成嵌入式系统的组成 其中的嵌入式处理器是核心部分 将通用处理器中的许多板卡完成的任务集成 到芯片内部 从而有利于嵌入式系统在设计时趋于小型化 同时有很高的效率和可 靠性 目前 比较常用的几种嵌入式操作系统有嵌入式 linux VxWorks QNX Windows CE Palm OS 等 比较各种操作系统的特点 为车载系统选择适合的操作系统 我们从常用通用性 互操作性 可开发定制 应用领域及实时性等几个方面进 行比较 滨州学院本科毕业设计 论文 26 表表 5 15 1 PalmPalm OSOS 嵌入式 嵌入式 LinuxLinux WindowsWindows CECE 的对比的对比 嵌入式嵌入式 LinuxLinuxWindowsWindows CECEPalmPalm OSOS 大小核心从几十 KB 到 500KB 整个环境最小才 100KB 左 右 以后还将越来越小 核心占 250KB 的 RAM 和 500KB 的 ROM 整 个 Windows CE 操作 系统大约 1 5MB 核心几十 KB 整个 环境也不大 互操作性很强比较强 Windows CE 通过 OEW 的许可 协议可用于其他设 备 互操作性强 可开发定 制性 用户可方便的开发定制 可自由的装卸用户模块不 受任何限制 用户开发定制不方 便 受 Microsoft 公司限制比较多 可方便的开发定制 实用性很好比较好比较好 通用性不仅适应于 x86 芯片 并 可以支持 30 多种 CPU 和 多种硬件平台 开发和使 用都很容易 适用于多种 CPU 和 多种硬件平台 适用于多种 CPU 和 多种硬件平台 适用的应 用领域 由于 linux 内核结构及功 能等原因 嵌入式 linux 应用领域非常广阔 特别 适用于信息家电的开发 应用领域较广 Windows CE 是新一 代非传统的 PC 设备 而设计的 这些设 备包括掌上电脑 车载电脑等 应用领域广 特别 适用于掌上电脑的 开发 滨州学院本科毕业设计 论文 27 5 2 嵌入式嵌入式 linux 系统的基本结构系统的基本结构 Linux 的结构框架图如图 5 1 所示 图图 5 15 1 LinuxLinu