基于XPE的嵌入式車載系統(tǒng)研究與實(shí)現(xiàn)

0引言

作為智能交通的主要組成部分，車載導(dǎo)航定位己成為最近的研究熱點(diǎn)[1]。隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)從軍用轉(zhuǎn)為民用后，GPS技術(shù)應(yīng)用于移動(dòng)目標(biāo)的監(jiān)控有著其它無法比擬的優(yōu)勢(shì)，所以采用GPS技術(shù)對(duì)各種車輛實(shí)施監(jiān)控、調(diào)度管理成為一個(gè)新的研究熱點(diǎn)。

GPRS可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)交換，而且按照數(shù)據(jù)流量計(jì)費(fèi)，特別適合應(yīng)用在車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)這種頻繁的小流量數(shù)據(jù)傳輸?shù)膱?chǎng)合。因此，本系統(tǒng)采用GPRS作為車載電腦與服務(wù)器的通信方式。

由于地圖匹配采用了復(fù)雜的算法，道路網(wǎng)絡(luò)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)須采用數(shù)據(jù)庫方式，整個(gè)定位系統(tǒng)須采用高級(jí)語言編程實(shí)現(xiàn)?；谶@些特點(diǎn)該車載定位裝置采用單板工控電腦作為硬件平臺(tái)，操作系統(tǒng)采用Windows XP Embedded with SP2 。相對(duì)于Linux, Windows CE等其他嵌入式操作系統(tǒng)，選擇嵌入式XP的好處是，用戶方的現(xiàn)有程序不必重新編程，而研制方的編程人員對(duì)基于Windows的編程己經(jīng)比較熟悉，不必學(xué)習(xí)新的操作系統(tǒng)下如何編程。

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展和人們對(duì)車輛定位的需求，急需利用Internet實(shí)現(xiàn)對(duì)指定的車輛查詢定位，使用戶可以直接通過訪問車輛導(dǎo)航定位公司的網(wǎng)站即可以文本和圖像的形式顯示給用戶。Web GIS是在Internet環(huán)境下運(yùn)行的GIS，就是利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和WWW技術(shù)來完善和擴(kuò)展傳統(tǒng)的GIS功能的一門新技術(shù)。因此，如何利用Web GIS技術(shù)結(jié)合GPS技術(shù)實(shí)現(xiàn)在Internet環(huán)境下車輛定位查詢是一個(gè)很值得探討的問題并具有現(xiàn)實(shí)意義。

1系統(tǒng)的總體架構(gòu)

1.1系統(tǒng)的組成

在車輛定位中該應(yīng)用系統(tǒng)主要包括如下4部分:車載GPS移動(dòng)終端,  GPRS通信網(wǎng)絡(luò)、車輛服務(wù)信息中心和用戶，如圖1所示。

圖 1系統(tǒng)的組成圖

1. 2工作原理

其中車載GPS移動(dòng)終端可以為服務(wù)中心提供移動(dòng)目標(biāo)的最新定位數(shù)據(jù)、車輛運(yùn)行速度和方向等信息，并將該信息通過無線通信網(wǎng)絡(luò)GPRS傳到車輛服務(wù)信息中心，車輛服務(wù)信息中心通過無線通信網(wǎng)絡(luò)GPRS與車載GPS移動(dòng)單元通信，通過Internet與客戶通話。當(dāng)客戶端提交車輛定位請(qǐng)求后，車輛服務(wù)信息中心接收該請(qǐng)求并通過無線通信網(wǎng)絡(luò)GPRS向車載移動(dòng)單元發(fā)出定位指令，然后將該車輛的最新信息傳回車輛服務(wù)信息中心，服務(wù)信息中心接收新的車輛信息并在地圖上繪制，然后以文本和圖片組成的網(wǎng)頁傳回客戶端。

2  車載電腦終端硬件平臺(tái)構(gòu)建

該車載電腦終端硬件平臺(tái)采用AAEON公司的GENE-8310開發(fā)板作為平臺(tái)，該開發(fā)板實(shí)際就是一個(gè)嵌入式的電腦處理平臺(tái)。板載 Intel® Celeron® M 600MHz處理器，具有強(qiáng)勁的處理能力。具有良好的顯示支持，豐富的接口。對(duì)于客戶在低功耗控制下的優(yōu)秀處理能力等更高需求方面都是最好的選擇。特別是因?yàn)樗贗ntel平臺(tái)，在普通電腦上開發(fā)的軟件可以不用修改就可以在該平臺(tái)運(yùn)行。簡化了編程工作量。在該開發(fā)板的基礎(chǔ)上擴(kuò)充GPS和GPRS模塊，構(gòu)成車載電腦終端的硬件系統(tǒng)。

3 車載操作系統(tǒng)的開發(fā)及構(gòu)建[2]

圖 2  嵌入式XP操作系統(tǒng)開發(fā)過程

該車載電腦終端軟件平臺(tái)以Windows XP Embedded with SP2作為操作系統(tǒng)。Windows XP Embedded是桌面 Windows XP操作系統(tǒng)的組件化版本，它能夠快速開發(fā)出最為可靠的全功能連接設(shè)備。Windows XP Embedded采用與Windows XP  Professional相同的二進(jìn)制代碼，從而使得嵌入式開發(fā)人員能夠只選擇那些小覆蓋范圍嵌入式設(shè)備所需的豐富定制化特性。 該系統(tǒng)中我們選用了512M的CF卡作為車載操作系統(tǒng)和應(yīng)用軟件的載體，操作系統(tǒng)控制在100M以內(nèi)。

具體的嵌入式XP操作系統(tǒng)的開發(fā)，大致可分為幾個(gè)步驟，如圖2所示。鑒于篇幅，在此就不作詳細(xì)介紹了。

4  GPS數(shù)據(jù)接收及優(yōu)化處理

GPS接收模塊采用飛鷹公司的TFAG30，車載GPS移動(dòng)單元傳回的定位信息為 NMEA0813標(biāo)準(zhǔn)格式的數(shù)據(jù)，其中$GPGGA(字頭標(biāo)識(shí)符)，hhmmss. ss(時(shí)間，時(shí)、分、秒)，bbbb, bbbb(緯度，度度分分，分分分分),N(北緯，s指南緯)，IIII ,IIII(經(jīng)度，度度度分分，分分分分)，E(東經(jīng)，w西經(jīng))，q (1表示定位模式GPS , 2表示DGPS)，nn(衛(wèi)星數(shù))，P(水平位置定位精度因子)，h, h(海平面的天線高)，m.，g.g(橢球面上的天線高)，m,xxx(為DGPS有效數(shù)據(jù)期)，aaaa  (DGPS基準(zhǔn)站的編號(hào)),ss(校驗(yàn)和)，< CR>回車<LF>換行

由于接收到的衛(wèi)星數(shù)據(jù)存在星歷誤差，電離層誤差，對(duì)流層誤差以及隨機(jī)噪聲等，為了提高定位的精度，需要對(duì)衛(wèi)星定位數(shù)據(jù)作差分算法的處理[4]。

為了消除隨機(jī)噪聲和動(dòng)態(tài)噪聲對(duì)定位結(jié)果的影響，在數(shù)據(jù)處理之前先要對(duì)定位數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波平滑。下面給出所采用的卡爾曼濾波方法的說明。

（1）、動(dòng)態(tài)方程 

式中，PRC為校正后的偽距；PRm為測(cè)量到的偽距；a為偽距的加權(quán)系數(shù)；△r為未經(jīng)加權(quán)的距離校正值；CPR為基準(zhǔn)站測(cè)量到的偽距校正值；CPw為基準(zhǔn)站測(cè)量到的偽距率校正值；ti為測(cè)量偽距的時(shí)間；t0為校正時(shí)間的參考時(shí)間；k為其他誤差。

經(jīng)過差分處理之后，數(shù)據(jù)定位精度可以保證在10m之內(nèi)，滿足實(shí)際應(yīng)用需求。

5  GPRS無線鏈路的建立

GPRS無線通信模塊采用西門子公司的MC35I ,GPRS無線通信鏈路的建立包括GPRS的附著和PDP上下文的激活兩個(gè)過程。具體過程描述如下：(1) 車載系統(tǒng)發(fā)送AT指令給GPRS無線通信模塊要求激活I(lǐng)P協(xié)議，指令中包含想要連接的APN接入點(diǎn)名稱，QOS等參數(shù)。(2)移動(dòng)終端發(fā)送LCP數(shù)據(jù)幀與網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行設(shè)置和參數(shù)協(xié)商。參數(shù)協(xié)商結(jié)束后通過PAP協(xié)議確認(rèn)用戶身份，并且保存用戶ID和密碼。(3)移動(dòng)終端發(fā)送IPCP數(shù)據(jù)幀，請(qǐng)求動(dòng)態(tài)分配IP地址，并SGSN發(fā)送激活PDP上下文請(qǐng)求。(4)  SGSN請(qǐng)求DNS服務(wù)器對(duì)APN進(jìn)行解析，得到APN對(duì)應(yīng)的GGSN的IP地址。SGSN發(fā)送PDP上下文請(qǐng)求給被選定的GGSN ,  GGSN對(duì)用戶進(jìn)行認(rèn)證，通過后為用戶分配動(dòng)態(tài)IP地址，然后向SGSN返回PDP上下文建立成功信息。(5)  SGSN向移動(dòng)終端發(fā)送激活PDP消息，并通過IPCP配置回應(yīng)給移動(dòng)終端動(dòng)態(tài)分配的IP地址。

6         WebGIS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與架構(gòu)

  該WebGIS系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio. NET 2003+SQL Server 2000+MapX 構(gòu)建。該系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要包括空間數(shù)據(jù)和屬性數(shù)據(jù)兩種，空間數(shù)據(jù)包括如下圖層：行政區(qū)劃、居民地、水系、公路網(wǎng)、政府、企業(yè)、賓館，并將上述圖層在Map X數(shù)據(jù)集配置文件Geoset Manager中配置，保存為rpdh. gst文件；屬性數(shù)據(jù)存儲(chǔ)在SQL Server 2000中，包括用戶管理表(用戶ID、用戶名稱、密碼、公司名稱)、車輛信息表(車輛ID、屬于用戶、車載SIM-ID、車輛備注信息)和接收信息表(車載SIM-ID ,經(jīng)度、緯度、速度、方向、時(shí)間等)。

WebGIS系統(tǒng)架構(gòu)主要由兩部分組成。包括客戶端和服務(wù)器端，客戶端只需用戶安裝有IE瀏覽器即可，其中客戶端的ZoomView組件實(shí)現(xiàn)視圖改變的腳本組成。服務(wù)器端主要包括網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和GIS WEB服務(wù)器兩部分組成，其中網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器需要安裝微軟的Asp.Net，負(fù)責(zé)與客戶端的會(huì)話，GIS WEB服務(wù)器提供GIS的功能。

網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器和GIS WEB服務(wù)器兩者之間采用.NET Remoting技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程調(diào)用，由ActiveXMessenger組件實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器與GIS WEB服務(wù)器之間的消息傳遞功能，ActiveXIntermediator為遠(yuǎn)程處理對(duì)象，也是基于.NET Remoting技術(shù)的核心，其中ActiveXlntermediator運(yùn)行在GIS WEB服務(wù)器上，在網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器上運(yùn)行它的代理對(duì)象。GIS WEB服務(wù)器在遠(yuǎn)程調(diào)用中起到服務(wù)器的作用，提供ActiveX控件的功能;網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器在遠(yuǎn)程調(diào)用中起到客戶端的作用。其中GIS WEB服務(wù)WebGIS的實(shí)現(xiàn)采用.Net編程環(huán)境新添加的Remoting[5]技術(shù)，主要包括ActiveXBroker Group ，ActiveXBroker, ActiveXServer, ActiveX組件。其中ActiveXServer是ActiveX對(duì)象的容器，一個(gè)ActiveXServer包含一個(gè)ActiveX對(duì)象，ActiveX實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的ActiveX控件的功能，ActiveXBroker是實(shí)現(xiàn)服務(wù)器服務(wù)啟動(dòng)時(shí)初始化一定數(shù)量的ActiveXServer對(duì)象，使每個(gè)ActiveXServer對(duì)象在獨(dú)立的線程內(nèi)運(yùn)行，其中每個(gè)ActiveXServer對(duì)象需要運(yùn)行在單線程單元中。

7、系統(tǒng)功能及特點(diǎn)

該系統(tǒng)設(shè)計(jì)完成后，主要具有以下功能：(1)車輛定位功能。(2)軌跡回放功能。(3)報(bào)警功能。(4)電子地圖的放大、縮小、漫游、查詢等功能。

該系統(tǒng)相比于同類產(chǎn)品具有如下優(yōu)點(diǎn)(1)用戶操作方便，用戶只需能上Internet網(wǎng)，然后點(diǎn)擊自己要查詢的車輛，該車輛就以網(wǎng)頁的方式傳到客戶端，并且可以實(shí)時(shí)掌握自己擁有車輛所在的位置。( 2)平臺(tái)獨(dú)立性，無論服務(wù)器/客戶機(jī)是何種機(jī)器，無論Web GIS服務(wù)器端使用何種GIS軟件，由于使用通用的Web瀏覽器，用戶就可以透明的訪問Web GIS數(shù)據(jù)。(3)使用.NET編程技術(shù)和通用wintel平臺(tái)，該技術(shù)具有面向?qū)ο?，易于重用，為系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)和升級(jí)帶來了方便，便于系統(tǒng)擴(kuò)展及二次開發(fā)。

8 結(jié)束語

應(yīng)用WebGIS技術(shù)到車輛定位中來滿足了客戶通過Internet來查詢車輛的需求，為在Internet環(huán)境下實(shí)現(xiàn)車輛導(dǎo)航、調(diào)度奠定了基礎(chǔ)。該車載嵌入式平臺(tái)基于通用的wintel體系結(jié)構(gòu)，便于車載系統(tǒng)的功能擴(kuò)展及升級(jí)。具有一定的應(yīng)用前景。