基于GPS和CDMA的物流車輛監(jiān)控終端的設(shè)計

摘要：近年來物流行業(yè)發(fā)展迅速，提出了一種基于GPS(全球定位系統(tǒng))和CDMA(碼分多址)技術(shù)的物流車輛監(jiān)控終端的設(shè)計方案。采用S3C2440 A ARM芯片作為主控芯片，選取合適的GPS模塊和CDMA模塊進(jìn)行硬件設(shè)計。研究分析了GPS和CDMA技術(shù)。在WinCE 5．0平臺上設(shè)計了GPS串口接收程序，以及終端與監(jiān)控中心的無線通信程序。結(jié)果表明，本系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，數(shù)據(jù)刷新時間小于3 s，GPS位置漂移值小于20 m。
關(guān)鍵詞：全球定位系統(tǒng)；碼分多址；WinCE 5．0；嵌入式操作系統(tǒng)；物流終端

    隨著我國國民經(jīng)濟(jì)、交通運(yùn)輸業(yè)的不斷發(fā)展，物流運(yùn)輸行業(yè)成為了推動國民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展必不可少的基礎(chǔ)產(chǎn)業(yè)。各類物流運(yùn)輸倉儲企業(yè)雖然在長期發(fā)展過程中已經(jīng)積累了豐富的實踐經(jīng)驗，但車輛動態(tài)信息的實時監(jiān)控一直未能得到完善地解決，例如，信息反饋不及時、不精確、不全面等問題導(dǎo)致了運(yùn)力的大量浪費與運(yùn)作成本居高不下。利用GPS對物流車輛以及物流對象進(jìn)行管理監(jiān)控已成為了發(fā)展趨勢。
    針對上述情況，本文對物流車輛監(jiān)控終端進(jìn)行研究，提出了基于GPS+GIS+CDMA的總體系統(tǒng)構(gòu)架。系統(tǒng)將全球定位系統(tǒng)(Global Position-ing System，GPS)、地理信息系統(tǒng)(Geographic Information System，GIS)以及CDMA(Code Division Multiple Access)無線通信技術(shù)融于一身。
    本文設(shè)計的物流運(yùn)輸車輛監(jiān)控終端，通過GPS衛(wèi)星定位獲得車輛的經(jīng)緯度等信息后，經(jīng)過CDMA無線通信網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控中心進(jìn)行通信，實時地將運(yùn)輸車輛的各種信息傳輸給監(jiān)控中心，供監(jiān)控中心對整體運(yùn)輸車隊進(jìn)行顯示、查詢、調(diào)度。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計
    基于GPS和CDMA的物流運(yùn)輸車輛監(jiān)控系統(tǒng)由車輛監(jiān)控終端、數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)以及監(jiān)控中心組成。其中數(shù)據(jù)傳輸網(wǎng)絡(luò)由CDMA網(wǎng)絡(luò)和Internet組成。
    通過GPS衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，車輛終端能夠?qū)ξ锪鬈囕v和物流對象進(jìn)行精確定位，經(jīng)CDMA無線網(wǎng)絡(luò)接入Internet鏈接到監(jiān)控中心服務(wù)器，實時向監(jiān)控中心傳輸物流車輛的經(jīng)緯度、速度、航向、海拔、時間等GPS數(shù)據(jù)信息，監(jiān)控中心可以在具有地理信息處理和查詢功能的電子地圖上顯示、查詢車輛的各種信息，實時監(jiān)控車輛運(yùn)行狀態(tài)。
    另外監(jiān)控中心還具有與車載終端通訊的功能，能夠?qū)ξ锪鬟\(yùn)輸車輛實時調(diào)度、對突發(fā)事故進(jìn)行及時處理，適用于各種物流交通領(lǐng)域。

2 終端硬件設(shè)計
    本文設(shè)計的物流車載終端硬件結(jié)構(gòu)由S3C2440A、JTAG片上調(diào)試接口、視頻接口、音頻接口、復(fù)位電路、CDMA無線通信模塊、GPS模塊、電源電路、LCD觸摸屏、鍵盤等組成，外接SDRAM、NAND FLASH、NOR FLASH作為外部存儲器，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2．1 CPU選型
    為了滿足系統(tǒng)對實時性、大數(shù)據(jù)量處理、GPS信號接收、CDMA數(shù)據(jù)發(fā)送等各方面的要求，終端采用三星公司的S3C2440A 32位ARM芯片作為CPU。S3C2440A采用了先進(jìn)的ARM920T內(nèi)核，片上集成了3路UART串口，2路SPI口，8路10位ADC，具有日歷功能的RTC，帶PLL的片上時鐘發(fā)生器，130個通用I／O口，24個外部中斷源等豐富的資源，易于開發(fā)，是一款性價比非常高的芯片。
2．2 CDMA模塊接口設(shè)計
    終端采用了華為EM200 CDMA1X模塊。該模塊工作頻段為800 MHz，最大發(fā)射功率為0．25 W，接收靈敏度小于-106 dBm，工作電壓3．3～4．2 V，集成了UART，UIM卡，天線等豐富的資源接口。支持標(biāo)準(zhǔn)AT指令集。極限工作溫度為-30℃～+75℃，工作溫度范圍廣，適合各種物流運(yùn)輸環(huán)境。
    S3C2440A有3個UART串口，EM200模塊與S3C2440A通過串口1相連，因為二者輸入輸出都是TTL電平，所以無需電平轉(zhuǎn)換可直接相連，其中EM200的管腳是數(shù)據(jù)發(fā)出端，與S3C2440A的RXD端相連；EM200的管腳是數(shù)據(jù)接收端，與S3C2440A的TXD端相連，由此實現(xiàn)了兩者之間的數(shù)據(jù)收發(fā)。華為EM200 CDMA1X模塊與S3C2440A連接圖如圖2所示。

    其中S3C2440的TXD0、nRTS0、DTR腳，分別經(jīng)過3個1 kΩ電阻與EM200的腳相連，目的是防止電流過大對芯片造成損害。
2．3 GPS模塊接口設(shè)計
    GPS模塊是終端實現(xiàn)精確定位的關(guān)鍵，是終端設(shè)計的核心，所以本終端選取了Gstar公司的SIFEIII代GS-15B模塊。
    GS-15B是一個高效能、低功耗的智能型衛(wèi)星接收模塊。它采用臺灣聯(lián)發(fā)科技股份有限公司所設(shè)計的MT3329F衛(wèi)星定位接收芯片，是一個完整的衛(wèi)星定位接收器。同時具備全方位功能，能滿足專業(yè)定位的嚴(yán)格要求與工業(yè)級需求。內(nèi)置GPS天線，采用MTK高靈敏度、低耗電量芯片MT3 329F。具備快速定位及追蹤32顆衛(wèi)星的能力。體積超小，芯片內(nèi)建20萬個衛(wèi)星追蹤運(yùn)算器，大幅提高搜尋及運(yùn)算衛(wèi)星訊號能力。支持NMEA-0183 v2.2版本規(guī)格輸出。接收靈敏度為-157 dBm，工作溫度為-40℃～85℃，TTL電平輸出，工作電壓3．3～5．0 V，冷啟動定位時間僅為42 s，平均定位精度為10～15 m。既滿足了終端對高性價比需求，也滿足了終端的精確定位的需求。
    S3C2440A與GS-15B的接口連接圖如圖3所示。終端使用S3C2440A的串口2連接GPS模塊，為了增強(qiáng)驅(qū)動能力，在S3C2440A的TXD1和PXD1管腳上加了2個100 kΩ的上拉電阻。終端一般只接收GPS信息，不對GPS做寫操作，所以為了保護(hù)芯片，在S3C2440A的RXD1與GS-15B之間加了1個100 Ω的電阻和1個型號為MCIA148的反向二極管，從而保證了終端運(yùn)行時的穩(wěn)定。

3 終端軟件設(shè)計
    終端的軟件部分是基于WinCE 5．0嵌入式操作系統(tǒng)設(shè)計的，WinCE是一個多任務(wù)、完全搶占式的32位嵌入式操作系統(tǒng)，支持WinCE MFC、ATL、WinCE API和一些附加的編程接口以及各種通信技術(shù)。WinCE嵌入式操作系統(tǒng)具有操作界面良好、實時性較高、占用資源少、開發(fā)工具豐富以及強(qiáng)大的技術(shù)支持等優(yōu)勢，充分滿足本終端軟件的設(shè)計需求。
3．1 終端軟件設(shè)計流程
    首先系統(tǒng)上電，啟動bootloader，加載WinCE內(nèi)核，啟動WinCE嵌入式操作系統(tǒng)。然后初始化CPU、LCD、GPS，CDMA等外圍模塊，再加載串口驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議，若加載成功則執(zhí)行用戶應(yīng)用程序，若加載失敗則返回，重新加載串口驅(qū)動和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議。其中終端的用戶應(yīng)用程序包括：CDMA無線網(wǎng)絡(luò)接入程序、網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸程序、GPS串口接收程序等。終端軟件設(shè)計流程圖如圖4所示。

3．2 CDMA無線網(wǎng)絡(luò)接入程序
    終端通過AT指令控制CDMA模塊，實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)接入和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸。
    系統(tǒng)運(yùn)行后，首先初始化CDMA模塊，設(shè)置波特率為115 200 b／s，然后進(jìn)入撥號等待狀態(tài)，終端經(jīng)過PPP撥號連接登錄網(wǎng)絡(luò)，接入號為777，用戶名和密碼均為card。確認(rèn)登陸網(wǎng)絡(luò)成功后，則調(diào)用GPS串口接收程序和網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸程序，采用定時方式向監(jiān)控中心發(fā)送終端的GPS定位信息。
    建立PPP(point-to-point protocol)連接的AT指令及返回值如下：
   

3．3 CDMA無線網(wǎng)絡(luò)通信程序
    終端通過CDMA網(wǎng)絡(luò)接入Internet后，無線網(wǎng)絡(luò)通信程序?qū)⒔K端解析的GPS數(shù)據(jù)通過Intemet上傳到監(jiān)控中心。本終端軟件設(shè)計采用流格式套接字進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)通信，對應(yīng)于TCP／IP協(xié)議中面向連接的TCP協(xié)議。網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)傳輸程序采用客戶機(jī)／服務(wù)器機(jī)制編程，終端(客戶機(jī))進(jìn)程由用戶操縱；而監(jiān)控中心(服務(wù)器)進(jìn)程則駐留在主機(jī)上連續(xù)運(yùn)行，等待終端連接請求進(jìn)入。
    監(jiān)控中心的網(wǎng)絡(luò)通信程序流程如下：1)用socket()函數(shù)創(chuàng)建套接口，并給套接口地址結(jié)構(gòu)賦值；2)用bind()函數(shù)使套接口與本地IP地址、端口號綁定，選用靜態(tài)IP地址；3)用listen()函數(shù)在該套接口上監(jiān)聽連接請求；4)用accept()函數(shù)接收終端連接請求，產(chǎn)生新的套接口及描述字并與終端連接，利用新的套接字發(fā)送和接收數(shù)據(jù)；5)用fork()函數(shù)派生新的子進(jìn)程與終端通信，父進(jìn)程繼續(xù)監(jiān)聽其他請求。這樣就可避免一個終端與監(jiān)控中心建立連接后，監(jiān)控中心不能再與其他終端通信的問題。
    終端的TCP程序流程如下：1)用socket()創(chuàng)建本地套接口，給監(jiān)控中心套接口地址結(jié)構(gòu)賦值；2)用connect()函數(shù)使本地套接口向監(jiān)控中心套接口主動發(fā)出建立連接請求，經(jīng)三次握手建立TCP連接；3)若連接建立成功，則用send()和recv()函數(shù)與監(jiān)控中心通信；4)通信結(jié)束，用close()關(guān)閉套接口。
3．4 終端GPS串口程序
    軟件開發(fā)工具采用EVC(embedded visual C++)，EVC是Windows CE上的主流開發(fā)工具，封裝了網(wǎng)絡(luò)底層通訊、COM互操作、RAPI等。EVC支持MFC類庫的子集，使Win32平臺上的VC程序可以方便地移植到WinCE平臺上。
    終端GPS串口程序主要完成兩個功能：接收GPS數(shù)據(jù)和解析GPS數(shù)據(jù)。GPS模塊輸出遵循NMEA-0183標(biāo)準(zhǔn)。程序流程如下：
    1)使用OpenPort()函數(shù)打開串口，該函數(shù)使用創(chuàng)建文件函數(shù)CreatFile()打開串口2，以獲取串口2的操作句柄m_hComm；
    2)如果串口2打開成功，則讀取當(dāng)前串口的設(shè)置，即通過GetCommState()讀取串口參數(shù)結(jié)構(gòu)體DCB變量；
    3)用SetCommState()對串口2進(jìn)行相應(yīng)的設(shè)置：如設(shè)置波特率為4 800 b／s，8位數(shù)據(jù)位，無奇偶校驗，1位停止位，無數(shù)據(jù)流控制；
    4)按位讀取數(shù)據(jù)，判斷幀起始是否為$GPRMC，若為$GPRMC則從中提取時間、經(jīng)度、緯度、速度等信息并存入相應(yīng)結(jié)構(gòu)體；判斷幀起始是否為$GPGGA，若為$GPGGA則從第9字段提取海拔高度并存入相應(yīng)結(jié)構(gòu)體；判斷幀起始是否為$GPGSV，若為$GPGSV則從中提取有效衛(wèi)星數(shù)目、有效衛(wèi)星編號等信息并存入相應(yīng)結(jié)構(gòu)體；
    5)用SetWindowText()在LCD上顯示接收到的GPS數(shù)據(jù)和解析后的GPS信息；
    6)最后，在需要時用ClosePort()函數(shù)關(guān)閉串口2。該函數(shù)使用CloseHandh()關(guān)閉串口2的句柄m_hComm。

4 運(yùn)行結(jié)果
    本文所設(shè)計的終端軟件運(yùn)行結(jié)果如圖5所示。終端GPS數(shù)據(jù)顯示包括UTC時間、經(jīng)緯度、星歷、方向、海拔等。實現(xiàn)了全面地、直觀地顯示GPS數(shù)據(jù)的功能，具有友好的人機(jī)界面風(fēng)格。其中圖5(a)中可以對GPS串口進(jìn)行配置，以及顯示接收到的原始NEMA-0183語句。圖5(b)中的經(jīng)緯度是在天津市北辰區(qū)河北工業(yè)大學(xué)新校區(qū)測得的，精確到秒級，經(jīng)度為東經(jīng)117°41’34．4”，緯度為北緯39°37’6．2”。測試時間是2010年6月6日，下午16點24分22秒。

    測試表明，終端軟件能平穩(wěn)地運(yùn)行在嵌入式WinCE 5．0系統(tǒng)上，具有良好的實時性和準(zhǔn)確性。
    另外，終端通過CDMA無線通信網(wǎng)絡(luò)實時地將GPS定位數(shù)據(jù)傳給監(jiān)控中心，監(jiān)控中心的電子地圖上即實時顯示終端的地理位置。經(jīng)測試，終端的實際位置與電子地圖上的位置完全符合，并且具有良好的實時性，數(shù)據(jù)刷新時間小于3 s，GPS位置漂移值小于20 m。

5 結(jié)束語
    針對我國物流行業(yè)快速發(fā)展的背景，本文對基于GPS和CDMA的物流車輛監(jiān)控終端進(jìn)行了軟硬件設(shè)計。實現(xiàn)了對物流車輛的遠(yuǎn)程監(jiān)控和實時調(diào)度。相比傳統(tǒng)的車載終端，本設(shè)計采用32位ARM處理器，具有更快的處理速度、更大的存儲空間、更直觀的界面顯示等優(yōu)點。尤其在GPS數(shù)據(jù)無線傳輸方面采用了CDMA無線通信技術(shù)，比傳統(tǒng)GPRS技術(shù)更適用于長距離、大數(shù)據(jù)量、實時性要求非常高的車載終端領(lǐng)域。隨著3G移動通信系統(tǒng)的發(fā)展，采用CDMA網(wǎng)絡(luò)的GPS終端更易于向3G網(wǎng)絡(luò)平滑過渡，會有更廣闊的應(yīng)用前景。