韓祥程，侯衛(wèi)萍，劉 霞

(東北林業(yè)大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

近年來，隨著3S技術的發(fā)展和林業(yè)現(xiàn)代化的需求，對林區(qū)車輛管理的要求也不斷提高。一個能夠應對和處理林區(qū)車輛道路運輸困難狀況，林區(qū)車輛運行治理調度，快速應對車輛故障和救助的智能化車輛監(jiān)控系統(tǒng)應運而生。

林區(qū)有著地形復雜，車輛作業(yè)時間較長等作業(yè)特點，對于林區(qū)車輛進行監(jiān)控的難度比較大。如果將全球定位系統(tǒng)與無線通訊技術實現(xiàn)有機結合，在車載終端使用GPS模塊對林區(qū)車輛位置的地理信息系統(tǒng)數(shù)據進行采集，并通過GPRS無線通訊網絡傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，可實現(xiàn)林區(qū)車輛的智能化監(jiān)控管理的目的[1-3]。本文針對林區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)的車載終端進行研究，設計了面向林區(qū)車輛的車載終端的硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)，該系統(tǒng)與監(jiān)控中心互相通信，實現(xiàn)林區(qū)車輛智能化監(jiān)控的目的。

1 總體設計

林區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)由車載終端和監(jiān)控中心兩大部分組成，完成兩部分的實時通訊工作由GPRS無線網絡實現(xiàn)。監(jiān)控中心的通信服務器負責接收車載終端發(fā)來的數(shù)據，監(jiān)控終端主要負責監(jiān)控指揮調度，包括車輛位置跟蹤，軌跡顯示，車輛調度管理等功能。整體的系統(tǒng)設計圖如圖1所示。其中車載終端部分包括微處理器，嵌入式操作系統(tǒng)、信息采集系統(tǒng)、GPRS無線數(shù)據通信模塊和GPS接收器等結構組成。

為實現(xiàn)上述一系列檢測、調控和運算等功能要求以及其工作流程，必須首先要求車載終端能夠實現(xiàn)車輛動態(tài)定位信息的采集，采集數(shù)據包括車輛的衛(wèi)星定位數(shù)據、坐標、位移和速度等，這些工作需要GPS模塊完成。然后由GPS采集的數(shù)據要能夠通過 GPRS 無線數(shù)據傳輸系統(tǒng)發(fā)送到監(jiān)控中心。最后，車輛還要能夠接收監(jiān)控中心的指令，并根據指令完成相應的動作。除此之外林區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)車載終端部分還應能夠提供按鍵操作面板、語音通信、短信息接收與發(fā)送、必要的存儲以及一定的格式轉換等功能與結構。

圖1 林區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)總體設計圖

2 硬件設計

林區(qū)車輛車載終端監(jiān)控系統(tǒng)硬件組成部分主要由全球定位系統(tǒng)模塊、無線通信技術模塊、能源供應模塊、ARM控制器、按鍵和外部控制輸出接口等基本硬件和車載免提電話、短信息接收發(fā)送模塊、液晶顯示模塊以及其他輔助硬件模塊組成，如圖2所示。

圖2 林區(qū)車輛監(jiān)控終端系統(tǒng)硬件設計圖

對于林區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)來說，ARM處理器的選取非常重要，它影響著整個林區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)的結構和功能。本系統(tǒng)的車載終端部分，應用嵌入式ARM處理器型號選取為飛利浦公司的LPC2214微處理器，該型號支持調試和開發(fā)的軟硬件比較成熟，而且性能穩(wěn)定，易于產品化。同時該處理器內有Flash程序存儲器、靜態(tài)的存儲器可以使得操作存儲狀況大為改善，該存儲器可多次擦除操作和寫入操作，從而降低系統(tǒng)功耗，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性[4]。

全球定位系統(tǒng)GPS模塊用以解決相關車輛位置的確定、防止車輛被竊取、車輛運行路線動態(tài)監(jiān)測以及相應信息傳輸調度等性能。林區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)中GPS模塊的性能評價可以通過信號的敏感度、功能消耗、地理定位精度狀況、時間誤差情況等對其進行整體式評價。本系統(tǒng)選用的是HOLUX 的 GR-87 模塊，該模塊具有設計緊湊、定位精度高、定位迅速等特點，能夠滿足本系統(tǒng)的需求。

對于林區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)車載終端GPRS無線通信技術的性能要求，隨著無線通信技術的不斷向前發(fā)展，林區(qū)采伐工作環(huán)境的不斷改善，各種無線通信技術信號塔在林區(qū)中建立并得以完善，使林區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)車載終端數(shù)據信息以GPRS無線通信技術進行傳輸成為可能。特別是GPRS可以實現(xiàn)實時數(shù)據傳輸，而且按數(shù)據流量計費，特別適合林區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)這種小流量數(shù)據傳輸環(huán)境[5]。本系統(tǒng)選用的是眾山公司開發(fā)生產的ZSD3120模塊，該模塊內嵌西門子公司的高可靠性MC35iGPRS引擎和高速嵌入式處理器，支持PPP、TCP、UDP、ICMP等眾多復雜網絡協(xié)議和SOCKET標準，提供全透明數(shù)據傳輸和用戶自由控制傳輸兩種模式，而且使用RS232/485/422接口，就可以進行無線數(shù)據收發(fā)，使設備能夠隨時隨地接入Internet[6]。

3 軟件設計

林區(qū)車輛車載終端GPS/GPRS的軟件設計首先是林區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)車輛終端軟件層次的設計，其次是林區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)車輛終端實時操作系統(tǒng)的選擇。

軟件層次的設計中要充分利用上述硬件平臺，實現(xiàn)數(shù)據流的有序運行。本方案中將GPS數(shù)據作為基本數(shù)據流，通過在操作系統(tǒng)上的應用軟件處理后，封裝成IP數(shù)據包，PPP數(shù)據包，再通過GPRS無線網絡發(fā)送到監(jiān)控中心。林區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)車載終端各部分運行流程可以描述為：①初始化啟動狀態(tài)，設置車載終端ARM處理器軟件操作系統(tǒng)啟動后通過無線通信技術接入有效的鏈路串接當中；②車載GPS自動啟動，讀取當前的車輛位置數(shù)據，與監(jiān)控中心發(fā)來的車輛位置進行匹配，判斷車輛位置是否正常，如正常則車輛繼續(xù)運行，不正常則發(fā)送警報并進行中斷指令；③中斷指令內容描述：開啟中斷，讀取GPS數(shù)據并判斷位移、速度、坐標等數(shù)據是否可用，如確定可用后經GPRS無線通信模塊向指定IP地址監(jiān)控中心發(fā)送信息數(shù)據，發(fā)送成功結束中斷，否則返回重新操作讀取GPS數(shù)據再次發(fā)送，直至發(fā)送成功；④車輛運行正常：檢測是否有人工操作按鍵指令，如有指令則進行信息數(shù)據保存處理，并且按指示進行操作或傳輸，否則返回重新檢查讀取GPS信息數(shù)據情況。具體流程如圖3所示。

圖3 林區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)車載終端運行流程圖

由于林區(qū)車輛采伐作業(yè)的環(huán)境比較復雜多樣，生產采伐作業(yè)環(huán)境惡劣，故出現(xiàn)車輛運行故障實施求救的可能性較大，需要在出現(xiàn)故障時能夠滿足救援要求，必須在林區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)車載終端軟件部分設置相應操作，其過程如圖4所示。故障模式開啟，讀取GPS數(shù)據并判斷數(shù)據是否可用，如果可用則通過GPRS模塊向監(jiān)控中心發(fā)送求救信息并發(fā)送車輛位置數(shù)據等待救援。

嵌入式實時操作系統(tǒng)指在嵌入式系統(tǒng)啟動后首先執(zhí)行的后臺程序，用戶的應用程序是運行于系統(tǒng)之上的各個任務，系統(tǒng)根據各個任務的要求，進行資源管理、消息管理、任務調度和異常處理等工作[7-9]。在目前上百種嵌入式操作系統(tǒng)中，根據實時性、內存管理和任務切換時間等因素綜合考慮，本系統(tǒng)選擇μC/OS-Ⅱ實時操作系統(tǒng)。在系統(tǒng)設計中要保證林區(qū)車輛信息數(shù)據的可靠性，并破除林區(qū)信息傳輸慢，傳輸信息數(shù)據容易丟失的問題，以及避免信息數(shù)據擁堵或堵塞，實現(xiàn)林區(qū)車輛信息數(shù)據傳輸暢通。

圖4 故障操作流程圖

4 結束語

本文對林區(qū)車輛監(jiān)控系統(tǒng)的終端部分進行了設計研究，包括硬件設計和軟件設計兩部分。由于林區(qū)地形復雜多樣而且車輛作業(yè)環(huán)境相對比較惡劣，保證車載終端能夠順利采集數(shù)據并與監(jiān)控中心進行數(shù)據交換是系統(tǒng)設計中的重點和難點。在比較了眾多GPS模塊、ARM處理器和GPRS模塊后，選擇了運算速度快，信息處理能力強，信號穩(wěn)定的一系列硬件設備組成了車載終端的硬件平臺。并且為了保證數(shù)據流有序運行，選擇了實時性操作系統(tǒng)以及合理的設計了軟件層次。實驗測試時，在VC++環(huán)境下設計通信程序模擬監(jiān)控中心服務器，測試車載終端設備對模擬監(jiān)控中心控制指令響應的正確性。并且將車載終端設備安裝在車上，在林區(qū)內進行綜合動態(tài)測試，實驗結果表明，該系統(tǒng)能夠滿足林區(qū)車輛監(jiān)控的基本要求。

【參 考 文 獻】

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