歐陽鍔

（廣東省交通運(yùn)輸高級技工學(xué)校，廣東 佛山 528000）

基于北斗/GPS導(dǎo)航的車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控研究與應(yīng)用

歐陽鍔

（廣東省交通運(yùn)輸高級技工學(xué)校，廣東 佛山 528000）

隨著嵌入式技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、空間定位技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，特別是近年來我國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行的北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的飛速發(fā)展，車載電子集成設(shè)備與車輛遠(yuǎn)程監(jiān)控在城市公共交通管理方面應(yīng)用前景廣闊。文章提出車載電子設(shè)備集成系統(tǒng)功能和系統(tǒng)組成，重點(diǎn)討論基于北斗/GPS衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的車輛定位的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

城市交通；北斗/GPS導(dǎo)航；車載電子設(shè)備集成系統(tǒng)

1　引言

由于現(xiàn)有的城市交通環(huán)境和設(shè)施有限，而汽車數(shù)量激增，由此引發(fā)了一系列的交通擁擠、交通事故、資源與環(huán)境等問題日益突顯，如何大力發(fā)展公共交通，科學(xué)的管理和控制公交車輛，保證交通暢通，改善道路狀況等等，成為急需解決的社會(huì)問題。嵌入式技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、空間定位技術(shù)和通訊技術(shù)的發(fā)展，以及各種硬件設(shè)備價(jià)格的降低，為這些問題的解決奠定了基礎(chǔ)。

2　北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)概述

北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)是我國自主建設(shè)、獨(dú)立運(yùn)行，并與世界其他衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)兼容共用的全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。2011 年12月27日，該系統(tǒng)開始試運(yùn)行服務(wù)，到2020年左右，北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)將形成全球覆蓋能力。屆時(shí)，該系統(tǒng)可在全球范圍內(nèi)為各類用戶全天候地提供高精度、高可靠的定位導(dǎo)航、授時(shí)和短報(bào)文通信服務(wù)，并與美國的GP、俄羅斯的GLONASS、歐洲的Galileo共同構(gòu)成全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)（Global Navigation Satellite System，簡稱GASS）。

3　客車遠(yuǎn)程監(jiān)控系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)

本套系統(tǒng)是基于北斗/GPS定位、遠(yuǎn)程無線傳輸以及信息匯總為主的一套智能管理監(jiān)控系統(tǒng)［1］。實(shí)現(xiàn)對車輛行駛情況的實(shí)時(shí)監(jiān)控，以及對車輛一段時(shí)間段內(nèi)的運(yùn)行情況，對車輛的突發(fā)事件能夠在第一時(shí)間進(jìn)行處理。同時(shí)通過歷史軌跡回放、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)、報(bào)警設(shè)置、語音對講等對工作人員的日常工作進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和監(jiān)管。

在這套系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)通過車載終端的4G模塊傳送至監(jiān)控中心，主要涉及以下幾方面的數(shù)據(jù)：

（1）北斗/GPS模塊接收的定位信息。

（2）CAN總線上各個(gè)節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)信息。

（3）移動(dòng)圖像傳輸監(jiān)控系統(tǒng)，所有數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)字化采集與處理。視頻文件既可以存儲(chǔ)在前端DVS設(shè)備，也可以實(shí)時(shí)觀看并且下載存儲(chǔ)到管理中心機(jī)房。

3.1車載無線視音頻子系統(tǒng)

車載無線視音頻傳輸子系統(tǒng)的基礎(chǔ)業(yè)務(wù)是在車輛高速行駛、車輛停止等情況下，實(shí)現(xiàn)通過無線通信信號傳輸現(xiàn)場視頻、音頻、數(shù)據(jù)至管理中心，以供實(shí)時(shí)可視化指揮所需?？紤]到后續(xù)的增值應(yīng)用，子系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)具有很大的靈活性與可擴(kuò)展性。

響應(yīng)實(shí)況直播車車頂安裝一臺(tái)車載式攝像機(jī)、兩個(gè)吸盤天線，車內(nèi)設(shè)計(jì)有車載設(shè)備機(jī)柜、單兵設(shè)備機(jī)柜、無線傳真機(jī)、備用電池箱，位于車前窗位置處備有遮陽板監(jiān)視器，可供駕駛?cè)藛T同時(shí)本地監(jiān)視車頂攝像機(jī)所采集的視頻圖像，并可本地控制以調(diào)節(jié)最佳視角。

車載式攝像機(jī)采集模擬視頻信號、采音器采集音頻信號，通過傳輸線纜將模擬視音頻信號和云臺(tái)控制信號傳輸至車載智能終端設(shè)備，經(jīng)過壓縮編碼后經(jīng)吸盤天線無線傳輸至管理中心的后臺(tái)服務(wù)器系統(tǒng)，遠(yuǎn)程客戶端連接后臺(tái)服務(wù)器系統(tǒng)，即可實(shí)現(xiàn)對事故現(xiàn)場的實(shí)時(shí)視頻查看與聲音收聽，進(jìn)而遠(yuǎn)程協(xié)助并指導(dǎo)現(xiàn)場工作人員對事故的應(yīng)急處理。GPS數(shù)據(jù)信息同步發(fā)送至管理中心，客戶端同步顯示地理位置信息［2］。

3.2北斗/GPS衛(wèi)星定位子系統(tǒng)

北斗/GPS衛(wèi)星定位子系統(tǒng)提供監(jiān)測車輛所在位置的地理信息，并提供與GIS電子地圖相對應(yīng)的擴(kuò)展功能接口，可與GIS電子地圖功能融合使用，從而支持對所在業(yè)務(wù)管理區(qū)域建立電子地圖，跟蹤車輛位置［3］。

系統(tǒng)可以通過北斗/GPS系統(tǒng)接收來自衛(wèi)星的定位信息，并通過4G網(wǎng)絡(luò)將信息傳送至管理中心，并在顯示屏上顯示當(dāng)前位置。

系統(tǒng)與GIS電子地圖平臺(tái)融合使用可達(dá)到以下效果：

（1）可提供精確的電子地圖，并能在線路延伸或更改時(shí)及時(shí)更新。

（2）通過網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)GPS定位信息轉(zhuǎn)發(fā)，以電子地圖為背景顯示車輛狀態(tài)（經(jīng)度、緯度、速度、方向、地理位置等），從而管理中心得知車輛動(dòng)態(tài)。

3.3多媒體網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)子系統(tǒng)

多媒體網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)子系統(tǒng)是在管理中心通過租用公共信道構(gòu)建一套與響應(yīng)指揮車輛相呼應(yīng)的一整套多媒體計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)，通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、利用系統(tǒng)配備的服務(wù)器、客戶端軟件實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場車輛的視音頻互聯(lián)。

在管理中心構(gòu)建一個(gè)顯示中心，包括管理中心的顯示大屏、客戶PC端、移動(dòng)通信終端等，用于在后臺(tái)的實(shí)時(shí)監(jiān)控與指揮。

4　北斗/GPS模塊的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

4.1北斗/GPS模塊的選擇及特性

基于對本系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)、通信協(xié)議和控制接口等因素的考慮，選用嘉芯電子科技有限公司的ATGM331C模塊做為本系統(tǒng)的北斗/GPS模塊。ATGM331C是高靈敏度BD2/GPS雙模接收機(jī)模塊，支持GPS和BD2的單系統(tǒng)定位和雙系統(tǒng)聯(lián)合定位。其中的射頻前端芯片和基帶芯片全部為本公司獨(dú)立研發(fā)，擁有自主知識產(chǎn)權(quán)。ATGM331C包含32個(gè)跟蹤通道，可以同時(shí)接收所有的GPS和BD2可見衛(wèi)星。

ATGM331C模塊的輸出數(shù)據(jù)中提供幾種類型的信息：

（1）GGA定位信息，主要包含世界協(xié)調(diào)時(shí)間、經(jīng)緯度信息、位置修正指數(shù)、海拔高度信息等；

（2）GLL定位地理信息，主要包含世界協(xié)調(diào)時(shí)間、經(jīng)緯度信息、定位狀態(tài)等；

（3）GSA當(dāng)前衛(wèi)星信息，主要包含目前可以跟蹤到的所有衛(wèi)星以及位置精度衰減因子、水平精度衰減因子和垂直精度衰減因子等；

（4）GSV可見衛(wèi)星信息，主要包含被跟蹤的衛(wèi)星的一些參數(shù)；

（5）RMC推薦定位信息，主要包含世界協(xié)調(diào)時(shí)間，經(jīng)度信息，緯度信息，對地速度，對地航向，數(shù)據(jù)發(fā)送日期，磁偏角等；

（6）VTG地面速度信息，主要包含地面航向、地面速率等。

4.2北斗/GPS定位模塊軟件設(shè)計(jì)

工控機(jī)與顯示屏以及北斗/GPS定位模塊的串口通信，采用VC++提供的CMSComm控件來實(shí)現(xiàn)，CMSComm控件可采用消息機(jī)制與系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。北斗/GPS接收數(shù)據(jù)后與工控機(jī)進(jìn)行串口通信，數(shù)據(jù)通過發(fā)射器發(fā)送數(shù)據(jù)包。一般在我們?nèi)粘Ｉ钪械能囕v監(jiān)控系統(tǒng)中不需要全部的導(dǎo)航定位數(shù)據(jù)。因此，車載終端只需要對接收有效信息即可。在NEMA0182協(xié)議中，RMC是推薦的最簡導(dǎo)航傳輸數(shù)據(jù)，所以只需要截取ATGM331C模塊所接受的RMC信息即可。下面簡單介紹一下RMC語句：

RMC結(jié)構(gòu)

$--RMC，hhmmss.ss，A，ddmm.mm，a，dddmm.mm，a，x.x，x.x，xx xxxx，x.x，a，a*hh＜CR＞＜LF＞

具體解釋如表1所示。

表1　RMC語句

其中系統(tǒng)只需要截取第2、3、4、5、6、7字段信息即可對車輛進(jìn)行定位。有的時(shí)候需要分析更多車輛定位信息，例如：要知道車輛對地的速度、對地的行駛方向等等，使用$--RMC語句來截取所需要的字段即可。

5　運(yùn)用4G技術(shù)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)通信

5.1監(jiān)控終端-管理中心通信系統(tǒng)組成

傳統(tǒng)的遠(yuǎn)程監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)技術(shù)例如GSM、GPRS、WIFI等，有一定的局限性，例如實(shí)時(shí)性不高、穩(wěn)定性不強(qiáng)、以及一定的數(shù)據(jù)丟失和延時(shí)，這對客車遠(yuǎn)程監(jiān)控的質(zhì)量和效率會(huì)造成很大影響。與傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)相比較，4G網(wǎng)絡(luò)作為目前普遍應(yīng)用的先進(jìn)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，有非常多的優(yōu)勢，例如實(shí)時(shí)性高、覆蓋范圍廣，穩(wěn)定性好以及傳輸速度快、數(shù)據(jù)容量大等。因此，在本系統(tǒng)中，采用4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)車輛監(jiān)控系統(tǒng)與管理中心的連接。

系統(tǒng)采用華為ME909s-ME作為4G遠(yuǎn)程通信模塊，華為EM770W支持TDS-CDMA網(wǎng)絡(luò)，具有高度的穩(wěn)定性，可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)高速數(shù)據(jù)傳輸。模塊已經(jīng)內(nèi)嵌了TCP/IP協(xié)議，數(shù)據(jù)傳輸速度極快而且穩(wěn)定性好，可以將設(shè)備的串口數(shù)據(jù)通過 4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)焦芾碇行姆?wù)器。在管理中心服務(wù)器和遠(yuǎn)程設(shè)備之間，架立一條無線的、超遠(yuǎn)距離的橋梁，解決有線傳輸和短距離無線傳輸?shù)木嚯x限制，在可以使用4G 網(wǎng)絡(luò)的地方都可以作為數(shù)據(jù)的傳輸通道，不受距離和地域、國域限制，其應(yīng)用非常廣泛。

5.24G通信模塊的軟件設(shè)計(jì)

通信系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)分為兩個(gè)部分，分別是監(jiān)控終端的和管理中心。

5.2.1監(jiān)控終端的軟件設(shè)計(jì)

終端通信程序的由幾個(gè)功能組成，一是初始化，二是網(wǎng)絡(luò)連接，三是其他處理。系統(tǒng)初始化首先進(jìn)行系統(tǒng)的初始狀態(tài)設(shè)置和特殊功能設(shè)置，接著進(jìn)行4G模塊設(shè)置，4G模塊連接網(wǎng)絡(luò)時(shí)處于命令狀態(tài)模式。中央處理器通過串口向4G模塊發(fā)送AT指令，同時(shí)連接管理中心。然后4G模塊進(jìn)入數(shù)據(jù)模式。當(dāng)建立好連接之后。通過AT指令，中央處理器可讓4G模塊通過4G網(wǎng)絡(luò)連接到GGSN，并且轉(zhuǎn)換到在線狀態(tài)。同時(shí)數(shù)據(jù)通過串口連接4G網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)紾GSN。來自GGSN的應(yīng)答也將從4G模塊傳遞給中央處理器。

然后，通過PPP連接，4G模塊獲取IP地址，通過GGSN連接到因特網(wǎng)。系統(tǒng)使用公共靜態(tài)IP地址的解決方法，管理中心的服務(wù)器使用公共靜態(tài)IP地址，并將該地址事先寫入4G模塊。當(dāng)終端上電后，通過事先寫入的地址建立與監(jiān)控中心的連接。

5.2.2管理中心的通信程序設(shè)計(jì)

管理中心的通信程序包括接入網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù)發(fā)送與接收、安全管理和終端控制，采取的是客戶機(jī)/服務(wù)器模式，使用TCP/IP協(xié)議連接到網(wǎng)絡(luò)層，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸和對終端的控制。程序基于VC++的套接字編程編寫。

（1）使用套接字程序建立套接字時(shí)，首先要定義多個(gè)套接字來接收套接字程序的數(shù)據(jù)；

（2）將套接字程序設(shè)置為監(jiān)聽模式來接收客戶端的請求；

（3）當(dāng)客戶端請求到來時(shí)，接收建立連接的請求并返回一個(gè)新的套接字；

（4）作為服務(wù)器，它需要持續(xù)等待客戶端的請求，所以服務(wù)器等待程序不斷的循環(huán)；

（5）使用返回套接字來與客戶端交流，使用發(fā)送子程序向客戶端發(fā)送數(shù)據(jù)。當(dāng)發(fā)送完成時(shí)它可接收來自客戶端的數(shù)據(jù)，并且將其播放出來；

（6）返回，使用結(jié)束套接字結(jié)束當(dāng)前的通訊，并接收來自另一個(gè)客戶端的請求和數(shù)據(jù)。

6　應(yīng)用前景

文章討論了采用北斗/GPS聯(lián)合導(dǎo)航模塊的車載集成終端實(shí)現(xiàn)汽車的遠(yuǎn)程定位和監(jiān)控。這種技術(shù)有廣泛的應(yīng)用前景，首先北斗二代系統(tǒng)尚在建設(shè)之中，其定位精度除某些特定的區(qū)域外，仍有大部分區(qū)域定位精度還不夠高，聯(lián)合導(dǎo)航終端可以保障其定位精度，提高定位的可靠性。第二，從市場切入點(diǎn)來看，GPS適合于民用，北斗與GPS的聯(lián)合有助于北斗導(dǎo)航系統(tǒng)走入民用市場。第三，借助于在全球發(fā)展比較成熟的GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，將有助于作為新產(chǎn)物的北斗導(dǎo)航系統(tǒng)走入國際市場。

［1］ 王學(xué)民，方海升.公交車載集成智能系統(tǒng)的設(shè)計(jì)構(gòu)想［J］.城市車輛，2002（3）：20-21.

［2］ 楊大康，王勇.公交智能化調(diào)度系統(tǒng)的應(yīng)用［J］.城市公共交通，2003（6）：45-46.

［3］ 劉基余.北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)的現(xiàn)況與發(fā)展［J］.遙測遙控，2013，34（3）：1-8.

Inspection and monitoring technology for intelligent bus based on BeiDou（Compass）/GPS Navigation Satellite System

As the development of embedded technology， networking technology， space positioning technology and communication technology， especially the fast development of BeiDou Navigation Satellite System， there are wide application of vehicle electronic integration equipment and remote vehicle monitoring on urban public transport. The article discuss vehicle electronic integration system，and focuses on discussing Inspection and Monitoring Technology for intelligent bus based on BeiDou（Compass）/GPS Navigation Satellite System.

Urban transportation； BeiDou（Compass）/GPS Navigation； vehicle electronic integration system

Q813.11

A

1008-1151（2016）03-0001-03

2016-02-12

歐陽鍔（1983-），男，湖南湘潭人，廣東省交通運(yùn)輸高級技工學(xué)校講師，碩士，研究方向?yàn)檐囕v工程。