(北京物資學(xué)院 信息學(xué)院，北京 110049)

基于GPS的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

郭鍵

(北京物資學(xué)院信息學(xué)院，北京110049)

為對物流車輛進行精準(zhǔn)定位、檢測和實時跟蹤，需要物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計；當(dāng)前使用的監(jiān)控系統(tǒng)，在物流車輛進行運輸?shù)倪^程中，有遮擋物出現(xiàn)時無法精準(zhǔn)的對物流車輛進行定位，當(dāng)物流車輛停放在室內(nèi)停車場時可能出現(xiàn)定位不到物流車輛的情況；為此，提出一種基于GPS的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案；該系統(tǒng)硬件部分包括：GPS車載終端、監(jiān)控中心服務(wù)器群和控制終端三部分，同時將全球定位系統(tǒng)與地理道路信息相結(jié)合，利用聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)與國際互聯(lián)網(wǎng)傳輸相關(guān)信息；系統(tǒng)軟件部分使用聯(lián)通分組通信技術(shù)，通過GIS軟件與管理信息系統(tǒng)進行無縫連接，并由單片機S3C2440A向GPS模塊發(fā)送控制中心下達指令，GPS接收指令并給予反饋，通過有效的分析反饋結(jié)果來提高監(jiān)控終端的運行速度、穩(wěn)定性以及精準(zhǔn)度；GPS定位功能采用TDOA算法對物流車輛進行定位；實驗證明，所提系統(tǒng)可以對物流車輛精準(zhǔn)定位、實時監(jiān)測和有效跟蹤。

GPS；物流車輛；智能監(jiān)控系統(tǒng)

0 引言

近年來，我國物流產(chǎn)業(yè)進入一個高速發(fā)展時期，物流已成為一個新興行業(yè)，越來越受人們關(guān)注[1]。物流車輛智能控制系統(tǒng)對于提高物流產(chǎn)業(yè)信息化和智能化具有重要作用，并且已在物流運輸中進行實踐應(yīng)用[2]。但相對而言我國的物流產(chǎn)業(yè)還處于成長階段，缺乏必要的管理及應(yīng)用經(jīng)驗，且無法長期遠(yuǎn)程監(jiān)控物流車輛的狀態(tài)，不能精準(zhǔn)解決物流車輛無法定位的情況。這種情況下，如何實現(xiàn)對物流車輛精準(zhǔn)定位、實時監(jiān)測和跟蹤成為當(dāng)前需要解決的問題[3]。該系統(tǒng)將硬件部分分為三大部分，即GPS 車載終端、監(jiān)控中心服務(wù)器群和控制終端，全球定位系統(tǒng)與地理道路信息相結(jié)合，以短信方式在聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)和國際互聯(lián)網(wǎng)中傳輸相關(guān)信息，系統(tǒng)軟件部分使用聯(lián)通分組通信技術(shù)，該技術(shù)具有通訊速度高和永遠(yuǎn)在線的特點，通過GIS軟件與管理信息系統(tǒng)進行無縫連接，實現(xiàn)GPS信息傳輸，并由單片機S3C2440A向GPS模塊發(fā)送控制中心下達的指令，GPS接收指令并給予反饋，不同指令反饋結(jié)果不同，有效分析反饋結(jié)果可提高監(jiān)控終端運行速度、穩(wěn)定性及精準(zhǔn)度。而GPS物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)，是解決上訴問題的有效途徑。鑒于GPS物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)的研究和應(yīng)用，具有廣大發(fā)展前景，所以受到許多專家的重視，并取得了一定研究成果[4-5]。

現(xiàn)有物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)有：文獻[6]提出了一種基于無線傳感器的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)以S3C6410微處理器和GPRS構(gòu)建物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)無線傳感器的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點，對物流車輛中運輸?shù)奈镔Y信息進行采集，同時對信息進行處理與顯示，當(dāng)發(fā)現(xiàn)異常時將啟動攝像頭進行實時監(jiān)控，而且還可以顯示物流車輛相關(guān)信息，并在VMwareUbuntu11.10上開發(fā)和編寫無線傳感節(jié)點程序，從而實現(xiàn)節(jié)點之間數(shù)據(jù)的傳輸。該物流車輛監(jiān)控系統(tǒng)穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)簡單，具有推廣和應(yīng)用價值，但該系統(tǒng)不能同時對多地區(qū)物流車輛進行監(jiān)控，影響監(jiān)控效率。文獻[7]提出了一種基于RFID的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)使用Java技術(shù)開發(fā)RFID物流車輛監(jiān)控系統(tǒng)，采用Oracle10g數(shù)據(jù)庫保存物流車輛與物資信息數(shù)據(jù)，并使用北斗衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)、全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)和地理信息系統(tǒng)，實時監(jiān)控物流車輛，獲取物流車輛的位置及行駛速度與方向信息，根據(jù)RFID物流車輛監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計目標(biāo)原則對該系統(tǒng)的邏輯架構(gòu)、功能架構(gòu)以及部署架構(gòu)情況進行分析和實踐，最終完成RFID物流車輛監(jiān)控系統(tǒng)的開發(fā)工作。該系統(tǒng)每天可以監(jiān)控50輛以上的物流車輛，并且可以實時監(jiān)控物流車輛的地點，但該系統(tǒng)無法直觀的對物流車輛進行監(jiān)控。文獻[8]提出了一種基于ARM-3S的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案。該系統(tǒng)以物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)的實際需求出發(fā)，并研究基于嵌入式的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)，提出ARM-3S智能監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計方案，該系統(tǒng)硬件部分安裝了ARM9微處理器、GPRS無線傳輸以及RFID射頻識別技術(shù)，構(gòu)建此系統(tǒng)的整體框架，同時分析3s通信網(wǎng)絡(luò)，實現(xiàn)物流車輛及物資信息的智能化管理，該系統(tǒng)還擴展了無線通訊模塊，有效的對物流車輛定位與實時控制，但該系統(tǒng)具有一定的區(qū)域性[9-10]。

針對上述產(chǎn)生的問題，提出一種基于GPS的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案。實驗證明，所提系統(tǒng)可以對物流車輛精準(zhǔn)定位、實時監(jiān)測和跟蹤。

1 GPS的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計

1.1 GPS的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

為了更準(zhǔn)確的對物流車輛進行定位，設(shè)計了GPS的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)，該系統(tǒng)硬件包括單片機S3C2440A、視屏接口、音頻接口、復(fù)位電路、GPS模塊、CPMA模塊、電源、鍵盤、LCP觸摸屏、64MNANPFLASH、64MSDRAM、4MNORFLASH、JTAG，該系統(tǒng)使用CIS軟件與管理信息系統(tǒng)進行無縫連接，GPS的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫由全國公路普查數(shù)據(jù)庫建立，而且可以根據(jù)用戶的需求在系統(tǒng)上添加相應(yīng)的信息數(shù)據(jù)。

本系統(tǒng)使用S3C2440A來管理物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)局域網(wǎng)共享。GPS的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)使用的地圖數(shù)據(jù)為1:5 000的基礎(chǔ)地圖，分析系統(tǒng)中較為復(fù)雜的數(shù)據(jù)，將其簡化為相關(guān)數(shù)據(jù)，將相關(guān)的路線代碼與空間數(shù)據(jù)相結(jié)合，方便管理運輸過程中的物流車輛。GPS的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 GPS的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

1.2 GPS的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件設(shè)計

本系統(tǒng)由 GPS 車載終端、監(jiān)控中心服務(wù)器群和控制終端三大部分組成，系統(tǒng)將全球定位系統(tǒng)(GPS)和地理道路信息(GIS)融為一體，以短信的方式在中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)和國際互聯(lián)中進行信息傳輸，傳輸?shù)臄?shù)據(jù)包括地理位置信息，運行狀態(tài)等各種相關(guān)信息，結(jié)合控制中心服務(wù)器群、控制中心和車載信息互動平臺構(gòu)成完整的GPS的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)。

GPS車載終端是安裝在物流車輛上的終端設(shè)備，由GPS接收機、GPS通信模塊、主控制單元和附屬配件四個部分組成，其中附屬配件包含顯示屏，地圖數(shù)據(jù)卡、車載防盜系統(tǒng)，還可以根據(jù)使用者的要求加載安裝其它功能。GPS接收機主要接收GPS定位系統(tǒng)的信號，并將其轉(zhuǎn)化為定位信息，主控制單元通過中國聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)和全國互聯(lián)網(wǎng)將物流車輛定位信息發(fā)送到監(jiān)控中心服務(wù)器上，同時接收控制終端發(fā)送的控制信息。

控制中心服務(wù)器群由數(shù)據(jù)庫服務(wù)器和應(yīng)用服務(wù)器兩大類組成，數(shù)據(jù)服務(wù)器主要儲存物流車輛移動位置信息、車輛狀態(tài)以及物流車輛其他的相關(guān)信息；應(yīng)用服務(wù)器包括：通信服務(wù)器、信息服務(wù)器及Web服務(wù)器，每個服務(wù)器獨立運行，共享數(shù)據(jù)服務(wù)中的數(shù)據(jù)信息，為物流車輛控制中心其它應(yīng)用提供數(shù)據(jù)接口。

監(jiān)控終端包括：監(jiān)控中心平臺用戶、Web客戶端、聯(lián)通客戶端以及互聯(lián)網(wǎng)客戶端。移動客戶端與互聯(lián)網(wǎng)客戶端是可以與物流車輛終端進行文字信息交互，并訪問物流車輛終端服務(wù)器。GPS的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 GPS的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

1.3 GPS的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)軟件設(shè)計

GPS使用聯(lián)通分組通信技術(shù)，該技術(shù)具有通訊速度快和永遠(yuǎn)在線的特點，非常適合物流車輛車載終端使用，使用CIS軟件與管理信息系統(tǒng)進行無縫連接，在保證車載終端能夠連接聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)的情況下，進行信息數(shù)據(jù)傳輸。本文設(shè)計了64MNANPFLASH模塊，該模塊中鑲嵌了TCP/IP協(xié)議棧，控制中心控制GPS模塊的相關(guān)操作，由單片機S3C2440A發(fā)送控制中心下達的指令，GPS模塊接收指令并進行反饋，根據(jù)不同指令的執(zhí)行結(jié)果，將反饋的格式分為三種：固定反饋、含參反饋以及混合反饋，有效的分析反饋結(jié)果可以提高監(jiān)控終端的運行速度、穩(wěn)定性以及精準(zhǔn)度。

GPS物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)采用邊接收GPS模塊反饋結(jié)果邊進行結(jié)果解析的方法，將GPS模塊反饋的結(jié)果以字符串?dāng)?shù)組的形式，保存到單片機S3C2440A空間內(nèi)固定區(qū)域，當(dāng)單片機接收到反饋信息的第一個字符時，開始與單片機S3C2440A內(nèi)部信息進行匹配，將第一個匹配上的信息標(biāo)記為信息頭，再次接到信息字符時將首先與信息頭匹配，這樣可以減少字符匹配次數(shù)，當(dāng)所有信息字符匹配完整時，再根據(jù)反饋信息的種類做進一步的處理。在上述三種反饋格式中固定反饋，可以一次性匹配完整，含參反饋不適用該方法進行解析，采用先保存后解析的方法，來解析反饋信息，由于混合反饋的信息種類雜亂，進行一次匹配不能保證信息字符完全匹配，需要進行多次匹配。則控制中心指令反饋信息匹配流程如圖3所示。

圖3 控制中心指令反饋信息匹配流程

1.4 GPS定位系統(tǒng)計算方法

為了能夠?qū)崟r監(jiān)控物流車輛，首先需要對物流車輛位置進行定位，而TDOA算法是GPS定位系統(tǒng)計算方法之一，該計算方法可以優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。進行定位時觀察周圍GPS信號塔，以信號塔為基準(zhǔn)，測量信號塔與物流車輛車載終端之間的距離，則各個信號塔到物流車輛車載終端距離差可以表示為：

(1)

利用公式(1)來定義TDOA觀測方程的殘差函數(shù)，如公式(2)所示：

=2,3,...,N

(2)

(3)

公式(3)為物流車輛的真實位置。GPS系統(tǒng)信號從CPS衛(wèi)星到達物流終端的傳播距離為偽距，傳輸過程中存在的時間偏差，可以通過信息補償，補償后認(rèn)為兩者是相互同步的。因此，GPS衛(wèi)星偽距可以表示為：

ρj=rj+b+Ij+Tj

(4)

式中，rj為物流車輛終端與GPS衛(wèi)星j之間的真實距離；b為物流車輛終端因時間偏差造成的距離差；Ij為大氣中電離層造成的偏差；Tj為大氣中對流層折射造成的偏差。GPS的觀測方程可以表示為：

(5)

根據(jù)公式(4)和公式(5)定義GPS觀測方程的殘差函數(shù)，如公式(6)所示：

=2,3,...,N

(6)

TDOA線性化的方程可以表示為：

GSVδ=hSV

(7)

根據(jù)公式(2)和公式(7)定義GPS觀測方程的最小殘差平方和物流車輛目標(biāo)函數(shù)：

(8)

(9)

公式中▽θF(θk)計算方法，如公式(10)所示：

(10)

式中，(x,y,z)為物流車輛車載終端的真實位置坐標(biāo)；u為物流車輛坐標(biāo)(x,y,z)的步長向量；(Xi,Yi,Zi)為第i信號塔的三維位置坐標(biāo)；假設(shè)已知(x0,y0,z0)為物流車輛初始位置坐標(biāo)和合適的步長向量u后，可以根據(jù)計算公式(9)計算出物流車輛位置評估值。

TDOA定位算法對是在原有的定位算法上進行優(yōu)化得到的，從理論上分析TDOA定位計算方法有更高的準(zhǔn)確度。

2 實驗結(jié)果與分析

為了證明GPS的物流車輛智能控制系統(tǒng)可以實時監(jiān)控物流車輛，需要進行一次實驗。本次實驗使用系統(tǒng)的硬件環(huán)境為：I.MX27.400 MHz，LittleEndian模式，軟件環(huán)境為Linux2.6.19。實驗數(shù)據(jù)來源于天天快遞運輸控制系統(tǒng)中現(xiàn)有的數(shù)據(jù)信息進行實驗，GPS物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)，主要以檢測物流車輛位置為主，對其進行掌控，因此本實驗主要對系統(tǒng)定位功能進行測試。

系統(tǒng)定位功能的可行性是GPS物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)的重要考核指標(biāo)，圖4顯示了本文所提系統(tǒng)、文獻[6]、文獻[7]和文獻[8]所提系統(tǒng)定位功能可用性。當(dāng)物流車輛在室外無遮擋處行駛，文獻[6]、文獻[7]和文獻[8]系統(tǒng)定位的成功率分別為70%，85%，84%，而GPS物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)定位的成功率可達到100%。當(dāng)物流車輛在室外有遮擋處行駛，文獻[6]系統(tǒng)定位成功率為44%，文獻[7]系統(tǒng)定位成功率為76%，文獻[8]系統(tǒng)定位成功率為67%，本文系統(tǒng)定位成功率為96%。當(dāng)物流車輛在室內(nèi)與室外的交界處行駛，文獻[6]系統(tǒng)定位成功率降低到32%，文獻[7]系統(tǒng)定位成功率降低到70%，文獻[8]系統(tǒng)定位成功率降低到58%，本文系統(tǒng)定位成功率降低到94%。當(dāng)物流車輛停止運輸后，已就近原則將車輛停放在最近的物流室內(nèi)停車場中，這時文獻[6]系統(tǒng)無法定位物流車輛的位置，文獻[7]系統(tǒng)定位成功率為52%，文獻[8]系統(tǒng)定位成功率為30%，本文系統(tǒng)定位成功率為91%。

圖4 4種方法定位可用性比較

通過分析圖4可以看出，相對于文獻[6]、文獻[7]和文獻[8]所提的物流車輛智能定位系統(tǒng)，本文所提的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)的定位功能可用性得到提高。需要注意的是在對物流車輛進行定位時，由于GPS信號塔的位置不同，聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)信號接收模塊不同，都會影響物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)定位功能的可用性以及精準(zhǔn)度。

不僅測試了系統(tǒng)定位功能的可用性，同時對系統(tǒng)定位功能的精準(zhǔn)度進行實驗。針對本文系統(tǒng)、文獻[6]系統(tǒng)、文獻[7]系統(tǒng)和文獻[8]系統(tǒng)進行對比實驗，為了更好地驗證系統(tǒng)定位功能的精準(zhǔn)度，在室外無遮擋、室外有遮擋、室內(nèi)與室外交界處、室內(nèi)進行多次實驗。

圖5顯示了本文GPS物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)定位功能垂直方向定位精準(zhǔn)度，隨著GPS衛(wèi)星位置的變化而變化。從圖5中可知，文獻[6]、文獻[7]和文獻[8]系統(tǒng)定位功能隨著可使用的GPS衛(wèi)星數(shù)目增加，可以增加定位功能的精準(zhǔn)度。使用本文系統(tǒng)定位功能時GPS信號塔數(shù)目不變的情況下，GPS衛(wèi)星數(shù)目的增多垂直方向定位精度變小，但總體來說使用本文系統(tǒng)定位功能垂直方向精準(zhǔn)度大于使用文獻[6]、文獻[7]、文獻[8]時的精準(zhǔn)度。本文系統(tǒng)對物流車輛進行定位時，將舍棄高低角低于20°的GPS衛(wèi)星，所以本文系統(tǒng)定位功能精準(zhǔn)度高于文獻[6]、文獻[7]和文獻[8]系統(tǒng)的精準(zhǔn)度。

圖5 可用衛(wèi)星數(shù)與垂直方向定位精準(zhǔn)度

圖6顯示了垂直方向定位精準(zhǔn)度隨著GPS信號塔數(shù)目的變化情況，隨著GPS信號塔數(shù)目的增加，這4種方法垂直方向定位精準(zhǔn)度在增加。本文GPS物流車輛監(jiān)控系統(tǒng)的定位功能相較于其他3個系統(tǒng)精準(zhǔn)度較高。

圖6 可用GPS信號塔數(shù)目與垂直方向定位精準(zhǔn)度

圖7顯示了可用GPS衛(wèi)星數(shù)目與水平方向定位精準(zhǔn)度的關(guān)系，隨著可用GPS衛(wèi)星數(shù)目的增加，4個系統(tǒng)水平方向的精準(zhǔn)度都在增加，但本文的GPS物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)比文獻[6]、文獻[7]和文獻[8]所提系統(tǒng)的精準(zhǔn)度要高。

圖7 可用GPS衛(wèi)星數(shù)目與水平方向定位準(zhǔn)確度

圖8 可用GPS信號塔數(shù)目與水平方向定位精準(zhǔn)度

圖8顯示了可用GPS信號塔數(shù)目與水平方向精準(zhǔn)度的關(guān)系，從圖8中可以看出隨著GPS信號塔數(shù)目的增加，本文系統(tǒng)水平方向定位的精準(zhǔn)度和文獻[6]、文獻[7]和文獻[8]系統(tǒng)水平方向定位的精準(zhǔn)度都在增加，但前者的增加效果大于后者，當(dāng)GPS信號塔數(shù)目增加，但水平方向精準(zhǔn)度變化趨于平緩時，說明系統(tǒng)鎖定的物流車輛位子以接近與物流車輛真實位置。

從圖5～8可以看出本文所提的GPS物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)比文獻[6]、文獻[7]和文獻[8]物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)定位功能更加精準(zhǔn)，精準(zhǔn)定位物流車輛，可以幫助監(jiān)控中心更好地管理物流車輛，并及時發(fā)現(xiàn)物流車輛的異常情況。

3 結(jié)束語

采用當(dāng)前的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)，在物流車輛進行運輸?shù)倪^程中，有遮擋物出現(xiàn)時無法精準(zhǔn)的對物流車輛進行定位，當(dāng)物流車輛停放在室內(nèi)停車場時可能出現(xiàn)定位不到物流車輛的問題。為此，提出一種基于GPS的物流車輛智能監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計方案。并通過實驗證明，所提系統(tǒng)可以對物流車輛精準(zhǔn)定位、實時監(jiān)測和跟蹤。

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DesignofIntelligentMonitoringSystemforLogisticsVehicleBasedonGPS

Guo Jian

(School of Information, Beijing Wuzi University, Beijing 110049, China)

In order to accurately locate, detect and track the logistics vehicle, the intelligent monitoring system of logistics vehicle is designed. The current monitoring system used in the process of transportation, logistics vehicles, there are obstructions appear unable to accurate positioning of the vehicle, when the logistics vehicles parked in the parking lot when the indoor positioning is not possible to logistics vehicles. Therefore, this paper proposes a design scheme of intelligent monitoring system based on GPS. The hardware of the system includes: a GPS vehicle terminal and the monitoring center server group and control terminal, while the global positioning system and geographic information combined with road, Unicom Network and Internet information transmission; system software uses Unicom packet communication technology, seamless connection through GIS software and management information system, and S3C2440A MCU GPS module to send to the control center issued a directive, GPS receive instructions and give feedback through effective feedback analysis results to improve the running speed, terminal stability and accuracy; using GPS positioning function of logistics vehicle positioning algorithm TDOA. The experimental results show that the proposed system can be used for precise positioning, real-time monitoring and effective tracking.

GPS; logistics vehicle; intelligent monitoring system

2017-05-12；

2017-06-07。

北京市屬高等學(xué)校青年拔尖人才培育計劃項目(CITamp;TCD201504052)。

郭 鍵(1975-)，女，遼寧錦州人，博士研究生，教授，主要從事智能監(jiān)控方向的研究。

1671-4598(2017)09-0087-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.09.023

TP277

A