基于WMMP協議的危險品運輸車定位系統開發

楊生磊， 羅 勇， 楊世良

(鄭州大學 電氣工程學院 河南 鄭州 450001； 2.中興通訊有限公司 陜西 西安 710065)

基于WMMP協議的危險品運輸車定位系統開發

楊生磊1，2， 羅 勇1， 楊世良1，2

(鄭州大學 電氣工程學院 河南 鄭州 450001； 2.中興通訊有限公司 陜西 西安 710065)

采用WMMP協議，設計了一套危險品運輸車實時定位系統.該定位系統由車載定位終端和車輛監控中心服務器組成，車載定位終端對車輛實時信息進行采集和發送，監控中心服務器接收車輛定位信息并進行處理.通過監控中心GIS監控系統，可實時了解所監控車輛的運行情況，提高危險品運輸的安全性.

WMMP協議； 定位系統； 電子地圖； 地理信息系統； GPRS

0 引言

隨著經濟和社會的發展，危險品運輸車日漸增多，對人群、環境的威脅越來越大[1].目前，我國的危險品運輸方式處于起步階段，大部分仍是采用傳統普通貨物的運輸方法，危險品運輸環節存在很多安全隱患，在運輸過程中缺乏有效的監管手段，危險事故時有發生[2].

圖1 WMMP協議棧Fig.1 WMMP protocol stacks

近年來,許多專家學者對危險品運輸監控和管理進行了深入的研究.秦玉等[2]采用無線射頻識別RFID以及GPRS /GPS技術和傳感器技術研制出危險品集裝箱狀態信息實時監測系統.許松華[3]分析了危險貨物運輸車輛監控系統的關鍵技術,采用條形碼作為貨物信息存儲單元,車載系統實時將貨物種類和自身車速、GPS位置等信息上傳給監控中心進行管理.沈立明等[4]在寶鋼危險品運輸車輛監控系統設計中提出運用GPS、GIS(地理信息系統)、GPRS網絡技術對危險貨物運輸進行實時監控的方法.但是以上研究工作對危險品運輸監控系統的具體實現和數據傳輸過程缺乏詳細的設計，同時沒有考慮貨物運輸過程中數據傳輸的安全性.作者基于此設計了基于WMMP(wireless machine management protocol，無線機器管理協議)協議的危險品運輸車定位系統，對系統車載定位終端的軟硬件實現和數據傳輸進行了詳細的設計，采用WMMP協議來提高數據傳輸的安全性.WMMP協議是構建在UDP協議之上的應用層協議，目的是為了降低傳輸數據的丟包率，提高其可靠性，WMMP協議棧如圖1所示.

本文的危險品運輸車定位系統融合GPS、GPRS、GIS和GSM于一體，實現了對危險品運輸車輛的實時動態監控.通過監控終端屏幕能在電子地圖上清晰、實時地了解車輛位置，顯示車輛的瞬時速度，同時能將每個駕駛員的超速紀錄、違規路線等信息存儲在中心數據庫.該系統能準確監控運行中的危險品運輸車輛，為及時掌控車輛運行狀態，促進安全生產提供了有力的技術保障.

危險品運輸車定位系統通過GPRS網絡進行數據傳輸，但由于GPRS網絡具有帶寬較窄、延遲較大等缺點，因此不適于TCP協議進行通信[5].而基于無連接UDP協議傳輸，具有效率高、流量小、節省網絡帶寬等優點，缺點是沒有確認機制，有可能造成丟包現象.基于上述情況，本文引入WMMP協議，通過對傳輸的數據進行3DES(triple data encryption algorithm，三重數據加密算法)加密[6]，在應用層實現了包確認和重傳機制.根據實際測試，采用WMMP方式傳輸，丟包率能控制在1%以下.本文將WMMP協議應用到GPRS無線傳輸定位系統，由定位終端獲得GPS模塊數據，包括動態位置(經度、緯度、海拔、速度)、時間等信息，然后將信息依據WMMP協議進行3DES加密打包，通過GPRS實時發送到內嵌有WMMP協議的M2M(machine to machine，機器與機器之間通信)平臺服務器，M2M平臺服務器將數據通過Internet發送到車輛監控中心數據服務器上.車輛監控中心將得到的數據在GIS的電子地圖上進行定位終端運動軌跡顯示，并可對定位終端的位置、速度、運動方向和狀態進行實時的監控和查詢.同時，車輛監控中心也可以向定位終端發送指令，實現整個系統的交互式運作.該系統可以保證車輛始終處于監控中心的監控視野內，為提高車輛的運輸安全提供了保障.

1 工作原理與功能

危險品運輸車定位系統主要由車輛監控中心、M2M平臺服務器、車載定位終端和GPS定位系統四個部分組成，如圖2所示.

車載定位終端將車輛的坐標位置、即時速度、海拔、時間等信息進行3DES加密，按WMMP傳輸協議格式封裝成數據包,由GPRS通信模塊經中國移動無線通訊網發送到中國移動的無線M2M服務平臺，再由M2M平臺經由Internet上傳至監控中心.監控中心服務器將該數據包進行3DES解密，然后解析處理，并結合GIS進行地圖匹配，可在電子地圖上清晰地顯示當前監控終端的地理位置、速度等信息.同時將終端的運動及狀態信息存儲到監控中心數據庫服務器，作為事故事后處理依據.

2 定位終端硬件設計

定位終端主要由嵌入式CPU、GPS接收機模塊、GPRS通信模塊、TF卡模塊、手柄模塊、攝像頭模塊等組成.由于定位終端需要完成GPS數據處理、WMMP通信、攝像頭拍照、3DES加解密運算等比較復雜的功能，同時考慮到硬件所需的IO口數量和串口數量，選用STM32F103VBT6作為處理器芯片.它是意法半導體(ST)生產的使用ARM?CortexTM-M3 32位的RISC內核的高性能嵌入式處理器，可滿足系統功能需求.整個定位終端硬件結構如圖3所示.

圖2 危險品運輸車監控系統結構Fig.2 Structure of dangerous goods vehicle monitoring and control system

圖3 定位終端硬件結構圖Fig.3 Hardware structure of locating terminal

2.1GPRS模塊接口電路設計

在定位終端中，使用華為公司的GPRS模塊EM310完成與監控中心的通信功能，該模塊內嵌了TCP/IP協議棧和擴展的TCP/IP的AT指令集，方便用戶進行數據傳輸的開發[7].STM32F103通過USART3與EM310模塊連接，為了保證傳輸數據的準確性，采用4線制串口實現大量數據的傳輸.由于EM310的RST管腳對干擾比較敏感，在PCB布線時不能超過2 cm，以免受到干擾而導致模塊非正常復位.EM310模塊的VDD-IO管腳是漏極開路輸出，為串口通信提供參考電平，所以一定要將其接到定位終端系統的VCC(3.3 V)上.另外EM310模塊的揚聲器接口和麥克風接口與手柄上的揚聲器和麥克風相連，實現了車載定位終端的電話功能.GPRS接口電路如圖4所示.

處理器通過置低GPRS_TERM_ON引腳電平100 ms來控制EM310模塊開機.GPRS_RST是復位引腳，GPRS_CTS是處理器控制EM310模塊清除發送引腳,GPRS_RTS是請求EM310模塊發送數據引腳，GPRS_RI是EM310模塊振鈴指示引腳.

圖4 GPRS模塊接口電路Fig.4 Interface circuit of GPRS module

2.2GPS模塊接口電路設計

該定位終端采用的是MTK方案的GPS接收機GS-89，該模塊由韓國Gstar公司生產，采用SiRF StarIII高性能GPS芯片組，定位精度可以達到10 m以內.STM32F103通過USART2跟GS-89接口相連(圖5).GPS接收機要計算出二維坐標至少需3顆衛星，而至少4顆衛星才能計算出三維坐標.GPS定位采用測距交匯定位方法，GS-89模塊在某一時刻接收到3顆以上衛星的導航電文信號，就可實現對GPS衛星的跟蹤、鎖定和測量，這些數據經過模塊內部的處理器計算出GS-89中心的數據信號，生成符合NMEA-0183格式的數據，經由USART2傳輸到STM32F103進行處理.

2.3終端手柄模塊

終端手柄模塊主要包括數字按鍵、LCD顯示、麥克風、耳機接口、揚聲器等幾個功能部分.手柄模塊主要是實現定位終端的人機交互功能，手柄通過串口用連接線與處理器進行通訊.手柄上的按鍵有數字鍵盤、接聽電話、掛斷電話按鍵；LCD顯示屏可以顯示車輛的位置坐標、速度、海拔、方向、接收信號強度和鍵盤輸入數據信息.手柄上安裝的麥克風、揚聲器和耳機接口通過連線與GPRS模塊進行連接，主要實現通過GPRS模塊接打電話的功能.

圖5 GPS模塊接口電路Fig.5 Interface circuit of GPS module

圖6 M2M平臺短連接工作流程圖Fig.6 Work flow chart of short link of M2M platform

3 定位終端軟件設計

3.1M2M服務器平臺工作流程

GPRS與M2M平臺之間的通信有兩種連接方式：長連接和短連接.本系統由于傳輸的數據量不是太大，為了節省帶寬，采用短連接方式.短連接是指通信雙方需要數據交互時，就建立一個WMMP過程，數據發送完成后，則斷開此WMMP過程.短連接由于數據的交互在較短的時間內完成，可以不需要心跳包來維持鏈路，但仍然需要通過心跳包告知M2M平臺它的運行狀態，以便進行監控和故障報警[8].

定位終端與M2M平臺通信工作流程如圖6所示.

車載終端與M2M服務平臺通信需要采用符合WMMP協議的報文格式進行通信.通信報文結構如表1所示.

3.2WMMP協議中的3DES算法

為了提高數據傳輸的安全性，WMMP協議中采用3DES算法對數據進行加密.DES加密算法采用56位長的密鑰與64位分組的明文，按位替換或交換的方法形成密文組進行加密.DES加密算法加密流程如圖7所示.

表1 WMMP通信報文結構

圖7 DES加密流程圖Fig.7 Flow chart of encryption algorithm based on DES

3DES是以DES為基本模塊，通過組合分組方法設計的一種分組加密算法，它是用3條56位的密鑰對數據進行3次加密，使數據更安全[9].3DES的加密過程如圖8所示：首先用密鑰K1對明文進行DES加密，其次用密鑰K2對上面的結果進行DES解密，最后用密鑰K3對上一步驟的結果進行DES加密生成密文.3DES的解密過程則與加密過程相反.危險品運輸車定位系統進行WMMP通信時采用3DES加密算法對傳輸數據進行加密，保證了數據的安全性.

3.3定位終端軟件架構

定位終端軟件主要負責完成GPS信號的解析并打包，GPRS通信模塊與M2M平臺的數據通信，與手柄交互通信，將定位數據信息存儲到TF卡中，根據監控中心的指令對監控車輛特定部位進行拍照等.定位終端軟件共分為4個部分：GPS數據解析，GPRS數據傳輸，攝像頭拍照，TF卡數據存儲.定位終端軟件流程如圖9所示.

圖8 3DES算法加解密流程圖Fig.8 Flow chart of encryption and decryption based on 3DES

圖9 定位終端軟件流程圖Fig.9 Flow chart of locating terminal software

3.4GPS數據的獲取和解析

GS-89模塊的輸出內容采用NMEA-0183標準格式，數據代碼是ASCⅡ碼字符，包括六種不同的數據幀，不同的數據幀的幀格式和幀頭都不同，幀內信息段之間采用逗號隔開，各幀均以回車換行符作為幀尾，標識一幀的結束.GPS的經緯度、時間、對地速度、海拔高度等信息可以從“$GPGGA”和“$GPRMC”兩種數據幀中解析出來.這兩種幀數據在程序中通過USART2的串口接收中斷程序來完成.USART2的串行接收中斷子程序流程如圖10所示.

GPS數據解析流程如圖11所示.“$GPGGA”幀信息中包含有時間、經度、緯度和海拔高度等定位信息.“$GPRMC”幀信息中包含有日期、對地速度和方向等信息.使用函數GetGpsInfo來解析GPS數據信息.該函數的輸入參數pGGAFrame是存儲“$GPGGA”幀的緩沖區首地址,pRMCFrame是存儲“$GPRMC”幀的緩沖區首地址，pGpsInfoFrame為解析后的GPS信息幀所存儲的緩沖區的首地址.GPS信息解析成功函數返回值為NULL，解析不成功返回值為非NULL.

解析后的信息包有些數據長度不確定，為了減少監控中心的解析錯誤，信息包的每個信息段都采用逗號結尾.這樣做雖然增大了數據量，但提高了監控中心數據解析正確性.由于危險品運輸車是受監控的動態目標，監控中心需要實時的監控車輛，必須獲得車輛的空間位置和運行速度，同時根據GPS數據格式的特點組織GPS信息包，其結構如表2所示.

表2 GPS信息包結構

圖10 USART2的串行接收中斷子程序流程Fig.10 Flow chart of interrupt sub-program of USART2 serical receiving

圖11GPS數據解析流程圖圖12網絡連接流程圖

Fig.11Flow chart of GPS data analyzingFig.12Flow chart of network connecting

3.5GPRS模塊數據收發

處理器通過置低GPRS_TERM_ON 引腳的電平100 ms，可以觸發GPRS模塊開機，然后通過發送AT指令進行網絡連接和數據發送.在執行AT%IPOPEN指令打開遠程網絡連接時，若連接失敗，將有可能導致模塊長時間無響應(等待AT%ETCPIP的返回，此時協議棧已經毀壞，需要重新啟動模塊)[10].對此情況，可以采取2種解決方案：一是在給定時間內無響應時將模塊重啟，再重新運行程序，其優缺點顯而易見；二是利用AT%IPCONF指令設置返回時間，使得AT%IPCONF在給定時間內強行結束.這樣又帶來一個新問題是連接成功率的下降.本文采用第二種方案，同時在連接失敗時循環重連，在一定程度上解決了這個問題.具體的的網絡連接順序如圖12所示.

3.6WMMP協議通訊幀結構分析

定位終端通過M2M服務平臺與監控中心之間建立短連接.連接結束，定位終端通過向M2M服務平臺定時發送心跳包通知M2M平臺鏈路的連接狀態.由于定位終端和監控中心之間有建立連接、終止連接、數據傳輸等信息交換要求，因此，根據WMMP協議要求，制定了應用層相應通信幀.WMMP通訊格式為幀頭2字節、幀類型1字節、幀體可變和幀尾2字節.

幀類型主要包括數據幀、命令幀和應答幀3種.數據幀，是定位終端向監控中心發送的車輛狀態信息，其幀體包含幀長度2字節，GPS信息包可變，CRC檢驗2字節；命令幀，是監控中心對車輛發出的指令，命令幀沒有幀體；應答幀，是對傳輸的指令和數據信息的應答，其幀體長度為1個字節，0x00表示傳輸正確，0x01表示傳輸不正確.

數據幀幀體中的GPS信息包包含有危險品運輸車的時間和狀態信息，監控中心根據對GPS信息包的解析可以知道在該時間點危險品運輸車的經緯度位置、海拔高度和運行速度，既可實時掌握車輛的運行情況，又可以查詢車輛歷史運行軌跡.

4 監控中心系統設計

圖13 監控中心軟件流程Fig.13 Software flow chart of monitoring center

監控中心主要由數據通信服務器、數據庫服務器、Web-GIS服務器、監控終端等部分構成，完成監控中心對受監控車輛的實時監控需要[11-12].通信服務器主要完成數據接收、數據解析、命令合成和數據發送工作.數據庫服務器用來存儲GPS數據、人員和車輛信息.Web-GIS服務器完成地圖匹配和Web網頁生成工作.監控終端安裝有各類管理軟件，完成對整個系統的管理和監控界面的顯示工作.監控中心軟件流程如圖13所示.在監控終端可以查詢受監控車輛的歷史行駛路徑和駕駛人員情況，也可以通過監控終端向受監控車輛發送控制指令，實現對車輛合理調度.

該系統經過調試與行車測試，監控中心能夠實時準確獲取被測試車輛的狀態信息，并通過監控中心的監控終端在地圖上顯示被監控車輛的位置，可通過查詢條件查詢車輛的歷史運動軌跡.車載定位終端在開機30 s后就可與監控中心管理平臺建立UDP/IP連接，每隔30 s向監控中心管理平臺發送一次GPS定位信息，監控中心的監控終端可在地圖上顯示車輛的具體位置.在測試過程中對航天無線1號運輸車的運行軌跡進行查詢，查詢時長60 min，定位時間間隔設定為5 min，查詢結果如圖14所示.

圖14 監控終端的測試畫面Fig.14 Test picture of monitoring terminal

5 結束語

危險品運輸車定位系統包括車載定位終端和監控中心，采用WMMP協議和3DES加密算法進行通信，實現監控中心對危險品運輸車的實時監控功能.車載定位終端硬件采用ARM處理器，具有比普通單片機更快的速度和數據處理能力，可穩定地實現WMMP通信和3DES加密算法.定位終端軟件采用WMMP通信和3DES算法進行加密，可以保證數據傳輸的可靠性和安全性.該危險品運輸車定位系統經過實際測試，監控中心的GIS系統能夠有效掌握監控車輛的即時運行信息，定位終端與監控中心數據通訊的丟包率低于1%，系統設計合理，可靠性強，具有很高的實用價值.

[1] 任常興，吳宗之,唐少佳.危險品道路運輸過程風險管理體系探討[J].中國安全生產科學技術,2007,3(1):16-20.

[2] 秦玉,姚振強.危險品集裝箱狀態實時監測系統設計[J]. 機械設計與研究,2008,24(6):98-101.

[3] 許松華.危險貨物運輸監控系統關鍵技術研究[D].北京:北京交通大學,2007.

[4] 沈立明，徐俊杰，盧健琦.寶鋼危險品運輸車輛監控系統的技術與實現[J].寶鋼技術,2006,18(5):28-31.

[5] 雷友珣.基于移動通信網的M2M業務運營支撐平臺的設計和開發[D].北京:北京郵電大學，2008.

[6] 張煥國,馮秀濤,覃中平，等.演化密碼與DES的演化研究[J].計算機學報,2003,26(12):1678-1684.

[7] 陳克力.基于ARM的GSM遠程監控系統[J].微計算機信息，2008,20(8):110-111.

[8] 楊宏業，張躍.GPS定位數據壓縮算法的設計與實現[J].電子技術應用，2005，12(9):4-7.

[9] 陳煒.安全網關中密鑰交換與3DES加密算法實現研究[D].成都:電子科技大學，2010.

[10] 張正，張其善.基于GPRS的車載信息平臺的研制與關鍵技術[J].北京航空航天大學學報,2005，31(1):98-101.

[11] 王均平.基于WebGIS的警用指揮系統的設計與實現[D].上海:上海交通大學，2008.

[12] Al-Ali A R,Zualkernan I,Aloul F.A mobile GPRS-sensors array for air pollution monitoring[J].IEEE Sensors Journal,2010,10(10):1666-1671.

DevelopmentofLocationSystemforDangerousGoodsVehicleBasedonWMMP

YANG Sheng-lei1,2, LUO Yong1, YANG Shi-liang1,2

(1.SchoolofElectricalEngineering,ZhengzhouUniversity,Zhengzhou450001,China;2.ZTECorporation,Xi’an710065,China)

A real-time location system for dangerous goods vehicle was designed by using WMMP protocol.This system was consisted of vehicle location terminal and vehicle monitoring center servers.The real-time information was collected and transmitted by vehicle location terminal.The vehicle location information was

and processed by monitoring center server. So it could instantly understand the operation of the monitored vehicle by the GIS monitoring system.The safety for transporting dangerous goods was improved by this system.

WMMP;positioning system;electronic map;GIS;GPRS

TP 277

A

1671-6841(2011)04-0048-08

2011-01-15

楊生磊(1978-)，男，碩士研究生,主要從事嵌入式系統開發研究，E-mail：398528417@qq.com；通訊作者： 羅勇(1977-)，男，副教授，博士，主要從事嵌入式系統研究.