林區車輛監控系統車載終端的研究

韓祥程，侯衛萍，劉 霞

(東北林業大學 工程技術學院，哈爾濱 150040)

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

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

1 總體設計

林區車輛監控系統由車載終端和監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。監控中心的通信服務器負責接收車載終端發來的數據，監控終端主要負責監控指揮調度，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、信息采集系統、GPRS無線數據通信模塊和GPS接收器等結構組成。

為實現上述一系列檢測、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車輛動態定位信息的采集，采集數據包括車輛的衛星定位數據、坐標、位移和速度等，這些工作需要GPS模塊完成。然后由GPS采集的數據要能夠通過 GPRS 無線數據傳輸系統發送到監控中心。最后，車輛還要能夠接收監控中心的指令，并根據指令完成相應的動作。除此之外林區車輛監控系統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 林區車輛監控系統總體設計圖

2 硬件設計

林區車輛車載終端監控系統硬件組成部分主要由全球定位系統模塊、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 林區車輛監控終端系統硬件設計圖

對于林區車輛監控系統來說，ARM處理器的選取非常重要，它影響著整個林區車輛監控系統的結構和功能。本系統的車載終端部分，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的軟硬件比較成熟，而且性能穩定，易于產品化。同時該處理器內有Flash程序存儲器、靜態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，從而降低系統功耗，提高系統穩定性[4]。

全球定位系統GPS模塊用以解決相關車輛位置的確定、防止車輛被竊取、車輛運行路線動態監測以及相應信息傳輸調度等性能。林區車輛監控系統中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，能夠滿足本系統的需求。

對于林區車輛監控系統車載終端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展，林區采伐工作環境的不斷改善，各種無線通信技術信號塔在林區中建立并得以完善，使林區車輛監控系統車載終端數據信息以GPRS無線通信技術進行傳輸成為可能。特別是GPRS可以實現實時數據傳輸，而且按數據流量計費，特別適合林區車輛監控系統這種小流量數據傳輸環境[5]。本系統選用的是眾山公司開發生產的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等眾多復雜網絡協議和SOCKET標準，提供全透明數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，就可以進行無線數據收發，使設備能夠隨時隨地接入Internet[6]。

3 軟件設計

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

軟件層次的設計中要充分利用上述硬件平臺，實現數據流的有序運行。本方案中將GPS數據作為基本數據流，通過在操作系統上的應用軟件處理后，封裝成IP數據包，PPP數據包，再通過GPRS無線網絡發送到監控中心。林區車輛監控系統車載終端各部分運行流程可以描述為：①初始化啟動狀態，設置車載終端ARM處理器軟件操作系統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據，與監控中心發來的車輛位置進行匹配，判斷車輛位置是否正常，如正常則車輛繼續運行，不正常則發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數據并判斷位移、速度、坐標等數據是否可用，如確定可用后經GPRS無線通信模塊向指定IP地址監控中心發送信息數據，發送成功結束中斷，否則返回重新操作讀取GPS數據再次發送，直至發送成功；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信息數據情況。具體流程如圖3所示。

圖3 林區車輛監控系統車載終端運行流程圖

由于林區車輛采伐作業的環境比較復雜多樣，生產采伐作業環境惡劣，故出現車輛運行故障實施求救的可能性較大，需要在出現故障時能夠滿足救援要求，必須在林區車輛監控系統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數據并判斷數據是否可用，如果可用則通過GPRS模塊向監控中心發送求救信息并發送車輛位置數據等待救援。

嵌入式實時操作系統指在嵌入式系統啟動后首先執行的后臺程序，用戶的應用程序是運行于系統之上的各個任務，系統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，本系統選擇μC/OS-Ⅱ實時操作系統。在系統設計中要保證林區車輛信息數據的可靠性，并破除林區信息傳輸慢，傳輸信息數據容易丟失的問題，以及避免信息數據擁堵或堵塞，實現林區車輛信息數據傳輸暢通。

圖4 故障操作流程圖

4 結束語

本文對林區車輛監控系統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。由于林區地形復雜多樣而且車輛作業環境相對比較惡劣，保證車載終端能夠順利采集數據并與監控中心進行數據交換是系統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。并且為了保證數據流有序運行，選擇了實時性操作系統以及合理的設計了軟件層次。實驗測試時，在VC++環境下設計通信程序模擬監控中心服務器，測試車載終端設備對模擬監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，在林區內進行綜合動態測試，實驗結果表明，該系統能夠滿足林區車輛監控的基本要求。

【參 考 文 獻】

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[3]史軍勇，張曉煜.基于GPRS的實時路況車載導航終端研究與實現[J].計算機技術與發展，2011，21(9)：156-159.

[4]李 磊.基于GPS/GPRS嵌入式車載終端的設計與實現[D].福州：福州大學，2006

[5]張慶全，王培東，林福明，等.車輛監控系統中GPRS通信平臺的設計與實現[J].測繪與空間地理信息，2006，29(5):79-82.

[6]郭 銳.基于GIS/GPS/GPRS的車輛監控系統終端系統研發[D].濟南：山東大學，2008.

[7]鄔 嵐，陳 婷，鄭 藝，等.新型居民交通出行調查輔助系統設計[J].森林工程，2013，29(2)：121-125.

[8]吳世江，史其信，陸化普.交通出行方式離散選擇模型的效用隨機項結構研究綜述[J].公路工程，2007，32(6)：92-97.

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