基于移動(dòng)互聯(lián)的車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)設(shè)計(jì)與研究

王亞平，張 政，藺紅良

（1.陜西交通職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，陜西西安710018；2.西安交通大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，陜西西安710049）

在我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展的過程中，我國交通法規(guī)也不斷完善，駕駛?cè)藛T的安全意識(shí)也在不斷提高，交通事故的發(fā)生機(jī)率在不斷的提高，但是傷亡率并沒有下降。現(xiàn)在每年國內(nèi)由于交通事故導(dǎo)致的死亡人數(shù)及傷殘人數(shù)大約為50多萬。相關(guān)研究表示，駕駛?cè)藛T的操作失誤及局限性是導(dǎo)致交通事故的主要因素，如果能夠使駕駛?cè)藛T提前1s意識(shí)到有可能會(huì)發(fā)生交通事故，那么駕駛?cè)藛T就有充分的時(shí)間對(duì)事故進(jìn)行反應(yīng)，以此避免汽車發(fā)生碰撞的機(jī)率。車聯(lián)網(wǎng)屬于智能交通系統(tǒng)中的主要內(nèi)容，在其不斷發(fā)展的過程中已經(jīng)個(gè)逐漸成為智能交通系統(tǒng)中的主要組成部分。車聯(lián)網(wǎng)能夠在車輛行駛過程中作為信息感知對(duì)象，使人、車、道路、交通設(shè)備進(jìn)行相互的信息共享及交換，以此實(shí)現(xiàn)四者之間的智能管控，有效改善道路交通擁堵情況，并且提高出行效率及安全性。基于此，本文就根據(jù)現(xiàn)代車輛行業(yè)的需求，針對(duì)線上業(yè)務(wù)，設(shè)計(jì)了以移動(dòng)互聯(lián)為基礎(chǔ)的車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)通信的數(shù)據(jù)的收集及感知，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代交通的互聯(lián)化及物聯(lián)網(wǎng)，以此提供車輛管理調(diào)度的現(xiàn)代化管理水平，降低車輛事故的發(fā)生機(jī)率[1-2]。

1 基于移動(dòng)互聯(lián)的車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)架構(gòu)

1.1 系統(tǒng)的總體架構(gòu)

文中所涉及的基于移動(dòng)互聯(lián)的車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)主要是使用現(xiàn)代化的傳感器技術(shù)及通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)與汽車相關(guān)信息的收集及處理，并且實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的共享，以此車、道路、人、城市網(wǎng)絡(luò)的相互連接，創(chuàng)建滿足智能化定位、識(shí)別、監(jiān)控、跟蹤及管理的現(xiàn)代化網(wǎng)絡(luò)。通過功能將車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分為3個(gè)層次，分別為感知層、網(wǎng)絡(luò)層及應(yīng)用層，詳情見圖1。通過圖1可以看出來，感知層的主要目的就是通過RFID電子標(biāo)簽、傳感器、閱讀器及視頻攝像頭實(shí)現(xiàn)車輛的感知，在感知過程中獲得大量與交通信息、車輛行駛情況及車輛信息相關(guān)的數(shù)據(jù)信息，在此過程中通過網(wǎng)絡(luò)將收集的信息傳送到互聯(lián)網(wǎng)中，利用云平臺(tái)實(shí)現(xiàn)大量異構(gòu)數(shù)據(jù)信息的傳輸，并且對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析及處理，以此實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離通信及遠(yuǎn)程控制的目的。應(yīng)用層的主要目的實(shí)現(xiàn)人機(jī)通信，比如車載計(jì)算機(jī)及終端等。基于云平臺(tái)，通過衛(wèi)星定位導(dǎo)航、電子地圖、語音識(shí)別及4G網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的移動(dòng)通信導(dǎo)航信息系統(tǒng)，也就是車載通信系統(tǒng)，其能夠通過GPS定位系統(tǒng)及無線通信網(wǎng)對(duì)乘客及駕駛?cè)藛T提供汽車、交通、工作及生活詳細(xì)的狀況及互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)[3]。

圖1 基于移動(dòng)互聯(lián)的車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)總體架構(gòu)

1.2 系統(tǒng)功能需求

車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)是以GPS車輛監(jiān)控調(diào)度為基礎(chǔ)，通過GPS技術(shù)及無線通信技術(shù)，利用車載終端實(shí)現(xiàn)車輛實(shí)時(shí)調(diào)度及安防報(bào)警，為駕駛?cè)藛T提供準(zhǔn)確的車輛信息服務(wù)，以此提高車輛的使用率及車輛在運(yùn)行過程中的安全性。監(jiān)控中心要求利用云平臺(tái)進(jìn)行集成，系統(tǒng)在高起點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，以此能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)可擴(kuò)展性及可伸縮性，具有相應(yīng)的計(jì)算機(jī)、通信及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備信息存儲(chǔ)及處理能力，軟件及硬件預(yù)留接口，便于系統(tǒng)的維護(hù)、升級(jí)及擴(kuò)展，滿足系統(tǒng)的信息化發(fā)展需求[4]。

2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件平臺(tái)就是車載終端設(shè)計(jì)，車載終端的主要目的就是實(shí)現(xiàn)GPS模塊及GPRS模塊數(shù)據(jù)的處理。對(duì)硬件設(shè)計(jì)及軟件設(shè)計(jì)的難易程度進(jìn)行全面的考慮，并且考慮先帝啊實(shí)施的需求，使用嵌入式處理器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)，利用現(xiàn)代化的嵌入式處理器S3C，其具有較快的運(yùn)算速度，并且具有兩個(gè)串口，能夠?qū)崿F(xiàn)GPS模塊及GPRS模塊的連接。圖2為車載終端硬件的整體架構(gòu)[5]。

圖2 車載終端硬件的整體架構(gòu)

車載終端屬于系統(tǒng)重要模塊，其主要目的就是實(shí)現(xiàn)車輛運(yùn)行情況數(shù)據(jù)的收集，并且將收集到的數(shù)據(jù)傳送到監(jiān)控中心，實(shí)現(xiàn)監(jiān)控中心返回調(diào)度命令的接收。簡(jiǎn)單來說，車載終端就是整個(gè)系統(tǒng)的行動(dòng)及感知終端[6]。

2.1 GPS/GPSR集成模塊

為了降低系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)的難度及PCB的面積，本文選擇使用GPS/GPRS集成一體化的芯片SIM，此芯片供電電壓為5 V，具有兩個(gè)串口，能夠支持電池充電管理，并且功能消耗較低，靜態(tài)待機(jī)的電流只有1.0 mA，內(nèi)部集成TCP/IP協(xié)議，此能夠滿足移動(dòng)終端產(chǎn)品的使用需求[7]。

2.2 電源模塊的設(shè)計(jì)

在車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)中，硬件模塊具有重要的作用，其能夠保證系統(tǒng)告訴的穩(wěn)定運(yùn)行，因?yàn)檐囕d電源具有12 V及24 V電源，嵌入式處理器使用3種電源，并且汽車電器環(huán)境較為復(fù)雜，汽車在點(diǎn)火過程中及正常運(yùn)動(dòng)過程，都會(huì)影響輸出電壓，所以電源設(shè)計(jì)要使用款電源變換芯片，通過對(duì)比使用開關(guān)電源調(diào)節(jié)芯片LM作為系統(tǒng)的電源模塊[8]。

3 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

基于移動(dòng)互聯(lián)的車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)主要包括兩大部分的軟件設(shè)計(jì)，分別為上位機(jī)軟件及下位機(jī)軟件，系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的整體框架如圖3所示。

圖3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)的整體框架

下位機(jī)軟件指的是車載終端嵌入式處理器中的軟件，其是基于Linux操作系統(tǒng)的嵌入式軟件系統(tǒng)，在整個(gè)系統(tǒng)的是最底層，主要目的就是實(shí)現(xiàn)硬件初始化，并且引導(dǎo)以上的操作系統(tǒng)。本文中的下位機(jī)軟件就是實(shí)現(xiàn)操作系統(tǒng)的裁剪，并且在這個(gè)操作系統(tǒng)中編寫應(yīng)用軟件，實(shí)現(xiàn)多種功能。

上位機(jī)軟件指的是在遠(yuǎn)程監(jiān)控中心運(yùn)動(dòng)的計(jì)算機(jī)軟件，其主要目的就是實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)接收數(shù)據(jù)軟件及本地?cái)?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢測(cè)。在開發(fā)上位機(jī)軟件過程中，重點(diǎn)內(nèi)容為數(shù)據(jù)接收及存儲(chǔ)查詢等，還包括數(shù)據(jù)庫操作及地圖匹配算法。以下就對(duì)本文設(shè)計(jì)系統(tǒng)中的個(gè)別軟件進(jìn)行分析設(shè)計(jì)，并且對(duì)軟件進(jìn)行實(shí)現(xiàn)[9]。

3.1 GPS模塊設(shè)計(jì)

GPS監(jiān)控模塊的主要目的就是實(shí)現(xiàn)所有車輛的監(jiān)控，將車輛在形式過程中的軌跡進(jìn)行全面顯示，并且實(shí)現(xiàn)車輛的實(shí)時(shí)跟蹤。中心根據(jù)職能部門收到的調(diào)度命令，對(duì)移動(dòng)終端發(fā)送文字調(diào)度命令。在移動(dòng)終端接收到短信回復(fù)之后，根據(jù)一定的需求存檔并且轉(zhuǎn)發(fā)。中心接收到報(bào)警信息之后，通過監(jiān)聽形式實(shí)現(xiàn)核實(shí)，全面掌握實(shí)際情況，對(duì)正在執(zhí)行任務(wù)的車輛實(shí)現(xiàn)重點(diǎn)跟蹤監(jiān)控，系統(tǒng)中心實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫歷史資料的保存，對(duì)于需要包括的軌跡及地圖進(jìn)行打印，將車輛的狀態(tài)全面顯示，主要包括正常狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)。

為了能夠保證GPS模塊數(shù)據(jù)定位的準(zhǔn)確性及可靠性，在進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)過程中要對(duì)每幀的數(shù)據(jù)進(jìn)行校對(duì)，具體操作使用異或者和的奇偶決定數(shù)據(jù)的可靠性。GPS數(shù)據(jù)的開始符號(hào)為?，只要實(shí)現(xiàn)結(jié)束符號(hào)*的設(shè)計(jì)，在這兩個(gè)符號(hào)中間的字符使用ASCII碼進(jìn)行異或運(yùn)算，校對(duì)并且對(duì)比異或和幀數(shù)，就具有較高的可靠性，數(shù)據(jù)的解析是有效的，否則就無效[10]。圖4為GPS模塊的具體操作，以下為GPS模塊設(shè)計(jì)部分代碼：

圖4 GPS模塊的具體操作

3.2 GPRS無線數(shù)據(jù)通信模塊

智能監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)使用嵌入式微處理器中的兩個(gè)串口實(shí)現(xiàn)SIM的控制，其操作流程如圖5所示。

圖5 SIM發(fā)送數(shù)據(jù)的流程圖

文中設(shè)計(jì)使用動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)定時(shí)發(fā)送，因?yàn)镚PRS模塊在長(zhǎng)時(shí)間沒有接到數(shù)據(jù)收發(fā)指令的時(shí)候會(huì)掉線，之后要重新創(chuàng)建連接才能夠使用，所以為了實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的有效傳輸，軟件就要使用指令檢測(cè)其是否在線，從而能夠提高數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃訹11]。

3.3 操作系統(tǒng)

Linux操作系統(tǒng)為開源、可固化、可移植的實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，能夠滿足小型應(yīng)用系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需求。本文所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)屬于小型系統(tǒng)，所以使用Linux操作系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，其中所有應(yīng)用程序都在操作系統(tǒng)中，根據(jù)不同的硬件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的內(nèi)核裁剪，以此匹配硬件系統(tǒng)及軟件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)程序在運(yùn)行過程中的高速性及穩(wěn)定性[12-13]。

4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

文中所設(shè)計(jì)的監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)監(jiān)控人員對(duì)車輛的控制及監(jiān)視，其是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的主要功能。監(jiān)控工作人員為了得到車輛的定位信息，要?jiǎng)?chuàng)建呼叫策略，使車聯(lián)網(wǎng)無線數(shù)據(jù)數(shù)據(jù)通訊回傳定位數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)車輛追蹤目的。并且還能夠?qū)?shù)據(jù)包括歷史記錄，便于今后的查詢。通過將指令發(fā)送到數(shù)據(jù)通訊中，實(shí)現(xiàn)車輛控制的目的[14-15]。系統(tǒng)的主要界面如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)的應(yīng)用主界面

5 結(jié)束語

文中以傳感器網(wǎng)絡(luò)技術(shù)及智能交通系統(tǒng)的發(fā)展為基礎(chǔ)，通過GPS技術(shù)及物聯(lián)網(wǎng)感知技術(shù)實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控調(diào)度系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)通信數(shù)據(jù)的收集及感知，以此實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)車輛的實(shí)時(shí)監(jiān)控及安防報(bào)警，有效緩解交通擁堵，提高車輛使用的有效率，降低安全事故的發(fā)生機(jī)率。