一种新的GPS出租车调度系统的设计与实现

随着IT产业的快速发展和互联网的广泛应用,过去许多由纯硬件实现的嵌入式系统与产品已转向由软、硬件共同来实现。当前,以具有无线通讯功能的个人数字助理PDA、手持个人电脑HPC、交互式网络信息家电、车载多媒体系统为代表的新一轮智能型3C(Computer、Communication、Consumer)合一的类PC嵌入式系统与技术[1]进入了一个崭新的智能化、网络化的发展阶段,类PC嵌入式系统与产品的嵌入式操作系统及其应用软件也同时得到了空前的发展与繁荣。

    经济的不断发展使移动目标的定位、监控、指挥和调度系统(如警用车辆的指挥调度、运钞车的监控与安全调度、出租车的经营管理和合理调度)成为公安、银行以及公交运输系统中一个越来越重要的问题。目前,用于交通管理系统的设备主要是无线电通信设备,由监控调度中心向车辆驾驶员发出调度命令,驾驶员只能根据自己的判断说出车辆所在的概略位置,而在夜间或在生疏地带则无法确认自己的方位甚至迷路。因此,在调度管理和安全营运方面受到了一定程度的限制。

    GPS(Global Position System)定位技术的出现给车辆、轮船等移动目标的导航定位提供了精确、实时的定位能力。由车载GPS系统所确定的车辆位置信息,通过车载电台将其发送给调度指挥中心,调度指挥中心便可及时掌握各车辆的具体位置,并可以显示在电子地图上,非常直观、清晰,然后进行安全、合理的调度。通过移动目标监控调度系统,调度指挥中心随时可以知道入网移动目标的方位,不仅可以进行安全合理的监控调度,而且可以为入网移动目标提供无线通讯、遇险报警、决策指挥等多项服务。

1 系统构成与原理

    出租车调度系统主要由车载定位系统与调度指挥中心系统两部分组成。调度指挥中心系统主要由监控调度网络服务器、彩色大屏幕显示器、GSM模块、稳压电源、系统监控调度管理软件和向量化电子地图等六部分组成。本文仅介绍出租车车载定位系统。

    目前国内出租车的经营管理和调度系统除具有监督调度功能外,还提供无线通讯语音服务、遇险报警等。本文所介绍的具有自主知识产权的“GPS出租车调度系统”在功能上与现有方案大不相同,主要表现在两方面:①车载系统不仅能显示字符与汉字而且能显示图形(例如电子地图);②调度指挥中心能对出租车进行群呼,实现大量信息的广播下行,如交通信息、新闻、股票信息、天气预报等。其主要目的是实现对某个地区出租车的分布情况进行实时统计。例如,当某个客户向调度指挥中心打电话预约出租车时,总台以广播的方式通过寻呼台向所有的出租车发出呼叫,并要求凡是处于以客户为圆心的、半径为某个值(由总台确定)的区域中的出租车给与应答(当然是愿意承接此任务的司机)。总台对所有处于此范围的出租车进行统计分析,确定出一台离用户最近的、满足客户要求的(例如车型、性别、语言和年龄等)出租车。系统组成框图如图1所示。

出租车车载系统主要由微控制器、GPS模块、GSM无线通讯模块、寻呼接收解码模块和LCD显示模块组件构成。

1.1 微控制器

    车载系统中控制器的选择至关重要,它不仅影响整个系统的性能,而且关系着车载系统的成本。目前国内的车载系统仅要求显示字符、文字信息,普通的单片机就完全可以胜任,价格适中。然而,若要求显示图片、电子地图等,则对控制器的频率速度、存储容量都有较高的要求。为了满足其要求,车载系统中一般可选择Intel StrongARM、ST StA2000、Motorola DragonBall等控制器,但价格很高,主要用于高端电子类产品上,例如掌上电脑HPC。针对各种小型数字设备的需求,目前各个半导体芯片厂商都投入了很大的力量研发、生产适用于这些设备的CPU及协处理器芯片。为了充分缩小尺寸,达到低功耗、低成本的要求,厂商甚至把少量存储器、液晶显示控制器以及I/O端口等也一并集成到芯片中。以上述处理器芯片为主,添加必要的外围电路并配以少量外设,就可以非常方便地设计出功能强大的电子类产品。对其外围模块进行不同的组合,可以针对不同要求,设计出不同功能、不同价位的嵌入式控制产品。

1.2 GPS定位系统

    GPS全球定位系统是美国国防部于1973年11月授权开始研制的全球性、全天候、连续的卫星无线电导航系统,历经二十余年,耗资超过一百亿美元,可提供实时的三维位置、三维速度和高精度的时间信息。由于GPS定位技术具有精度高、速度快、成本低的显著优势,已成为目前世界上应用最广泛、实用性最强的全球精密授时、测距、导航、定位系统。近几年来,全球卫星定位系统获得了迅速发展,GPS定位技术已经渗透到了经济建设和科学技术的许多领域。

    目前,有很多厂商都能提供GPS OEM板产品,如SiRF、Conexant、Sychip、GARMIN等公司。其中美国GARMIN公司是世界上最著名、深受用户信赖的专业GPS厂家,在GPS的定位、导航领域一直走在世界最前列,在提供各种类型的GPS成品的同时,还提供一系列最经典的GPS OEM板产品。由于GARMIN OEM板的定位速度快、工作稳定、耐电压冲击和高抗干扰性,因而此方案采用了GARMIN GPS25板。

    出租车车载定位系统的GPS模块接收卫星(共24颗,分布在6个不同的地球轨道上)发出的定位资料,并根据从三颗以上不同卫星发来的资料计算出自身所处地理位置的坐标。坐标资料经GSM无线模块发射给调度指挥中心。调度指挥中心将车载GSM模块发回的坐标资料等信息还原。同时与GIS的电子地图匹配,在电子地图上显示坐标的位置,以便指挥中心清楚和直观地掌握车辆的动态位置信息。

1.3 GSM无线通信模块

    车载电台实现与调度指挥中心的联络(双向通信)。目前的车载电台绝大部分是调频(FM)制式的模拟移动通信系统,主要为语音通信设计。要传送车载台的定位信息首先要通过音频调制解调器将数字信号转换成音频模拟信号,然后加载到音频车载台上发送出去。其缺点是需建电台、申请频率点使用权、覆盖面窄、发射功率小及容量有限等。除此之外,由于语音信道的信噪比较低,利用此信道进行数据通信时,误码率会增加,严重时会导致通信失败。因此,在此方案中采用了GSM移动通信中的短消息来完成GPS定位信息数据的传输。

    全球移动通信系统GSM (Global System for Mobile Communications)是欧洲主要电信运营者和制造厂家组成的标准化委员会设计的数字移动通信系统,也是我国目前覆盖面最广、功能最强、用户最多的移动通讯系统。GSM系统可提供多种业务,目前已开通并较常用的业务有:话音、短信、数据等。短消息 SMS(Short Message Service)是GSM移动电信系统的补充业务之一,它借助GSM网信令传递间隙进行传送,不会占用话务信道。短消息每次限制在160个字符以内,这对GPS定位信息足够了。电信运营者一般不会对短消息的传送增加通信费用,仅适当收取一点开通费或很少的维护费,因此短消息的使用是非常廉价的(以北京电信目前的收费标准,每月仅为15元)。短消息的编码支持中文、韩文、日文等文字字符集及符号,并且传送字符内容支持Unicode字符全集,因此可以传送中文信息。短消息的发送和接收离不开GSM数据通信平台。GSM数据通信平台是利用GSM短消息功能传输各种检测、监控数据信号和控制命令的通用通信平台,可以广泛应用于远程监控和数据采集、移动目标的监控以及个人信息终端。具有不需另外铺设网络、通讯费用低廉、不受地域限制、任意设置传输机制等特点。本方案采用法国WAVECOM公司的GSM 模块,其数据接口为RS232,可与微控制器的UART接口直接连接。

    综上所述,在综合考虑运营费用和实现的难易程度等因素,目前的短信业务最适合定位信息的传送,而且在使用这种业务的同时还可进行话音联络,互不冲突。

1.4 PAGER寻呼接收模块

    目前的GSM系统还不能提供广播式短消息服务,为了实现广播下行,在系统中增加了寻呼模块。车载系统有了它也就具有了接收群呼的功能,调度指挥中心可实现广播下行。

    寻呼机主要由RF接受部分和DECODER解码部分组成。其功能是将接收到的信息电磁波转变成无线电射频调制信号,再经过变换、解调恢复出数字基带信号,送到后续的CPU进行处理。接收部分:包括天线组件、放大混频电路和解调电路,实现由射频信号向中频信号、直到二进制代码流的转换。解码部分:完成对接收到的二进制信息的译码,通过对数码序列中的前置码进行识别来判别当前所接受的数码是否为POCSAG码,如果是,再解调出包括地址和信息信号的POCSAG无线寻呼码,并按特定格式传送给车载系统CPU作存储和显示。无线寻呼组码解码方案有POCSAG和FLEX两种数据协议格式。FLEX是多频漫游高速寻呼协议,具有编码速率高、信道用户容量大、抗干扰性能好、与现有寻呼技术兼容能力强、支持综合数据传输、能很好地支持双向寻呼、适合全国乃至世界范围寻呼联网等优点。目前,我国无线寻呼组码解码方案普遍采用POCSAG协议,该协议是国际无线电咨询委员会(CCIR)确认的国际寻呼通信的一号标准编码 (简称国际1号码 )。所以构建寻呼功能只需外加一个RF接收模块和解码芯片即可,如图2所示。

作为车载系统的一部分,寻呼机接收功能主要实现大量的信息接收,包括公司的广播通知、交通信息、新闻、股票信息、天气预报等的接收,通过车载系统的相应软件控制在其LCD屏幕上显示,比传统的寻呼机速度快,页面显示内容清晰,可以显示文字、图表、曲线及照片等。该功能模块的增加为车载系统扩大了信息来源,增强了车载系统的功能。通过车载系统,使用者可以更加方便地接收、读取、存储和管理寻呼机的信息。

1.5 LCD液晶显示模块

    实现电子地图的显示需要点阵图形液晶显示器。液晶显示器(LCD)有黑白、彩色两种,黑白屏以超扭曲向列型(STN)居多,对比度比TN型的更好。彩色屏以薄膜晶体管型(TFT)居多,分有源(Active)及无源(Passive)型两种。TFT屏比STN屏响应速度快,可实现真彩色,但价格很高,约占整个产品成本的一半,主要用于高端电子类产品。通常高端微控制器中都内嵌有一个8位或4位的、灰度为4～16级的液晶控制器,有支持STN显示屏的,也有支持TFT显示屏的,分辨率最高可达1024×512个像素,并内嵌有几十KB的帧缓冲器。

    考虑到价位以及功能的要求,一般选择320×240 STN黑白液晶屏来显示电子地图、出租车的经纬度及速度、通过PAGER接收调度指挥中心广播下行的命令和控制中心通过GSM发来的短信消息等。由于车载系统中不便于使用触摸屏,因此将液晶屏上的触摸屏去掉,改换成有利于司机操作的键盘。

2 THOS清华嵌入式操作系统

    嵌入式操作系统作为软件系统的核心,在手持计算设备、控制系统、智能仪器仪表等各个领域起着十分重要的作用。开发具有自主知识产权的嵌入式操作系统,不仅关系到我国未来科技的发展,而且可以摆脱对国外操作系统的过分依赖,为我国IT领域的发展提供一个良好的系统平台。

    考虑到未来工业发展对嵌入式操作系统的普遍需求,因此THOS操作系统定位为嵌入式、可配置、实时多任务的操作系统,并将各种驱动程序等设计成均可自由装卸的功能化模块,主要用于控制系统、信息家电、各种移动设备等嵌入式系统产品。清华嵌入式操作系统的特点如表1所示。

 清华嵌入式操作系统无论和普通的操作系统(如服务器上用的操作系统和台式机上的操作系统等)相比还是与其它嵌入式操作系统(如WindowsCE、pSoS、VxWorks、Palm OS)相比都有显著的优点。

    本文所介绍的GPS车载定位嵌入式系统不仅在硬件设计上具有外围器件少、可装卸、开发设计周期短等优点,而且在系统软件及驱动程序的开发上是基于具有自主知识产权的THOS平台,达到了软硬件协同设计的目的。由于该操作系统主要定位在与硬件紧密相连的控制系统和类PC系统,因而在保持和Linux系统兼容的基础上,具有易于向其它硬件平台移植的特点,以便根据不同的需要将其组合为满足不同要求的系统,为嵌入式系统的软硬件协同设计奠定了基础。