GPS车辆管理和监控系统中快速通信的实现

中国科学院长春光学精密机械与物理所　张岩峰　郑素花　王瑞光

 

　　《世界电子元器件》7月号

 

　　GPS定位技术在车辆管理和监控系统中已经得到广泛地应用。系统利用GPS技术，GIS技术和通信技术对移动车辆进行实时监控和管理。整个系统由监控中心和多个移动车载台组成，监控中心通过无线通信与各移动车辆相互联络。目前，由于通信系统和手段的限制，中心采用轮询的方法对各移动车辆的位置、状态等信息进行查询。根据时分制的原理，将一个轮询周期分为若干个时间段，每个移动车载台占用其中的一个时间段，移动车载台只有在自己的时间段里才向监控中心回传车辆信息。

 

　　轮询方法可靠性高，易于实现，因此得到了广泛的应用。但同时它也限制了系统的容量和信道的使用效率。本文详细分析了GPS导航数据和轮询方法，提出了一种移动车辆GPS智能控制通信规程，利用Jupiter GPS接收板提供的高精度同步时钟，实现了系统中各移动车辆与监控中心的快速通信。

 

　　一、GPS车辆监控和管理系统

 

　　系统采用星型拓扑结构。移动车载台由Jupiter GPS接收板，航位推算系统，控制模块和电台组成。控制模块采用MCU对输出的导航数据进行融合处理，控制数据的接收和发送。通信设备采用数传电台。也可以采用调制解调器加VHF(或UHF)电台。移动车载台的组成如图1所示。

 

　　监控中心由工作站(计算机)、GIS和电台组成。数传电台接收车辆回送的GPS数据。转换为 RS232信号，送入工作站。如果采用VHF(或UHF)电台，则将车辆回送的GPS数据解调，信号经电平转换，再送入中心站。电子地图根据回送的GPS数据，将各个车辆的位置和状态实时显示出来。

 

　　二、Jupiter GPS接收板的同步时钟

 

　　Jupiter GPS接收板是GPS卫星的制造商ROCKWELL公司的产品。它体积小，重量轻，功耗低，具有并行12通道，首次定位和重捕获时间短，有极强的抗遮挡能力，无静态漂移，工作稳定。Jupiter GPS接收板提供1pps(pulses per second)的秒脉冲输出和10kHz的时钟输出，定位精度和时钟输出的精度均为1　s。秒脉冲与卫星钟输出的脉冲是同步的，10kHz的时钟输出与卫星钟也是同步的。秒脉冲与10kHz的时钟都是相对时间，它们之间的各种测算误差均方值为ns级，与后面将要说明的快速发送方法的延时相比，可忽略不计。因此，可以认为秒脉冲和10kHz时钟是同步的。它们的关系如图2所示。

 

　　对于多个同类型的Jupiter GPS接收板，各接收板之间的误差可以表示为:。其中，第一项表示卫星钟在t0时刻的误差，第二项表示GPS稳定度的统计误差。在GPS系统稳定工作的情况下，误差　t为ns 级。与快速发送方法的延时相比，　t可以忽略。

 

　　三、通信规程

 

　　中心对移动车辆的监控采用三种工作模式，即正常工作模式、重点监控模式和报警工作模式。在正常监控模式下，监控中心对所有车辆进行全面监控；在重点监控模式下，中心对选定的重点车辆进行监控；在报警工作模式下，中心只对报警车辆进行监控。采用不同的监控模式，可以降低监控中心的数据处理量，减少不必要的查询，缩短轮询时间。

 

　　各移动车载台接到GPS导航数据后，需要对数据进行处理，截取有效信息，并加上控制信息，重新编帧。监控中心对移动车载台的信令格式如下：

 

　　(1)识别码：用于区分不同的帧。长度为2字节：CHR$(5DH)+CHR$(01H)

 

　　(2)车辆号：用于指定不同的车辆。长度为1字节：CHR$(00H～0FFH)

 

　　(3)控制命令：长度为1字节：CHR$(00H～0FFH)

 

　　01H ：中心需要选中车辆的信息。

 

　　02H ：选中车辆熄火。

 

　　0FFH：启动移动车载台的定时/计数器，开始接收和发送GPS数据。

 

　　移动车载台对监控中心的信令格式如下：

 

　　(1)识别码：功能同前。长度为2字节：CHR$(5DH)+CHR$(01H)

 

　　(2)车辆号：功能同前。长度为1字节：CHR$(00H～0FFH)

 

　　(3)车辆工作状态：长度为1字节：CHR$(00H～0FH)

 

　　00H ：车辆状态正常

 

　　0FH ：车辆状态异常

 

　　(4)GPS数据状态：标志GPS接收板接收的导航数据是否有效。A为有效状态，V为无效状态。长度为1字节。

 

　　(5)纬度信息：GPS接收板接收到纬度信息后，将数据压缩为BCD码形式。如北纬43度53.48分经压缩后变为：43H，53H，48H。纬度标志“N”省略。压缩后长度为3字节。

 

　　(6)经度信息：和纬度信息的处理方法相同。如东经123度56.87分经压缩后变为：01H，23H，56H，87H。经度标志“E”省略。压缩后长度为4字节。

 

　　字符结构按照异步串行通信标准：一位起始位，八位数据位，一位停止位。无奇偶校验位。

 

　　信令采用压缩BCD码形式，以减少数据通信量。

 

　　四、接收和发送GPS数据的用时分析

 

　　Jupiter GPS接收板输出的导航数据有两种格式：厂家自定义的二进制格式和NMEA-0183通信格式。NMEA-0183是美国国家海洋电子协会制订的一种标准数据通信格式。数据采用ANSI标准，以串行异步方式传输，比特率为4800bps，TTL电平。数据结构为一位起始位，八位数据位，一位停止位，无奇偶校验位。数据代码为ASCII字符。输出各种导航语句，主要有GPGGA，GPRMC等。本系统中采用的GPS接收板输出GPRMC导航数据，具体格式如下：$GPRMC,UTC时间，已定位/未定位，纬度，北/南，经度，东/西，速度，航向，日期，校验和终止符。对于陆地车辆定位来说，往往不需要全部导航数据，截取有效数据，将数据按照通信规程重新编码后，一帧数据长度为2+1+1+1+3+4=12个字节。控制单元与电台的通信速率为9600bps，发送12个字节需13ms；电台发送数据速率为 2400bps，发送12个字节需50ms 。通信系统采用数传电台，因此，还要考虑载波建立和撤消时间。多数通信设备生产厂商提供了这一时间值。为了保证GPS数据可靠传输，

 

　　需要测量这些时间的实际值。实际测量的时间为90ms　150ms 之间。与数传电台相比，VHF(或UHF)电台载波建立和撤消的时间稍长，实际测量值为 220ms　250ms。数据处理时间为0.7ms，可忽略不计。这样，发送一组数据需用13+50+150=213ms。GPS接收板接收导航数据的速率为4800bps，卫星传送的导航数据为70个字节，因此接收一组导航数据需150ms。在接收到下一组GPS导航数据之前，有1000-150=850ms的发送时间。而发送一组GPS数据需213ms ，因此，利用GPS接收板提供的 的同步时钟作为定时/计数器T0的计数脉冲，来控制移动车载台发送GPS数据的延时，可以实现数据的快速回送。

 

　　五、快速发送GPS数据的实现

 

　　中心与各移动车辆的通信采用轮询方式。GPS 导航数据每秒刷新一次，其输出与接收机的秒脉冲同步，因此以一秒为一个发送单元，一个单元时间里发送三组重新编帧后的GPS数据。用1pps的秒脉冲控制定时/计数器T1计数，实现对发送单元的轮询延时；用10kHz的同步时钟控制定时/计数器T0计数，实现对一个发送单元内各车的发送延时。设轮询周期为T ，各发送单元的时间间隔为Tn (n=1,2,3,……)。对系统进行初始化，中心选择监控模式。在轮询开始之前，系统中的各个车辆发送GPS数据处于无序的状态，需要对系统的时间进行统一定标。为了保证中心和各移动车辆在同一时基下工作，中心采用与移动车载台同型号的Jupiter GPS接收板输出的 秒脉冲作为基准时标。首先，中心采用“一问一答”的方式查询每一辆车的状态，打通通信链路。确认系统中被监控的车辆正常工作后，按照图3的时序，在t0,t1,t2……时刻依次向各发送单元发送命令。其中，控制命令字符为0FFH。在t0时刻，发送单元内的三辆车在接到中心发送的命令后，同时启动各自的定时/计数器T1。开串行中断，接收GPS导航数据。接收完毕，关串行中断，按照通信规程中的格式对收到的导航数据进行处理。之后，一号车不延时直接将数据送出；二号车启动定时/计数器T0，延时　T，T0产生中断，发送GPS数据，发送完毕，关T0中断；三号车启动定时/计数器T1，延时2　T ， T0产生中断，发送GPS数据，发送完毕，关T0中断。第一个发送单元内各车发送完毕。接着，在t1时刻，中心命令第二个发送单元中各车辆发送GPS数据。依此类推。当一个轮询周期结束后，第一个发送单元中的定时/计数器T1中断，发送单元中的各车接收、发送GPS数据，进入下一次循环。各车的发送时序见图4。 本例中,　T=285ms。轮询的时间间隔和各车发送GPS数据的时间间隔可根据实际情况进行调整。

 

　　六、校验

 

　　由于采用了快速通信，中心与各移动车辆的信息交互时间减少了。为了保证数据的可靠性，中心采用比较检验的方法。每次中心收到车辆回传的GPS信息，将回传的数据与工作站数据库中的正确值进行比较。其中，车辆号每次比较都应该相同；经度信息和纬度信息与电子地图数据库中的已知位置信息相比较；根据车辆工作状态和GPS数据状态的值判断回传数据是否有效。如果各字段的差值在正常误差范围内，即认为回传数据正确。否则，认为错误。将错误信息存入中心数据库，对出错车辆进行询问。校验由中心的工作站(计算机)完成。

 

　　七、结论

　　

　　在实现的过程中，需要注意以下两点：1.采用同类型的GPS接收板以保证发送时钟同步。2.根据实际情况，合理确定轮询过程中发送单元的时间间隔和各移动车载台发送数据的时间间隔，以保证GPS数据既能快速发送，又能够被可靠接收，减少数据的冲突与丢失。

 

　　用市工商银行的运钞车监控系统进行了试验，获得了良好的效果。系统工作稳定可靠，监控的实时性得到了提高。在原有的条件下，实现了系统升级。