ITS系統(tǒng)中GPRS智能移動(dòng)終端的設(shè)計(jì)

李云, 楊玉峰, 梅順良

清華大學(xué) 微波與數(shù)字通信國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室


　　摘　要：智能交通系統(tǒng)(ITS)被國(guó)際社會(huì)廣泛認(rèn)為是21世紀(jì)影響全世界人民生活和經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要產(chǎn)業(yè)之一。文中首先介紹了ITS的發(fā)展和現(xiàn)狀，然后重點(diǎn)闡述了基于GPRS傳輸網(wǎng)絡(luò)的智能移動(dòng)終端，并且提出了一種相應(yīng)的硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)方法。試驗(yàn)表明，該終端能夠成功地完成汽車(chē)的定位與監(jiān)控等功能。


　　關(guān)鍵詞：智能交通系統(tǒng); 智能移動(dòng)終端; GPRS網(wǎng)絡(luò); GPS/ GLONASS接收機(jī)



一、引言


　　智能交通系統(tǒng)(ITS,即Intelligent Transport System）是指將先進(jìn)的通信技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)等高新技術(shù)綜合地運(yùn)用于整個(gè)交通管理體系、從而建立起一種全方位發(fā)揮作用的交通綜合管理和控制系統(tǒng)。上世紀(jì)60年代末，美國(guó)開(kāi)始ITS方面的研究，之后，歐洲、日本等也相繼加入這一行列。經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，美國(guó)、歐洲、日本成為世界ITS研究的三大基地。事實(shí)證明，ITS可以大幅度提高交通網(wǎng)絡(luò)的運(yùn)行效率，是解決交通擁擠最經(jīng)濟(jì)有效的辦法。它蘊(yùn)涵著巨大的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，是目前世界各國(guó)交通領(lǐng)域競(jìng)相研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)。


　　我國(guó)的ITS研究起步較晚，但I(xiàn)TS理論研究與技術(shù)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)也正在緊隨國(guó)際智能交通技術(shù)發(fā)展的步伐�；�于我國(guó)城市人口密度大、自行車(chē)與汽車(chē)擁有比例高的現(xiàn)狀，現(xiàn)階段在引進(jìn)和應(yīng)用國(guó)外ITS的先進(jìn)科技成果的同時(shí)，應(yīng)積極開(kāi)發(fā)適合我國(guó)國(guó)情的ITS,使路網(wǎng)逐步實(shí)現(xiàn)智能化。


　　本文提出的智能移動(dòng)終端是ITS系統(tǒng)中的重要組成部分。該終端以先進(jìn)的GPRS為傳輸網(wǎng)絡(luò)，雙核CPU為微控制器，集衛(wèi)星定位、報(bào)警、監(jiān)控、圖像傳輸?shù)榷囗?xiàng)功能為一體。本文給出了該終端的硬件設(shè)計(jì)和軟件實(shí)現(xiàn)方法。��



二、傳輸方案的選擇


　　移動(dòng)終端數(shù)據(jù)的無(wú)線(xiàn)傳輸方式主要有3種：常規(guī)無(wú)線(xiàn)電臺(tái)通信系統(tǒng)、專(zhuān)用集群電臺(tái)通信系統(tǒng)及利用GSM移動(dòng)網(wǎng)通信系統(tǒng)。前2種方式都因?yàn)榇嬖诟采w范圍有限、建網(wǎng)成本高、頻率資源匱乏等缺點(diǎn)而不能廣泛推廣。利用GSM移動(dòng)網(wǎng)作為傳輸方式不用專(zhuān)門(mén)構(gòu)建傳輸網(wǎng)，大大降低了成本，而且系統(tǒng)擴(kuò)容方便，覆蓋范圍廣，是目前移動(dòng)終端傳輸方式的首選方案。利用GSM公網(wǎng)為通信系統(tǒng)也有3種傳輸方式：語(yǔ)音通道、短消息和高速數(shù)據(jù)通道GPRS。利用語(yǔ)音通道傳輸存在著運(yùn)營(yíng)費(fèi)用高、建鏈時(shí)間長(zhǎng)等缺點(diǎn)。目前的移動(dòng)終端大多采用GSM短消息方式傳輸數(shù)據(jù)信息，這種傳輸方式延時(shí)大，平均延時(shí)為5.5s，這樣的延時(shí)將引入不容忽視的誤差。假設(shè)車(chē)的時(shí)速為150 km/h，則5.5 s后汽車(chē)已駛出229 m，這還不包括衛(wèi)星的誤差和系統(tǒng)本身的延時(shí)。實(shí)踐證明，基于GSM短消息傳輸方式的移動(dòng)終端存在著不可克服的缺陷。


　　GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無(wú)線(xiàn)業(yè)務(wù))［1］是一種采用分組交換的高效率數(shù)據(jù)傳輸方式。它克服了GSM中電路交換速率低、資源利用率差等缺點(diǎn)，最大限度地利用了現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡(luò)資源，提高了傳輸速率，而且接入時(shí)間短，支持IP和X.25協(xié)議。GPRS網(wǎng)絡(luò)采用4種不同的QoS，對(duì)不同的服務(wù)有不同的優(yōu)先級(jí)、可靠性和延遲標(biāo)準(zhǔn)，還有它“永遠(yuǎn)在線(xiàn)、按流量計(jì)費(fèi)”的優(yōu)點(diǎn)，使它成為現(xiàn)在移動(dòng)通信增值應(yīng)用服務(wù)的一個(gè)亮點(diǎn)。GSM網(wǎng)絡(luò)的數(shù)據(jù)傳輸速率低于9.6 kbps，這樣的速率要進(jìn)行圖像傳輸是相當(dāng)困難的，GPRS網(wǎng)絡(luò)理論上最大可以提供171.2 kbps的傳輸速率，在大多數(shù)城市，GPRS服務(wù)可以提供40~50 kbps的傳輸速率，這就使無(wú)線(xiàn)圖像傳輸成為可能。相對(duì)于短消息方式來(lái)說(shuō)，GPRS服務(wù)既提高了質(zhì)量，又降低了運(yùn)營(yíng)費(fèi)用。智能移動(dòng)終端與ITS控制中心之間的通信突發(fā)性較強(qiáng)、使用頻繁而且每次數(shù)據(jù)量較小，所以使用GPRS網(wǎng)絡(luò)作為其傳輸載體是目前最佳的解決方案。��



三、智能移動(dòng)終端的設(shè)計(jì)


1．終端的功能描述


　　智能移動(dòng)終端是ITS系統(tǒng)的“傳感器”，它安裝在汽車(chē)上，將汽車(chē)、駕駛員和ITS控制中心有機(jī)的結(jié)合起來(lái)，實(shí)現(xiàn)相互之間的聯(lián)系、控制與調(diào)度。其主要功能為：車(chē)輛定位；車(chē)輛監(jiān)控；語(yǔ)音調(diào)度；與ITS中心通信；顯示調(diào)度及誘導(dǎo)信息；車(chē)輛報(bào)警；車(chē)輛圖像監(jiān)控；汽車(chē)熄火控制等。智能移動(dòng)終端操作簡(jiǎn)單，功能強(qiáng)大，能夠充分滿(mǎn)足各種車(chē)輛監(jiān)控管理系統(tǒng)的使用要求。


2．終端的硬件設(shè)計(jì)��





　　智能移動(dòng)終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見(jiàn)圖1，主要由微控制器、GPS/GLONASS接收模塊、GPRS模塊、圖像壓縮與編碼、LCD顯示等部分組成。其核心器件選用的是功能高度集成的雙CPU處理器TMS320VC5470［2］，它集成了一個(gè)基于TMS320C54x核的DSP子系統(tǒng)和一個(gè)基于ARM7TDMI核的RISC（精簡(jiǎn)指令集處理器）微處理器子系統(tǒng)。DSP包括72 K×16位的SRAM，一個(gè)定時(shí)器，一個(gè)DMA控制器，一個(gè)外存儲(chǔ)器接口和2個(gè)多通道緩沖串口；RISC包括3個(gè)定時(shí)器、通用I/O口、SPI口、UART口和一個(gè)外存儲(chǔ)器接口。在終端設(shè)計(jì)時(shí)，DSP主要負(fù)責(zé)圖像和語(yǔ)音信號(hào)的處理，RISC則負(fù)責(zé)終端的管理、命令、控制以及與使用者界面等功能，這樣讓兩個(gè)處理器充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢(shì)，加快了終端的處理速度。圖2為關(guān)鍵部分硬件連線(xiàn)圖，GPRS模塊連接于RISC的UART口，采用硬件流控以減輕RISC軟件的負(fù)擔(dān)，UART口可以自動(dòng)支持1 200~115.2 kbps的速率。RISC還有一個(gè)UART/IRDA接口，將它設(shè)為UART模式，用來(lái)接收和控制衛(wèi)星接收模塊。


　　GPRS模塊由GSM基帶處理器、GSM射頻、FLASH存儲(chǔ)器、SRAM存儲(chǔ)器、電源控制器、天線(xiàn)連接器等部分組成。它通過(guò)UART串口與RISC進(jìn)行數(shù)據(jù)通訊，RISC向GPRS模塊發(fā)AT指令控制GPRS模塊的工作狀態(tài)。GPRS模塊將信號(hào)通過(guò)GPRS/GSM網(wǎng)絡(luò)傳送至ITS中心，并接收中心發(fā)來(lái)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)給RISC處理。GPRS模塊的速率是與GPRS網(wǎng)絡(luò)有關(guān)，所以與之接口的UART模式采用自動(dòng)波特率方式，以適應(yīng)外部網(wǎng)絡(luò)的變化。��






　　衛(wèi)星導(dǎo)航模塊選用GPS+GLONASS接收機(jī)GG16,它能同時(shí)接收GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）和GLONASS（全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)）兩個(gè)系統(tǒng)的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，通道分配可根據(jù)需要進(jìn)行設(shè)定。雙衛(wèi)星系統(tǒng)接收機(jī)由于同時(shí)接收兩套導(dǎo)航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號(hào)，可使觀測(cè)時(shí)間更短、定位精度更高、定位結(jié)果更可靠，而且在一定程度上擺脫了對(duì)GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的完全依賴(lài)。使用這種接收機(jī)，平面定位精度小于10 m。設(shè)置接收機(jī)的數(shù)據(jù)以NMEA 0183格式輸出，波特率固定為4 800 bps。


　　圖像監(jiān)控時(shí)，從數(shù)碼攝像機(jī)接收未壓縮的數(shù)字視頻信號(hào)，經(jīng)小波變換、幀抽取、系數(shù)量化、游程編碼和哈夫曼編碼，產(chǎn)生壓縮后的數(shù)據(jù)流，送入集成于ADV612［3］片內(nèi)的32位FIFO緩沖區(qū)，一旦FIFO的數(shù)據(jù)量達(dá)到在寄存器里的預(yù)置值時(shí)，則向DSP發(fā)出中斷請(qǐng)求信號(hào)，從它與主處理器的接口輸出壓縮數(shù)據(jù)比特流，壓縮后的圖像信號(hào)經(jīng)GPRS模塊傳給ITS中心，中心將圖像信號(hào)解壓縮、反量化后恢復(fù)在屏幕上。圖像壓縮采用AD公司生產(chǎn)的小波變換圖像壓縮芯片ADV612，它支持對(duì)CCIR601數(shù)字視頻進(jìn)行高質(zhì)量的實(shí)時(shí)壓縮/解壓縮，壓縮比從無(wú)損壓縮的4∶1到7 500∶1，如果以正常壓縮比60∶1來(lái)算，同樣一幅圖像（600KB）可以壓縮到10 KB以下。而且，ADV612具有硬件減幀功能，由模式控制器2來(lái)設(shè)置完成，車(chē)內(nèi)攝像，圖像變化不是很頻繁，啟用ADV612的硬件減幀功能可進(jìn)一步提高圖像序列壓縮比。


3．智能移動(dòng)終端的軟件設(shè)計(jì)


　　由于移動(dòng)智能終端功能強(qiáng)大，所以其軟件系統(tǒng)相對(duì)復(fù)雜。終端主要有以下幾種狀態(tài)：


　　(1)自定位狀態(tài)：接收GPS定位信息并將相應(yīng)的信息顯示；


　　(2)撥號(hào)、通話(huà)狀態(tài)：有撥號(hào)操作時(shí)，控制GSM/GPRS模塊執(zhí)行相應(yīng)的操作，同時(shí)有相應(yīng)的顯示，此時(shí)自定位狀態(tài)仍然有效；


　　(3)跟蹤狀態(tài)：在自定位狀態(tài)下，定時(shí)向中心傳送定位等信息；


　　(4)報(bào)警狀態(tài)：進(jìn)入跟蹤監(jiān)控狀態(tài)，中心啟動(dòng)圖像監(jiān)控，開(kāi)啟終端的數(shù)碼攝像機(jī)，將車(chē)內(nèi)圖像信息傳給中心;


　　(5)接收狀態(tài)：接收中心發(fā)來(lái)的天氣、路況、最佳路徑等信息并顯示。��







　　由上可見(jiàn)，終端狀態(tài)間的切換由中心的命令或駕駛員對(duì)其的操作進(jìn)行控制。程序使用Hitool IDE集成開(kāi)發(fā)環(huán)境，JEDI實(shí)時(shí)在線(xiàn)仿真器，在uClinux嵌入式操作系統(tǒng)上完成程序開(kāi)發(fā)。程序設(shè)計(jì)時(shí)采用模塊化設(shè)計(jì)，主要模塊有液晶顯示模塊、GPRS發(fā)數(shù)據(jù)模塊、GPRS收數(shù)據(jù)模塊、GPS數(shù)據(jù)模塊、報(bào)警處理模塊、鍵盤(pán)輸入模塊等。其中GPRS收數(shù)據(jù)模塊、GPS數(shù)據(jù)處理模塊和報(bào)警處理模塊為中斷處理程序。


　　DSP要完成的主要任務(wù)為：計(jì)算ADV612進(jìn)行量化所需的量化因子，進(jìn)而控制ADV612進(jìn)行自適應(yīng)量化；計(jì)算小波圖像分解最小亮度塊的像素平方和，判斷當(dāng)前場(chǎng)景的變化情況，指導(dǎo)ADV612進(jìn)行硬件減幀顯示。圖像傳輸時(shí)數(shù)據(jù)量比較大，而GPRS傳輸采用UDP協(xié)議（用戶(hù)數(shù)據(jù)報(bào)協(xié)議），它限定每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包最大不能超過(guò)8 192字節(jié)，而一幀壓縮的圖像數(shù)據(jù)往往超過(guò)這一限定。為解決這一問(wèn)題，開(kāi)辟一緩存區(qū)，足夠裝下一幀壓縮數(shù)據(jù)，每?jī)汕ё止?jié)分為一個(gè)數(shù)據(jù)包，每個(gè)數(shù)據(jù)包前面加上順序號(hào)、時(shí)間等信息，分組發(fā)送，在接收方再順序恢復(fù)。


　　程序調(diào)試時(shí)先單獨(dú)調(diào)試MCU，這由VC5470在TRST的上升沿取樣EMU1和EMU0引腳的值來(lái)決定仿真模式，當(dāng)EMU1和EMU0同為零時(shí)（在TRST的上升沿），只有ARM7TDMIE RISC在仿真鏈上。RISC程序調(diào)試通過(guò)后再與DSP程序聯(lián)調(diào)。DSP采用API引導(dǎo)方式，由RISC直接控制DSP在復(fù)位狀態(tài)，并使能API引導(dǎo)方式，由API口裝載DSP引導(dǎo)碼。裝載成功后，RISC從復(fù)位狀態(tài)釋放DSP，DSP開(kāi)始執(zhí)行程序。��



四、結(jié)束語(yǔ)


　　本文提出的基于GPRS的智能移動(dòng)終端不僅能很好地實(shí)現(xiàn)定位、跟蹤、報(bào)警、與中心的數(shù)據(jù)通信和語(yǔ)音通信等功能，ITS控制中心還可根據(jù)當(dāng)時(shí)路況對(duì)其進(jìn)行交通誘導(dǎo)，必要時(shí)還能實(shí)現(xiàn)圖像監(jiān)控。該設(shè)計(jì)代表了智能移動(dòng)終端今后的發(fā)展方向。��




參考文獻(xiàn)
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摘自　電訊技術(shù)