ITS系統(tǒng)中GPRS智能移動終端的設計

李云, 楊玉峰, 梅順良

清華大學 微波與數(shù)字通信國家重點實驗室


　　摘　要：智能交通系統(tǒng)(ITS)被國際社會廣泛認為是21世紀影響全世界人民生活和經(jīng)濟發(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，然后重點闡述了基于GPRS傳輸網(wǎng)絡的智能移動終端，并且提出了一種相應的硬件設計和軟件實現(xiàn)方法。試驗表明，該終端能夠成功地完成汽車的定位與監(jiān)控等功能。


　　關鍵詞：智能交通系統(tǒng); 智能移動終端; GPRS網(wǎng)絡; GPS/ GLONASS接收機



一、引言


　　智能交通系統(tǒng)(ITS,即Intelligent Transport System）是指將先進的通信技術、自動控制技術、計算機技術等高新技術綜合地運用于整個交通管理體系、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60年代末，美國開始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30多年的發(fā)展，美國、歐洲、日本成為世界ITS研究的三大基地。事實證明，ITS可以大幅度提高交通網(wǎng)絡的運行效率，是解決交通擁擠最經(jīng)濟有效的辦法。它蘊涵著巨大的社會與經(jīng)濟效益，是目前世界各國交通領域競相研究和開發(fā)的熱點。


　　我國的ITS研究起步較晚，但ITS理論研究與技術產(chǎn)品的開發(fā)也正在緊隨國際智能交通技術發(fā)展的步伐�；�于我國城市人口密度大、自行車與汽車擁有比例高的現(xiàn)狀，現(xiàn)階段在引進和應用國外ITS的先進科技成果的同時，應積極開發(fā)適合我國國情的ITS,使路網(wǎng)逐步實現(xiàn)智能化。


　　本文提出的智能移動終端是ITS系統(tǒng)中的重要組成部分。該終端以先進的GPRS為傳輸網(wǎng)絡，雙核CPU為微控制器，集衛(wèi)星定位、報警、監(jiān)控、圖像傳輸?shù)榷囗椆δ転橐惑w。本文給出了該終端的硬件設計和軟件實現(xiàn)方法。��



二、傳輸方案的選擇


　　移動終端數(shù)據(jù)的無線傳輸方式主要有3種：常規(guī)無線電臺通信系統(tǒng)、專用集群電臺通信系統(tǒng)及利用GSM移動網(wǎng)通信系統(tǒng)。前2種方式都因為存在覆蓋范圍有限、建網(wǎng)成本高、頻率資源匱乏等缺點而不能廣泛推廣。利用GSM移動網(wǎng)作為傳輸方式不用專門構(gòu)建傳輸網(wǎng)，大大降低了成本，而且系統(tǒng)擴容方便，覆蓋范圍廣，是目前移動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：語音通道、短消息和高速數(shù)據(jù)通道GPRS。利用語音通道傳輸存在著運營費用高、建鏈時間長等缺點。目前的移動終端大多采用GSM短消息方式傳輸數(shù)據(jù)信息，這種傳輸方式延時大，平均延時為5.5s，這樣的延時將引入不容忽視的誤差。假設車的時速為150 km/h，則5.5 s后汽車已駛出229 m，這還不包括衛(wèi)星的誤差和系統(tǒng)本身的延時。實踐證明，基于GSM短消息傳輸方式的移動終端存在著不可克服的缺陷。


　　GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業(yè)務)［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，最大限度地利用了現(xiàn)有的GSM網(wǎng)絡資源，提高了傳輸速率，而且接入時間短，支持IP和X.25協(xié)議。GPRS網(wǎng)絡采用4種不同的QoS，對不同的服務有不同的優(yōu)先級、可靠性和延遲標準，還有它“永遠在線、按流量計費”的優(yōu)點，使它成為現(xiàn)在移動通信增值應用服務的一個亮點。GSM網(wǎng)絡的數(shù)據(jù)傳輸速率低于9.6 kbps，這樣的速率要進行圖像傳輸是相當困難的，GPRS網(wǎng)絡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服務可以提供40~50 kbps的傳輸速率，這就使無線圖像傳輸成為可能。相對于短消息方式來說，GPRS服務既提高了質(zhì)量，又降低了運營費用。智能移動終端與ITS控制中心之間的通信突發(fā)性較強、使用頻繁而且每次數(shù)據(jù)量較小，所以使用GPRS網(wǎng)絡作為其傳輸載體是目前最佳的解決方案。��



三、智能移動終端的設計


1．終端的功能描述


　　智能移動終端是ITS系統(tǒng)的“傳感器”，它安裝在汽車上，將汽車、駕駛員和ITS控制中心有機的結(jié)合起來，實現(xiàn)相互之間的聯(lián)系、控制與調(diào)度。其主要功能為：車輛定位；車輛監(jiān)控；語音調(diào)度；與ITS中心通信；顯示調(diào)度及誘導信息；車輛報警；車輛圖像監(jiān)控；汽車熄火控制等。智能移動終端操作簡單，功能強大，能夠充分滿足各種車輛監(jiān)控管理系統(tǒng)的使用要求。


2．終端的硬件設計��





　　智能移動終端的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖見圖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］，它集成了一個基于TMS320C54x核的DSP子系統(tǒng)和一個基于ARM7TDMI核的RISC（精簡指令集處理器）微處理器子系統(tǒng)。DSP包括72 K×16位的SRAM，一個定時器，一個DMA控制器，一個外存儲器接口和2個多通道緩沖串口；RISC包括3個定時器、通用I/O口、SPI口、UART口和一個外存儲器接口。在終端設計時，DSP主要負責圖像和語音信號的處理，RISC則負責終端的管理、命令、控制以及與使用者界面等功能，這樣讓兩個處理器充分發(fā)揮它們各自的優(yōu)勢，加快了終端的處理速度。圖2為關鍵部分硬件連線圖，GPRS模塊連接于RISC的UART口，采用硬件流控以減輕RISC軟件的負擔，UART口可以自動支持1 200~115.2 kbps的速率。RISC還有一個UART/IRDA接口，將它設為UART模式，用來接收和控制衛(wèi)星接收模塊。


　　GPRS模塊由GSM基帶處理器、GSM射頻、FLASH存儲器、SRAM存儲器、電源控制器、天線連接器等部分組成。它通過UART串口與RISC進行數(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模塊將信號通過GPRS/GSM網(wǎng)絡傳送至ITS中心，并接收中心發(fā)來的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)給RISC處理。GPRS模塊的速率是與GPRS網(wǎng)絡有關，所以與之接口的UART模式采用自動波特率方式，以適應外部網(wǎng)絡的變化。��






　　衛(wèi)星導航模塊選用GPS+GLONASS接收機GG16,它能同時接收GPS（全球衛(wèi)星定位系統(tǒng)）和GLONASS（全球衛(wèi)星導航系統(tǒng)）兩個系統(tǒng)的衛(wèi)星星歷數(shù)據(jù)，通道分配可根據(jù)需要進行設定。雙衛(wèi)星系統(tǒng)接收機由于同時接收兩套導航系統(tǒng)的衛(wèi)星信號，可使觀測時間更短、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GPS衛(wèi)星系統(tǒng)的完全依賴。使用這種接收機，平面定位精度小于10 m。設置接收機的數(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，從數(shù)碼攝像機接收未壓縮的數(shù)字視頻信號，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)量達到在寄存器里的預置值時，則向DSP發(fā)出中斷請求信號，從它與主處理器的接口輸出壓縮數(shù)據(jù)比特流，壓縮后的圖像信號經(jīng)GPRS模塊傳給ITS中心，中心將圖像信號解壓縮、反量化后恢復在屏幕上。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CCIR601數(shù)字視頻進行高質(zhì)量的實時壓縮/解壓縮，壓縮比從無損壓縮的4∶1到7 500∶1，如果以正常壓縮比60∶1來算，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來設置完成，車內(nèi)攝像，圖像變化不是很頻繁，啟用ADV612的硬件減幀功能可進一步提高圖像序列壓縮比。


3．智能移動終端的軟件設計


　　由于移動智能終端功能強大，所以其軟件系統(tǒng)相對復雜。終端主要有以下幾種狀態(tài)：


　　(1)自定位狀態(tài)：接收GPS定位信息并將相應的信息顯示；


　　(2)撥號、通話狀態(tài)：有撥號操作時，控制GSM/GPRS模塊執(zhí)行相應的操作，同時有相應的顯示，此時自定位狀態(tài)仍然有效；


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


　　(4)報警狀態(tài)：進入跟蹤監(jiān)控狀態(tài)，中心啟動圖像監(jiān)控，開啟終端的數(shù)碼攝像機，將車內(nèi)圖像信息傳給中心;


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







　　由上可見，終端狀態(tài)間的切換由中心的命令或駕駛員對其的操作進行控制。程序使用Hitool IDE集成開發(fā)環(huán)境，JEDI實時在線仿真器，在uClinux嵌入式操作系統(tǒng)上完成程序開發(fā)。程序設計時采用模塊化設計，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、報警處理模塊、鍵盤輸入模塊等。其中GPRS收數(shù)據(jù)模塊、GPS數(shù)據(jù)處理模塊和報警處理模塊為中斷處理程序。


　　DSP要完成的主要任務為：計算ADV612進行量化所需的量化因子，進而控制ADV612進行自適應量化；計算小波圖像分解最小亮度塊的像素平方和，判斷當前場景的變化情況，指導ADV612進行硬件減幀顯示。圖像傳輸時數(shù)據(jù)量比較大，而GPRS傳輸采用UDP協(xié)議（用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議），它限定每次發(fā)送的數(shù)據(jù)包最大不能超過8 192字節(jié)，而一幀壓縮的圖像數(shù)據(jù)往往超過這一限定。為解決這一問題，開辟一緩存區(qū)，足夠裝下一幀壓縮數(shù)據(jù)，每兩千字節(jié)分為一個數(shù)據(jù)包，每個數(shù)據(jù)包前面加上順序號、時間等信息，分組發(fā)送，在接收方再順序恢復。


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



四、結(jié)束語


　　本文提出的基于GPRS的智能移動終端不僅能很好地實現(xiàn)定位、跟蹤、報警、與中心的數(shù)據(jù)通信和語音通信等功能，ITS控制中心還可根據(jù)當時路況對其進行交通誘導，必要時還能實現(xiàn)圖像監(jiān)控。該設計代表了智能移動終端今后的發(fā)展方向。��




參考文獻
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［1］鐘章隊，蔣文怡，李紅軍，等.GPRS通用分組無線業(yè)務［M］. 北京：人民郵電出版社，2001��


［2］Texas Instruments Incorporated.TMS320VC5470 Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual［Z／OL］. http://focus.ti.com，2002-12��


［3］ANALOG DEVICES INCORPORATED�盋losed circuit TV digital video code ADV611/ADV612 ［Z／OL］. http://www.analog.com，2002-06.




摘自　電訊技術