（机械电子工程专业论文）基于gprssms的车载监控中心的设计与实现.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 智能交通系统是当前国际道路交通和运输科技发展的前沿。作为智能交通系统重要 组成部分的车载监控系统成为研究热点。 本文详细分析了当前车载监控系统常用通信方式( 短消息s m s 通信) 的优缺点， 及通用分组无线业务g p r s 的新特性，提出了基于g p r s s m s 通信的车载监控系统。 分析了g p r s 网络实现原理，短消息服务中心的s m p p 接口协议和中国移动的互联网短 消息网关的c m p p 接口协议，设计并实现了车载监控中心的通信服务器。 短消息具有覆盖范围广的优点，g p r s 具有传输速率高的优点，因此将s m s 和 g p r s 二者结合实现的车载监控系统在目前条件下是最佳的选择，具有当前最大的覆盖 范围和最高的用户容量。在g p r s 网络覆盖的地区，车载可利用g p r s 网络传输包括 g p s 定位数据在内的监控数据，在无g p r s 网络的地区，可利用s m s 来传输。 大量g p r s 车载通过t c p i p 作为客户端请求连接到通信服务器，因此通信服务器 会同时为大量i o 请求提供服务。为了在w i n d o w s 平台下完成高性能的t c p f l p 通信的 网络应用程序，需要使用w i n s o c k 提供的“套接字i o 模型”，其中完成端口模型可管 理大量的套接字，获得最佳的系统性能。因此本文借助于完成端口模型来管理g p r s 车 载套接字，获得最大的吞吐速度，实现了高性能的通信服务。 g i s 在车载监控系统中占据着非常重要的位置，它可实时显示车载位置，提供图形 化界面的功能。m a p x 是m a p i n f o 公司提供的g i s 二次开发组件，它除完成g i s 功能 外，还具有系统结构简洁、图形功能强大、系统规模较小的特点。最后本文在m a p x 组 件基础上完成监控终端软件的系统总体结构，并详细描述了各基本功能模块的设计与实 现。 关键词：车载监控系统；通信服务器；m a p x ；通用分组无线业务g p r s ；短消息s m s 董王塑塑翌! 箜主堂篓：垒堕望生量塞里 d e s i g n a n d i m p l e m e n t a t i o n o fv e h i c l em o n i t o r i n gc e n t r eb a s e d o i lg p r s s m s a b s t r a c t i n t e l l i g e n tt r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ( i t s l i st h e 丘o to f t h ep r e s e n ti n t e r n a t i o n a lr o a dt r a 伍c a n d d e v e l o p m e n t i ns c i e n c ea n dt e c h n o l o g yf o rt r a n s p o r t a t i o n a sa r ti m p o r t a n tc o m p o n e n to f i t s ，v e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e m b c ：( x ) m e st h ef o c u so f s t u d y i n g t h i sp a p e ra n a l y s e st h ea d v a n t a g ea n d d i s a d v a n t a g eo f t h ec o m m o n l y u s e dc o m r n u n i c a f i o n s c h e m ei n d e t a i l ，i n t r o d u c e st h en e wc h a r a c t e r i s t i c o fg p r sn e t w o r ka n dp r o p o s e st h e c o m m u n i c a t i o ns c h e m eb a s e do hg p k s s m s 。t h er e a l i z a f i o np r i n c i p l eo fg p k sn e t w o r ki s a n a l y s e d i na d d i t i o n ，s m p pi n t e r f a c ep r o t o c o lo fs m s ca n dc h i n am o b i l ec m p p i n t e r f a c e p r o t o c o l o fi s m ga r ea l s or e s e a r c h e d , a n dt h e nt h i s p a p e rd e s i g n s a n dr e a l i z e st h e c o m m u n i c a t i o ns e r v e ro f t h ev e h i c l e m o n i t o r i n g c e n t r e s m sh a s a d v a n t a g eo f w i d e l y c o v e r e da n dg p r sh a sa d v a n t a g eo f h i g at r a n s m i s s i o nr a t e s oc o m b i n i n gg p r sw i t hs m st or e a l i z ev e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e mi st h eb e s tc h o i c ea t p m s e n t ，w h i c h h a st h el a r g ec o v e r a g ea n d h i 曲u s e rc a p a c i t y i nt h ea r e aw h e r eg p r s n e t w o r k c o v e r s ，v e h i c l ec a nu s eg p r sn e t w o r kt ou - a n s m i td a t a w i t h o u tg p r sn e t w o r k , v e h i c l ec a l l u s es m st ol r a n s m i td a t a a l a r g en u m b e ro fv e h i c l e sa r ec o n n e c t e dt oc o n r n u r l i c a t i o ns e r v e rt h r o u g ht c p f l p ，s o c o m m u n i c a t i o ns e r v e rm u s t p r o v i d es e r v i c ef o ral a r g ea m o u n t o f i or e q u e s ta tt h es a m et i m e i no r d e rt or e a l i z et h eh i g h - p e r f o r m a n c en e t w o r ka p p l i c a t i o np r o g r a m ，w i n s o c ki om o d e l ” s h o u l db eu s e d i nw h i c h 彤oc o m p l e t i o n p o r tm o d e l ”c a l lm a n a g el o t so f w i n s o c k sa n do b t a i n t h eb e s ts y s t e mf u n c t i o n w i t h t oc o m p l e t i o n p o r tm o d e l ，v e h i c l ew i n s o c kc a nb e m a n a g e d ， t h eh i g h e s tt r a n s m i s s i o nr a t ec a nb e o b t a i n e d ，a n dt h eh i g h - p e r f o r m a n c ec o m m u n i c a t i o ns e r v i c e c a nb er e a l i z e d i nt h ev e h i c l em o n i t o r i n gs y s t e m g i so c c u p i e sv e r yi m p o r t a n tp o s i t i o n i tc a ns h o w v e h i c l ep o s i t i o ni nr e a lt i m ea n d p r o v i d eg r a p h i cu s e ri n t e r f a c e m a p xi sag i sc o m p o n e t t h a t m a p i n f oc o m p a n yp r o v i d e s b e s i d e sf i n i s h i n gg i sf u n c t i o n ，i ta l s oh a sc h a r a c t e r i s t i co f s u c c i n c ts y s t e ms t r u c t u r e , s t r o n gg r a p h i cf u n c t i o na n ds m a l ls y s t e m s c a l e f i n a l l y , o i lt h eb a s i s o f m a p x ，t h i sp a p e rd e s i g n st h es y s t e ma r c h i t e c t u r eo f t h es o f t w a r ea n dd e s c r i b e st h er e a l i z a t i o n o fa l lf u n c t i o nm o d u l e si nd e t a i l k e y w o r d s ：v e h i c l e m o n i t o r i n gs y s t e m ；c o m m u n i c a t i o ns e r v e r ：m a p x ；g p r s s m s i i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究 工作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 大连理工大学或其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作 的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢 意。 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 智能交通系统 近十几年来，世界各国交通拥堵、交通事故和环境污染越来越影响着社会经济发展 和生活。虽然道路运输增长的需求可以靠提供更多的道路设施来满足，但是在资源、环 境矛盾越来越突出的今天，道路设施的增长将受到限制，这就需要依靠提供除设施之外 的技术方法来满足这一需求。智能交通系统( i t s ) 就是解决这一矛盾的途径之一，而 且其重要性正被越来越多的人所认可。 智能交通系统是目前交通运输领域研究的前沿课题，是二十一世纪交通的重要发展 方向，是交通运输的一场革命。它是在当代科学技术充分发展进步的背景下产生的，是 综合利用系统工程、电子技术、通信技术、信息技术等多门学科，通过实现交通基础设 施智能化、交通工具智能化、交通系统智能化为手段，以期建立一种高效的交通综合体 【1 】。i t s 通过对有关交通信息的实时采集、处理和传输，借助各种科技手段和设备，对 各种交通情况进行协调和处理，建立起一种实时、准确、高效的综合运输管理系统，从 而使交通设施得以充分利用，有效提高交通效率和安全，最终使交通运输服务和管理智 能化，进而促进经济发展、改善环境质量 2 。 i t s 的目标和功能包括以下几个方面：减少交通堵塞，保持交通通畅；提高运输网 络通行能力；提高交通运输的安全水平：降低交通运输对环境的污染程度并节约能源； 提高交通运输的生产效率和经济效益。与传统提高交通运输水平手段相比，i t s 不是单 纯的依靠建设更多的基础设施、消耗大量资源来实现上述目标和功能，而是在现有基础 设施基础上，将先进信息技术、通信技术、控制技术有机地结合，综合运用于整个交通 运输系统，实现其功能和目标 3 】。 1 2 国内外研究现状 美国、西欧和日本等发达国家为了解决共同所面临的交通问题，竞相投入大量资金 和人力，开始大规模地进行道路交通运输智能化的研究试验。 日本是最早开始进行i t s 研究的国家，早在1 9 7 3 年就进行了名为汽车交通综合控 制系统c a c s c ( c o m p r e h e n s i v ea u t o m o b i l et r a f f i cc o n t r o ls y s t e m ) 的项目研究，并得到了 可以减少1 3 行程的结论。二十世纪8 0 年代后期，日本运输省、建设省等上百个汽车 和电子业公司会同大学和研究所进行了近1 4 个项目的联合开发研究。日本研究i t s 的 目标在未来3 0 年内大幅度的减少道路交通的肇事次数，减少由于道路阻塞而引起的汽 基于g p r s s m s 的车载监控中心的设计与实现 车燃油等资源浪费及对环境造成的污染。日本的i t s 推动委员会由政府的5 个部门于 1 9 9 3 年成立，该组织于1 9 9 5 年制定了日本推动i t s 发展的原则和方针，并于1 9 9 6 年 完成了日本综合发展规划，作为日本发展i t s 的蓝图。日本的智能型车载道路及交通协 会如c l e ，r o a da n d t r a f f i ci n t e l l i g e n ts o c i e t y ，简称v e r t i s ) 于1 9 9 4 年由部分企业和学 术团体组成。v e r t i s 在日本推动i t s 发展的各组织中发挥了极其重要的作用，其主要 工作是推动i t s 的开发和研究，与各企业及学术机构间联合和协调一些技术上的问题， 以及支持i t s 的相关标准化活动等。 欧洲的i t s 研究开发是由官方与民间并行进行的，由于欧洲的国家大部分很小，因 此欧洲的i t s 主要是从洲际的角度进行的。在2 0 世纪8 0 年代中期，欧洲十多个国家就 投资5 0 亿美元，联合执行一项旨在完善道路设施提高服务水平的d r i v e 计划。该计划 主要研究内容有：需求管理、交通和旅行信息系统、城市综合交通管理、城市间综合交 通管理、辅助驾驶等，该计划到1 9 9 4 年已完成。从研究结果看，其研究领域和系统功 能与美、日大致相同。之后进行t e l e m a t i c 的全面应用开发工作，欧洲计划在全欧洲范 围内建立专门的交通( 以道路交通为主) 无线数据通信网，i t s 的主要功能如交通管 理、导航和电子收费等都围绕t e l e m a t i c 和全欧无线数据通信网来实现。由于欧盟国家 有着不同的文化背景和法律，因此作为i t s 的发展，有许多日、美不曾遇到的问题。例 如，各国的法律制度和技术标准不同，为了实施统一的i t s ，标准化就成为欧洲的首要 任务。标准化可以保障大范围的兼容性，有助于拓展i t s 相关产品的供应渠道，创造更 大的市场空间。 美国自动化的交通管理水平以前是落后于欧洲与日本的，由于美国土地资源相对比 较丰富，因此相当一段时间内是靠修路来解决交通拥挤问题，欧洲入甚至批评美国入还 在向日本人学习交通控制，但是美国在i t s 的开发研究上大有后来居上之势。面对已经 相当庞大的公路网，要想再占用大量土地，投入大量资金大规模进行道路建设已经不可 能。因此，1 9 9 1 年美国国会通过了“综合地面运输效率方案”( i s t e a ) ，旨在利用高 新技术和合理的交通分配提高整个网络的效率。根据计算机仿真的结果，有可能提高整 个路网的通行能力约2 0 至3 0 。i s t e a 的主要内容就是实施智能交通系统，并确定 由美国运输部门负责全国的i t s 发展工作，并在以后的6 年中由政府拨款6 6 亿美元， 用来进行i t s 研究工作。可以说美国的i t s 研究工作是采用了自上而下的方式，这与日 本由民间起步，政府协调，拨款资助的方式是不同的，因此美国在组织i t s 研究时，首 先是从i t s 的体系结构着手，通过体系结构的研究，引出各予系统服务功能。为了加强 i t s 研究，美【雪联邦政府公路局在全美建立了3 个i t s 研究中心，中心的经费幽联邦政 2 一 大连理工大学硕士学位论文 府和地方共同提供。为了调动企业和私人投资公路建设的积极性，美国大力展开了电子 收费系统和不停车收费系统的实验研究，目前美国已有1 2 个运输管理机构在进行这方 面的工作 4 “】。 与发达国家相比，目前我国经济和交通运输发展水平尚有较大差距。我国现在不但 存在着交通设施短缺的问题，而且现有交通设施的技术水平和自动化程度都较低，不足 以适应越来越高的路网通行能力的要求。国内对i t s 的研究现处于初级阶段，在i t s 的 各系统中，我国只在高速公路上使用了通信系统、监控系统和收费系统。智能交通系统 的开发和应用是改造中国传统交通运输产业的一个重要手段，同时它还为中国高新技术 产业创造一个巨大的潜在市场，发展前景十分诱人。我们在加强交通运输基础设施建设 的同时，必须考虑今后进一步提高运输效率和安全性、减少资源浪费、减轻对生态环境 破坏的具体方案措施，无疑发展i t s 将是明智的选择。我国i t s 研究刚刚起步，基本上 处于对国外研究成果的介绍、学习阶段。我国关于i t s 的基础研究很薄弱，随着科学技 术的进步和社会的发展、国家政策倾斜和一定的市场需求，我国开发研究i t s 己具备了 技术基础。2 0 世纪9 0 年代以来，有关部门正组织中国i t s 发展战略研究、全球定位系 统在公路信息系统中的应用研究与开发、公路货运站及运输网络系统关键技术研究等项 目，陆续开始的科研项目超过1 0 0 个 7 9 】。 1 3 车载监控系统 1 3 1 概述 车载监控系统是r r s 系统的重要组成部分。准确地知道车载当前所在的位置是保障 其它功能得以实现的基础。如果车载监控系统不能提供i t s 所要求的精确、可靠的位置 信息，不仅会使得i t s 的大部分功能不能实现，而且也会使降低运行成本、减少旅行时 间、降低环境污染、合理运用运输资源的优越性大大丧失。因此，研制高精度、高可靠 性的车载监控系统是使i t s 充分发挥各项功能的前提 1 0 。 车载监控系统把定位技术、地理信息技术( g i s ) 和现代通信技术综合在一起的高科 技系统。其主要功能是将车载的位置( 经度、纬度) 、时间、状态等信息，实时地通过 无线通信链路传送至监控中心，而后在具有强大地理功能的电子地图上进行车载运动轨 迹的显示，并提供对车载的位鼍、速度、运动方向、车载状态等用户感兴趣的参数进行 查询的功能，为进一步的调度管理提供可视化依据。 3 基于g p r s s m s 的车载监控中心的设计与实现 1 3 2 车载定位技术 现代车载监控系统的雏形起始于二十世纪六、七十年代。早期的车载导航系统使用 的是车载里程表，环形检测器等。7 0 年代，航位推算系统、车载电子地图和地图匹配 技术得到了一定程度的发展。航位推算的基本原理是利用车载行驶的方向和距离传感器 来推算车载的瞬时位置。这些系统中的航位推算模块一般都由里程表、速率陀螺仪以及 微处理器组成，陀螺仪在短时间内定位精度较高，但它的误差随时间累计，因此长时间 的定位精度低。借助罗盘和地图匹配算法可适当改善长时间的定位精度 1 1 。 到8 0 年代末期，随着g p sf g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ) 卫星定位技术的成熟，车载监 控系统得到了飞速的发展。全球定位系统是美国于1 9 7 3 年底开始研制的供陆海空三军 共同使用的一种高精度卫星导航定位系统 1 2 1 。它是利用卫星对她面静止或运动的物体 进行定位、授时和测速。g p s 系统由空间星座、用户接收机和地面监控系统三部分组 成。空间星座由分布在六个轨道平面的至少2 4 颗卫星组成。g p s 卫星向地球连续不断 的发送g p s 信号，用导航电文报告自己的位置。卫星轨道面与地球赤道面之间的倾角 为5 5 。，相邻轨道交点赤径相差6 0 。，每个轨道分布4 颗卫星。卫星高度约2 0 2 0 0 千 米，运行周期为1 l 小时5 8 分钟，每个卫星上有四个高精度的原子钟。这种空间分布使 得在地球上的任一点都可以看见至少4 颗卫星。地面监控系统由一个主控站、三个注入 站和五个监测站组成。监测站收集卫星导航信息和当地气象资料并送往主控站。主控站 根据监控站的数据和卫星的轨道模型编制卫星星历，计算各卫星钟的钟差和校正参数， 然后通过注入站上载到卫星。主控站还提供g p s 时间基准。接收机接收卫星发射的信 号和导航电文，用星历资料计算出卫星位置，利用码测量或者相位测量测出接收机到卫 星的距离，最后解算导航方程得到接收机的经纬度 1 3 1 5 】。 由于s a 政策的取消，g p s 水平定位精度可达到2 0 m 左右。为改善定位精度，导 致了差分g p s 技术的发展。差分g p s 技术可以有效的消除卫星钟误差、星历误差、电 离层误差、对流层误差和传播延迟误差。目前，差分g p s 水平定位精度可达到3 5 m 左 右 1 g - - 1 7 1 。g p s 定位主要特点如下 1 8 ：1 ) 全球地面连续覆盖：由于g p s 卫星数目较多 且分布合理，所以地球上任何地点均可连续同步地观测到至少4 颗卫星，从而保障了全 球、全天候连续实时导航与定位的需要；2 ) 功能多、精度高：g p s 可为各类用户连续地 提供动态目标的三维位置、三维速度和时间信息；3 ) 实时定位速度快：利用g p s 技术一一 次定位和测速工作在一秒至数秒内便可以完成，现在最快的g p s 接收机一次定位时问 为半秒；4 ) 抗干扰性能好、保密性强：g p s 卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保 密性。 d 奎蔓墼奎堂堡主堂堡塑 一一一 虽然传统的g p s 定位方式能够迅速、准确、全天候地为车载提供导航、定位信 息，但是g p s 天线受地形及建筑物( 如城市高楼区、林荫道、立交桥、隧道) 的遮挡、 外界强信号源的干扰都会引起g p s 定位信息的中断，使定位精度大大降低。要想获得 高精度连续的定位信息，g p s 还需要配合使用其它手段。航位推算长时间的定位精度虽 然不高，但可以在g p s 接收机短时间无法工作时提供较精确的位置数据信息。将g p s 与由陀螺仪、电子磁罗盘、里程表组成的航位推算系统结合起来，既可以很好地解决移 动车载短时间内丢失g p s 卫星定位信号的问题，又可在g p s 长时间丢失信息的情况下 借助电子磁罗盘的误差不随时间积累的特性，来对陀螺的角度输出进行校j e 1 9 2 2 。 1 3 3 数据通信技术 数据通信技术和车载定位技术同是r r s 中的关键技术。数据通信技术有两个主要分 支，即无线数据通信和高速有线通信。在车载监控系统中有线通信可将采集的道路交通 信息传送到车载监控中心，而无线数据通信可将移动车载的定位信息传送到监控中心同 时将经监控中心处理后的交通信息发送到移动车载。 在车载监控系统中的无线通信方面，通信主要方式有：数传电台、集群通信及 g s m 短消息 2 2 ，其中以g s m 短消息应用最为广泛。g s m 是欧洲电信标准委员会 e t s l0 i u r o p e a nt e l e c o m m u n i c a t i o n ss t a n d a r d si n s t i t u t e ) 提出的泛欧数字蜂窝移动通信标 准，它的市场目标是公众移动通信。g s m 基于t d m a 技术，频率在9 0 0 m t - i z 左右，载 频间隔为2 0 0 k h z 。由于采用蜂窝技术，可以支持非常大的用户容量 2 4 】。 g s m 提供端到端的双向话音和数据业务。它的数据业务基于电路交换，数据率最 高为9 6 k b p s 。这种数据业务是面向连接的，不适合连续实时监控( 费用较高) ，只适合于 紧急情况下的数据传输。但是g s m 还有一种短消息业务( s h o r tm e s s a g es e r v i c es m s ) ， 这种业务能够提供点到点模式和广播模式的短数据服务。s m s 可以和话音同时传输， 并且不需要建立连接，这一点使它非常适合于传送车载监控数据。短消息的使用费用也 比较低廉 2 5 。 用s m s 实现车载监控系统最大的优点是它的覆盖范围。目前我国g s m 网络已经 覆盖全国，各地短消息系统也互通，这从理论上提供了全国范围的覆盖。而且目前 g s m 终端价格较低，有利于降低系统成本，同时它的蜂窝技术提供了大的用户容量。 s m s 的弱点主要有 2 6 】：1 、传送时间不确定，因为短消息采用信道命令时隙来传 送，没有专门的数据通道，所以在命令时隙出现繁忙时候就容易出现数据传送延迟或丢 失的情况；2 、信道容量有限，一条短消息最多能传送1 4 0 个有效字节，不能全面及时 地反映车载的实时信息；3 、可扩展性差，以s m s 为主要通信链路，受链路带宽的影 5 基于g p r s s m s 的车载监控中心的设计与实现 响，无法进一步扩展将来的其它数据传输业务：这些弱点阻碍了车载监控系统的全面推 广。 o p r s ( g e n e r a l p a c k e tr a d i os e r v i c e 通用分组无线业务) 是在现有g s m 网络上发展出 来的一种新的分组交换数据应用业务。g p r s 是全球移动通信网络技术向第三代移动通 n ( 3 g ) 演进的主流技术和重要里程碑，被称为2 5 代移动通信。与传统的g s m 电路拨 号交换相比，g p r s 在资源利用效率、交换容量和性能上都有一个质的飞跃。g p r s 抛 弃了传统的独占电路交换模式，采用分组交换技术，每个用户可同时占用多个无线信 道，同一无线信道又可以由多个用户共享，有效地利用了信道资源。目前中国移动的 g p r s 覆盖范围在中心城市几乎达到了1 0 0 ，在边远地区也达到了8 0 以上，特别适 合像金融交易、远程监测等行业各种中、低速率的突发通信需求，可以取代过去传统的 有线m o d e m 、x 2 5 、数传电台、短消息等通信方式 2 7 - 3 0 1 。 g p r s 数据传输的优点有：l 、利用g p r s 数据业务，可以实现资源共享，频率资 源利用率高；2 、计费合理，g p r s 网络按照用户收发数据包的数据流量来收费，而不 是采用s m s 的按短消息条数的方式收费，极大地降低了通信使用费用；3 、永远在线， 客户随时都与网络保持联系，即使没有数据传送时，客户仍然在网上与网络之间还保持 一种连接；4 、快速登录，连接时间很快，g p r s 终端一开机，就已经与g p r s 网络建 立了连接每次登录网络，只需要一个激活过程，一般仅需1 到3 秒；5 、高速传输， 由于g p r s 网络采取了先进的分组交换技术，数据传输最高理论值可达1 7 1 2 k b p s ，实 际使用中一般能达到2 0 4 0k b p s ：6 、支持x 2 5 协议和毋协议，可与外部数据网进行 互联【3 1 。 从以上分析可以得出，短消息具有覆盖范围广的优点，g p r s 具有传输速率高的优 点，因此组合s m s 和g p r s 来实现的车载监控系统在目前条件下是最佳的选择，具有 当前最大的覆盖范围和最高的用户容量。在g p r s 网络覆盖的地区，车载可利用g p r s 网络传输包括g p s 定位数据在内的监控数据，在无g p r s 网络的地区，可利用s m s 来 传输。 1 3 3 1g p r s 无线数据通信方案 构建基于g p r s 的无线数据通信系统一般有两种方案：外网方案和内网方案。 1 、外网疗案是指基于g p r s 监控系统的监控中心与i n t e m e t 刚络连接，如图1 1 所 示。为了支持这种方案，需要租用专线d d n 或使用a d s l 来接入i n t e m e t 网络，该种 组网方案的优点是系统的性能比较稳定、可靠性高，但由于监控中心进入i n t e m e t 网络 后会引起数捌的! 安全性问题，但可以通过安装防火墙等措旌来解决。 6 大连理工大学硕士学位论文 图1 , 1 外网方式的g p r s 系统 f i g 1 1g p r ss y s t e m o fe x t r a n e ts c h e m e 2 、内网方案是十旨整个监控系统的各个组成部件都在g p r s 网络内部，并没有进入 到i n t e m e t 网络，如图1 2 所示。该方式要求在监控中心中安装g p r sm o d e m 来接收 g p r s 网络的数据，由于该方案不进入到i n t e m e t 网络，所以安全陛比外网方式要高。 但是由于监控中心用来接收g p r s 网络数据的为g p r sm o d e m ，所以在数据量大的情况 下就会成为通信的瓶颈，影响到系统容量。 图1 2 内网方式的g p r s 系统 f i g 1 2g p r ss y s t e mo f i n t r a n e ts c h e m e 通过对上述两种组网方式的分析，外网方式适合于大规模车载监控系统，而内网方 式适合于小规模的车载监控系统。考虑到本系统的车载容量大的特点，选择外网方式进 行组网。 7 基于g p r s s m s 的车载监控中心的设计与实现 1 3 3 2s m s 无线数据通信方案 根据系统入网车载的规模，s m s 无线数据通信系统的具体构成可有以下两种方案 1 、小型s m s 方案 图1 3 小型s m s 方案 1 3s m a l l - s c a l es m s s c h e m e 该方案适合于入网车载数不多，实时性要求不是很高的用户。该方案的特点是建网 投资少，使用灵活。监控中心只需安装g s mm o d e m 即可。 2 、大规模d d n 方案 图1 4 大规模d d n 方案 f i g 1 4l a r g e - s c a l ed d n s c h e m e 该方案适合于车载数量较多、实时性要求较高的大规模车载监控中心，如城市的运 钞车、公安1 1 0 报警车、1 2 0 急救车、私家车和出租车等的监控。该方案需要租用专线 d d n 来连接到短消息中心，陔系统建设时需要向g s m 网络运营商申请。 8 一一一查塑塑主墼堡兰 - _ _ _ 一 1 3 4 车载监控系统总体框架 车载监控系统是由车载终端设备、通信链路及监控中心组成。其总体框图如图1 5 所示： 图1 5 车载监控系统的总体框架 n g 1 5o v e r a l l f r a m eo f v e h i c l e m o n i t o r i n gs y s t e m 车载终端设备主要功能是获取车载的位置、速度和各种运行参数，将这些信息通过 通信链路发送到监控中心：并提供辅助导航及紧急报警措施。它包括定位模块、通信模 块、车载传感器、车载控制设备和导航设备等。 获取车载的位置信息是车载监控系统中最基本的要求，因此定位模块是车载终端中 最基本的单元。通信模块完成与监控中心的通信，它与定位模块共同组成了车载终端的 最小单元。车载传感器可以获得车载的运行状态，通过汽车的控制总线收集这些信息， 并在需要的时候利用通信模块发给监控中心。车载控制设备可以实现更先进的监控功 能，如在车载被盗时可以利用它实现发动机熄火并锁车。导航设备实现车载的辅助导航 9 基于g p r s s m s 的车载监控中心的设计与实现 功能，将定位数据和导航数据融合在一起，并结合电子地图的数据在显示终端上显示， 就构成了简单的导航设备。 监控中心主要功能是接收并处理车载终端设备上传的数据，由人工或自动采取相应 的措施，实现车载调度、安全保障和信息发布等业务。对于规模较小的监控系统，它可 以被安置在一个中心机房内。而对于规模较大和涉及部门较多的监控中心，必须设置多 个分中心，才能满足不同的需求和减轻总中心的负担。监控中心包括通信服务器，数据 库服务器，数据发布服务器，监控终端等部分。通信服务器提供与通信链路的接口，将 监控中心的其余部分和具体的通信网络细节隔离开来。通信服务器直接关系到整个系统 的可用性和容量，必须提供高性能和保证高度的可靠性。数据库服务器存储注册用户资 料、注册车载资料、系统配置信息等，保存处理前和处理后的监控数据。数据库采用大 型的数据库如o r a c l e 、s q ls e r v e r 等以提供高可靠性和快速的查询能力。数据发布服务 器用于将分析得到的数据向公众提供信息发布服务。典型的数据发布服务器是 w e b 服 务器，通过将车载动态信息发布到i n t c m c t 上，可以使任何有权限的用户了解到监控信 息。监控终端主要用于人工监控操作，它把监控信息以直接明确的方式( 电子地图，声 光警告等) 提供给监控人员。 1 a 论文的主要工作 g p r s s m s 车载监控系统主要涉及到车载终端和监控中心的设计实现，通信方案的 选择，定位方案的选择等工作。本文中不涉及车载的软硬件设计，主要关注监控中心的 软件设计。本文对通信服务器的实现方法作了详细的论述，并设计与实现了监控终端的 软件。， 第一章介绍智能交通系统及国内外研究现状，车载监控系统在i t s 中的地位、使用 的定位技术和通信技术以及系统的总体框架。 第二章介绍g p r s 系统产生原因及特点，阐述g p r s 系统的网络结构、协议结构， 说明g p r s 系统所提供的业务及基于g p r s 的应用。 第三章介绍短消息通信的原理，外部短消息实体与s m s c 之间的s m p p 通信协议及 与中国移动的互联网短消息网关之间的c m p p 协议。 第四章介绍通信服务器的总体系统结构，并详细介绍了各模块的具体功能、实现方 法及流程框图。 第五章详细介绍基于m a p x 组件的监控终端软件的设计与实现，并给出了软件的主 界面图。 1 0 大连理工大学硕士学位论文 g p i 峪f g e n e r np a c k e tr a d i os e r v i c e ) 是通用分组无线业务的简称，它是第2 5 代移动 通信系统，是g s m 向3 g 过渡的一个桥梁。g p r s 是在g s m 系统基础上引入新的部件 而构成的无线数据传输系统。 2 1g p r s 产生原因 g p r s 是移动电话的迅猛发展和i n t e m e t 广泛应用的必然产物。它的产生有以下几 个原因： 1 、随着第三代移动通信标准的出台和用户对移动多媒体业务需求的急剧增长，现 有的g s m 网络将不可避免地向w c d m a ( 宽带码分多址) 演变，这种演进的过程据估计 大约需要2 3 年，主要的无线网络设备供应商最早也要到2 0 0 2 年之后才能提供商用的 w - c d m a 系统： 2 、随着i n t 锄e t 普及，因特网应用的迅速增加，在全球范围内用户对移动数据通信 的需求正星增长态势，b t 锄e t 上的数据业务( 如e - m n l 、文件传送、w e b 浏览等) 急剧猛 增，而通过采用a 糊g 明分组无线业务) 技术可以使现有g s m 网络轻易地实现与高速 数据分组网的简易接入； 3 、g s m 网目前是世界上最大的蜂窝网，它采用电路交换的方式传输数据，然而迄 今为止，g s m 依然受到9 6 k b p s 速率的限制，因此移动数据传送速率令人难以接受，并 造成费用过高。随着因特网业务的增长。高速移动数据通信市场的需求越来越大。为适 应这一情况，g s m 推出了两种高速移动数据规范：璐c s d ( 高速电路交换数据业务1 和 g p r s ( 通用无线分组业务) ，其中g p r s 应用前景被普遍看好 3 2 】。 2 2 g p r s 特点 g p r s 是g s m p h a s e2 + 引入的非常重要的内容之一，与g s m 电路交换相比，g p r s 非常重要的优点是引入了分组交换能力。利用g p r s 进行数据传输具有：“永远在 线”、“按流量计费”、“快捷登录”、“高速传输”、“自如切换”等优点。 ( 1 ) 接入范围广 g p r s 是在现有的g s m 网上升级，可充分利用全国范围的电信网络，可以方便、 快速、低成本的为用户数据终端提供远程接入网络的部署： ( 2 ) 高速传输 苎三竺幽翌! 堕圭鲨塑主尘塑塑盐量塑一 传输速率高，数据传输速度最高理论值可达1 7 1 2 k b p s ，是当前g s m 网络中e 邑路数 据交换业务速度的十几倍，下一代g p r s 业务的速度甚至可以达到3 8 4 k b p s ，完全可以 满足用户应用需求； ( 3 ) 快捷登陆 接入时间短，g p r s 接入等待时间短、可快速建立连接、平均耗时为两秒； ( 4 ) 永远在线 提供实时在线功能。“实时在线”或“永远在线”即用户随时与网络保持联系，即 使没有数据传送终端还一直与网络保持联系，这将使访问服务变得非常简单、快速； f 5 ) 按流量计费 用户只有在发送或接收数据期间才占用无线资源，计费方式是按照用户接收和发送 数据包的数量，没有数据流量传递时，用户即使挂在网上也不收费的； f 6 ) 切换自如 用户在进行数据传送时，不影响语音信号的接收，数据业务和语音业务的切换有两 种方式：自动和手动，具体形式依据不同终端而定 3 3 。 2 3 g s m 系统介绍 数字蜂窝移动通信系统( g s m ) 主要是由网络交换子系统( n s s ) 、无线基站子系统 s s ) 和移动台( m s ) 三大部分组成。其中n s s 与b s s 之间的接口为“a ”接口，b s s 与 m s 之间为“u m ”接口。g s m 规范对系统的各个接口都是开放式接口。g s m 系统框图 如图2 1 所示。a 接1 2 右边是n s s 系统，它包括移动业务交换中- b ( m s c ) 、拜访位置寄 存器( v l r ) 、归属位置寄存器、鉴权中心( a u c ) 和移动设备识别寄存器u 。a 接口与u r n 接口之间是b s s 系统，它包括基站控制器但s c ) 和基站收发信台( b t s ) 。u m 接口往左是移动台o 讧s ) 部分，其中包括移动终端o 卅和客户识别卡( s n a ) 。 - 1 2 大连理工大学硕士学位论文 图2 1 g s m 系统框图 f i g 2 1g s ms y s t e m b l o c k d i a g r a m l 、网络交换子系统 网络交换子系统( n s s ) 主要完成交换功能和客户数据与移动性管理、安全性管理所 需的数据库功能。包括： 1 ) m s c ：是g s m 系统的核心，是对位于它所覆盖区域中的移动台进行控制和完 成话路交换的功能实体，也是移动通信系统与其它公用通信网之间的接口： 2 ) v l r ：是个数据库，存储m s c 为了处理所管辖区域中m s 的来话、去话呼 叫所需检索的信息； 3 ) h l r ：是一个数据库，存储管理部门用于移动客户管理的数据； 4 ) a u c ：用于产生为确定移动客户的身份和对呼叫保密所需鉴权及加密的参数的 功能实体； 5 ) e i r ：是一个数据库，存储有关移动台设备参数。 2 、无线基站子系统 b s s 系统是在一定的无线覆盖区中由m s c 控制，与m s 进行通信的系统设备，主 要负责完成无线收发和无线资源管理等功能。包括： 1 ) b s c ：具有对一个或多个b t s 进行控制的功能，主要负责无线网络资源的管 理、小区配置数据管理、功率控制、定位和越区切换等； 2 ) b t s ：无线接口设备，主要负责无线传输，完成无线和有线的转换、无线信道 加密、跳频等功能。 3 、移动台 一1 3 基于g p r s s m s 的车载监控中心的设计与实现 移动台就是移动客户设备部分，包括： 1 ) m s ：就是“手机”，可完成语音编码、信道编码、信息加密、信息的调制和 解调、信息发射和接收； 2 ) s i m 卡：就是身份卡，存有认证客户身份所需的信息，执行一些与安全保密有 关的信息，还存储与网路和客户有关的管理数据 3 4 3 5 。 2 4g p i 峪网络结构 g p r s 网络构建在g s m 网络的基础之上，为了升级至g p r s ，g s m 网络在n s s 侧 需要新增节点s g s n 、g g s n 以及新增节点与其他硬件设备相连接的接口。在b s s 侧， 因为g p r s 与g s m 采用相同的基本调制方式和无线信道传输速率，因此不需改动现有 基站无线设备的硬件。但b s s 设备需要增加新的g b 接口，用于与s g s n 相连，由于 g b 接口采用帧中继，原有b s c 的电路交换设备无