（信号与信息处理专业论文）嵌入式车载信息处理平台关键技术的研究与开发.pdf

中文摘要 智能 交通系统作为一个新兴产业，正 呈现蓬勃发展的 趋势。 车载系统是智能交通系统中车 辆部分的应用，是 智能 交通系统的 一个关键子系统。计算机技术 和通信 技术的 迅速发展， 特别是移 动 通 俏 技 术 的 飞 速 发 展 ， 促 进 了 移 动 计算 技 术 在 各 个 领 域 的 广 泛 应用。 车载子系统也得益于移 动计 算技术的 进步而得到了日 新月 异的发展。 本 课 题 立足 午 车 辆 系 统 的 应 用， 向 时 兼 顾 其 它 应用 的 需 求， 采用高性能嵌入 式c p u , 设计了 一个满足跟踪、 数据采集、 调度 和监控等需求的高性能的 嵌入式信息处理平台。本处理平台以 i n te l s a 1 1 i 。 作 为 中 央 处 理 器: 嵌 入 式l in u x 作 为 软 件平 台 : g p s 作为主定位手段;g p r s作为主 要通信方式。同时 ，集成了丰富 的外围接口 ，如 u s b 、串口、 g p i o等。 g p r s无线通信技术、 定位技术和u s b总 线技术是本系统的关键技术， 也是系统开发的 难点所在。 本课 题实现了以下 技术和功能上的创新: 1 ) 嵌入式处理器平台上实现了l i n u x 的 移植， 是国内 较早采 用l i n u x 的车载系统 2 ) 采用了2 . 5 0无线通信技术， 率先在车 载台中 实现了g p r s 的t s 2 7 . 0 1 0 协议 3 ) 在嵌入式车载平台上 实现了u s b总线协 议 4 )实现了 车载 平台软 件的 远程下载和更新 本人在整个车载系统开发过程中 参与了 系统整体方案的设 计， 主要承担了 通信子系统、 定位子系统、图象采集子系统、车 载手柄电 话模块、 状态采集模块等的软 件设计 和开发。 【 关键词】 智能交通系统 嵌入式系统 g p s g p r s u s b 北京交通大学硕士学位论文 ab s t r a c t a s a b o o m i n g i n d u s t ry , i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a t i o n s y s t e m ( i t s ) h a s t a k e n o n a n e x p a n d i n g t r e n d . v e h i c l e s y s t e m, w h i c h i s t h e a p p l i c a t i o n o n v e h i c l e o f i t s , i s a k e y s u b s y s te m o f i t s . t h a n k s t o t h e r a p i d p r o g r e s s o f c o m p u t e r a n d c o m m u n i c a t i o n s c i e n c e , e s p e c i a l l y t h e d r a m a t i c p ro g r e s s o f t h e m o b i l e c o m m u n i c a t i o n , t h e t e c h n o l o g y o f m o b i l e c o m p u t i n g h a s b e e n u s e d w i d e l y . a s a k e y s u b - s y s t e m o f i t s y v e h i c l e s y s t e m h a s a l s o b e n e f i t fr o m t h e p r o g r e s s o f m o b i l e c o m p u t i n g . b a s e d o n t h e r e q u i r e m e n t o f v e h i c l e s y s t e m , a n i n f o r ma t i o n p ro c e s s i n g p l a t f o r m i s d e s i g n e d i n t h i s re s e a r c h p r o j e c t . t o f u l fi l l t h e t r a c k i n g , s c h e d u l i n g , m o n i t o r i n g a n d c o m p u t i n g r e q u i r e m e n t , t h i s p l a t f o r m u s e s a p o w e r f u l e m b e d d e d c p u -s a 1 1 1 0 a s t h e m a i n p r o c e s s o r , e m b e d d e d l i n u x a s t h e s o ft w a r e p l a t f o r m , g p s a s t h e p r i m a r y p o s i t i o n i n g m e t h o d , a n d g p r s a s t h e c o m m u n i c a t i o n m e a n s . m e a n w h i l e , m a n y i n t e r f a c e s , s u c h a s u s b , s e r i a l , g p i o h a v e a l s o b e e n i n t e g r a t e d i n t o t h i s p l a t f o r m . a b u n d a n t d e v i c e d r i v e r s a n d a p p l i c a t i o n h a v e b e e n d e v e l o p e d t o t a k e fu l l u s e o f t h e a b o v e - me n t i o n e d i n t e r f a c e s . t h e p l a t f o r m c a n h a v e b i - d i r e c t i o n a l c o mm u n i c a t i o n w i t h mo n i t o r c e n t e r a n d c a n a l s o d o w n l o a d u p d a t e d s o ft w a r e fr o m t h e d e v e l o p e r w i t h o u t h a v i n g t o b e r e t u r n e d t o t h e m a n u f a c t u r e r . i n c o n c l u s i o n , a n e w k in d o f e m b e d d e d p l a t f o r m w i t h p o w e r fu l c o m p u t i n g c a p a b i l i t y , a b u n d a n t i n t e r f a c e s , l o w c o s t h as b e e n d e s i g n e d a n d r e a l i z e d i n t h i s t h e s i s . o n t h i s p l a t f o r m , s e v e r a l i n n o v a t i o n s h a v e b e e n m a d e . t h e y a r e as t h e f o l l o w i n g : i) p o r tin g t h e e m b e d d e d l in u x t o a n e m b e d d e d p ro c e s s o r. i i ) r e a l i z i n g t h e g p r s t s 2 7 . 0 1 0 p r o t o c o l i n e m b e d d e d li n u x i i i ) r e a l i z i n g u s b b u s o n e m b e d d e d v e h i c l e s y s t e m . i v ) r e a l i z i n g s o ft w a r e d o w n l o a d i n g a n d u p d a t e r e m o t e l y . k e y w o r d s i t s e m b e d d e d - s y s t e m g p r s g p s u s b 5 8 6 3 3 1 独创性说明 本人声明所呈交的 论文是我个人在导师指导下进行的 研究工作及取 得的 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 过的 研究成果， 也不包含为获得北方 交通 大学或其他教育机构的学 位或 证书 而使用过的材料。 与我一同工作的同 志 对本研究所做的任何贡献均已 在论文中 作了 明确的说明并表示了 谢意。 签名: 日期:浴， 雷7 0 (1-. 飞 。 ; 北京交通大学硕士学位论文 第一章 概述 1 . 1 .智能交通系统的发展 智能 交通系统 ( i n t e l l i g e n t t r a n s p o rt a t i o n s y s t e m , i t s ) 是以信 息通信技术将人、车、路三者紧密协调而建立起的大范围内、全 方 位发 挥作用的 实时、 准确、 高效的 综合交通运输管理系统。 智 能 交通系 统将先进的 信息技术、 数据通讯传输技术、电子传感技 术、电 子控制技术及计算机处理技术等有效的集成运用于整个地 面交通管理系统。 i t s 将有效地利用现有交通设施、 减少交通负荷和环境污染、 保证交通安全、提高运输效率、促进社会经济发展、提高人民生 活质量，并以推动社会信息化及形成新产业受到各国的重视。目 前已 形成世界二十一世纪的 发展方向 。 i t s的目 标和功能 包括如下几方面: 提高交通运输的安全水 平; 减少 交通堵塞， 保持 交通畅 通; 提高 运输网 络通行能力; 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 依靠建设更多的基础设施、 消耗大量资源来实现以上目 标和功能， 而是在现有或较完善的基础设施上，将先进的 通信技术、信息技 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 其目标和功能。 1 . i .1 .发展智能交通系统的必要性 随着世界城市化的进展和汽车的普及，不论是在发展中国家 还是在发达国家，交通拥挤加剧、交通事故频繁、交通环境恶化 等问题变得日 趋严重。 在过去的 1 0 年当中， 美国的道路堵塞程度 增加了3 0 % ， 而且在未来1 0 年内 估计还 要增加5 0 %. 据统计， 美国 北京交通大学硕士学位论文 每年仅因 交通信号延误就使驾 驶者耽 误了2 0 0 0 万小时的时间， 相 当 于 1 亿美元的经济损失。同时由 于交通堵塞而并发引起的总 体 资 源浪费、 排放物对环境的污染等问题更是难于计算。在日 本， 每天有七千万辆 汽车行驶在路上，每年有约一百万 人在交通事故 中 死亡或者受伤，因交通事故或者交通堵塞 造成的 经济损失每年 高 达十二兆亿日 元。在欧洲， 虽然各国政府也在积极投入智能交 通系统的研究和应用，但是由于各国需求不一致，投资分散，所 以在整个欧洲建立统一的交通信息服务系统困难重重。 就我国 的情况来看，首先，中国 是一 个经济持续发 展的发 展 中国 家，改革开放以 来，城市化与汽车化发展十分迅猛。改 革开 放前， 城市化水平不足 1 9 0% a ， 目 前己 经发展到超过3 0 %， 预测2 0 1 0 年 将接近5 0 % ; 机动车拥有量目 前已 达6 0 0 0 万辆， 并以 每年1 0 % 以上的速 度增长， 预计2 0 1 0 年达到1 .3 亿多辆。 其次， 中国 城市 交通的特点是混合交通，目 前自 行车拥有量超过 1 8亿 辆，如 果 公 共交通服务水平不提高， 城市交通结 构不改 善，自 行车拥有量 将会有增无减。再有，改革开放以 来，中 国道路交通设施及管理 设施虽然有较大改观， 但跟不上机动车增长速度。 总体水平与发 达国家有较大差距， 特别是 大多 数城市路网 结构 不合理， 道路功 能不完善， 道路系统不健全。 交通管理设施缺乏， 管 理水平不高. 即使各地都建立了 交通控制中 心， 大多只 是实 现了监 视功能， 而 远没有发挥控制功能的效应。 最后，中国 城市的 大气质量恶化， 己逐步由 无烟煤污染转变为 机动车 尾气污 染。其主 要原因是交通 拥堵、 车速下降以 及车况差、 车辆 技术性能 低等，致使在世界 十 大空气污染最严重的 城市中，我国就占 了其中的七个。 同时， 车 辆状况差也直接影响 到城市交通，并已成为制约我国 城市交通的 重要因素。以 车况较好的北 京市为例，平均日 故障次数达5 0 0 次 以上， 给城市交通带 来巨 大压力。 总之， 无论从国 外还是国内 的情况来看， 现有的 交通运 输系 统都面临着考验。一 般来说，解决交通拥挤的 直接办法是建设更 多的道路交通设施，提高路网的通行能力，但无论是哪个国家的 北京交通大学硕十学位论文 大城市，可供修建道路的 空间 有限， 而且建设资金筹措也是一个 要面临的困难。同时，由于交通系统是一个相当复杂的大系统， 因而单独从车辆方面考虑或单独从道路方面考虑， 都很难从根本 上解决问题。此外，能源和环境问题的严重性也日益为人们所认 识。 在这种背景下， 从系 统的 观点出 发， 把车辆和道路综合起来 考虑，着眼于充分利用现有的道路交通设施，在不大量兴建新的 道路设施的前提下着重提高运行效率，以节约大量的建设资金和 时间，从而运用各种高新技术系统解决交通问题的思想就应运而 生 。 1 . 1 . 2 .国外i t s的发展ii i 智能交通系统是近几年来才在国际上统一的名称。 过去3 0 年 中欧洲、日本和美国的叫法都不一样，同时都有自己的一个特定 发展 过程。 在欧洲最早叫r t i ( r o a d t r a n s p o rt i n f o m a t i c s ) ， 即道路 交通通信技术。 8 0 年代中期，由欧洲联盟及各国政府联合主持制 定 了一个 欧洲 车辆安全 道路 结构计划 ( d e d i c a t e d r o a d i n fr a s t r u c t u r e f o r v e h i c l e s a f e t y i n e u r o p e ) ，简称d r i v e ，同时民 间还联合搞了 一个p r o m e t h e u s ( p r o g r a m f o r a e u r o p e a n t r a f f i c w it h h i g h e s t e ff ic ie n c y a n d u n p r e c e d e n t e d s a fe ty ) ， 即 欧 洲高 效 安 全交通系统计划。 到 1 9 9 1 年， 在完成 这两个计 划的基础上， 为了 推 进 智 能 交 通 系 统 的发 展 ， 在 欧 洲 成 立 了 一 个 叫 e r t i c o ( e u ro p e a n r o a d t r a n s p o rt t e l e m a t i c s i m p l e m e n t a t i o n c o o r d in a tio n o r g a n i z a tio n ) ， 即 欧 洲 道 路 交 通 通 信 技 术 应 用 促 进 组 织， 这是欧 洲联盟与道路交通通信技术企业界之间用于推动 i t s 在欧洲的发展的一个联盟组织。 i t s 在日 本的发展始于7 0 年代。 从1 9 7 3 年到1 9 7 8 年月本成 功地开展了一个叫动态路径诱导系统的实验。 在这个实验中 ， 车上 的驾驶员可以根据装在车上的显示器上所显示的道路交通堵塞状 况及诱导方向， 选择自己到达目的地的最佳路线。 从 8 0 年代中期 北京交通大学硕士学位论文 到9 0 年代中期的1 0 年间，日 本相继完成了 道路与车辆之间通信 系统、交通信息通信系统、宽区域旅行信息系统、超智能车辆系 统、安全车辆系统以 及新交通管理系统等方面的研究。在此基础 上， 1 9 9 4年 1 月， 由日 本警察厅、 通产省、运输省、邮电省和建设 省等五个部门联合成立了日本道路交通车辆智能化促进协会 ( v e r t i s : v e h i c l e r o a d a n d t r a ff i c i n t e l l i g e n t s o c i e ty ) ，用以 推动 i t s 在日 本的 发展。 应该说， 美国 交通系统的智能 化研究是 最早的 ， 始于 2 0世纪 6 0 年代末， 那时叫 做电 子路径导向 系统( e r g s : e l e c t r o n i c r o u t e g u i d a n c e s y s t e m ) 。中间 暂停了十多年，到8 0 年代中期后以 加州 交通部门 研究的驾 驶员寻路系统获得了成功为契机，在美国全国 开展了 被称为 智能 化车 辆道 路系 统(i n te lli g e n t v e h ic le -h ig h w a y s y s te m ,简 称i v h s ) 的 研 究。 1 9 9 1 年 ，成 立了 美 国 智 能 交 通 系 统 协 会( i n t e l l i g e n t t r a n s p o r t a ti o n s o c i e ty o f a m e r i c a ) ， 这是一个非盈 利 性的社团组织，主要宗旨是帮助并加速智能交通系统在政府和民 间企业的发展，协会成员来 自 民间企业、学术单位、环保团体及 各级政府相关单位， 参与面十分广泛， 从而有力地促进了 美国 智 能交 通系统研究的发展。 1 9 9 1 年， 美国总 统签署了 综合提高 陆上交 通效率法案( 即i s t e a ， 又称 “ 冰茶法案” ) ， 把开发研究智能化车 辆一道路系统作为国策并给予充足的财政支持。1 9 9 4年将美国 i v h s 改为美国i t s ， 以 表明这 方面的 研究开发不仅限于车 辆和道 路，而可以推广到一切交通工具和交通中所组成的智能化系统。 当 然， 就目 前来讲，主 要还是以道路交通为对象。 1 . 1 . 3 .我国i t s 的发展12 1 i t s是一项巨大的系统工程， 它与社会、 经济以及人民生活的 各个部分是密切相关的，所以我国i t s的发展必须充分考虑我国 国 情。我国现仍然处在基础设施建设期，与 发达国 家不一 样。因 此我们在安排智能运输系统的开发和应用时需要对社会需求水 北京交通大学硕士学位论文 平、经济发展趋势、甚至文化背景、地理环境特点、人口分布情 况等各种因素都要有充分的了解和分析。 我国的学者是在 2 0世纪 9 0 年代初开始关注国际上 i t s的发 展，早在 2 0 世纪 7 0 年代末我国在交通运输和管理中应用电子信 息技术的工作就己经开始，当时称为交通工程。 我国政府十分重视和支持智能交通技术的发展和应用。为加 快用高新技术改造传统产业，原国家科委从 1 9 % 年开始组织了 i t s领域的一系列国际交流和合作， 支持在国内开展研究和开发。 为了便于协调， 2 0 0 0 年国家科技部组织交通部、 铁道部、 公安部、 建设部、国家技术监督局等有关部门，组建了我国i t s 政府协调 组织机构， 总体规划包括道路、 铁路、 水运、 民 航在内的 我国i t s 发展战略、标准制定和人才培训，组织 i t s 关键技术的攻关和示 范工程。 科技部在 1 9 9 9 年确定在国家 “ 九五” 科技攻关项 目中增加智 能运输系统体系框架的 研究 这一内容。该 项目由 依托在交 通部公 路科学研究所的国家智能交通系统工程技术研究中心牵头，来自 院校、研究院所、企业和各部门的 1 0 0多位专家参加了这个项目 的 研究。 该研究成果从整体上 勾画了智能 运输系 统的构成，将指 导我国今后 i t s的发展。 标准化是全国范围内兼容性的保证， 是实施i t s 项 目的基础。 标准化有利于建立局部和全国范围内可靠和稳定的系统。开放式 的标准鼓励为提供更好的i t s 服务功能而竟 争，从 而使用户最终 获益。 标准化开辟出 更大的规范化产品市 场，使生 产者易于规模 经营， 从而降低成本和经营风险。 1 9 9 9 年 1 0月， 在科技部和国 家质量技术监督局的统一安排下，国家智能交通系统工程技术研 究中心和i s o / t c 2 0 4 中国秘书处承担了“ 中国智能运输系统标准 体系的研究” 。 研究的主要内容有: 结合与智能运输系统有关的交 通工程技术、通信技术、信息技术，多方面了解国内对 i t s标准 体系方面的需求，明确潜在的需要制定标准的领域;按照标准化 管理规则的有关规定，制定出智能运输系统标准框架和体系表; 北京交通人学硕士学位论文 开展一些急需标准的 制定工 作。 目 前该研究的主要内 容己 经完成， 提出的标准体系按不同 层次 覆盖了 信息定义和编码、专用短程通 信、 数字地图 及定 位、电子收费、 交通管理与紧急事件管理、 综 合运输与运输管理、 信息服务、自 动公 路与车辆辅助驾驶系统等 领域，有 3 0 0多项标准。 除了交通部确定在交通部公路科学研究所建 设 “ 国 家智能交 通系统工程技术研究中心” 外，为支持铁路智能 运输系统的 开发 和应用，科技部批准在铁道部科学研究院组建国家铁路智能运输 系 统工 程技术研究中心。 为支持国家中心的建设， 交通部 批准建 设智能运输系统研究中心试验室， 该试验室依托交通部公路交 通 综合试验场， 面向2 1 世纪的交通运输， 建设先进的通信和信息系 统，将道路上的各种数据、图 像信息融合在统一的数字系统中， 使管理水平提到新的 高度。 根据未来智能运输系统中信息交换的 要求，该试验室还建立了 短程通信试验设施， 它将为不停车收费 系统、车辆信息服务系统、 快速客货运系统以 及车辆的定位与跟 踪等方面的 开发、 应用、设 备检测和系 统集成提供服务( 3 l 1 .2 .智能交通系统 ( i t s )的组成 智能交通系统在美国、 欧洲和日本的定义不尽相同。 根据 美国 智能交 通协会1 9 9 4 年出 版的 智能交通系统结构发展计划)， i t s 涉及7 个服务领域的2 9 个用户服务功能 ( 见下表) ， 下 表基 本体现了智能交通系统的构成。 (4 ) 北京交通走学硬士学位论文 开展一些急需标准的制定工作。目前该研究的主要内容已经完成， 提逛麴标准髂系接不同层次覆藏了售患定义寝编码、专鲻短程通 信、数字地图及定位、电子收费、交通管理与紧急事件鬻理、综 合逡输与运输管理、信息服务、自动公路与车辆辅助驾驶系统等 领域，有3 0 0 多项标准。 除了交逶帮确定在交逶部公路科学磷究掰建设“鹜家餐链交 通系统工程技术研究中心”外，为支持铁路智能运输系统的开发 和成用，科技部批准在铁道部科学研究院组建国家铁路智能运输 系绫工程技术醭究中心。为支持国家中心懿建设，交逶秘爨乏准建 设鬻能运输系统研究中心试验室，该试验室依托交通部公路交通 综合试验场，面向2 1 世纪的交通运输，建设先进的通信和信息系 统，将道路上的麓种数据、图像信患融合崧统一的数字系统中， 霞管理永乎搀弱精懿高度。穰爨未亲密髓遮输系统串信爨交换翦 要求，该试验室还建立了短程i 飘信试验设施，它将为不停车收费 系统、车辆信息服务系统、快速客货运系统以及车辆的定位与跟 踪等方覆懿瑟发、瘟震、设餐梭溅移系统集黢提供服务1 3 l 。 1 2 智能交通系统( i t s ) 的组成 餐i 交遴系统在美鼙、敬溪囊妥零豹定义不嚣稳闲。裰据 美圜智能交通协会1 9 9 4 年出版的智能交通系统结构发熙计划， i t s 涉及7 个服务领域的2 9 个用户服务功能( 见下表) ，下表基 本锩瑗了智能交遴系统的构成。 4 1 北京交通大学硕士学位论文 袁i 智能空通系辘基车构或 美国智能交通系统的组成如图1 所示。1 5 j 用简单的框图可以表示成图2 。 从表1 和图l 智能交通系统组成可以看出智能交通系统是一 个复杂的，涵盖范围广的，多学科交叉的大系统。各国对智能交 通系统的定义不尽相同，但也基本上包含了上述各个系统。总结 起来可以将i t s 系统结构划分为5 大子系统和6 大通信系统。5 大子系统为：中央子系统、外场子系统、车载子系统、远程访问 子系统和联外子系统。 中央子系统的实质是交通管理信息中心，包括交通管理系统、 旅行者信息系统、公共交通系统、商用车运行系统、应急管理系 统、收费管理系统等，负责处理路侧设备、车载设备传回的信息， 并进行回应，各处理单元对外分工负责，对内相互交流信息，达 9 北京交通大学硕士学位论文 到资源共享。 图1 - 1 智能交通系统组成 图i 2 智能交通系统组成框图 1 0 北京交通大学硕学位论文 外场设备子系统即为接收中 央子 系统监控的 路侧单 元， 包括 交通信息站、信号控制器、 车辆监测器、闭 路电 视摄像机、 可变 信息标牌、智能电 子公交站牌、 信号柱等。 车载子系统包括单独的一个车载单元或者车载单元加i c卡电 子标签。 车载单元包括以 下的 模块: r f通信接口、中央处 理器 ( c p u) 、供电单元、显示单元、i c卡接口、位置信息处理单元 以及其它传感器等。 车载设 备实 质是车 载计算机， 它是驾驶员与 中央子系统的联系的界面。驾 驶员利用车载计算机， 可通过无线 通信技术获得所需信息。 联外子系统主要由停车管理单位、公交车管 理单位、紧急救 援等信息服务提供者组成。 远程访问子系统使得人们可以利用个人计算机、电话、手机 或p d a等通过无线或有线通信方式 访问i t s中 的信息系统， 获得 交通信息。 在i t s 系统结构下， 有三种类型的 通信方式: 广域通信系统、 局 域通信系统以 及车一 车通信系统。 可以 分为六大通信系统， 即: 中央 子系统与外场子系统间的 局域有线通信网 络、中 央子系统与 联外 子系统间的广域有线通信、 外场子系统与车载子系统间 的特 定短 距离无 线通信系统、 车载子系统中 的车一 车通信系统、 联外 子系统与车载子系统间的 广域信息通信系统、 远程访问 子系统和 联 外子 系 统 间 的 通 信 系 统。 161 1 . 3 .移动计算技术的发展 从前一节智能交通系统的组成结构可以看出，智能车辆系统 是整 个智能 交通大系统的 一个关键组成部分。 没有车辆系统的智 能 化，车 辆信息不能被有效、 快速地收集， 就很难实现一个功能 完备、反应及时的智能交通系统。 智能 车辆系统是电 子技术、 计 算机技术等各种技术的综合体， 它包括了自 动导 航系 统、 车距自 动保持系统、周边车辆危险报警系统、自 动鸳驶拮术、驾聆 n状 北京交通大学硕士学位论文 态监测系统、 声控技术等系统和技术。 其中车载监控、导航系统 是车辆子系统的两个关键组成部分。 车载终端作为移 动计算设备 的一 种，它的发展仰赖了 移动计算技术的 进步。 移动计算在狭义上可以认为是使用便携终端在流动中 进行信 息处 理。 移动 计算的环 境包括随 遇性 ( u b iq u ito u s ) 、流动 性 ( n o m a d i c )和佩带性 ( w e a r a b l e ) 等三方面的内容。 这三种特性 互相联系，互相渗透。 所谓随遇性是指无处不在的，无时 不在的， 它的 理想状态是 技术 退到人 们生活的幕后， 但却是时时 刻刻在人们没 有意识 到的 情况下为人们服务。 不像p d a , h p c等 设备， 对人们来说， 这种 技术是不可见的， 所以也可以 称之为“ 安静技术” 。 从 过去的 一台 计算 机服务成百上千人， 到一台 计算机服务一 个人，再到 成百 上 千台计 算机为一个 人服务。这就是所谓随 遇计 算将要带给人们的 影响。 【 刀 所谓流动性是指许多 便携设备处于物理位置的不断变化过程 中，并 且仍然能够随时随地的访问信息基础设 施，能 够访问 处于 不同 位置的各 种共享资源8 i 所谓佩带性是指计算设 备的可移动性，一个可佩戴的 计算设 备是指处于 用户私 人空间的，受 佩带者 控制的，随时 可操作的， 随时可交互的 设备。它通 常由一 个可背 负的计 算机， 一个可头戴 的 显示器，无线 通信设备，输入设备等 组成。 导航助手， 汽车电 子等都是一 种可佩戴设备。(9 由 上述的移动计算的特点可以看出 ，通信技术 ( 特别 是移动 通信技术) ， 计算机 技术 ( 特别 是嵌入式计 算技术)是 移动计算 的关键组成因素。 利用无线通信方式取得高 度移动自 由度的人机信息处理才是 理想的 移动计算环 境。移动计算涉及到了许多 领域的 技术， 包括 网络系统、操作系统、位置信息服务、特设网络服务 ( a d - h o c n e t w o r k ) 等， 这也 是目 前 技术 研究的热 点领域。 对于便携终端来 说，从硬件上来看需要解决的技术课题是:超小型轻量化技术、 北京交通大学硕士学位论文 高能低功耗技术、提高操作性能和画面尺寸及显示等技术。便携 终端今 后会向卡片式结构、 超低功耗和高可靠通信环境迅速发展。 移动计算的应用领域会更加拓宽， 可视电话、 电 视会议、 v o d点 播、个人导航等不断出现。需要进一步解决从传感器到周围环境 的 信息 服务，移动设备构成特设网络相互作用环境的服务也是等 待 解决 的 课 题 【10 。 近些年来， 移动计算技术得到了飞速的发展， 从 硬件上来 看， 移动计算机的处理能力和存储容量等性能指标也同样以 每 1 8个 月 翻一 番的摩尔定律 速度提高。 在通信方面， 除了g s m, c d m a , g p r s等大规模发展的公用无线通信系统之外，无线局域网、短 距离 无线通信技术等也迅速发展起来，如8 0 2 . 1 1 , b l u e t o o t h 等。 软件平台方面， 各种嵌入式 操作系统发展迅 速， 稳定性， 可靠性， 用户界 面的友 好性，开发的 方便性都大大的提高了 p 代 1 . 4 . 车载监柳导航设备的发展 作为移动计算的一 种具体 应用，车载电 子设 备也经历了由 简 单到复杂，由低级到高级，由功能单一到功能齐全的发展过程。 车辆导航和车辆跟踪定位 是车载系统的两种不同 应用。车辆 导航系 统也称为车辆导 航/ 路线引导系统， 它的一般结构如下图所 图1 - 3 车辆导航/ 引导系统的一般结构 北京交通大学硕士学位论文 从图 1 - 3可以看 到，车 辆导航系统一 般需要向 车辆驾驶员提 供当前位置，周围环境信息和方向等信息。所以要求车载设备能 够具备数字地图 和显 示设备，并且 提供的 定位精度要高。路线引 导系统还要能够根据目的地情况产生旅行时间最短意义上的 “ 最 佳的”航迹，因此系统内还要存储有关道路速度限制，单双向限 制，施工情况等信息。如果与交通控制中心实现联网，还要能够 反应当前道路交通流量信息等。 在车辆跟踪/ 调度应用中，关于车辆位置的信息保持在车队监 控管理中心中， 驾驶员一般不会得到实时的导航信息， 或者说这 种系统的兴趣不在于向驾驶员提供定位信息。典型的系统结构如 下图所示， 图1 - 4车辆跟踪i 调度系统的 一般结构 比较导航和跟踪系统就可以 发现， 对于跟踪系统来说， 车载 计算机需要完成的工作要少的多， 它不需要进行地图 匹配或者路 线引导，地图匹配可以 放在调度中 心完成。 但是对于车辆跟踪系 统来说，通信系统显得尤为重要。 调度中 心可以 通过通信系统 对 每辆车进行车辆运行监控，车辆状况监控和数据流管理。遇到紧 急情况时，向中 央调度单元的 通信是由 车辆支 配的， 可以由 驾驶 员手动或者自动方式进行。 早期的导航系统主要是利用惯性导航设备如陀螺、罗盘等实 现定位车辆方向、 进行航位推算等功能。由 于该系统使 用局限性 很大， 一直没有得到很好的推广。现代车辆导航系统得到普及和 北京交通大学硕士学位论文 推广是伴随着g p s 系统的发展和民 用化而出现的。 由 于车辆环境的特殊性，只 有采用了嵌入式技术的车载终端 才能做到高可靠性， 微小型化， 也才能够被广泛的 接受和应用。 因此，实际上， 车载终端的发 展是与 嵌入式技术的 发展历程密不 可分的。 嵌 入 式 系 统 幽， 特 别 是 嵌 入 式处 理器 的 发 展已 经 很 多 年 了， 但是g p s 的大 规模民 用只是 近些年的 事。 早期的嵌入式系统以 单 芯片为核心，一般没有操作系统的支持， 只能完成简单的控制管 理等 功能。早期简单的车 载监 控终端也只是使用 8 位/ 1 6位单片 机作为主处 理器， 用 g p s接收 机获取位置信息， 采用 集群通 信/ 无线电台 作为通信手 段。功能 简单， 处理能力 有限， 仅能获 取简 单的 位置信息， 并且由于早期的g p s 受技术和美国s a政策的影 响而精度太低。目 前还存在着这种终端， 但是一般用于专用系 统 的调 度、监控等， 并且受集群通信系统覆盖范围的限制， 应用范 围有限; 而且受集群通信/ 电台 通信系统容量限制， 能够监控的 车 辆数量也很有限。 随着通信技术的发 展，新的通信手段得到了 应用。许多车载 终端采用了g s m短消息作为通信方式。 由于g s m 网 络的覆盖范 围广， 车载终端的使 用不再受地域的限制。但是， 这些车载终端 一般仍然采用单片机作为主控单元，车载终端的处理能力并没有 得到很大的提高， 仅仅是 将位置 数据封装成 g s m 短消息格式。 因此， 这种终端仍然存在功能 单一的 致命缺陷， 并且， 由 于g s m 短消息 通信不能 做到实时 通信， 使得这种终 端位置数据的采集实 时性很差。 嵌入式系统的发展也使得围 绕嵌入式处理器进行的嵌入式操 作系统 平台上的开发逐渐成为嵌入式系统的核心。 在这一时 期， g p s 的应用开始大范围的 展开， g p s 接收机精度上大大提高， 体 积上大大缩小。 因此也出 现了 一些使 用高级嵌入式c p l的智能终 端。 这种终 端一般使用3 2 位处理器和嵌入式操作系统作为硬件和 软件平台，具 有很强 的处理能力;使用较大的r a m和非易 失内 北京交通火学顿上学位论文 存，从而具备很大的存储空间，使得电子地图的应用成为可能; 采用一定的显示设备， 使得这种终端能够具备很有好的人机接口。 这类终端除了具备定位功能外， 还具备信息查询，车 辆导航，车 辆信息采集等功能。 当前嵌入式系统的发展是以各种设备的互联互通为 目 标，新 一代的通信技术为实现这个目标奠定了基础。新兴的车载导航/ 监控终端也普遍开始采用新一代的无线通信方式。目 前， 许多开 发者正在研究基于2 . 5 g无线通信系统的车 载设备， 并己 经出 现了 许多产品。本课题所开发的车载终端即采用了 g p r s作为通信手 段。g p r s具有通信速率高， 实时性好，费 用低廉等诸多优势， 所以 这种车载终端的 数据通信能力大大增强， 除了能 够传输基本 的位置信息外，还能够访问i n t e rne t ，获取即时信息。 1 .5j . 论文所做工作及论文结构组成 本课题旨在开发一种新一 代的车载信息处理平台， 主要目 标 是提供用户一个监控/ 调度用终端以 及为下一级开发商提供开 发 平台。 但主要 还是着眼于定位 和监控的应用，因为从目 前的 市场 来看，车辆跟踪/ 控制领域仍然占 据一个重要的市场份额，见表 2 p a l a 表2 是g p s 市场的一个趋 势分析。 从表中 可以 看出， 车辆导 航、 跟踪与控制是g p s 应用的两个主要应用领域。 但是就车辆应 用来说，比较成熟和热点的领域是: 1 )紧急救援报警( 含防盗 报警与 特种车 辆) 市场将进一步扩大 2 )车辆调度管理型应用产品市场会有爆发性的增长 3 )自 主导航系统有可能急剧发展 基于上述的市场分析和预测， 本研究课题开发的终端将具备 定位、报警、调度等功能，主 要用于 特种车 辆和车 辆跟踪调度领 域 。 本 课 题 将 着 眼 于 s t ro n g a r m处 理 器 平 台 上 软 硬 件 平台 的 开 发，集中进行了车载信息平台中通信子系统、位置信息采集子系 北京交通大学硕士学位论文 统、u s b子系统以及手柄电话和车辆状态信息等模块的软件开 -，一n-n-n-一n-一-，.一 一又一八u-八u一nu一u，一一n、一u-一匀=t朴一 一n-一/一no-八u-(d一刁.二.-口.一-j孟月0 -八艺月咔一勺口-八j一汽0勺7.一勺一一月.一确.一 阿阿阿丽阿阿阿 阿阿阿丽阿巨阿 阿画闷画阿巨阿 闷闷闷丽阿阿阿 闷闷阿阿阿巨区 阿阿阿阿阿阿画 阿阿阿阿阿阿区 口爵爵阿黯险陋 航空1 . 2 5 1 .6 0 巨 丝 3. 00 3. 8 05. 0 06.007. 1 0 航海 1. 2 0 1 . 30 1 . 401 . 5 51 . 651 . 8 0 1.95; 2. 1 0 军用 0. 8 0 ; 0. 90 1 . 001 . 1 0 1 . 30 1 . 4 5 1 .6 0 1 . 8 5 总计 18 . 89 ; l l 28 . 5 0 # 43. 5 56 0 .6 5 一一公8 1 . 7 5 1 3 4 .4 5 1 表 1 一g p s 全球市场 现状及 其发展趋势( 单位:$ 亿美元) 发。本课题立足于车辆应用，同时兼顾其它应用场合的需求。课 题的创新性在于以下几点: 1 )嵌入式处理器平台上 实现了l i n u x 的移植， 是国内 较早采 用l i n u x 的车载系统 l i n u x 系统作为 一种可靠稳定， 特别是在价格方面具有极 大 优势的操作系统受到了 广泛的 关注， 但是对于一个资源有限 的嵌入式系统来说，l i n u x又显得过于庞大，将 l i n u x 进行适 当的剪裁并移植到一种新的处理器上是一件比较困难的事。 本 课题采用了低功耗、 高性能的嵌入式微处理器， 并完成了嵌入 式 l i n u x的移植，真正实现了一个嵌入式的移动平台。 2 ) 采用了 2 . 5 g 无线通信技术，率先在车载台中实现了 g p r s的t s 2 7 . 0 1 0 协议 现有计算机技术逐渐成熟和无线通信网络发展的条件下， 北 京 交 通 大 学 硕 士学 位 论 文 采用了新型的无线数据通信方式一g p r s作为车载信息平台 的主要通信方式。 使得车载平台 在全国范围内的监控和调用应 用成为可能。同时，大量、实时数据的传输也因此能够实现。 但是， 主控板与 g p r s通信模块一般是通过串口进行通信， 如 何能够单一串口上实现语音、 数据、 短消息等多种业务的复用， 这是本课题中面临的一个主要难点。本课题率先在嵌入式 l i n u x 上实现了串口 连接的 复用功能。 3 ) 在嵌入式车载平台上实现了u s b总 线协 议 u s b是一 种高速串行通信协议，能够大大丰富车载平台 的接口应用。 除了可以采集简单的位置信息以外， 还能够采集 车辆的 周围 环境信息和车内 环境信息等， 并且能够通过g p r s 网络准实时的将图像数据发送到监控中心。 同时， 由于移动存 储技术的迅速发展和成熟，车载信息平台的数据也可以通过 u s b快速总线存取到移动存储介质上， 大大扩充了 平台的 数 据容量。 但是， u s b总线通信速率高， 对处理器的处理能力 和操作系统性能等要求也相应较高。 本课题实现了嵌入式平台 上的u s b协议， 并实现了 多个u s b 摄像头的 数据采集。 4 ) 实现了车载平台软件的 远程下载 和更新 由 于采用了g p r s / l p / t c p通 信方式， 使得平台能 与普通 终端一样访问i n t e m e t ，因此可以 通过无 线和有线网 络随时更 新应用软件。 用户不必将终端送回生产厂家就可以随时随地的 下载最新 版本的软件， 享受无线通信带 来的便 利， 减少了 运营 和维护的开销、 这种方式不需要用户千 预， 由 设备开发者发送 软件更新指令，在用户不知不觉中，实现了软件的更新。 本人在本课题中 主要完成工作如 下: 1 )参与平台整体方案的设计， 特别是对软件方案的设 计提出 了较为关键性的建议 2 )完成了通信子系统软件的设计和开发 3 )完成了定位子系统软件的设计和开发，对减小定位误差的 北京交通大学硕士学位论文 方法进行了研究 4 )参与了u s b子系统软件的开发 5 )完成了手柄通话软件模块，车辆状态信息采集模块和系统 监控模块等软件的设计和开发 本论文的组织结构如下: 第一章为综述部分，讨论了本课题的意义，在智能交通大系 统中所处的地位。 简要介绍了智能交通系统的必要性和发展历程， 智能交通的系统架构，以及作为智能交通系统一个关键组成部分 的车载终端的发展历程。 第