（电子科学与技术专业论文）基于arm的智能公交车载终端的设计与开发.pdf

a bs t r a c t a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m ( a p t s )i s 孤 i m p o r t a n tp a r t o l ：。u r b a n t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m i nt h ec o n t e x to f p r i o r i t y o fp u b l i ct r a n s p o r t i nu r b a n t r a n s p o r t a t i o ns y s t e m ，t h ed e v e l o p m e n to f a p t sb e c o m e sm o r ea n dm o r ei m p o r t a n t f b rt h er e l e a s eo fc o n g e s t i o no fu r b a nt r a m c w i t ht h ec o n s t r u c t i o no fa p t si nt h e c i t y ，b u s i n e s sm a n a g e m e n to fb u sc o m p a n yc o u l db ei m p r o v e d ，t h ee m c i e n c y 锄d s e r v i c el e v e lo fb u ss e r v i c ew o u l db eb e t t e r c o n s u l tal o to fl i t e r a t u r e sa n dp r o j e c t s ，b a s e do ng p sa n dg p r st e c h n 0 1 0 9 y ，t h e t h e s i sp t o p o s e dad e s i g na n dd e v e l o p m e n tm e t h o do fi n t e l l i g e n tb u sm a n a g e m e n t t e r m i n a lb a s e do na r m t h eg l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ( g p s ) i sas a t e l l i t e b a s e dn a v i g a t i o ns y s t e mm a d e u po fan e t w o r ko f2 4s a t e u i t e sp l a c e di n t oo r b i tb yt h eu s g p sw o r l 【s i na n y w e a t h e rc o n d i t i o n s ，a n y w h e r ei nt h ew o r l d ，2 4h o u r sad a y t h e r ea r en os u b s c r i p t i o n f e e so rs e t u pc h a r g e st ou s eg p s c o m b i n e dw i t ht h eg p r sn e t w o r ko fc h i n am o b i l e ， a p t sb a s e do ng p sa n dg p r st e c h n o l o g yi sp r o v e dt h eb e s ts c h 锄ef o rt h es y s t e m i n t e l l i g e n tb u sm a n a g e m e n tt e m i n a l i sa ni n t e g r a lp a r to fa p t s ，i ti st h e i n f o r m a t i o nt e r m i n a lf o rt h ew h o l es y s t e ma n dp l a y s 锄i m p o r t a n tp a i r ti ni t i nt h i s t h e s i s ，t h ew h o l ep r o c e s so ft h ed e s i g no fi n t e n i g e n tt e r m i n a li sn o t e d b o t hh a r d w a r e a n ds o f t w a r ed e s i g ni sd i s c u s s e d ，a n dd e b u g g i n gr e s u l ti sm a d eo u t i nt h ec h a p t e ro f h a r d w a r ed e s i g n ，t h es c h e m a t i cd i a g r 锄a n ds o m eq u e s t i o n sn e e dt ob en o t i c e di nt h e d e s i g na r ed i s c u s s e d i nt h ec h 印t e ro fs o f t w a r ed e s i g n ，t h ef l o w c h a r t so fs o r w a r ea 托 p r e s e n t e d a tt h ee n do ft h et h e s i s ，t h ed e b u g g i n go fh a r d w a r e s o f t w a r ei se x p l a i n e d a n dt h et e m i n a ls a m p l ei ss h o w n w i t hs e v e r a lt i m e st e s t sa n dm o d i f i e s ，t h et e 珊i n a l sf u n c t i o ni s a l la c h i e v e d n o wt h ei n t e l l i g e n tb u sm a n a g e m e mt e r m i n a li sm n n i n gf o rt e s to nt h eb u si n c h a n g s h ac i t y ，a n da l lg o o dr e p u t a t i o n sa r er e c e i v e d k e yw o r d s ：a p t s ；i n t e l l i g e n tb u sm a n a g e m e n tt e m i n a l ；g p s ；g p r s ；a r m m 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名：诲良日期：) 为尸年，月刁日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：悉 导师签名：彩 日期：土中年f 月习日 日期：3 叶年。月；7 日 lf 硕上学位论文 1 1 引言 第1 章绪论 随着城市化进程的加快和汽车普及率的提高，城市交通拥挤日益加剧，交通 事故频频发生，交通环境逐渐恶化。这种交通问题不仅在发展中国家，即使在西 方发达国家也是十分令人困扰。众所周知，解决交通问题的最直接的办法是提高 交通网的通行能力，但无论是哪个国家、哪个城市，可供修建道路的空间都是有 限的，且建设资金的筹措也十分困难。同时，由于交通系统是一个相当复杂的大 系统，单独从车辆方面考虑或者单独从道路方面考虑，都很难从根本上解决问题。 交通问题日渐突出，能源和环境问题的也日益严重。在这种背景下，从系统的观 念出发，把车辆和道路综合起来考虑，运用各种高新技术系统来解决问题的思想 就应运而生了，这就是智能交通系统i t s ( 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 ) 。 智能交通系统是将先进的信息技术、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而建立 的一种在大范围内、全方位发挥作用的，实时j 准确、高效的综合交通运输管理 系统。它的主要思想是将传统的交通系统看成是人、车、路的统一体，运用计算 机、通信、人工智能、传感器等领域的先进成果来彻底改变目前被动式的交通局 面，使人在驾驶过程中可以随时通过g p s g i s 、广播、信息发布板等手段了解目 前的交通状况，而交通管理部门则可通过道路上的车辆传感器、视频摄像机等设 备随时了解各个路段的交通情况，并随时对各个交通路口的交通信号进行调整以 及对外界进行信息发布，使整个交通系统的通行能力达到最大【2 j 。 为了缓解经济发展带来的交通运输发面的压力，尽量的利用现有的资源，使 其发挥最大的作用，许多国家对智能交通系统的研究都投入了巨大的人力和物力 【3 1 。智能交通系统成为继航空航天、军事领域之后高新技术应用最集中的领域， 目前已形成以美国、日本、欧洲为代表的三大研究中心。 我国在智能交通领域的研究起步较晚，但随着全球范围智能交通技术研究的 兴起，进入2 0 世纪8 0 年代，我国也加快了对智能交通技术研究的步伐。目前， 我国在i t s 的理论研究、产品开发和工程应用上都取得了一定的成绩，具体表现 在城市智能交通系统、高速公路电子不停车收费系统和公共交通领域三大方面。 公共交通领域的智能交通系统具体来讲就是智能公交系统( a d v a n c e dp u b l i c t r a n s p o r ts y s t e m ) 。智能公交系统是智能交通系统在公共交通领域的一项具体应 用，是在公交网络分配、公交调度等关键理论研究的前提下，利用系统工程的理 基于删的智能公交车载终端的设计与开发 论和方法，将先进的定位导航技术、数据通信技术、计算机网络、数据处理技术、 运筹学、人工智能、自动控制技术等高新技术有效地综合运用于整个公交系统中， 加强车辆、道路、使用者之间的联系，形成一种集智能化调度、公交电子收费、 信息服务、网络通信于一体的实时、高效、准确、安全的城市公交运输系统【4 儿5 1 。 智能公交系统就其根本职能而言，主要是最大限度地实现车辆、交通信息的 采集、处理、加工和共享，并根据所获得的实时信息不断地优化公交系统的控制 策略和调整各类交通参与者的行为，实现公交系统的优化运行。 在智能公交系统中，一个非常重要的组成部分为智能公交车载终端。智能公 交车载终端是一款专为公交车辆设计的，运行在公交车辆上的嵌入式终端产品， 在智能公交系统中占据着举足轻重的作用，对监控调度、正点考核、g p s 导航电 文等信息的采集、分析、处理、储存都由智能车载终端完成，车载终端性能的好 坏直接关系着整个智能公交系统性能的优劣，一台智能公交车载终端无论是长时 间颠簸还是在更加恶劣的环境中运行，其稳定性和正常工作与否都是一个非常值 得关注的问题。 1 2 智能公交系统在国内外的发展 二十世纪8 0 年代后期，美国、日本、加拿大、英国、法国、韩国等发达国 家投入了较大的人力和物力从事智能公共交通系统，来减少交通阻塞、增加车辆 机动性和路面运输效率、增强安全性、节约能源以及保护环境。其主要途径是应 用先进的信息与通信技术进行公交车辆定位、车辆监控、计算机辅助调度及提供 各种公共交通信息以提高公交服务水平，同时，将整个公路系统的车辆流量进行 优化以增强交通容量，提高车辆的运行安全系数，改变传统的公共交通状况。除 了欧、美、日以外，中国也很早开始智能公共交通系统的全面开发和研究。下面 介绍一下世界各国在智能公交系统方面的研究现状。 1 国外的研究现状 在美国，美国城市公共交通管理局( u m t a ) 已经启动了智能公共交通系统 项目“a d v a n c e dp u b l i ct r a n s p o r ts y s t e m s ( a p t s ) 。经过现场试验，u m t a 关于 a p t s 的评价是：a p t s 可以显著提高公共交通服务水平，吸引更多成可采用公交 和合伙乘车的出行模式，从而带来了减少交通拥挤，空气污染和能源消耗等一系 列社会效益。根据美国运输部的联邦公共交通管理局( f t a ) 出版的“a p t s 发展 现状”，美国的a p t s 主要研究基于动态公共交通信息的实时调度理论和实时信息 发布理论，以及使用先进的电子、通讯技术提高公交效率和服务水平的实施技术。 具体包括车队管理、出行者信息、电子收费和交通需求管理等几方面的研究。其 中车队管理主要研究通信系统、地理信息系统、自动车辆定位系统、自动乘客计 硕士学位论文 数、公交运营软件和交通信号优先。出行者信息主要研究出行前、在途信息服务 系统和多种出行方式接驳信息服务系统。目前，美国一些开发公交车队管理系统 的公司，已经采用自动确定车辆位置的全球定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ， 简称g p s ) 和计算机辅助发车系统等，进行实时管理公共汽车的运营，并开发了 一些先进的系统，如p a t h f i n d e r 系统。 在日本，城市公共交通智能化的发展经历了3 个阶段：7 0 年代末开始应用公 共汽车定位系统公共汽车接近显示系统；8 0 年代初开始应用公共交通运行管 理系统，其中包括乘客自动统计、运行监视和运行控制；进入9 0 年代，由于机动 车数量的增长和严重交通拥挤的影响，要保持正常的行车速度是十分困难的，由 此引起的公共交通的不便性和不可靠性导致乘客数量的急剧减少。东京都交通局 开发了城市公共交通综合运输控制系统( c t c s ) ，旨在改进公共汽车服务，重新 赢得乘客。在c t c s 中，公共交通运营管理系统是一个基本的框架，其目的是通 过掌握运行情况以及乘客数据实现精确平稳的公共交通运营服务。它将运营中的 公共汽车和控制室之间建立信息交换，并利用诱导和双向通讯的方法，将服务信 息提供给公共汽车运营员和驾驶人员，同时这些信息也通过进站汽车指示系统和 公交与铁路接驳信息系统提供给乘客。公共交通综合管理系统包括累计运营数据、 乘客计数、监视和控制公共汽车运营和乘客服务等功能，其中乘客服务功能中包 括进站汽车指示、信息查询和公共交通与铁路接驳信息提示。公共交通综合管理 系统的硬件包括公交主控中心、区域中心以及路边、车库和车载设备等。 欧洲许多国家通过实施公交优先通行信号，布设智能公交监控与调度系统等 措施，提高公交车辆运行速度和公交服务质量以吸引公众乘坐公交车出行，从而 有效地缓解了城市交通压力，解决了城市交通问题，并取得了明显的社会经济效 益。 2 国内的研究现状 与欧美、日本等国家相比，我国的公共交通事业相对落后。有数据显示，2 0 0 6 年，我国私人汽车的保有量达到2 2 9 5 万辆，但全国按城市平均的公交分担率不足 1 0 ，而城市公交分担率在欧洲、日本和南美的大城市高达4 0 6 0 。欧美诸国 经济发展水平高，却更多地由公交承担人的运输，反映了节俭、快速与环保的运 输组织结构；而我国的经济发展水平低，公共交通的分担率却偏低，对人的载运 却更多地由每车承载人次少、每人次载运耗油高的机动车来承担，反映了我国城 市交通及管理还停留在粗放型发展状态，公交智能化水平还比较低的状况。 近几年，随着科学技术的进步和政府对公交投入力度的加大，我国智能公共 交通系统也已初现端倪。例如上海的公交安装了自动检票系统，可实现乘客的自 动计数，统计客流变化情况。还有一些城市正在着手实施公交“一卡通”，实现公 基于a r m 的智能公交车载终端的设计与开发 交电子收费。杭州、上海、北京、大连等几座大城市已在部分公交线路上建成了 公交车辆跟踪调度系统，并安装了电子站牌，车载g p s 定位设备，实现了对车辆 的实时跟踪和定位、公交车与调度室的双向通讯、以及电子站牌上实时显示下班 车位置信息等功能。由于上述功能，使得调度过程有据可依，并实现了计算机辅 助管理，节约了劳动力，减轻了劳动负担，同时，提高了车辆运行正点率和服务 水平，吸引了大量客流。但是由于缺乏对许多基础理论的深入研究，这些系统虽 然使得中国迈入了公交智能化时代，却一般都没有将动态交通状态信息与车辆定 位信息有效融合，而且某些系统的开发和研制又缺乏交通领域专家的直接参与， 致使目前的智能公交系统还存在一定的缺陷【6 1 。 1 3 智能公交系统中的智能车载终端 前面已经提到，智能公交车载终端是一款专为公交系统设计的，运行在公交 车辆上的嵌入式终端产品。 公交车载终端一次次的改进和升级，经历了从手动到自动，从简单的到站语 音播报到广告、音乐等多种功能的添加，从单一的语音播放功能到报警、调度、一 考核等多项功能的融合，随着嵌入式技术的发展，终端的体积也从原来的庞大臃 肿变得越来越小巧，界面也变得越来越美观，操作也更加的人性化。车载终端发 展至今，性能和服务质量都有了极大的提高，功能也日益完善。 目前，智能公交车载终端主要功能有以下几点： ( 1 ) 卫星定位功能 终端接收卫星发射的报文信息，进行处理后得出精确的位置、速度、运行方 向等信息，通过通信网络以无线数据通信的形式传递，然后在电子地图上显示出 来。 ( 2 ) 车辆调度管理功能 通过对车载终端位置信息的分析，车辆调度中心可以准确的得知车辆当前的 运行位置，若车辆运行前方路段发生交通拥堵或无法通过的情况，调度中心便可 提前通知车辆改线运行，避免更多的车辆涌向堵塞的路段。另外，调度中心可根 据终端位置信息判断车辆是否到达调度站，从而实现对公交车辆的自动调度和排 班。 ( 3 ) 紧急报警功能 当发生抢车、抢劫等紧急情况时，驾驶员按下紧急报警按钮，调度中心监控 服务中心电子地图将会显示报警车辆的位置和车辆状态，这样便可在保证在车人 员安全的情况下，由调度中心派遣人员配合紧急情况的处理。 ( 4 ) 超速告警功能 在路况良好的路段行车时，驾驶员往往不知不觉地超速行车，在这种情况下， 硕上学位论文 车载终端将用语音提醒驾驶员注意车速，确保行车安全。 1 4 本课题研究背景及意义 城市公共交通事业飞速发展，给市民的生产生活都带来了极大的便利，但同 时，城市公共交通又存在种种的问题：城市公共交通运营生产流动分散、点多面 广、运营时间长、交通拥堵，劳动密集程度高，传统公交运营管理模式和管理手 段一直沿用管理人员与生产工人面对面的粗放型、经验型的静态管理，调度员只 管得了车辆到站和离站情况，却无法监控和调度车辆途中的运行，原始数据全靠 人工记录，容易出现人情数字、虚假数据，线路调整延伸和生产计划全凭经验， 数据统计重复劳动多，不能共享。如何降低安全隐患，提高服务质量和车辆利用 率，成为摆在公共交通事业面前的重大问题。 为了改变城市公共交通运营现状，更好地完善和提高公交系统的管理和运营 质量，湖南龙骧巴士有限责任公司与长沙市吴立电子科技有限公司共同开展了长 沙市智能公交系统建设项目，旨在为巴士公司的运营和管理带来更大的便利，使 公交车辆的营运更加正规化，为广大市民出行提供了更加可靠的保障。 本课题以该项目为背景，最终目的是在长沙市形成一个大型的公交管理网络， 实现对公交车辆高效的运营管理和智能调度，针对龙骧巴士有限责任公司公交线 路的实际情况，开发更加可靠、更加适合巴士公司的实际情况的应用产品。该课 题的开展和建设，有着巨大的实用价值，并对国内智能公交的发展和建设具有一 定的理论指导意义。 1 5 本论文的主要内容 本论文提出了基于a r m 的智能公交车载终端的总体设计方案，重点介绍了车 载终端的软硬件设计及正点考核、自动报站、短信报警、实时监控等功能的实现。 完成的主要工作包括：智能公交系统总体设计、智能公交终端硬件电路设计调试、 软件调试及系统总体调试分析。 本论文主要内容包括： 第1 章：绪论。综述智能公交系统基本概念、相关背景及国内外发展现状。介 绍了智能公交车载终端概念及主要功能，提出了本文的主要工作内容及课题开展 的意义。 第2 章：智能公交系统( a p t s ) 及其关键技术。介绍了智能公交系统组成结 构，并对g p s 、g p r s 等系统相关的关键技术进行了介绍。 第3 章：智能公交车载终端总体设计。根据市场需求，提出了智能公交系统及 车载终端的总体设计方案，重点对车载终端的总体设计进行了介绍，给出了车载 基于删的智能公交车载终端的设计与开发 终端设计中重要芯片的选型。 第4 章：智能公交车载终端硬件设计。详细介绍了智能公交车载终端硬件设计， 给出了整个终端系统的硬件设计电路，并对硬件设计中需要注意的问题进行了探 讨。 第5 章：智能公交车载终端软件设计。详细介绍了智能公交车载终端的软件设 计，给出了软件设计流程图，并就系统关键部分的软件设计进行了重点的讲述。 第6 章：智能公交车载终端整机调试。结合车载终端整机调试过程，对整机调 试需要注意的问题进行了讨论，最后给出了整机测试结果，并对通过测试的终端 产品进行了展示。 总结和展望中，对本课题取得的成果以及局限性进行了分析和总结，对下一 步的工作和项目未来的发展进行了展望。 硕十学位论文 第2 章智能公交系统( a p t s ) 及其关键技术 2 1a p t s 系统组成 智能公交系统主要由3 个部分构成，即无线通讯部分、监控中心部分和车载 终端部分。无线通讯系统主要是利用通信运营商提供的数据和短信息服务，这里 的通讯方式就是指无线通讯系统的通讯手段；监控中心由g p s 服务器、数据库服 务器、c t i 呼叫中心系统、监控工作站、管理工作站路由器和防火墙组成；车载 终端主要由g p s 接收模块、g p r s 通讯模块、车辆控制模块、屏幕等部分组成， 主要有车辆定位、与监控中心进行双向通讯、车辆控制等功能。监控中心在接收 到车载终端传回的g p s 位置数据后可以确定监控车辆的位置信息、历史运行轨 迹，进而分析其运行是否正常，是否偏离预定路线，速度是否异常。在出现异常 情况时，监控中心可以通过发布导航指令来实现实时的调度【7 】。 2 2a p t s 系统中的g p s 技术 g p s 即全球定位系统，是由美国于19 9 4 年全面建成的新一代卫星导航与定 位系统。利用位于距地球2 万多公里高的由2 4 颗人造卫星组成的卫星网向地球不 断发射的c a 码导航电文，地球上任何一个内置g p s 卫星接收机的设备，只要接 收到四颗以上的卫星的导航电文，经过运算处理后，就能计量出g p s 目标的三维 坐标及时间和运动状态等应用数据，对目标实现快速准确的定位。g p s 由空间卫 星系统、地面监控系统和用户终端系统三大部分组成。它特有的全球性、全天候、 陆海空全能性及导航定位优势等，使之特别适用于交通运输行业【8 】。随着g p s 、 无线通信方式、g i s 与计算机技术的不断进步，g p s 的三个主要应用之一的车辆 定位( a u t o m a t i cv e h i c l el o c a t i o n ，简称a v l ) 或车载g p s 系统，近年来得到了 飞速发展。 2 3a p t s 中的无线通讯方式 就目前智能公交系统( a p t s ) 发展现状来看，实现车辆智能调度的无线通讯 方式主要有3 种：g s m s m s 、g p r s 和c d m a 【9 1 。 2 3 1g s m s m s 通讯方式 g s m ( g l o b a ls y s t e mf o rm o b i l ec o m m u n i c a t i o n s ) s m s ( s h o r tm e s s a g e s e r v i c e ) 短信息服务最初只是作为通知语音邮件到达的寻呼机制，在点对点短信 基于a r m 的智能公交车载终端的设计与开发 业务上取得了巨大成功的基础上，各种形式的增值服务被随之开发。g s m 网络所 具有的良好的开放性、广阔的覆盖范围、先进的基础设施以及s m s 所具有的存储 转发工作方式、接收确认、利用信令信道传输等通信特点，为网络控制系统的通 信网络的构建提供了一种很好的选择【1 0 】。 g p s 系统中选用s m s 通讯服务主要是通过g s m 短信息业务来实现车辆反劫、 防盗联网报警信息及g p s 定位监控信息的传输。短消息业务是g s m 系统中唯一 不需要端到端通信的业务，它通过g s m 系统的信令信道( s d c c h 一用户正常时 或s a c c h 一用户忙时) 来传送短消息。由于具备这个特点，即使移动台已经处 于通话状态，其还能同时发送或接收消息。g s m 系统把车载g p s 每条消息业务 都作为一个单独的事件对待，即短消息的发送和接收是独立的，两者之间不一定 存在因果关系，业务消息的传送都通过短消息中心中转。从g s m 网的角度来看， 短消息的发送和接收总是在移动台和短信息中心之间进行，而从用户的角度来看， 不管是发送或接收短消息，其目的地总是某个用户。 g s m 作为国际标准化的数字蜂窝电话系统，近l o 年在我国取得了超常规的 发展速度。g s m 国内用户基数大，基站及通讯网络已经覆盖许多乡镇以及绝大部 分等级道路甚至偏远山区，这为车载g p s 管理服务系统的建设提供了最大的网 络覆盖范围。 然而，采用g s m 的短消息( s m s ) 进行g p s 业务数据传输时，由于短消息 的传输延时长，这对于需要进行实时监控的应用影响很大。因此，g s m s m s 方 式实时监控和调度功能相对较弱，同时由于短信按条收费对于需要长时间监控的 车辆系统费用也偏高。 2 3 2g p r s 通讯方式 g p r s 是一种新的g s m 数据业务，它可以给移动用户提供无线分组数据接入 服务。g p r s 主要是在移动用户和远端的数据网络( 如支持t c p i p 、x 2 5 等网络) 之间提供一种连接，从而给移动用户提供高速无线i p 和无线x 2 5 业务。g p r s 采用分组交换技术，它可以让多个用户共享某些固定的信道资源。如果把空中接 口上的t d m a 帧中的8 个时隙都用来传送数据，那么数据速率最高可达1 6 4 k b s 。 g s m 空中接口的信道资源既可以被话音占用，也可以被g p r s 数据业务占用。当 然在信道充足的条件下，可以把一些信道定义为g p r s 专用信道。 g p r s 作为一个分组数据承载网，具有以下特点：( 1 ) g p r s 适用于不连续的 突发( 非周期性) 的数据传送；( 2 ) g p r s 支持中、高速率数据传输，可提供 9 0 5 一1 7 1 2 k b s 的数据传输速率；( 3 ) g p r s 可以实现基于数据流量、业务类型及 服务质量( q o s ) 等级的计费功能，计费方式合理。例如，对于大数据量业务的 用户可以采用包月的方式，对于小数据量业务的用户可以根据通信的数据量和提 硕士学位论文 供的服务质量进行计费，这样，客户无需为每次数据的访问建立连接便可做到永 远在线；( 4 ) g p r s 本身就是一个分组型数据网，支持t c p i p 协议，无需经过 p s t n ( 公共电话交换网) 等网络的转接，便可直接与i n t e m e t 网互通。 g p r s 网络是在g s m 网络的基础上叠加一些设备实现的。在现有的g s m 网 络中需要增加一些节点，如g g s n ( g a t e w a yg p r ss u p p o n i n gn o d e ，网关g p r s 支持节点) 和s g s n ( s e i n gg s n ，服务g p r s 支持节点) 【1 1 1 。所以其覆盖地域 要小于g s m 网络，一般来说，在一级城市中的网络覆盖状况较好，而在乡村和 高速公路上的覆盖相对较差，其网络实际覆盖状况因各地运营商的建设投资有所 不同。因此，车载g p s 选择g p r s 方式要充分考虑到通讯网络的覆盖状况。 采用g p r s 提供g p s 信息服务具有以下优点：( 1 ) 在广域网中能实现低成本 的数据通信方式而且用户总是在线，不用拨号上网；( 2 ) 从信息技术角度上，g p r s 与i p 类似，网络管理有效使用网络资源；( 3 ) 从经济学角度上，费用低廉，快 捷登录，用户一开机，就始终连接在g p r s 网络上，每次使用时只需一个激活的 过程，一般只需l 3 秒便即刻登录至互联网，客户可以一直在线，按照接收和发 送数据包的数据来付费用；没有数据流量的传递时，客户即使挂在网上，也不用 付费：( 4 ) 网络稳定可靠、覆盖面广、数据传输速度快；( 5 ) g p r s 是一种完全 成熟的技术，广泛使用的信息处理技术【1 2 】。 基于g p r s 的上述特点，在车载g p s 中采用g p r s 的数据传输比g s m 方式 更能满足实时监控和调度的时效性要求，是目前实现公交车车载智能系统和上层 系统之间的数据传输要求的比较理想的解决方案。 2 3 3c d m a 通讯方式 c d m a 是码分多址的英文缩写( c o d ed i v i s i o nm u l t i p l ea c c e s s ) ，它是在数字 技术的分支扩频通信技术的基础上发展起来的一种崭新而成熟的无线通信技 术。c d m a 技术的原理是基于扩频技术，即将需传送的具有一定信号带宽信息数 据，用一个带宽远大于信号带宽的高速伪随机码进行调制，使原数据信号的带宽 被扩展，再经载波调制并发送出去。接收端使用完全相同的伪随机码，与接收的 带宽信号作相关处理，把宽带信号换成原信息数据的窄带信号即解扩，以实现信 息通信。c d m a 移动通信网是由扩频、多址接入、蜂窝组网和频率复用等几种技 术结合而成，含有频域、时域和码域三维信号处理的一种协作，因此它具有抗干 扰性好、抗多径衰落、保密安全性高、同频率可在多个小区内重复使用、容量和 质量之间可做权衡取舍等属性。这些属性使c d m a 比其它系统有很大的优势【1 3 】。 相比于g p r s 提供g p s 信息服务，c d m a 的通信费用较高，但低于以短信息 来实现g p s 信息服务的g s m s m s ；同时，c d m a 目前网络覆盖面积还相对较小、 网络信号不是很稳定，接通速度介于其它两种方式之间。上海强生科技公司曾在 基于a r m 的智能公交车载终端的设计与开发 上海的一些远郊地区进行过通讯信号的测试，测试结果是c d m a 不及g p r s ，主 要原因可能是中国联通的基站的分布没有到位。因此，虽然c d m a 属于高速发展 的通信网络，但是用综合指标来评价和衡量，c d m a 并不十分适合要求安全稳定、 高效、廉价运作的g p s 系统的运营。目前，采用c d m a 实现g p s 业务的通讯成 功的案例也不多，但随着c d m a 的深入发展，这种状况将会有所改善。 2 4a p t s 系统中的g p r s 通讯技术 随着智能公交系统数据链路的不断发展，通用无线分组业务( g p r s ) 作为一 种智能交通系统的数据传输方式，以其实时在线、快捷登录、高速传输、自如切 换的优点，成为系统无线通信的较优解决方案。g p r s 特别适合移动结点间的数 据传输，完成满足交通系统实时、多点通信，频繁少量数据传输的要求。在当前 g p r s 网络资费合理，并已大规模商用的前提下，以g p r s 做为数据传输链路的 智能公交系统在各大城市得到了广泛的应用【1 4 1 。 2 4 1g p r s 技术概述 t g p r s ( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ，通用分组无线电业务) 是采用分组数 据传输的g s m 核心网的增强。它可高效地利用现有无线电频谱，而且用户获得 的接入带宽比通过标准连接获得的带宽更大。g p r s 是移动通信从第二代迈向第 三代至关重要的一步，通常被称为第2 5 代的无线通信。g p r s 是当前使用最广的 能够解决移动通信与i p 结合的技术方案，它可以充分利用现有g s m 网络，使运 营商在g s m 全国范围内推出移动分组数据业务。 与g s m 网络相比，g p r s 网络具体以下特点【1 5 】： ( 1 ) 相对低廉的连接费用 资源利用率高。在g s m 网络中，g p r s 首先引入了分组交换的传输模式，使 得原来采用电路交换模式的g s m 传输数据方式发生了根本性的变化，这在无线 资源稀缺的情况下显得尤为重要。按电路交换模式来说，在整个连接期内，用户 无论是否传送数据都将独自占有无线信道。在会话期间，许多应用往往有不少的 空闲时段，如上i n t e r n e t 浏览、收发e m a i l 等等。对于分组交换模式，用户只有 在发送或接收数据期间才占用资源，这意味着多个用户可高效率地共享同一无线 信道，从而提高了资源的利用率。g p r s 用户的计费以通信的数据量为主要依据， 体现了“得到多少、支付多少”的原则。实际上，g p r s 用户的连接时间可能长达 数小时，却只需支付相对低廉的连接费用。 ( 2 ) 传输速率高 g p r s 可提供高达1 1 5 k b i t s 的传输速率( 最高值为1 7 1 2 k b i t s ，不包括f e c ) 。 这意味着在数年内，通过便携式电脑，g p r s 用户能和i s d n 用户一样快速地上 硕十学位论文 网浏览，同时也使一些对传输速率敏感的移动多媒体应用成为可能。 ( 3 ) 接入时间短 分组交换接入时间缩短为少于1 秒。g p r s 是一种新的基于g s m 的数据业务， 它可以给移动用户提供无线分组数据接入服务。g p r s 主要是在移动用户和远端 的数据网络( 如支持t c p i p 、x 2 5 等网络) 之间提供一种连接，从而给移动用户 提供高速无线i p 和无线x 2 5 业务。 无论是在固定电信网，还是移动通信网上，数据业务的比重都越来越大。g p r s 网络既是推动移动通信网上数据业务发展的重要环节，也是迈向3 g 的过渡，对 推动移动互联网的发展起到了巨大的促进作用。 2 4 2g p r s 四种组网方法介绍 如前所述，智能公交系统主要由无线通讯链路、监控中心和车载终端三大部 分组成。采用g p r s 作为无线通讯链路的智能公交系统，可采用以下四种方案之 一组网【16 1 。 方案一：中心采用a d s l 等i n t e r n e t 公网连接，采用公网固定i p 或者公网动 态i p + d n s 解析服务。 此种方案需要先向i n t e r n e t 运营商申请a d s l 等宽带业务。 ( 1 ) 中心公网固定i p ：监控点直接向中心发起连接。运行可靠稳定，推荐 此种方案。 ( 2 ) 中心公网动态i p + d n s 解析服务：客户先与d n s 服务商联系开通动态 域名，监控点先采用域名寻址方式连接d n s 服务器，再由d n s 服务器找到中心 公网动态i p ，建立连接。此种方式可以大大节约公网固定i p 的费用，但稳定性 受制于d n s 服务器的稳定，所以要寻找可靠的d n s 服务商。此种方案适合小规 模应用。 方案二：中心采用主副g p r s d t u ，采用移动内网动态i p + 移动d n s 解析服 务。 此种方案客户先与移动d n s 服务商联系开通移动动态域名，监控点先采用域 名寻址方式连接移动d n s 服务器，再由移动d n s 服务器找到中心移动动态i p ， 建立连接。中心也用g p r s d t u 做接收端，但g p r s 无线方式的中心不如有线方 式的稳定，所以采用主副两个g p r s d t u 作冗余备份。主中心g p r s d t u 接收 端掉线时，所有监控点自动转到副中心g p r s d t u 接收端。此种方式也可以大大 节约固定i p 的费用，但并不是所有移动公司都提供d n s 解析服务，所以要在有 d n s 解析服务的省市才能采用此种方案，适合小规模应用。该方案实时性和稳定 性较差，不推荐使用。 方案三：中心采用主副g p r s d t u ，采用移动a p n 专网固定i p 。 基于a r m 的智能公交车载终端的设计与开发 此种方案客户先与移动申请a p n 专网业务。移动为客户分配专用的a p n ， 普通用户不得申请该a p n 。用于g p r s 专网的s i m 卡仅开通该专用a p n ，限制 使用其他a p n 。得到a p n 后，给所有监控点及中心分配移动内部固定i p 。此种 方案中心也像方案二一样采用主副两个g p r s d t u 作接收端，冗余备份。但此种 方案较方案二而言，无需d n s 解析，本身具有移动内网固定i p ，减少中间环节， 稳定性增强；且所有数据都在移动g p r s 的a p n 内网传输，无需经过公网，安全 性增强。此种方案无需负担宽度专线月租费用，性价比合理，推荐使用。 方案四：中心采用a p n 专线，所有点都采用内网固定i p 。 此种方案客户中心通过一条2 ma p n 专线接入移动公司g p r s 网络，双方互 联路由器之间采用私有固定i p 地址进行广域连接，在g g s n 与移动公司互联路 由器之间采用g r e 隧道。为客户分配专用的a p n ，普通用户不得申请该a p n 。 用于g p r s 专网的s i m 卡仅开通该专用a p n ，限制使用其他a p n 。得到a p n 后， 给所有监控点及中心分配移动内部固定i p 。移动终端和服务器平台之间采用端到 端加密，避免信息在整个传输过程中可能的泄漏。双方采用防火墙进行隔离，并 在防火墙上进行i p 地址和端，过滤。此种方案无论实时性，安全性和稳定性较前 三种方案都有大大提高，适合于安全性要求较高、数据点比较多、实时性要求较 高的应用环境。是在资金允许的情况下最佳的组网方式。 2 4 3g p r s 网络中的t c p u d p 协议 采用g p r s 做为数据传输的链路，传输层可根据应用要求选择t c p 传输控制协 议或u d p 用户数据报协议。 t c p 是t c p i p 体系中面向连接的运输层协议，提供了一种面向连接的、可靠 的双向数据传输服务。t c p 通过复杂的机制保证了传输的可靠性。t c p 的连接建 立和断开有严格的步骤，报文传输过程中有超时重传机制、滑动窗口机制、流量 控制机制、t c p 校验机制等。t c p 在传送数据之前必须先建立连接，数据传送结 束后要释放连接。u d p 提供的是一种无连接，不可靠的服务，他通过上层协议来 保证连接的可靠。u d p 在传送数据之前不需要先建立连接，远程主机的运输层在 收到u d p 报文后，不需要给出任何确认【1 7 】。t c p 传输存在一定的延时，大概是 1 6 0 0 m s ( 移动提供) ，u d p 响应速度稍微快一些【1 8 】。 另外，t c p 和u d p 的数据格式也有一定区别，一个t c p 报文段分为首部和数 据两部分，t c p 的全部功能都体现在它首部中各字段的作用，t c p 报文段首部的 前2 0 个字节是固定的，后面有4 n 字节为根据需要而增加的选项( n 必须为整数) ， 因此t c p 首部的最小长度是2 0 字节。用户数据报u d p 也分为两个字段，数据字段 和首部字段，首部字段很简单，只有8 个字节，由4 个字段组成，每个字段都是两 个字节【1 9 】。t c p 和u d p 数据格式对照如表2 1 所示。 硕十学位论文 表2 1t c p 舢d p 数据格式对照表 可以看出，与t c p 相比，u d p 的包小很多，因为u d p 是非可靠连接，设计初 衷就是尽可能快的将数据包发送出去，所以u d p 协议显得非常精简。 对于g p r s 网络端口资源来说，u d p 十分紧缺，变化也很快，而t c p 采用可靠 链路传输，不存在端口变化的问题。 g p r s 的应用一般都有以下特点【1 8 】： ( 1 ) 要求实时传输，但也有一些场合是定时传输，总的来说在整个传输过程 中要求服务器中心端和g p r s 终端设备能相互的、实时的传输数据。t c p 本身就是 可靠链路传输，提供一个实时的双向的传输通道，能很好的满足工业现场传输的 要求。但是g p r s 网络对t c p 链路也存在一个限制：此条链路在长时间( 大概2 0 分钟左右，视具体情况而定) 没有数据流量，会自动降低此链路的优先级直至强 制断开此链路。所以在实际使用中需要采用心跳包( 一般是一个字节的数据) 来 维持此链路。u d p 由于自身特点，以及g p r s 网络u d p 端口资源的有限性，在一段 时间没有数据流量后，端口容易改变，产生的影响就是从服务器中心端向g p r s 终端发送数据，g p r s 终端接收不到，具体的原因是移动网关从中作了中转，因此 需要隔一定时间给主机发u d p 包来维持这个i p 和端口号，这样主机才能主动给 g p r s 发u d p 包。 ( 2 ) 要求数据的丢包率较小。有些工业场合，例如电力、水务抄表，环保监 测等，不容许传输过程中的数据丢失或者最大限度的要求数据的可靠性。从这一 点来看，很显然在无线数据传输过程中，t c p 比u d p 更能保证数据的完整性、可 靠性，存在更小的丢包率。在实际