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上海海事大学顼士学位论文基于g p s i g p r s i r f i d 的危险品车辆监控系统的研究 摘要 上海是国际大都市，安全发展乃是经济建设的一大重要内涵，也是和谐社 会的重要组成部分。上海对道路危险化学品运输的管理始终走在全国的前例， 但也存在某些方面的不安全隐患。主要原因是：对作为“流动危险源”的道路 危险化学品运输车辆事前监控和动态监控上存在着缺陷。鉴于此，本课题承接 上海安全生产监督管理局的项目要求，提出了基于g p s g p r s r f i d 的危险品车 辆监控系统的方案，为实时监控外省市危险品车辆在上海市内的运输作业情 况，提供了现实的依据。 论文主要完成以下几个方面的工作： 探讨了本系统所涉及的核心技术，阐述了g p s 定位技术、g p r s 无线数 据传输技术、r f i d 射频识别技术相关理论知识，对各项技术的发展状况、应用 背景、原理特点一一作了介绍，为后文奠定了理论基础。简要介绍了g s m 移动 通信网络、c d m a 系统、固定频率通讯方式、集群移动通讯方式、卫星通信方式 这几种无线通信技术，并比较了它们的优劣和适用领域，最后选定本系统的通 信方式为g p r s 无线数据传输。 针对上海市危险品车辆运输管理需求，给出了基于g p s g p r s r f i d 的 危险品车辆监控系统的设计方案，该系统利用g p s 定位技术对车辆进行跟踪定 位，利用r f i d 射频识别技术对车辆进行信息认证，利用g p r s 无线传输技术实 现车辆定位信息和货物信息的传输。并对于各个子系统的设计思想、系统功 能。给出了详细的阐述。 论证了危险品车辆定位跟踪子系统车载终端的设计思想，实现了终端的 软硬件设计，完成基于g p r s 网络的g p s 数据传输，远程服务器端的软件设计 等。 阐述了利用r f 射频识别技术实现车辆信息无线传输的设计方案。采用 闸烀4 0 1 无线传输芯片实现无线数据的传输，采用m p d ( 2 3 2 芯片实现单片机与 计算机串口的通信，并实现了上位机的软件设计。 对硬件和软件进行调试、实验和分析，研究各模块运行的实时性和可 靠性。 根据调试结果显示，本论文提出的方案切实可行，并对于加强上海市平安 建设有一定的借鉴意义。 关键宇：危险品车辆监控，g p s ，g p r s ，r f i d ，车辆信息认证 上海海事大学硬士学位论文基于g 确幅警雕姻嗣d 的危险品车辆监控系统的研究 b e i n 口廿1 ei n t e m a t i o n a im e t r o p o l i s 。t h ed e v e l o p m e n to fs a f e t yi s o n e o ft h em o s ti m p o r t a n tc o n t e n to ft h ee c o n o m yc o n s t r u c t i o no ft h e c i t y s h a n g h a i a n dt h ei m p o r t a n tp a r to ft h ec o n s t r u c t i o no ft h eh a r m o n i o u s s o c i e t y s h a n g h a i h a sb e e nt h e i e a d i n g o n ei n s u p e r v i s i n g t h e t r a n s p o r t a t i o n o ft h eu n s a f eg o o d sa i lt h et i m e 。h o w e r e v e r ，仇e r ea r e s o m eh i d d e nt r o u b l e sa l it h es a m e t h em a i nr e a s o n sa r et h o s e ：t h e r e h a v e b e e ns o m ei a c ki ns u p e r v i s i n gt h ev e h i c l et r a n s p o r t i n gt h eu n s a f e g o o d sa st h ed y n a m i cs o u r c eo ft h ed a n g e rb e f o r e h a n da n dd y n a m i c s o i no r d e rt om e e t st h er e q u i r e m e n to ft h e d e p a r t m e n t o ft h e s h a n g h a is a f e t yp r o d u c t i o n 。t h e a r t i c l e b r i n g sf o r w a r d t h ed e s i g n i n g p r o j e c to fs u p e r v i s i n gt h et r a n s p o r t a t i o n v e h i c l eo ft h eu n s a f eg o o d s b a s e do nt h et e c h n o l o g yo fg p s g p r s rf l d w h i c hp r o v i d e st h e r e a l i s mf o u n d a t i o nf o rs u p e r v i s i n gt h ev e h i c l et r a n s 呻t i o ni ns h a n g h a i e f f i c i e n c y t h ep a p e rh a sa c c o m p l i s h e d 价em a i nt a s k s 鸽b e l o w t h ep a p e rd i s c u s s e ds o m ei m p o r t a n tt e c h n o l o g yi n c l u d i n gg p s o r i e n t a t i o n ，g p r sw i r e l e s st r a n s f e r n n g 。r f i dt h es y s t e mi n v o l v e d 。a n d i n t r o d u c e dt h ed e v e l o p m e n t 。a p p l i c a t i o n 。a n dt h et h e o r yo ft h a r n ， w h i c hs e t 廿et h ef o u n d a t i o nf o rt h ef o l l o w i n gc h a p t e r a t h ep a p e rm a d e as h o r ti n t r o d u c t i o nf o rs o m em a i nc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y s u c ha s t h eg s mc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k 。c d m a s y s t e m ，f i x e df r e q u a n c y c o m m u n i c a t i o n 。m u 惭一f r e q u e n c yc o m m u n i c a t i o n 。s a c o n d a wp l a n e t c o m m u n i c a t i o n a n dc h o s e 仇eg p r sw i r e l e s s t r a n s f e r r i n g i nt h i s s y s t e ma f t e rc o m p a r i n gt h ec h a r a c t e r i s t i co ft h e s eo o m m u n i c a f i o nm o d e i na l l u s i o nt ot h er e q u i r e m e n to ft h es u p e w i s i n gt h es h a n g h a i u n s a f e v e h i c l e 。t h ep a p e rb r i n g sf o r w a r dt h ed e s i g n i n gp r o j e c t o f s u p e r v l s i n gt h et r a n s p o r t a t i o nv e h i c l eo ft h eu n s a f eg o o d sb a s e do nt h e t e c h n o l o g yo fg p s g p r s r f i d ，w h i c ht a i l e d t h ev e h i c l ew i t ht h eg p s o r i e n t a t i o n ，c h e c k e dt h ev e h i c l ej n f o r m a t i o nw i t hr f i dt e c h n o l o g y a n d t r a n s f e r r e dt h ev e h i c l eo r i e n t a t i o ni n f o r m a t i o na n du n s a f e g o o d s i n f o r m a t i o nw i t hg p r sw i r e l e s st r a n s f e r r i n gm o d e a n da i s op r o v i d e s t h ed e s i g n i n gi d e aa n df u n c t i o no fe a c hs u b s y s t e m t h ep a p e rd e m o n s t r a t e dt h ed e s i g n i n gi d e ao ft h et u l i pv 嘲i c h a p p l i e di nt h es u b s y s t e mo f t h ev e h i c l es u p e r v i s i n g r e a l i z e db o t ht h e h a r d w a r ep a r ta n dt h es o f t w a r e p a r to ft h et u l i p a n da c c o m p l i s h e d t r a n s f e r r i n gt h eg p si n f o r m a t i o nb a s e do nt h eg p r s 。a n dt h es o f t w a r e d e s i g no ft h er e m o t es e r v e r 4 t h ew i r e l e s st r a n s f e r a l n go ft h ev e h i c l ei n f o r m a t i o nw i t hr f i d h a s b e e n e x p l a i n e d ，u s i n g t h er fc h i pn r f 4 0 1t ot r a n s f e rt h e i n f o r m a t i o n ，a n dt h ec h i p 耐m a ) ( 2 3 2t om a k et h em c uc o m m u n i c a t e 啪t h ec o m p u t e r 上海海事大学颈士学位论文基于c - i 暂g p i l s r f i d 的危险品车辆监控系统的研究 ，5 h a st e s t e d b o t ht h eh a r d w a r ea n dt h es o f t w a r e a n da l s o m a d es o m ee x p e r i m e n t sa n da n a l y s e s ，d o n es o m er e s e a l c h e so nt h e f l e e t n e s sa n dr e l i a b i l i t yo fe a c hp a r t s a c c o r d i n gt ot h er e s u l to ft h et e s t ，t h es y s t e mw a sp r a c t i c a l a n d u s e f u i w h i c h h a ss o m eu s el ；o rr e f e r e n c ef o rt h es a f e t yc o n s t r u c t i o no f s h a n g h a i k e y w o r d ：t h es u p e r v i o no ft h eu n s a f ev e h i c l e ，g p s ，g p r s 。 r f i d 。t h ec h e c k i n ga | t h ev e h i c l ei n f o r m a t i o n 论文独创性说明 本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。论文中除了特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或其他 机构已经发表或撰写过的研究成果。其他同志对本研究的启发和所做 的贡献均已在论文中作了明确的声明并表示了谢意。 作者签名：擎一日期：血卑蟛 论文独创性说明 本人同意上海海事大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学 校有权保留送交论文复印件，允许论文被查阅和借阅，学校可以上网 公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或者其他复制手段 保存论文。保密的论文在解密后遵守此规定。 作者签名：j 缝靳签名嗍埤金：髫 上海海事大学硬士学位论文基于g p s g p r s r f i d 的危险品车辆监控系统的研究 第一章绪论 1 1 车辆监控系统研究和应用现状 移动目标( 主要是车辆) 的定位，最早出现在日本。年代中期，美、 英、以色列以及日本相继在这方面的做了研发工作，推出了几种定位技术方案 及相应的产品。国外g p s 车辆跟踪系统的大体发展分为两大流派：美国派和欧 洲派。美国派主张利用各种无线网络，如常规( v l _ i f ，u h f ) 、集群( t r u n k e d r a d i o ) 、卫星通信系统和标准的蜂窝网或c d p d ( c e l l u l a rd i g i t a ip a c k e td a t a ) 等手段：而欧洲派则主张采用g p s g s m 系统。 我国从2 0 世纪8 0 年代开始g p s 技术应用研究，2 0 世纪9 0 年代各地相继 建立了一些专用的基于g p s 的车辆跟踪监控系统，主要用于如银行、公安等一 些特殊部门的车辆跟踪监控受当时无线通讯条件的限制，移动端与监控端的 通讯联系一般采用集群通信电台，即采用g p s + 集群通信电台+ g i s 的技术模 式。由于需要建立专用的g p s 数据通信网络，设备投资大，需专人维护，用户 费用高，所以应用范围仅限在特殊行业的特种车辆的跟踪监控。受通信链路的 制约，车辆监控系统在其他行业的推广的并不是很顺利。但随着g s m 网络覆 盖范围的扩大，为解决这个问题找到了一个很好的手段。建立在g s m 网络上 的短消息服务( c s m s ) 为车辆监控系统提供了一种方便、便宜的数据传送手段 此后，车辆监控系统进入了一个较快的发展阶段，入网的车辆成倍增加。但是 g s m 网络上的短消息服务也有其自身的缺点，比如只能发送文本数据、时延比 较长等等。随着移动通信技术的发展，现在有了更好的选择，g p r s 就是其中 之一 1 2 课题的来源与意义 上海是国际大都市，安全发展乃是经济建设的一大重要内涵，也是和谐社 会的重要组成部分，城区及道路安全工作尤其得到了高度重视，违规的危险化 学品生产和运输责任事故所产生的影响，严重时不亚于恐怖活动的结果。如危 险化学品运输车辆被违法、恐怖分子有目的地利用，其后果则更严重。鉴于国 际恐怖活动多以“汽车炸弹”形式对安全造成较大危害，美国已把对危险化学 品运输车驾驶员是否有犯罪前科作为审查内容之一。新加坡政府已把危险化学 品运输车辆列入反恐防恐范围予以监管。所以加快制定我国化学品安全战略已 经是一个刻不容缓的事情 上海海事大学磺士学位论文基于掰曹饼翟刚臣h d 的危险品车辆监控系统的研究 上海对道路危险化学品运输的管理始终走在全国的前例，但也存在某些方 面的不安全隐患。道路危险化学品运输事故也时有发生，主要原因是：对作为 “流动危险源”的道路危险化学品运输车辆事前监控和动态监控上存在着缺 陷 陟 上海安全生产部衙运输车辆的有效监管十分重视，已经形成了一整套完整 的监督管理制度。但是，在执行过程中，以人工作业为主，相关部门协同管理 的运作模式已经暴露出越来越多的局限性： l 、手工作业效率低，任务重；现有系统业务处理主要由手工处理。然而人 工强度大、任务繁重各道口现有执法人员人力不足，仅能完成危险品车辆抽 查工作，无法对所有外省市危险品车辆进行全面监管。 2 、重要数据监管困难：车辆进入上海后行驶路线、行驶区域和行驶时间无 法实时掌握。违规行驶容易酿成重大事故。 3 、数据共享困难：由于现有系统的数据基本上是以手工报表和文档形式存 放的，各区域、各职能监管部门无法及时调查查询。 4 、辅助决策功能差：现有数据的存储方式和现有系统的业务操作模式，使 得现有系统无法进行深层次的危险化学品运输车辆进行管理数据分析，无法为 决策提供有效的支持。 因此，无论是政策需求和建议，还是从城市管理追求的目标看，危险化学 品安全管理信息平台的建设，通过这个平台能在全市实现统一的管理、监督、 调度机制，从而实现商效的统一指挥，建立有效的应急联动机制。正是在这样 的背景下，本文提出了基于g p s g p r s r f i d 的危险品车辆监控系统的实施方 案，以r f i d 技术作为危险品车辆信息认证的手段，以g p s 作为车辆定位手段， 以g p r s 作为数据传输手段，实时监控危险品车辆在本市内的车辆活动情况，利 用道口和仓库终端实现危险品货物流动监管，从而改变以前落后单一的管理模 式，形成一套安全长效管理模式。本文所提出的解决方案，是一个集g p s 、 g p r s 、r f i d 技术于一体的应用系统，将有利于提高危险品车辆运行的安全性， 增强处理突发事件的能力，有利于加强上海市的平安建设。 1 3 本文的主要研究内容 全文共分七章： 第一章绪论，介绍了目前国内外车辆监控的发展情况，简要论述了上 海市当前车辆监管中存在的问题，提出了课题的来源和目的 第二章探讨了本系统所涉及的核心技术，阐述了g p s 定位技术、g p r s 无线数据传输技术、r f i d 射频识别技术相关理论知识，对各项技术的发展状 2 上海海事大学焉士学位论文基于g i s g p r s k f i d 的危险品车辆监控系统的研究 况、应用背景、原理特点一一作了介绍，为后文奠定了理论基础。简要介绍了 g s g 移动通信网络、c d g a 系统、固定频率通讯方式、集群移动通讯方式、卫星 通信方式这几种无线通信技术，并比较了它们的优劣和适用领域，最后选定本 系统的通信方式为g p r s 无线数据传输 第三章系统方案设计。针对上海市危险品车辆运输管理需求，给出了 基于g p s g p r s r f i d 的危险品车辆监控系统的设计方案，并对于各个子系统的 设计思想、系统功能，给出了详细的阐述。 第四章论证了危险品车辆定位跟踪子系统车载终端的设计思想，实现 了终端的软硬件设计，完成基于g p l 略网络的g p s 数据传输，远程服务器端的 软件设计等。 第五章阐述了利用r f 射频识别技术实现车辆信息无线传输的设计方 案。采用n r f 4 0 1 无线传输芯片实现无线数据的传输，采用m a x 2 3 2 芯片实现 单片机与计算机串口的通信，并实现了上位机的软件设计。 第六章系统调试及结果分析按照前文的方法和步骤，对硬件和软件 进行调试、实验和分析，论证方案的可行性 第七章结论和展望对本文的设计方案作出了总结，对该系统的功能 实现提出了建议。 3 上海海事大学壤士学位论文基于q 黻r 副t f d 的危险品车辆监控系统的研究 第二章基于g p s g p r s r f id 的危险品车辆监控系统的 核心技术 车辆监控系统是随着通信技术、信息技术、定位技术的发展而发展的，定 位跟踪与通信是两大关键技术，同时，针对危险品车辆的监控，有效的实旌车 辆货物信息的认证也是非常有必要的，据此，本文提出以r f i d 无线射频识别技 术来实现车辆信息认证的本文提出的危险品车辆监控系统的解决方案综合了 全球卫星定位技术( g 哟，无线数据传输技术( g p r s ) 和无线射频识剔技术 ( r f i d ) ，以下对这几种关键技术的国内外研究和应用现状作一介绍。 2 1g p s 定位技术 全球卫星定位系统( g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m ，g p s ) 是美国从二十世纪7 0 年 代开始研制，历时2 0 年，耗资2 0 0 亿美金，于1 9 9 4 年全面建成，具有在海陆 空进杼全方位实时三维导航与定位能力豹新一代卫星导航与定位系统。经近l o 年我国测绘部门的使用表明，g p s 以全天候、高精度、自动化、高效益等显著 特点，赢得广大测绘工作者的信赖，并成功的应用于大地测量、工程测量、航 空摄影测量、运载t 具导航和管制、地壳运动监测、工程变形监测、资源勘 察、地球动力学等多种学科，从而给测绘领域带来一场深刻的技术革新。随着 全球定位系统的不断改进，硬件软件的不断完善，应用领域正在不断的开拓， 目前已遍及国民经济各种部门，并开始逐步深入人们的日常生活。 2 1 1 卫星导航定位系统发展状况 以美国g p s 技术和俄罗斯的g i _ d n a s s 为代表的卫星导航定位系统在世界 范围内得到了广泛的认可与应用。尤其是美国为保持这一领域的垄断地位，一 方面取消限制政策，一方面改进g p s 系统性能( 即g p s 技术现代化：增加卫星 数目，改变星座方案，增辟第二民用频率等) ，鼓励私营公司投资g p s 事业， 鼓励g p s 导航定位系统成为国际标准。这一政策大大鼓舞了美国及世界各大公 司发展g p s 产业的信心，并推进了g p s 应用和产业发展。除俄罗斯外欧盟等国 也在相继发展各自的全球定位系统( 筹划多年的欧洲伽俐略全球导航定位卫星 计划终于在2 0 0 1 年4 月5 日举行的欧盟交通部长会上获得一致批准，标志着伽 俐略计划的启动) ，自主开发定位系统产品，以便占有导航定位市场，掌握控 制权。因此，卫星导航定位产业和竞争都将进入新的阶段 4 上海海事大学硬士学位论文 基于g p s g p r s r f i d 的危险品车辆监控系统的研究 g p s 的民用领域已包括了陆地运输、海洋运输、民用航空、通信、测绘、 建筑、采矿、农业、电力系统、医疗应用、科研、家电、娱乐等等。因此， g p s 业界流行这样一句话，“g p s 的应用只受到人们想象力的限制”。如今， g p s 所达到的定位精度范围已从1 0 m 级到m m ，其卫星上时钟源也己从铷原子 钟过渡到铯原子钟和氢脉泽时钟标准，工作寿命和精度大幅提高，可给世界各 地提供精度为1 1 0 ( 的负1 0 次方) 的参考频率。据美国商务部统计，2 0 0 0 年 全球g p s 用户机的年销售额为8 0 - 9 0 亿美元。到2 0 0 3 年，g p s 民用产品将超过 1 6 0 亿美元可以毫不夸张地这样说，到达2 0 1 0 年以后，g p s 的应用产品将逐 渐成为人们日常生活中不可缺少的一部分，也是各类产品研发的基础平台。 g p s 卫星导航定位技术于上世纪年代末引入中国，目前主要在大地测量 ( 测绘、勘探) 、海上渔业和车辆定位监控等领域得到了比较广泛的应用在 全球g p s 应用领域中，车辆应用所占的比重最大，目前约占总数的4 0 以上。 1 9 9 6 1 9 9 7 年问是g p s 车辆跟踪系统市场的调整和充实时期。主要是公安、金 融等部门利用其专用的常规无线电台( 异频单工电台) 通信系统和模拟集群系 统，在全国三四十个城市建成了金融运钞车和公安交警车辆跟踪系统。1 9 9 8 2 0 0 0 年g p s 车辆跟踪系统市场出现了快速增长的势头。随着我国g s m 数字移 动通信系统的快速发展与全国普及，作为系统瓶颈问题的通信网络通过采用 g s m 公众网的短信息服务和基于g p r s 数据传输服务找到了新的出路，这对 g p s 车辆跟踪系统的发展起着极大的促进作用。 我国现在拥有世界上最大潜力的卫星导航应用市场。经过十多年的发展， 我国的卫星导航用户设备市场化的条件日趋成熟，批量化用户群体正在逐步形 成，已进入应用行业高速发展的时期。随着我国自主研发的“北斗运营服务平 台”正式开通，这标志着我国己经拥有了完全自主的卫星导航系统，北斗导航 定位系统的大规模应用进入了实质性阶段 2 1 2g p s 系统组成 g p s 系统主要有三大组成部分，即空间星座部分、地面监控部分和用户设 备部分。g p s 的空间星座部分中2 4 颗卫星基本均匀分布在6 个轨道平面内，轨 道平面相对赤道平面的倾角为5 5 。，各轨道平面之间的交角为6 0 。，每个轨道 平面内的卫星相差9 0 。，任一轨道平面上的卫星比西边相邻轨道平面上的相应 卫星超前3 0 。卫星轨道平均高度为2 0 2 0 0 k i n ，卫星运行周期为1 1 小时5 8 分。每颗卫星每天约有5 个小时在地平线以上，同时位于地乎线以上的卫星数 目随时间和地点而不同，可为4 - 1 1 颗；g p s 的地面监控部分目前主要由分布在 全球的5 个地面站组成，其中包括卫星检测站、主控站和信息注入站g p s 的 空间部分和地面监控部分是用户广泛应用该系统进行导航和定位的基础，均为 s 上海海事大学硬士学位论文基于g p s g p r s r i q d 的危险品车辆监控系统的研究 美国所控制；g p s 的用户设备主要由接收机硬件和处理软件组成用户通过用 户设备接收g p s 卫星信号，经信号处理而获得用户位置、速度等信息，最终实 现利用g p s 进行导航和定位的目的。 2 1 3g p s 系统定位原理和特点 g p s 系统采用高轨测距体制，以观测站至g p s 卫星之闻的距离作为基本观 测量。为了获得距离观测量，主要采用两种方法：一是测量g p s 卫星发射的测 距码信号到达用户接收机的传播时间，即伪距测量；一是铡量具有载波多普勒 频移的g p s 卫星载波信号与接收机产生的参考载波信号之间的相位差，即载波 相位测量。采用伪距观测量定位速度最快，而采用载波相位观测量定位精度最 高。通过对4 颗或4 颗以上的卫星同时进行伪距或相位的测量即可推算出接收 机的三维位置。 g p s 系统与其他导航系统相比，主要特点是： 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，所以在地球 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高精度的三维位置、 三维速度和时间信息。 实时定位速度快。目前g i s 接收机的一次定位和测速工作在一秒甚至 更少的时间内便可完成，这对高动态用户来讲尤其重要。 4 抗干扰性能好、保密性强。由于g 胳系统采用了伪码扩频技术，因而 g p s 卫星所发送的信号具有良好的抗干扰性和保密性。 2 2 盼无线数据传输 2 2 1 其它相关无线传输技术介绍 无线数据传输是指通过无线网络为用户提供无线传输通道，解决有线网络 难以建设的地区或地点的数据传输问题，通信终端较有线网络具有移动性强等 特点。无线数据传输特别适用于车辆监控系统、移动银行、电网系统和物流系 统等领域。 6 上海海事大学硕士学位论文基于g i s g p r s r f i d 的危险品车辆监控系统的研究 2 2 1 1g 明移动通信网络 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 ) 属于第二代数字移动通信系 统，大约在2 0 世纪舳年代初期起源于欧洲，是为了解决当时模拟通信存在的问 题而制定的一个新的通信标准。g s m 标准推出后，就被很多国家和地区采用 2 0 0 4 年初，代表了全球超过6 0 0 家移动通信运营商的g s m 全球贸易组织( g s m a ) 发布消息称，全球g s m 用户已经突破十亿。现在我国的数字蜂窝移动已经覆盖 全国，成为我国公众陆地移动通信网的主要方式 g s m 提供的业务可分为两大类：基本通信业务和补充业务。基本通信业务 由在网络中接入的位置不同又可分为电信业务和承载业务。g s m 移动通信网能 提供6 类电信业务，包括：话音传输、短消息业务、消息处理系统接入、可视图 按入、智能用户电报传递和传真。 g s m 的短消息业务为车辆监控系统提供了很好的数据传输手段。短消息业 务是由短消息服务中心f s m s c ) 来完成的，短消息服务中心被认为是在功能上与 g s m 网完全分离的外部实体，它相连到移动交换中心( m s o ，通过基站与移动 台通信，如图2 1 所示。短消息的传输只与客户和短消息服务中心有关，而与 g s m 基础设施无关，不仅可服务于g s m 客户，亦可服务于具备接收短消息业务 功能的固定网客户。根据短消息工作方式不同，短消息业务可分为点对点的短 消息业务和点对多点的小区广播短消息业务。 图2 - 1 短消息服务的系统结构 g s m 网络的主要优点： 安全性能好，通过鉴权、加密以及数字通信系统固有的特性达到安全 目的。 娼 容量大，同t a c s 系统相比系统容量增加了3 - 5 倍。 7 上海海事大学硬士学位论文基于g p s g p r s r f i d 的危险品车辆监控系统的研究 它的主要缺点是数据业务速率慢，最高只能达到9 6 k b p s ，短消息业务一次 通信量低，不能适应未来的数据传输速率 2 2 1 2f f ) u a 系统 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 数字技术上的分支一扩频通信技术上发展起来的一种新的无线通信技术。 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， 以实现数据传输。 c d m a 系统包括中国联通运营的i s 9 5 系统以及基于c d m a 技术的 w c d m a 、c d m a 2 0 和t d s c d m a 等3 g 技术。它的主要优点： c d m a 技术在信号质量、安全性、功率损耗和可靠性方面都超过其他 的数字和模拟技术。 c d m a 系统的设计容量高于现有的模拟数字系统。 c d m a 手机发射功率只有6 - 7 m w ，是真正的绿色手机。 2 2 1 3 固定频率通讯方式 多个用户共用一个或多个信道，各个用户仅能利用自己的信道进行数据的 传输不同的被监控车辆由时隙来区分。受控车辆在不同时隙内传输定位信息 和状态信息到监控中心，监控中心将各个监控车辆的数据统一接收显示。同时 利用该对频率进行通话，实现调度指挥。系统中使用的无线电台可以是双工或 半双工电台。 2 2 1 4 集群移动通讯方式 所谓集群通信系统( t r u n k e dm o b i l er a d i os y s t e m ) ，即系统所具有的可用 信道可为系统的全体用户共用。具有自动选择信道功能。它是共享资源、分担 费用、共用信道设备及服务的多用途、高效能的无线调度通信系统，它代表着 通信体制之一的专用移动通信网发展方向。集群通信系统的特点是“频率共 用”，即是系统内的用户共同使用一组频率，用户每一次建立通话之前，首先 向调度台提出申请，调度台将搜索到空闻的信道分配给该用户。 8 上海海事大学硕士学位论文基于g i s g i 啪的危险品车辆监控系统的研究 2 2 1 5 卫星通信方式 卫星通信是指利用人造地球卫星作为空间的中继站，由地面向卫星发射信 号，卫星将信号变频、放大后再发回地面。目前，卫星通讯已成为远距离、全 球通信的主要手段。通信业务从简单的电报、电话发展到电视、数据传输、传 真、电传、综合业务数字网( i s d n ) ，导航、全球定位( g p s ) 、应用通讯等 新业务。站址从固定发展到移动，信号从模拟发展到数字 2 2 1 o 通信方式的选择 监控系统的通信链路连接着移动端和监控端，是整个系统的重要组成部 分采用哪种通信方式直接影响到监控系统的容量、监控范围等下面对前面 介绍的各种通信方式逐一比较： 固定频率的通讯方式：系统一旦设定完毕，各个用户仅能利用自己的信 道进行数据的传输。用这种方法组建的车辆监控系统具有容量小、覆盖范围小 等缺点，但对容量不大的系统来说还是较为实用的； 心 集群通信系统的通信方式：系统具有响应速度快，通信较灵活的优点， 但是它要用户自己要建设专用的通信网，因而覆盖范围较小，异地漫游较困 难。若要扩大覆盖范围，必须加大投资，多建基站，建网投资费用以及建网后 的维护费用都很高。这种系统不易推广，适合一些特殊部门的车辆跟踪监控； ( 3 卫星通信系统的通信方式：卫星通信具有远距离、覆盖面广的优点，所 以利用这种通信方式作为车辆或轮船的监控系统的数据传输方式能够覆盖全国 乃至全球的范围。在组建大型的车辆等移动目标监控定位系统( 例如航海轮船 监控定位系统) 的时候，可以采用卫星的通信方式进行数据传输。但是这种系 统的车辆监控定位终端的价格比较高，通信费用也比较高，在相对比较小的范 围的车辆监控系统是不合适的。只有地面通讯网或专网覆盖不到的海洋、高 山、沙漠、森林区域，这种方案才是理想的服务方式； g s m 网的通信方式：系统利用g s m 系统的短消息来进行数据的传输 通信，具有覆盖范围大( 几乎是全国范围的) ，通信费用低的优点；但是它的 系统响应速度有时受移动网络的影响，会出现一定的传输延时数据传输速率 被限制在9 6k b p s ，且每条短信息的长度被限制在1 6 0 个字符； 5 g p r s 的通信方式：g p r s 是g s m 网络向第三代移动通信演变的过渡 技术( 2 5 g ) ，在目前来说是比较先进的移动数据通信方式。跟其他数据通信 方式相比，它具有覆盖范围广、传输速率高、接入时间短、永远在线和按流量 计费等优点。g p r s 特别适用于频繁传送小数据量的应用和非频繁传送大量数 据。所以非常适合作为车辆监控系统的数据传输方式 9 上海海摹大学壤士学位论文基于g p s g p r s r f i d 的危硷晶车辆监控系统的研究 目前，车辆监控系统中移动端和监控端之间的通信方式，采用的比较多的 集群通信系统和g s m 蜂窝移动通信系统，至于采用哪种通信技术，要跟当时 的通信发展水平和系统应用范围综合衡量考虑。随着通信技术的发展，一些新 技术便可作为移动端和监控端之间的通信方式本文所设计的危险品车辆监控 系统，其特点是覆盖范围广、监控容量大，所以权衡比较决定选用g p r s 作为 监控系统的通信方式。 2 2 2 黔介绍 g p r s 是通用分组无线业务( g e n e r a lp a c k e tr a d i os e r v i c e ) 的简称，它突破 了g s m 网只能提供电路交换的思维方式，只通过增加相应的功能实体和对现 有的基站系统进行部分改造来实现分组交换，这种改造的投入相对来说并不 大，但得到的用户数据速率却相当可观。 g p r s 是一种以全球手机系统( g s m ) 为基础的数据传输技术，可说是 g s m 的延续，并且能完成现有的一些服务，例如：蜂窝电话电路交换( c i r c u i t - s w i t c h e d ) 连接和短消息服务( s m s ) 。g p r s 和以往连续在频道传输的方式不 同，是以封包( p a c k e t ) 式来传输，因此使用者所负担的费用是以其传输资料单 位计算，并非使用其整个频道，理论上较为便宜。 g p r s 的另一个特点，就是其传输速率可提升至5 6 甚至1 1 4 k b p s 。而且， 因为不再需要现行无线应用所需要的中介转换器，所以连接及传输都会更方便 容易。如此，使用者既可联机上网，参加视讯会议等互动传播，而且在同一个 视讯网络上( v l 啉) 的使用者，甚至可以无需通过拨号上网，而持续与网络连 接。 g p r s 是一种基于包的无线通讯服务，并且支持计算机和移动用户的持续 连接。较高的数据吞吐能力使得可以使用手持设备和笔记本电脑进行电视会议 和多媒体页面以及类似的应用。在理论上，g p r s 包服务的花费将比电路交换 服务所花的费用要少，信道是共享使用的，是需要的时候才有包产生。那么比 专用的连接要节省很多资源。它将使得为用户提供应用服务更加简单。因为以 往为了适应终端设备的缓慢速度而增加的缓冲中间件( m i d d l e w a r e ) 经没有必要 了。一旦g p r s 成为现实，移动用户就可以随时访问自己的虚拟专用网络 ( v i 哪，丽不是每次都需要拨号上网。 上海海事大学硬士学位论文基于g p s g p r s r f i d 的危险品车辆监控系统的研究 2 2 3g 阳s 的网络结构 g p r s 网络是基于现有的g s m 网络来实现的在现有的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 r t i n gn o d e ，网关g p r s 支持节 点) 和s g s n ( s e r v i n g g s n 。服务g p r s 支持节点) 。 g s n 是g p r s 网络中最重要的网络节点。g s n 具有移动路由管理功能，它 可以连接各种类型的数据网络，并可以连到g p r s 寄存器。g s n 可以完成移动 台和各种数据网络之问的数据传送和格式转换。g s n 可以是一种类似于路由器 的独立又备，也可以与g s m 中的m s c 集成在一起 g s n 有两种类型：一种为s g s n ( s e r v t n gg s n ，服务g s n ) ，另一种为 g g s n ( g a t e w a yg s n ，网关g s n ) ，s g s n 的主要作用是记录移动台的当前位 置信息，并且在移动台和g g s n 之间完成移动分组数据的发送和接收。g g s n 主要是起网关作用，它可以和多种不同的数据网络连接，如i s d n 、p s p d n 和 l a n 等。有的文献中，把g g s n 称为g p r s 路由器。g g s n 可以把g s m 网中 的g p r s 分组数据包进行协议转换，从而可以把这些分组数据包传送到远端的 t i 四肿或x 2 5 网络。 另外，有的厂商提出了g r ( g s mr e g i s t e r ，g p r s 数据库) 的概念。g r 类似于g s m 中的h l r ，是g p r s 业务数据库。它可以独立存在，也可以和 h l r 共存，由服务器或程控交换机实现。g r 这个名称在e t s i 的建议中没有专 门提及。 g p r s 网络结构中还引入了下列新的网络接口： g n ，g s n 主干网接口，用于各种g s n 之间 g b ，b s s 和s g s n 之问的接口。 g g ，s g s n 和h l r 之闻的接口。 g p ，不同的g s m 网络( 不同的p l m n ) 之间的接口 g s ，s g s n 和m s c 之间的接口。 g p r s 网络的结构图如图2 2 上海海事大学磺士学位论文 基于g p s g p r s r f i d 的危险品车辆监控系统的研究 一檀令和睦输接口 图2 - 2g p r s 网络结构图 2 2 4g p r s 协议模型 移动台( m s ) 和s g s n 之间的g p r s 分层协议模型如图所示。u m 接口是 g s m 的空中接口。u m 接口上的通信协议有5 层，自下而上依次为物理层、 m a c ( m e d i u ma c c e s sc o n t r 0 1 ) 层、l l c ( l o g i c a ll i n kc o n t r 0 1 ) 层、s n d c ( s u b n e t w o r k1 ) c p c n d c n tc o n v e r g e n c e ) 层和网络层。 u m 接口的物理层为射频接口部分。而物理链路层则负责提供空中接口的 各种逻辑信道。g s m 空中接口的载频带宽为2 0 0 k h z ，一个载频分为8 仑物理 信道。 如果8 个物理信道都分配为传送g p r s 数据，则原始数据速率可达2 0 0 k b s 。考虑前向纠错码的开销，则最终的数据速率可达1 6 4 k b s 左右。