（计算机应用技术专业论文）gpsgsmgis集成车辆监控系统的研究开发.pdf

摘耍 f 随着我国道路交通的不断完善，机动车辆日益增多，各行业为了实现和改善对机动午辆 的监控和管理，对车辆监控系统提出了更新更高的要求。基于这样的需求背景，我们研究了 各种相关技术，开发了一套集g p s 、g s m 、g i s 丁二一体的车辆监控系统。该系统以g p s 作 为车辆定位技术，以g s m 移动通讯网短消息业务作为车载台到监控中心的通讯技术，以 g i s 作为监控中心监控台对车辆进行监控管理的技术。三大技术的采用，使该监控系统定位 精确、通讯网络覆盖广、使用费用低廉、系统操作灵活方便。火 本论文以该车辆监控系统的各项核心技术为主线，详细论述了g p s g s m g i s 集成车辆 监控系统所涉及的基本原理和实现方法，包括：g p s 全球卫星定位技术，g s m 网移动通讯 技术，监控中心软件设计和g i s 地理信息系统。并就每个部分可采用的多种实现技术进行 了分析比较，如g s m 网各种传输技术的比较，监控中心与g s m 网的多种短消息连接方式 的选择，特别是监控台用g i s 功能的实现方法是本论文的重点。论文分析了采用现有g i s 平台和自主开发g i s 核心的优缺点，并详细讨论了自主开发g i s 核心功能的基本思路和关 键算法。 一一 、通过对g p s g s m g i s 箜堕主塑堕蕉丕堑相关原理和实现技术的论述和比较，相信能给 此类车辆监控系统的开发人员提供一些开发参考，帮助开发人员根据自身的条件选择最适当 的开发思路。l a b s t r a c t j nt 1 ed i s s e r t a t i o n 。jh a v ed i s c u s s e dt h ef o t m d a t i o n a jp r i n c i p l e sa n d d e v e l o p m e n tm e t h o t i so f t h e g p s g s mi n t e g r a t e dv e h i c l em o n i t o r s y s t e m t h e s ep r i n c i p l e sa n dm e t h o d si n c l u d eg p s g s m m o n i t o r i n gc e n t e rs o f t w a r ed e s i g na n dg 1 s t h e r e i n t o t h es e l f - d e v e l o pg i sk e m e lf u n c t i o ni st h e f o c u so f t h ed i s s e r t a t i o n t h i si so n eo f m ym a i nt a s k sd u r i n g m yw h o l es e a r c h & d e v e l o pp e r i o d t h r o u g ht h e s e d i s c u s sa n d c o m p a r i s o n b e t w e e nt h ed i f i e r e n t p r i n c i p l e s a n d d e v e l o p m e n t t e c h n o l o g y , it h i n ki tw i l 】p r o v i d es o m er e f e r e n c et ot h ed e v e l o p e r so f t h ev e h i c l em o n i t o rs y s t e m a n d h e l pd e v e l o p e r ss e l e c tt h eb e s td e v e l o p m e n tm e t h o d sa c c o r d i n gt ot h e i rs e l f - c o n d i t i o n s 关键字；g p s 、g s m 、短消息、s m p p 、c m p p 、自主开发g i s 核心功能。 k e yw o r d s ：g p s 、g s m 、s m s 、s m p p 、c m p p 、s e l f - d e v e l o pg i sk e r n e lf u n c t i o n 。 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下( 或我个人) 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，也不包含为获得中国农业大学 大学或其它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。 由 研究生签名： 龄时间：。刀a 年弓月f 日 关于论文使用授权的说明 本人完全了解中国农业大学大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅；学校可以用不同方 式在不同媒体上发表、传播学位论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( t t i t 密的学位论文在解密后应遵守此协议) 曲 研究生签名： 葫 导师签名 前：降 时间：0 叨0 年弓月 时间：矽， 年弓月纩f j 第一章绪论 1 。1 问置的提出和课置的意义 随着我国经济的不断发展，道路交通等基础设施不断得到完善，机动车辆日益增多。这为全 国范围的人财物的大量流动，提供了必要条件，反过来，更促进了经济的快速增k = 。与此同时， 人财物的大量流动使得社会治安出现了许多新情况、新变化。犯罪分子使用车辆作案和针对下辆 的犯罪增加，犯罪分子作案快，逃离现场快，藏匿也很快。人们对这种犯罪的防范比较困难，事 发后的侦破也不容易。另外，出租车公司、货运公司、公交公司、公安1 1 0 、急救中心、消防等 单位对各自车辆具有强烈的调度监管需求。在这种情况下，传统的预先安排调度或车辆运行途中 通过无线通话传递信息来管理车辆的方式，已经不能适应现在的新情况。这就对机动车反劫、防 盗、报警以及调度提出了新的、更高的要求，希望有更新的技术应用丁车辆监控系统中，为车辆 的运行乖1 管理提供更完备的服务，保障各行业对车辆的正常使用。 廊用g p s 技术、现代无线通讯技术、地理信息系统技术，开发集反劫、防盗、报警、调度等 功能丁一体的现代车辆监控系统，对车辆位置和相关状态进行实时监控，必然有助丁改善 i i d n 强 各部fj 对车辆进行可靠、安全、有效的管理。 现代车辆监控系统是一种集全球卫星定位技术( g p s ) 、地理信息技术( g i s ) 和现代通讯技 术丁一体的高科技系统。它将移动目标的位置信息( 经度、纬度) 、时间、状态等由g p s 接收机 平车载台其他相关设备获得的信息，实时地通过无线通信链路传送至监控中心，在具有地理信息 查询功能的电子地图上进行移动目标运动轨迹的显示，并对目标的位置、速度、运动方向、车辆 状态等参数进行监控和查询，为车辆监控、调度、管理提供可视化依据。系统监控中心也可以利 用无线通信对各移动车辆发送各种预设的指令，对车辆进行控制、调度、指挥，这样就实现了对 移动车辆的监控管理。 1 2 国内外g p s g s l i g i s 集成车辆监控系统的研究概况 由r 经济发展的差异，以及g p s 等技术都是由国外首先拥有和使用，所以国外在g p s 车辆 监控系统的研究、应用方面都比国内早，现在已经有比较成熟的产品。但是，由丁车辆监控系统 有强烈的本地特色，例如当地的网络状况和地图信息都不尽相同，使许多国外车辆监控系统产品 不能简单的应用于中国。国内也有许多公司和机构参与车辆监控系统的研制，各家正在研制的和 已推出系统之间，应该说各有优缺点。由于，现在可用于组建系统的技术选择比较多，每个公司 都在根据自己最熟悉的技术，或依据自己对市场和现有以及未来技术发展方向的理解，构建a 己 的系统。比如，车辆监控系统中，对于无线通讯链路，有的应用集群通讯方式，也有采用g s m 数据业务传输数据，而我们采用g s m 短消息业务：又如，对于监控中心用地理信息系统，有的 采用国外专业g i s 平台开发商的平台软件，而我们根据实际需要，自主开发了一个短小、精悍的 g i s 核心模块。总之到目前为止，还没有那家或月 i j l 家公司的产品，非常完善或已经全面占领市 场。所以，我们根据自己的研发实力和市场地位，独立开发出一套车辆监控系统，应该具有微女， 的市场推广潜力。 1 3 本课墨主要研究工作 本课题是与公司横向合作的g p s g s m g i s 集成车辆监控系统项目。系统主要设计目标是为 中国各人公司、交通、公安等部门提供性能可靠、安全适用、系统规模可扩展性强的车辆监控系 统。也可建立公共监控中心，为广大的私人用户提供私车反劫、防盗、定位、以及道路查询等服 务。我主要负责车辆监控系统的监控中心软件的总体设计和部分核心模块的编码实现。 1 3 1 软件开发和运行环境 1 开发环境：w i n d o w s2 0 0 0a d v a n c e ds e r v e lv i s u a lc + + 6 0 ，s q ls e r v e r2 0 0 0 。 2运行环境：w i n d o w s2 0 0 0a d v a n c e ds e r v e r ( 数据库服务器) ，w i n d o w s2 0 0 0p r o f e s s i o n a l ( 监 控台) 。 1 3 2 工作内容和实现途径 1 监控中心支持多种方式的g s m 无线通讯网的短消息( s m s ) 接入。 通过支持g s m 的s m p p 协议、中国移动梦网的c m p p 协议、以及无线m o d e m 池等三种方 式米实现。 2 规模可扩展的监控中心总体拓扑结构的设计 通过设计成树状结构的拓扑结构，实现系统的运行方式不因规模发生变化而改变。 3监控台地理信息系统( g i s ) 的设计实现 采用自主设计、实现g i s 核心功能模块，而非使用任何现成的g i s 商用开发平台。 1 3 3 成果形式 1 软件概要设计和详细设计b 2 软件测试报告 3 系统配置和用户使用手册 4源代码 小结： 本章阐述了本课题的现实意义和主要技术模块，以及我在整个项目中所起的作用和所做的f 作。在f 面各章，结合整个系统的各个主要技术模块，就每个模块所涉及的理论基础和实际外发 工作进行详细阐述。 2 第二章车辆监控系统车载台硬件设计 车辆监控系统车载台安装在机动车辆内部，完成车辆的定位、与车辆监控系统监控中心通讯、 控制车辆等功能。为此，车载台硬件分为定位模块、通讯模块、控制模块等二大部分。定位模块 采_ l g p s 全球卫星定位系统，通讯模块采用g s m 手机模块，以短消息业务与监控中心通讯。本 章将分别各模块所_ j 到技术的基本原理和实现方法，最后给出乍载台总体设计框图。 2 1g p s 概述 车载台定位模块采用g p s 技术进行车辆的精确定位。所以，首先简要介绍g p s 的组成和特 点，和它麻用于我们的系统中有什么优点。 g p s 是英文n a v i g a t i o ns a t e l l i t et i m i n ga n dr a n g i n g g l o b a lp o s i t i o n i n gs y s t e m 的字头缩写词 n a v s t a r g p s 的简称。它的含义是：利用导航卫星进行测时和测距，以构成全球定位系统。它 是美国国防部为陆、海、空三军研制的新一代卫星导航定位系统，是美国继阿波罗登月和航天飞 机之后的第三空间工程。系统于1 9 9 3 年正式建成。g p s 广泛用于导航、定位和授时。 2 1 1 ( i p s 定位系统的由来及系统组成 g p s 是在子午卫星系统( n n s s ) 基础上发展起来的。 2 1 1 1 于午卫墨导航定位系统( n n s s ) 简介 n n s s 于1 9 6 4 年建成，它由6 颗卫星组成，甲星轨道接近圆形，轨道倾角为9 0 。左右，轨 道高度为1 1 0 0 k m ，周期约为1 0 7 m i n ，每天卫星运行1 3 1 5 周。n n s s 系统导航定位的原理是： 用户接收机接收卫星发播的信号，并根据多普勒( d o p p l e r ) 效应原理，测定因甲星相对用户接收 机不断运动而产生的多普勒频移。由于多普勒频移反映了卫星与接收机之间的相对运动速度，包 含了 j 星与接收机相对位置的信息，根据己知的卫星位置，就可以算解出用户接收机的位置。故 该定能系统又称为卫星多普勒定位系统。但是，由于该系统的“单星、低轨、低频测速”体制的 限制，不能满足高动态用户实时导航定位的要求，也不能满足现代军事和民用部门的高精度要求。 2 1 1 2g 陌的系统蛆成 鉴于n n s s 系统的局限性，为了实现全天候、全球高精度的连续导航定位，满足军事部j 和 民用部门对连续实时、高动态、高精度导航定位的迫切要求，早在批准第一代卫星导航系统n n s s 投入使用不久，美园丁1 9 6 7 年就着手研制新一代卫星导航系统。经过试验研究，r1 9 7 3 年1 2 月，美国国防部止式批准陆海空三军共同研制导航卫星全球定位系统。 整个g p s 定位系统由三部分组成，即由g p s 卫星组成的空间部分、由若干地面站组成的地 面监控系统和以接收机为主体的用户设备。三者有各自独立的功能和作用，但义是有机地配合而 缺一不可的整体系统。 一、空间部分 空间部分由g p s 卫星组成。覆盖全球上空的g p s 甲星星座，必须保证在各处能时时观测到 高度角1 5 。以上的4 颗甲星。 目前，g p s 工作卫星星座( b l o c ki i ) 共有2 4 颗卫星，均匀分布在倾角为5 5 。的6 个轨道 上，每轨道均匀分布4 颗卫星，相邻轨道之间的卫星还要彼此叉开4 0 。，以保i 止全球均匀覆盖的 要求。 二、地面监控系统 若从传统测量的角度看，空间卫星是动态已知点，每颗卫星在地心坐标系中的瞬时坐标可以 通过描述其围绕地球运行的轨道参数来求定，而这些轨道参数是由地面监控系统编算的卫星星历 通过卫星传递给用户接收机的。 地面监控系统的主要作用是：跟踪观测g p s 卫星，计算编制卫星星历；监测和控制卫旱的“健 康”状况；保持精确的g p s 时间系统；向卫星注入导航电文和控制指令。 二、用户接收机 h j 户设备的主要任务是，接收g p s 甲星发射的无线电信号，以获得必要的定位信息及观测量， 并经数据处理而完成定位工作。 由于g p s 应用广泛、经济效益好，因而各国均在研制和生产各种类型的接收机。许多发达国 家都投入巨资，在g p s 应用领域展开激烈的竞争。据报道，世界上目前已由5 0 多家企业生产二 卣多种犁号的g p s 接收机。我国南方测绘仪器公司生产的测地犁g p s 接收机，以其价廉物美， 正逐步占领国内g p s 接收机市场。 2 1 2g p s 定位系统的特点及用途 1 、全球覆盖连续导航定位 2 、高精度三维定位、测速及授时 3 、自动化程度高 4 、观测速度较快 5 、能提供全球统一的三维坐标信息 6 、经济效益高 7 、抗干扰能力高，保密性能好 g p s 卫星向地面发射两种不同精度的定位信号，即p p s ( p 码) 及s p s ( c a 码) 。c a 码开 放供全世界使用，现在不再加s a ( 选择可用性) 干扰，定位精度从1 0 0 米提高到2 5 米。_ 【 j 户使 用g p s 接收机接收这些卫星发来的信号，即可得到高精度、全天候、全球覆盖的用户所在位置的 经纬度、速度、高度、方向、时间等信息。由此可见，g p s 技术是实现车辆监控系统的最好选择。 2 2 车载台到监控中心通讯方式的设计 选择传输快捷、可靠，费用低廉，网络覆盖面广的车载台到监控中心的通讯方式，是我们的 设计目标。根据我国移动通信的现状，目前主要有v h f u h f 单信道呼叫网、集群移动通信网， g s m 移动数字通讯网可用于车辆监控系统。每种通讯方式各有特点，下面分别进行论述。 2 2 1v h f u h f 单信道呼叫网、集群移动通信网 早期g p s 车辆监控系统常用的通信方案主要有：v h f u h f 单信道呼叫网、集群移动通信网。 4 v h f ，u h f 单信道呼叫网属于早期的移动通信方式，用这种通信网实现的车辆监控系统各移动车 台可采用时分多路( t d m a ) 方式来避免不同车辆之间的相互干扰，保证移动车台与监控中心之 间的：常通信，各移动车台按照事先规定好的时隙向监控中心发送定位信息，监控中心可以将调 度命令在某一固定的时隙发送给移动台。监控系统的容量由每台车发送信息占_ l 的时间和发送信 息的频度来决定。目前一个频率点可以监控约1 2 0 台车。集群通信系统( t r u n km o b i l e r a d i o s y s t e m ) 是专用调度通信系统，是共享频率资源、分担费j j 、共享信道资源，多用途、高效能的 无线调度系统。集群移动通信系统多样化的呼叫方式如群呼，组呼等，可以加强控制中心对车辆 的调度能力。然而，基集群系统的车辆监控系统与单信道呼叫网都有相似的缺点。由于集群系 统属于专用移动通信网，因此集群网的覆盖范围一般不人，容量也不可能太大，这就限制了午辆 监控的范围，不能满足大范围车辆监控系统的需要。而且由于集群系统一般采用大区制，通信受 多径干扰以及通信盲区的问题始终不能改善，数据通信质量较著。另外，集群属于专用通讯网， 需要自己搭建整个通讯网，因此系统的前期投入必然十分庞大，这也限制了中小用户使_ l j 车辆监 控系统。因此，现在这两种通讯网，都运用比较少。更多的是采用下面将要谈到的g s m 刚。 2 2 2 基于g s m 短消息业务的车辆监控系统设计 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 ) 系统是目前基于时分多址技术的移动通信体 制中最成熟、最完善、应用最广的一种系统。我国目前已建成了覆盖全国的g s m 数字蜂窝移动 通信网，是我国公众陆地移动通信网的主要方式。它提供多种业务，主要有话音业务、短消息业 务、数据业务等，选择哪一种业务传送g p s 车辆定位数据对整个系统的性能和运行成本有很人的 关系。下面就各种的业务的优缺点，进行比较。 2 2 2 _ 1 话音业务 g s m 的最基本的业务是话音业务，根据以前在集群电台传输g p s 数据的经验，g p s 数据通 过音频调制解调器转换成3 1 k h z 音频信号，加到移动台的音频输入来实现数据传输。但由丁g s m 是数字移动通信系统，这样既不需要也不可行，首先是g s m 本来就具有数据传输能力，提供数 据业务；再者，音频调制解调器输出的告断频率一般都在2 ，0 k h z 以上，若这样的信号加在g s m 移动终端的音频接口上，大于1 3 0 0 h z 的信号将有较大的失真，从而导致接收端音频调制解调器 不能够正确解调出音频信号所携带的数据。测试表明，在话音通带上用符合c c i t tv 2 3 建议的 1 2 0 0 b i f f s 的调制解调器传输数据，其工作是不能令人满意的。而根据c c i t tv 2 1 建议( 3 0 0 b i “s ) 的话音通道传输数据，传输性能不会严重f 降，但这样的速率是不能为车辆监控系统用户所接受 的。闻此，音频调制解调器的方式不可用。 2 2 2 2 数据业务 第二种选择是数据业务，g s m 提供2 4 0 0 b p s 、4 8 0 0 b p s 、9 6 0 0 b p s 的异步数据传输能力，可用 于传输g p s 定位数据。但g s m 是公众网，其业务的使用需要通过拨号建立连接，一旦建立：连接 即需要计费。目前中国移动g s m 的最小计费时间是1 分钟，g p s 每次的定位数据不到2 0 芋竹， 采用效率为5 0 的编码方式也不到4 0 个字节，若按9 6 0 0 b p s 的速率，传输一次g p s 位置数据的 时间大约o0 4 s 。而计费按1 分钟计，加上拨号处理时延，用数据业务传输g p s 定位数据是极不 经济的，若把段时间的位置数据存储起来，当调度中心需要时一起发送到中心则是可行的。可 5 以选用g s m 的数据业务做为查询模式时的通信方案。 2 2 2 3 短消息业务 第三种是短消息业务，g s m 的短消息业务分为两种：点对点短消息业务和短消息小区广播 业务，目前短消息小区广播业务还没有开放。点对点短消息业务能够使g s m 数字移动通信网的 用户可以发出或接收长度有限( 不超过1 4 0 个字节) 的数字或文字消息，如果传送失败，被叫方 没有回答确认消息，网络- n 会保留所传的消息，一旦网络发现被叫方能被叫通时，消息能被重 发以确保被叫方准确接收。 g s m 的短消息业务利用信令通信传输，是g s m 通信网所特有的，它不_ _ f j 拨号建立连接，直 接把要发的消息加上目的地址发送到短消息中心，由短消息中心再发送给最终的信宿，短消息每 次限制在1 4 0 个字节以内，这对g p s 定位数据来讲足够了。短消息业务用于g p s 车辆监控最大 的优点在于其无需建立连接，服务费用较低，这适f 把每次定位数据随时发送到监控中心。 综上所述，我们选用g s m 的短消息业务作为g p s 车辆监控系统中车载台到监控中心的通讯 方式。 2 2 3 性能分析 移动j j 户通过g s m 网将短消息输入至s c ( 短消息中心) ，由s c 通过m s c ( 移动交换中心) 将短消息发送至指定的移动用户。移动台发送短消息至s c 和s c 将短消息发送至指定移动用户 是两个相同的信令过程，只是方向相反。其中影响流量的接口主要有两个：m s ( 移动台) 与b s s ( 基站) 之间的接口u m 接口( 无线接口) 、b s s 与m s c 之间的接口a 接口。a 接口采 用7 号信令的信号接续控制部分，其物理层连接采用p c m 一次群( 2 0 4 8 m b s ) ，而u m 接口地 信道速率是2 7 0 8 3 k b s ，每时隙信道比特率是2 2 8 k b s 。 根据以上分析，基于g s m 短消息业务的车辆监控系统的容量主要由短消息中心的处理能力 和无线信令信道的承载能力决定。短消息中心的忙时处理能力一般在每秒1 2 0 0 条信息以上( 以 大唐电信的s m c 3 0 短消息中心为例) ，容量支持1 5 0 万用户以上，消息存储时延小于1s ( 9 5 的 概率) 。 总之，基于已进行的跑车实验，可以得出结论：g s m 做为公用陆地移动通信网，具有其他 通信方式所不可比拟的优越性，它通讯范围大、容量人、提供数据业务，短消息业务经济实惠， 是车辆监控系统比较好的一种数据传输方式。 6 2 2 4g p s 和g s m 车辆监控系统通信组网方案设计 住确定了采_ jg p s 技术，以及使用g s m 网短消息业务作为通讯手段，我们就能设计山整个系 统的组成图。g p s 和g s m 集成车辆监控系统总体组成如图1 所示： 田1g p s 与g s m 集成车辆监控系统组成圈 2 3 机动车辆车载台设备功能设计简介 为了实现反劫、防盗、调度等功能，车载台除了能接收g p s 信号，解算出车辆所在位置的位 置信息以外，还必须配置相应的模块，以便实时采集车辆状态信息，并能接受监控中心的指令控 制。由此，车载台的设计可划分为三大模块：控制处理单元、g p s 模块和g s m 模块( 如图2 所 示) 。 圈2 车台结构详细枢圈 ( 1 ) 控制处理单元功能包括接收g p s 定位数据、与g s m 模块接口、控制g s m 模块自动 7 拨号和自动收发数据、收发短消息、显示车辆位置、自动人t 报警、遥控制动汽车等。报警主要 用r 车辆故障或特殊情况下( 被盗、被劫持等) 使用。报警时可报告车辆编号、状态、位置等信 息，监控中心收到报警信息后可遥控该车熄火、断油等操作致使报警车辆不能离开出事地点。 ( 2 ) g p s 模块用于接收g p s 卫星发来的信号并解算山定位信息，由控制处理单元读取、 显示、并通过g s m 模块送达监控中心。 ( 3 ) g s m 模块提供话音、短消息业务控制处理单元可以向g s m 模块发送拨号等控制命 令以完成通话、收发短消息等操作。g s m 的短消息可与通话同时进行而互不影响。 小结 本章讲述了g p s 的由来、系统组成，以及主要特点。利用g p s 接收机，我们就可以获得车 辆的实时位置、运行速度、运动方向，为车辆监控系统监控、管理车辆提供了最基本的车辆信息。 另外本章详细比较了v h f u h f 单信道呼叫网、集群移动通信网和g s m 移动通信网。以及g s m 网的话音业务、数据业务、短消息业务的优缺点，得出用短消息业务在车载台和监控中心传输数 据，具有简单、快捷、费h j 低廉等特点，并且可与通话同时进行。在第六章，还将深入论述监控 中，t l , 与g s m 网短消息中心的连接通信方式。晟后本章简要介绍了车载台的总体设计。车载台为 车辆监控系统的实现提供了硬件基础。 8 第三章车辆监控系统监控中心软件总体设计 j 辆监控系统监控中心软件的设计目标是操作方便灵活，运行可靠，系统可扩展性强。为此， 我们把监控中心软件划分成短消息派发中心、数据库服务器以及监控台三个模块。三种模块分布 运行，各司其职并密切配合，共同完成监控中心数据存储、查询、显示，指令发送，系统管理等 功能。 3 1 车辆监控中心软件拓扑结构 监控中心的总体拓扑结构如图3 所示。 蟹3 监控中心拓扑结构 监控中心软件部分，呈现一种树状拓扑结构，各模块之间通过t c p i p 通讯，构建自己的应 用层通讯协议，建立系统模块之间快速、可靠的信息传递。树状的拓扑结构中树根是监控中心 的短消息派发中心，它是与g s m 网短消息中心进行连接的唯一节点。所有短消息的进出全部经 过短消息派发中心。短消息派发中心可与若干有授权的数据库服务器相连，把从g s m 网短消息 中心接收到的短消息转发给特定的数据库服务器。每个数据库服务器也可接收若干有授权的监控 台的连接请求。数据库服务器除了存储车载台信息、操作员操作记录等信息以外，还负责把信息 转发给特定的监控台，以便在监控台上显示车辆状态信息。这样的结构设计有以f 儿个特点。 ( 1 ) 简化数据包进出监控中心的管理，尽可能复用与g s m 网短消息中心的连接 由于系统只有短消息派发中心一个短消息的出入节点。只有经过授权的数据库服务器模块才 能收发短消息数据包。通过在短消息派发中心进行相应配置，就可实现对短消息收发的控制。与 此类似在数据库服务器模块进行相应配置，就可管理监控台收发数据。另外，与g s m 网短消息 中心的专线连接，其连接容量非常大，如果所需监控的车辆数量不是很多的每个企事业单位，都 自己申请一条与g s m 网短消息中心专线连接，既增加费用，又不能充分利用连接容量。所以， 对于中小单位，可以合用一根连接专线，共用个短消息派发中心。每个单位拥有自己的数据库 服务器模块，接受属于自己单位的车辆车载台的短消息数据包。这样可以使多家单位复用一根连 接，降低了使用费用，也降低了使用车辆监控系统的门槛。 ( 2 ) 提高系统的可扩展性 9 对于这种树状的结构，系统的规模极易扩展。随着系统规模变化，只需要增减适当的数据库 服务器模块以及监控台和相应的监控台操作人员，就能满足不同规模的系统需求，并且保持系统 总体拓扑结构不变，不会增加系统维护的额外开销，也不会改变系统运行发式。 ( 3 ) 系统运行方式的灵活 监控中心各模块之间可以通过多种连接方式，或远或近地连接起来使系统实现跨地域的分 布式结构。树状的拓扑结构为在这种分布式系统结构上实现灵活的系统运行模式提供了便利。最 显著的一点就是可以在数据库之问和监控台之间，实现车辆被管辖权的动态设置。例如：一个省 的公安警车监控调度系统。其短消息派发中心可能1 ：省公安厅，各市的公安局建立一个数据库服 务器模块，与省厅的短消息派发中一t 5 相连，接收其管辖的车辆信息。每个数据库服务器管辖特定 范围的车辆。每辆车都由特定的数据库服务器管辖。这种车辆和数据库服务器的对应关系称之为 静态或固定对应关系。假如一辆车进入了另一个城市，需要这个的城市的监控台帮助监控。就可 以动态添加临时委托另一个城市的数据库服务器同时监控这辆车的设置到短消息派发中心。短消 息派发中心就能把这辆车的信息同时发向拥有其固定和临时管辖权的数据库服务器模块。另外， 在一个数据库服务器范用内的监控台之间也能实现类似的功能。这项功能为人规模g p s 车辆监控 系统箨子单位之间协同1 ：作，提供了实现条件。 3 2 监控中心各模块之间通讯功能简介 为了确保传输的可靠性、稳定性，本系统软件部分各模块之间采用t c p i p 通讯方式。在短 消息派发中心与数据库服务器之间，短消息派发中心是服务端，数据库服务器是客户端。数据库 服务器与监控台之间，数据库服务器是服务端，监控台是客户端。在t c p i p 协议之上是我们定 义的应用层协议，用于完成系统的各项功能。 由于t c p i p 是非消息边界保护的通讯协议。所以在设计时，在每个数据包都加上了数据包 起始或终止信息，并在接受数据端维护一个环形接收缓冲区。专门用一个线程负责接收数据，收 到的数据包放入环形接收缓冲区，同时，另外个线程不停地分析、处理缓冲区的数据。这是整 个程序通讯功能的实现结构。数据包的总体结构如下： j h e a d e rg s ( 2 字节) s i z e 数据长度s h o r t i n t ( 2 字节) i c o m m a n d t y p e 数据包类型 b y t e ( 1 字节) l 数据体 ( s i z e 一6 1 字节 数据结尾( 】字节) 异或和c h e c k s u m 在这个数据包结构的基础上，定义许多种不同的、以完成系统各种功能的数据包。每个数据 包以网络字节顺序发送，为以后跨平台传输数据打f 基础。不周的数据包，就是不同的网络指令。 这些指令可分为两类，一类是在模块之间传递数据，比如g p s 车辆位置信息、监控台发向车载台 的指令信息。另一类是在模块之间维护模块状态的信息，包括改变和设置短消息派发中心、数据 库服务器转发数据包的设置。 3 3 监控中心系统初始化和运行操作 1 系统初始化 系统运行之初，要进行相应的初始化工作，完成系统的初始化设置。 ( 1 ) 、短消息派发中心 1 0 短消息派发中心的初始化，是配置所连接的数据库服务器模块的i d 号、名称。以便数据库 服务器模块登录短消息派发中心时，进行身份认证。 ( 2 ) 、数据库服务器模块 数据库服务器模块的初始化比较复杂。首先要配置所连接的监控台的i d 号、名称等，还有 操作员i d 、密码等信息。用丁二监控台和操作员登录时，进行身份认证。另外，最重要的，是进行 车载台信息设置。包括车载台i d 、司机姓名等等，还有这个车载台归属哪个监控台同定管辖。这 些信息在监控台和短消息派发中心都不_ 【 j 进行手工配置，而是从数据库服务器模块向监控台和短 消息派发中心同步传送。数据库服务器模块向短消息派发中心传送的车载台的信息，在短消息派 发中心处形成车载台和数据库服务器模块的固定、静态的对应关系。数据库服务器模块传向监控 台的车载台信息，在监控台处形成监控台所管辖的车载台的信息列表。 至此，系统的初始化工作已经完成。短消息派发中心、数据库服务器模块都能分别接收数据 库服务器模块、监控台的登录请求，与它们建立t c p 连接。并且车载台发送回来的短消息，也能 根据系统设定，发给特定的数据库服务器模块和监控台。 2 运行操作 ( 1 ) 、默认情况下，所有车辆都不被监控台监控，只有当监控台对其管辖的车辆申请监控时， 才被监控。在被监控的情况下，与其有关的信息会被发送至该监控台，否则这些信息只存放在服 务器，并不发送至监控台。除非接收到的是报警信息、响应查询信息、请求发送当前地图消息、 应答或拒绝调度信息。在接收到报警信息后，马上设置该车辆为被监控状态，并发送信息至相应 的监控台。在接收到响戍查询信息、请求发送当前地图消息、应答或拒绝调度信息后，将这些信 息发送至监控台，但并不改变该车辆的监控状态。 ( 2 ) 、监控台可向别的数据库服务器或同一数据库服务器f 的其他监控台赋予临时监控其吲 定监控的车辆的权力。也可以取消这个权力。这一功能的实现，极大的丰富了系统的操作方式。 小结 软件拓扑结构的设计，是软件开发的第一步，它决定了软件最终的运行方式，也决定该软件 的适用范围。由于我们监控系统的实际目标是适应多种规模多种情况的运行环境，所以，选择树 状结构的拓扑设计，应该是最好的解决方案。当然这样的结构设计，也给软件的实现带来一+ 定的 难度，比如，树状分布式的数据库必须解决好系统相关数据的同步问题，各模块之间的信息传递 必须高效、可靠，等等这些功能的实现都需要设计很好的应用层通讯协议。 本章从总体上介绍了监控中心的软件设计和实现，以及软件的初始化和运行操作。接f 来儿 章将重点介绍几项监控中心用到的关键技术，包括监控中心与g s m 网短消息中心的连接技术， g i s 技术。 第四章监控中心与g s u 网的连接技术 监控中心与g s m 网的短消息中心的连接技术，归纳起来可以分为两类：一类是专线连接方 式，二类是无线m o d e m 池方式。其中专线连接方式又可分为采用s m p p 协议和中国移动梦网计 戈0c m p p 协议两种方式。无线m o d e m 方式，就是使用标准的a t 指令驱动m o d e m ，与m o d e m 进行串口通讯。下面重点介缁s m p p 和c m p p 。 4 1s i i p p 协议 短消息协议s m p p ( s h o r tm e s s a g ep e e rt op e e rp r o t o c 0 1 ) 是一种开放的，工业标准协议。该 协议的没计，为短消息中心和各种短消息应用系统之间的短消息传输，提供了一个灵活的通讯接 口，短消息应用系统包括w a p 代理服务器、e m a i l 网关、以及其他短消息网关等。当然，我们的 监控中心，也可以归在短消息应用系统里。s m p pr e l e a s ev 3 4 支持的数字蜂窝通讯网包括： g s m i s 一9 5 ( c d m a 、 a n s i - 1 3 6 ( t d m a ) i d e n 使用s m p p 协议，一个短消息应_ h = j 系统( e s m e ，e x e r n a ls h o r t m e s s a g ee n t i t y ) ，例如，我们 的监控中心，可以通过t c p i p 或x 2 s 网络，与短消息中心建立应用层的连接，并与短消息中心 米网发送和接收短消息。短消息应用系统也可以运用s m p p 协议，向短消息中心发送孚 种指令， 实现查询、取消、替换短消息的操作。 s m p p 支持一套完整的双向消息通讯功能： 外部短消息应用系统( e s m e ) ，通过s m s c ( 短消息中心) 向单个或多个目标发送短消息。 e s m e 通过s m s c 接收移动台发来的短消息 查询存储在s m s c 上的短消息的状态 发送注册短消息( 对这种短消息，s m s c 会返同“发送已接受”戍答给发消息者) 安排消息发送的日期和时间 选择消息类型，例如：数据报和存储转发 设置短消息的发送优先级 定义短消息的数据编码类型 没置短消息的有效时间 把种服务类型，例如语音邮箱，和每一条短消息联系起来 下图是s m p p 和e s m e ，以及移动通讯网、移动台之间的关系示意图： 睦苎竺p s m s c 际币 i 控中心1 1 7 图4 在移动通讯网中，s m p p 的地位 1 2 s m p p 详细定义了完成s m p p 与s m s c 交互所需的每一种命令类型，以及每一种命令数据包 的格式。我们只需要遵循这些规定，编制自己的监控中心与s m s c 的连接接口程序，就能实现通 过专线，从s m s c 接收车载台发送来的短消息，也能向s m s c 发送短消息，s m s c 再转发剑指定 下载台。 4 2 中国移动通信信息资源站实体与互联网短消息网关接口协议( i j p p ) s m p p 协议提供了通过专线直接与移动通讯网的短消息中心交互的接口。任何使用s m p p 的 用户，必须申请一条与短消息中心的专线连接。在互联网大行其道的今大，如果能利用互联网连 接通道与短消息中心交互，将极大地方便对短消息这种通讯形式的应用。c m p p 止是中国移动通 信公司为了使人们利用互联网使用短消息而定制的协议，该协议规定了信息资源站实体与互联网 短消息网关的应用层接口协议。 圈5 c m p p 的同络结构圈 互联网s c 业务中心即i s m g ( i n t e r n e ts h o r tm e s s a g eg a t e w a y 互联网短消息网关) 记录了 全网的s m c ( s h o r tm e s s a g ec e n t e r 短消息中心) 的位置，要求i c p 的功能实体向i s m g 发 c m p ps u b m i t 消息( 提交短消息) ，由i s m g 将消息转发到某s m c 上。同时，s m c 也可向i s m g 发送短消息，由i s m g 发送给相应的i c p 。维护管理中心对1 s m g 进行管理。 c m p p 协议以t c p i p 作为底层通信承载。在有较高的安全性需要时，可选_ l jt l s 层进行安全 传输。 i c p 与i s m g 之间进行信息交互时，可以采用k = 连接方式，也可以采用短连接方式。所谓k 迎接，指在一个连接上可以连续发送多个数据包，然后断开连接，在连接保持期间，如果没有数 据包发送，需要双方发链路检测包。短连接是指通讯双方有数据交互时，就建立一个连接，数据 发送完成后，则断开此连接，即每次连接只完成一项业务的发送。短信网关之间前转时要求每条 消息都要有状态报告。当向用户发送信息发生错误时，网关应向i c p 发送错误状态报告。 利用c m p p ，我们的g p s 车辆监控中心，就可以利用自己连接互联网的通路，实现短消息的 传递。 小结： 本章介绍了s m p p 和c m p p 两种与移动通讯网短消息业务通讯的接口协议。协议的具体内容 和数据包的详细格式，可查阅相关协议文档，在此就不一一列举。 1 4 第五章监控台g i s 功能实现基本原理和g l s 开发方法的选择 5 1g l s 概述 普通信息管理系统( m i s ) 的数据库基本都是一种二维表，它们的行和列是按一定关系组织 的，所以又叫关系数据库。如果这些数据库包含地图位嚣信息，使用这种数据管理系统，就不能 在一幅图上直观、一目了然地反映数据之间的关系。另外，能够保存图形信息的软件也不少，例 如a u t o c a d 。利片= | 这些软件可以把数据信息中包含的位置准确地标绘到图上，甚至可以标上各种 标注。但要把人量的数据属性资料都表示到图上就困难了，更不用说进行各种查询和统计计算了。 在现实生活中，相当多的对象，例如河流、城镇、建筑物、矿井、采区等，具有地理或空间 位置属性。管理这类对象，用数据库不能直观地反跌其位置关系。用c a d 之类图形软什义不能充 分反映出它们的其他诸如河流的长度、宽度、深度、水质等属性内容。 有一种能把图形管理系统和数据管理系统有机地结合起来的信息技术，它不但克服了数据库 和图形系统各自崮有的局限性，而且使_ 二者的优势强强联合，优势更加突山，功能倍增。这就是 地理信息系统( g e o g r a p h i ci n f o r m a t i o ns y s t e m ，g i s ) 。 g p s 车辆监控系统监控台软件就是利用g i s 技术，把车辆位置和相关状态信启、显示在矢量电 子地图上，为车辆的管理和控制提供可视化的操作手段。再附以与有关系统( 如1 1 0 报警) 的自 动或手动的连接，就可实现高度现代化的、智能化的车辆综合管理和控制功能。 g i s 是监控台软件的核心功能，它是实现其他功能的基础。所以g i s 模块的开发方式平开发 进度的选择、安排，关系到整个车辆监控系统软件部分的实现。因此下面以g i s 的实现方法的讨 论为这一章的重点。至于监控台的其他功能，都可由g i s 进行扩充而得到。 5 2g l s 系统的开发 5 2 1g l f i 系统的专业开发工具 在g i s 系统的发展过程中，目前己出现了大量的g i s 系统的专业开发【：具。从这些专业开发 i 具的组成结构上，可以归纳为以下几种主要类别：集成式g s 、模块化g i s 、组件式g i s 。这些 开发i 具的优点：较高的开发平台。各种g i s 系统专业开发丁具一般提供了强人的数据输入输出 功能、空间分析功能、良好的图形平台、巨大的存储容量，可以在较高的起点上进行g i s 系统的 组织开发r 作，开发的系统性能和可靠性好，简单易学。缺点是：可扩展性著。较为庞大、软硬 件要求高。没有系统的版权。 5 2 2 自主开发g i l t 系统 灵活性是利用自主开发g i s 系统的最大优点。应用c + + 等语言开发g i s 系统时，囚为系统的 所有流程和数据都可以在设计者的控制一f ，可以根据系统的具体要求实现具体的操作功能，在一 些6 i s ( 特别是在一些小型或并非以传统的g i s 功能为主的) 系统开发时，具有无可比拟的优势。 它可以根据系