ITS系統中GPRS智能移動終端的設計

2019-11-03 09:25:23

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供稿：網友

李云, 楊玉峰, 梅順良
清華大學微波與數字通信國家重點實驗室

　　摘　要：智能交通系統(ITS)被國際社會廣泛認為是21世紀影響全世界人民生活和經濟發展的重要產業之一。文中首先介紹了ITS的發展和現狀，然后重點闡述了基于GPRS傳輸網絡的智能移動終端，并且提出了一種相應的硬件設計和軟件實現方法。試驗表明，該終端能夠成功地完成汽車的定位與監控等功能。

　　關鍵詞：智能交通系統; 智能移動終端; GPRS網絡; GPS/ GLONASS接收機

一、引言

　　智能交通系統(ITS,即Intelligent Transport System）是指將先進的通信技術、自動控制技術、計算機技術等高新技術綜合地運用于整個交通管理體系、從而建立起一種全方位發揮作用的交通綜合管理和控制系統。上世紀60年代末，美國開始ITS方面的研究，之后，歐洲、日本等也相繼加入這一行列。經過30多年的發展，美國、歐洲、日本成為世界ITS研究的三大基地。事實證明，ITS可以大幅度提高交通網絡的運行效率，是解決交通擁擠最經濟有效的辦法。它蘊涵著巨大的社會與經濟效益，是目前世界各國交通領域競相研究和開發的熱點。

　　我國的ITS研究起步較晚，但ITS理論研究與技術產品的開發也正在緊隨國際智能交通技術發展的步伐。基于我國城市人口密度大、自行車與汽車擁有比例高的現狀，現階段在引進和應用國外ITS的先進科技成果的同時，應積極開發適合我國國情的ITS,使路網逐步實現智能化。

　　本文提出的智能移動終端是ITS系統中的重要組成部分。該終端以先進的GPRS為傳輸網絡，雙核CPU為微控制器，集衛星定位、報警、監控、圖像傳輸等多項功能為一體。本文給出了該終端的硬件設計和軟件實現方法。

二、傳輸方案的選擇

　　移動終端數據的無線傳輸方式主要有3種：常規無線電臺通信系統、專用集群電臺通信系統及利用GSM移動網通信系統。前2種方式都因為存在覆蓋范圍有限、建網成本高、頻率資源匱乏等缺點而不能廣泛推廣。利用GSM移動網作為傳輸方式不用專門構建傳輸網，大大降低了成本，而且系統擴容方便，覆蓋范圍廣，是目前移動終端傳輸方式的首選方案。利用GSM公網為通信系統也有3種傳輸方式：語音通道、短消息和高速數據通道GPRS。利用語音通道傳輸存在著運營費用高、建鏈時間長等缺點。目前的移動終端大多采用GSM短消息方式傳輸數據信息，這種傳輸方式延時大，平均延時為5.5s，這樣的延時將引入不容忽視的誤差。假設車的時速為150 km/h，則5.5 s后汽車已駛出229 m，這還不包括衛星的誤差和系統本身的延時。實踐證明，基于GSM短消息傳輸方式的移動終端存在著不可克服的缺陷。

　　GPRS(General Packet Radio Service，通用分組無線業務)［1］是一種采用分組交換的高效率數據傳輸方式。它克服了GSM中電路交換速率低、資源利用率差等缺點，最大限度地利用了現有的GSM網絡資源，提高了傳輸速率，而且接入時間短，支持ip和X.25協議。GPRS網絡采用4種不同的QoS，對不同的服務有不同的優先級、可靠性和延遲標準，還有它“永遠在線、按流量計費”的優點，使它成為現在移動通信增值應用服務的一個亮點。GSM網絡的數據傳輸速率低于9.6 kbps，這樣的速率要進行圖像傳輸是相當困難的，GPRS網絡理論上最大可以提供171.2 kbps的傳輸速率，在大多數城市，GPRS服務可以提供40~50 kbps的傳輸速率，這就使無線圖像傳輸成為可能。相對于短消息方式來說，GPRS服務既提高了質量，又降低了運營費用。智能移動終端與ITS控制中心之間的通信突發性較強、使用頻繁而且每次數據量較小，所以使用GPRS網絡作為其傳輸載體是目前最佳的解決方案。

三、智能移動終端的設計

1．終端的功能描述

　　智能移動終端是ITS系統的“傳感器”，它安裝在汽車上，將汽車、駕駛員和ITS控制中心有機的結合起來，實現相互之間的聯系、控制與調度。其主要功能為：車輛定位；車輛監控；語音調度；與ITS中心通信；顯示調度及誘導信息；車輛報警；車輛圖像監控；汽車熄火控制等。智能移動終端操作簡單，功能強大，能夠充分滿足各種車輛監控管理系統的使用要求。

2．終端的硬件設計

　　智能移動終端的系統結構框圖見圖1，主要由微控制器、GPS/GLONASS接收模塊、GPRS模塊、圖像壓縮與編碼、LCD顯示等部分組成。其核心器件選用的是功能高度集成的雙CPU處理器TMS320VC5470［2］，它集成了一個基于TMS320C54x核的DSP子系統和一個基于ARM7TDMI核的RISC（精簡指令集處理器）微處理器子系統。DSP包括72 K×16位的SRAM，一個定時器，一個DMA控制器，一個外存儲器接口和2個多通道緩沖串口；RISC包括3個定時器、通用I/O口、SPI口、UART口和一個外存儲器接口。在終端設計時，DSP主要負責圖像和語音信號的處理，RISC則負責終端的管理、命令、控制以及與使用者界面等功能，這樣讓兩個處理器充分發揮它們各自的優勢，加快了終端的處理速度。圖2為關鍵部分硬件連線圖，GPRS模塊連接于RISC的UART口，采用硬件流控以減輕RISC軟件的負擔，UART口可以自動支持1 200~115.2 kbps的速率。RISC還有一個UART/IRDA接口，將它設為UART模式，用來接收和控制衛星接收模塊。

　　GPRS模塊由GSM基帶處理器、GSM射頻、Flash存儲器、SRAM存儲器、電源控制器、天線連接器等部分組成。它通過UART串口與RISC進行數據通訊，RISC向GPRS模塊發AT指令控制GPRS模塊的工作狀態。GPRS模塊將信號通過GPRS/GSM網絡傳送至ITS中心，并接收中心發來的數據轉給RISC處理。GPRS模塊的速率是與GPRS網絡有關，所以與之接口的UART模式采用自動波特率方式，以適應外部網絡的變化。

　　衛星導航模塊選用GPS+GLONASS接收機GG16,它能同時接收GPS（全球衛星定位系統）和GLONASS（全球衛星導航系統）兩個系統的衛星星歷數據，通道分配可根據需要進行設定。雙衛星系統接收機由于同時接收兩套導航系統的衛星信號，可使觀測時間更短、定位精度更高、定位結果更可靠，而且在一定程度上擺脫了對GPS衛星系統的完全依賴。使用這種接收機，平面定位精度小于10 m。設置接收機的數據以NMEA 0183格式輸出，波特率固定為4 800 bps。

　　圖像監控時，從數碼攝像機接收未壓縮的數字視頻信號，經小波變換、幀抽取、系數量化、游程編碼和哈夫曼編碼，產生壓縮后的數據流，送入集成于ADV612［3］片內的32位FIFO緩沖區，一旦FIFO的數據量達到在寄存器里的預置值時，則向DSP發出中斷請求信號，從它與主處理器的接口輸出壓縮數據比特流，壓縮后的圖像信號經GPRS模塊傳給ITS中心，中心將圖像信號解壓縮、反量化后恢復在屏幕上。圖像壓縮采用AD公司生產的小波變換圖像壓縮芯片ADV612，它支持對CCIR601數字視頻進行高質量的實時壓縮/解壓縮，壓縮比從無損壓縮的4∶1到7 500∶1，如果以正常壓縮比60∶1來算，同樣一幅圖像（600KB）可以壓縮到10 KB以下。而且，ADV612具有硬件減幀功能，由模式控制器2來設置完成，車內攝像，圖像變化不是很頻繁，啟用ADV612的硬件減幀功能可進一步提高圖像序列壓縮比。

3．智能移動終端的軟件設計

　　由于移動智能終端功能強大，所以其軟件系統相對復雜。終端主要有以下幾種狀態：

　　(1)自定位狀態：接收GPS定位信息并將相應的信息顯示；

　　(2)撥號、通話狀態：有撥號操作時，控制GSM/GPRS模塊執行相應的操作，同時有相應的顯示，此時自定位狀態仍然有效；

　　(3)跟蹤狀態：在自定位狀態下，定時向中心傳送定位等信息；

　　(4)報警狀態：進入跟蹤監控狀態，中心啟動圖像監控，開啟終端的數碼攝像機，將車內圖像信息傳給中心;

　　(5)接收狀態：接收中心發來的天氣、路況、最佳路徑等信息并顯示。

　　由上可見，終端狀態間的切換由中心的命令或駕駛員對其的操作進行控制。程序使用Hitool IDE集成開發環境，JEDI實時在線仿真器，在uClinux嵌入式操作系統上完成程序開發。程序設計時采用模塊化設計，主要模塊有液晶顯示模塊、GPRS發數據模塊、GPRS收數據模塊、GPS數據模塊、報警處理模塊、鍵盤輸入模塊等。其中GPRS收數據模塊、GPS數據處理模塊和報警處理模塊為中斷處理程序。

　　DSP要完成的主要任務為：計算ADV612進行量化所需的量化因子，進而控制ADV612進行自適應量化；計算小波圖像分解最小亮度塊的像素平方和，判斷當前場景的變化情況，指導ADV612進行硬件減幀顯示。圖像傳輸時數據量比較大，而GPRS傳輸采用UDP協議（用戶數據報協議），它限定每次發送的數據包最大不能超過8 192字節，而一幀壓縮的圖像數據往往超過這一限定。為解決這一問題，開辟一緩存區，足夠裝下一幀壓縮數據，每兩千字節分為一個數據包，每個數據包前面加上順序號、時間等信息，分組發送，在接收方再順序恢復。

　　程序調試時先單獨調試MCU，這由VC5470在TRST的上升沿取樣EMU1和EMU0引腳的值來決定仿真模式，當EMU1和EMU0同為零時（在TRST的上升沿），只有ARM7TDMIE RISC在仿真鏈上。RISC程序調試通過后再與DSP程序聯調。DSP采用API引導方式，由RISC直接控制DSP在復位狀態，并使能API引導方式，由API口裝載DSP引導碼。裝載成功后，RISC從復位狀態釋放DSP，DSP開始執行程序。

四、結束語

　　本文提出的基于GPRS的智能移動終端不僅能很好地實現定位、跟蹤、報警、與中心的數據通信和語音通信等功能，ITS控制中心還可根據當時路況對其進行交通誘導，必要時還能實現圖像監控。該設計代表了智能移動終端今后的發展方向。

參考文獻

［1］鐘章隊，蔣文怡，李紅軍，等.GPRS通用分組無線業務［M］. 北京：人民郵電出版社，2001

［2］Texas Instruments Incorporated.TMS320VC5470 Fixed-Point Digital Signal Processor Data Manual［Z／OL］. http://focus.ti.com，2002-12

［3］ANALOG DEVICES INCORPORATEDClosed circuit TV digital video code ADV611/ADV612 ［Z／OL］. http://www.analog.com，2002-06.

摘自　電訊技術

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