ITS系统中GPRS智能移动终端的设计

2019-11-03 09:25:23

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供稿：网友

李云, 杨玉峰, 梅顺良
清华大学微波与数字通信国家重点实验室

　　摘　要：智能交通系统(ITS)被国际社会广泛认为是21世纪影响全世界人民生活和经济发展的重要产业之一。文中首先介绍了ITS的发展和现状，然后重点阐述了基于GPRS传输网络的智能移动终端，并且提出了一种相应的硬件设计和软件实现方法。试验表明，该终端能够成功地完成汽车的定位与监控等功能。

　　关键词：智能交通系统; 智能移动终端; GPRS网络; GPS/ GLONASS接收机

一、引言

　　智能交通系统(ITS,即Intelligent Transport System）是指将先进的通信技术、自动控制技术、计算机技术等高新技术综合地运用于整个交通管理体系、从而建立起一种全方位发挥作用的交通综合管理和控制系统。上世纪60年代末，美国开始ITS方面的研究，之后，欧洲、日本等也相继加入这一行列。经过30多年的发展，美国、欧洲、日本成为世界ITS研究的三大基地。事实证明，ITS可以大幅度提高交通网络的运行效率，是解决交通拥挤最经济有效的办法。它蕴涵着巨大的社会与经济效益，是目前世界各国交通领域竞相研究和开发的热点。

　　我国的ITS研究起步较晚，但ITS理论研究与技术产品的开发也正在紧随国际智能交通技术发展的步伐。基于我国城市人口密度大、自行车与汽车拥有比例高的现状，现阶段在引进和应用国外ITS的先进科技成果的同时，应积极开发适合我国国情的ITS,使路网逐步实现智能化。

　　本文提出的智能移动终端是ITS系统中的重要组成部分。该终端以先进的GPRS为传输网络，双核CPU为微控制器，集卫星定位、报警、监控、图像传输等多项功能为一体。本文给出了该终端的硬件设计和软件实现方法。

二、传输方案的选择

　　移动终端数据的无线传输方式主要有3种：常规无线电台通信系统、专用集群电台通信系统及利用GSM移动网通信系统。前2种方式都因为存在覆盖范围有限、建网成本高、频率资源匮乏等缺点而不能广泛推广。利用GSM移动网作为传输方式不用专门构建传输网，大大降低了成本，而且系统扩容方便，覆盖范围广，是目前移动终端传输方式的首选方案。利用GSM公网为通信系统也有3种传输方式：语音通道、短消息和高速数据通道GPRS。利用语音通道传输存在着运营费用高、建链时间长等缺点。目前的移动终端大多采用GSM短消息方式传输数据信息，这种传输方式延时大，平均延时为5.5s，这样的延时将引入不容忽视的误差。假设车的时速为150 km/h，则5.5 s后汽车已驶出229 m，这还不包括卫星的误差和系统本身的延时。实践证明，基于GSM短消息传输方式的移动终端存在着不可克服的缺陷。

　　GPRS(General Packet Radio Service，通用分组无线业务)［1］是一种采用分组交换的高效率数据传输方式。它克服了GSM中电路交换速率低、资源利用率差等缺点，最大限度地利用了现有的GSM网络资源，提高了传输速率，而且接入时间短，支持ip和X.25协议。GPRS网络采用4种不同的QoS，对不同的服务有不同的优先级、可靠性和延迟标准，还有它“永远在线、按流量计费”的优点，使它成为现在移动通信增值应用服务的一个亮点。GSM网络的数据传输速率低于9.6 kbps，这样的速率要进行图像传输是相当困难的，GPRS网络理论上最大可以提供171.2 kbps的传输速率，在大多数城市，GPRS服务可以提供40~50 kbps的传输速率，这就使无线图像传输成为可能。相对于短消息方式来说，GPRS服务既提高了质量，又降低了运营费用。智能移动终端与ITS控制中心之间的通信突发性较强、使用频繁而且每次数据量较小，所以使用GPRS网络作为其传输载体是目前最佳的解决方案。

三、智能移动终端的设计

1．终端的功能描述

　　智能移动终端是ITS系统的“传感器”，它安装在汽车上，将汽车、驾驶员和ITS控制中心有机的结合起来，实现相互之间的联系、控制与调度。其主要功能为：车辆定位；车辆监控；语音调度；与ITS中心通信；显示调度及诱导信息；车辆报警；车辆图像监控；汽车熄火控制等。智能移动终端操作简单，功能强大，能够充分满足各种车辆监控管理系统的使用要求。

2．终端的硬件设计

　　智能移动终端的系统结构框图见图1，主要由微控制器、GPS/GLONASS接收模块、GPRS模块、图像压缩与编码、LCD显示等部分组成。其核心器件选用的是功能高度集成的双CPU处理器TMS320VC5470［2］，它集成了一个基于TMS320C54x核的DSP子系统和一个基于ARM7TDMI核的RISC（精简指令集处理器）微处理器子系统。DSP包括72 K×16位的SRAM，一个定时器，一个DMA控制器，一个外存储器接口和2个多通道缓冲串口；RISC包括3个定时器、通用I/O口、SPI口、UART口和一个外存储器接口。在终端设计时，DSP主要负责图像和语音信号的处理，RISC则负责终端的管理、命令、控制以及与使用者界面等功能，这样让两个处理器充分发挥它们各自的优势，加快了终端的处理速度。图2为关键部分硬件连线图，GPRS模块连接于RISC的UART口，采用硬件流控以减轻RISC软件的负担，UART口可以自动支持1 200~115.2 kbps的速率。RISC还有一个UART/IRDA接口，将它设为UART模式，用来接收和控制卫星接收模块。

　　GPRS模块由GSM基带处理器、GSM射频、Flash存储器、SRAM存储器、电源控制器、天线连接器等部分组成。它通过UART串口与RISC进行数据通讯，RISC向GPRS模块发AT指令控制GPRS模块的工作状态。GPRS模块将信号通过GPRS/GSM网络传送至ITS中心，并接收中心发来的数据转给RISC处理。GPRS模块的速率是与GPRS网络有关，所以与之接口的UART模式采用自动波特率方式，以适应外部网络的变化。

　　卫星导航模块选用GPS+GLONASS接收机GG16,它能同时接收GPS（全球卫星定位系统）和GLONASS（全球卫星导航系统）两个系统的卫星星历数据，通道分配可根据需要进行设定。双卫星系统接收机由于同时接收两套导航系统的卫星信号，可使观测时间更短、定位精度更高、定位结果更可靠，而且在一定程度上摆脱了对GPS卫星系统的完全依赖。使用这种接收机，平面定位精度小于10 m。设置接收机的数据以NMEA 0183格式输出，波特率固定为4 800 bps。

　　图像监控时，从数码摄像机接收未压缩的数字视频信号，经小波变换、帧抽取、系数量化、游程编码和哈夫曼编码，产生压缩后的数据流，送入集成于ADV612［3］片内的32位FIFO缓冲区，一旦FIFO的数据量达到在寄存器里的预置值时，则向DSP发出中断请求信号，从它与主处理器的接口输出压缩数据比特流，压缩后的图像信号经GPRS模块传给ITS中心，中心将图像信号解压缩、反量化后恢复在屏幕上。图像压缩采用AD公司生产的小波变换图像压缩芯片ADV612，它支持对CCIR601数字视频进行高质量的实时压缩/解压缩，压缩比从无损压缩的4∶1到7 500∶1，如果以正常压缩比60∶1来算，同样一幅图像（600KB）可以压缩到10 KB以下。而且，ADV612具有硬件减帧功能，由模式控制器2来设置完成，车内摄像，图像变化不是很频繁，启用ADV612的硬件减帧功能可进一步提高图像序列压缩比。

3．智能移动终端的软件设计

　　由于移动智能终端功能强大，所以其软件系统相对复杂。终端主要有以下几种状态：

　　(1)自定位状态：接收GPS定位信息并将相应的信息显示；

　　(2)拨号、通话状态：有拨号操作时，控制GSM/GPRS模块执行相应的操作，同时有相应的显示，此时自定位状态仍然有效；

　　(3)跟踪状态：在自定位状态下，定时向中心传送定位等信息；

　　(4)报警状态：进入跟踪监控状态，中心启动图像监控，开启终端的数码摄像机，将车内图像信息传给中心;

　　(5)接收状态：接收中心发来的天气、路况、最佳路径等信息并显示。

　　由上可见，终端状态间的切换由中心的命令或驾驶员对其的操作进行控制。程序使用Hitool IDE集成开发环境，JEDI实时在线仿真器，在uClinux嵌入式操作系统上完成程序开发。程序设计时采用模块化设计，主要模块有液晶显示模块、GPRS发数据模块、GPRS收数据模块、GPS数据模块、报警处理模块、键盘输入模块等。其中GPRS收数据模块、GPS数据处理模块和报警处理模块为中断处理程序。

　　DSP要完成的主要任务为：计算ADV612进行量化所需的量化因子，进而控制ADV612进行自适应量化；计算小波图像分解最小亮度块的像素平方和，判断当前场景的变化情况，指导ADV612进行硬件减帧显示。图像传输时数据量比较大，而GPRS传输采用UDP协议（用户数据报协议），它限定每次发送的数据包最大不能超过8 192字节，而一帧压缩的图像数据往往超过这一限定。为解决这一问题，开辟一缓存区，足够装下一帧压缩数据，每两千字节分为一个数据包，每个数据包前面加上顺序号、时间等信息，分组发送，在接收方再顺序恢复。

　　程序调试时先单独调试MCU，这由VC5470在TRST的上升沿取样EMU1和EMU0引脚的值来决定仿真模式，当EMU1和EMU0同为零时（在TRST的上升沿），只有ARM7TDMIE RISC在仿真链上。RISC程序调试通过后再与DSP程序联调。DSP采用API引导方式，由RISC直接控制DSP在复位状态，并使能API引导方式，由API口装载DSP引导码。装载成功后，RISC从复位状态释放DSP，DSP开始执行程序。

四、结束语

　　本文提出的基于GPRS的智能移动终端不仅能很好地实现定位、跟踪、报警、与中心的数据通信和语音通信等功能，ITS控制中心还可根据当时路况对其进行交通诱导，必要时还能实现图像监控。该设计代表了智能移动终端今后的发展方向。

参考文献

［1］钟章队，蒋文怡，李红军，等.GPRS通用分组无线业务［M］. 北京：人民邮电出版社，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　电讯技术

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