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基于北斗二號和GPRS的物資運輸監控系統

2017.08.01 , 瀏覽次數: 4964

       根據實際需求,提出了物資監控系統應具有的功能。介紹了北斗二號的定位原理和GPRS通信原理,在此基礎上對監控系統的監控中心和終端機進行了設計。文中設計的物資運輸監控系統具有定位精確、價格低廉、簡單實用的優點,在物資運輸監控領域具有廣范的應用空間。
       1 系統功能
       1.1 物資監控和管理
       系統可以對物資的位置、速度、方位、狀態進行監控,對物資的出入庫、運輸過程、運達情況、消耗情況進行全程掌握。系統管理平臺設置有各類動態和靜態信息數據庫,終端機上報的位置信息由管理平臺進行存儲,用戶可根據地圖、時間段、回放速度對運輸物資車輛的行駛軌跡進行回放。車輛的歷史軌跡包含了時間、地點等多種信息、為事后的數據分析和物資管理以及新物資運輸方案的制定提供了有力支持。
       1.2 運輸定位和導航
       系統終端機接收北斗衛星信號,獲得物資實時位置,并向監控中心發送位置、行駛速度、方向和狀態數據,從而在物資監控中心得知所運物資的動態。利用北斗衛星定位導航系統對運輸物資的車輛提供導航服務,同時物資監控中心根據道路通行情況,為車輛選擇最佳的運輸路線,及時掌握道路損毀和通行情況,根據需要隨時調整運輸路線,保證運輸任務順利完成。
       1.3 安全防范
 物資遇到危險或緊急情況后,可以觸動車內的報警開關,終端機立即報告車輛的位置、速度、狀態等,并發出報警信號,監控中心彈出報警幕,以紅色警示提醒值班人員運輸物資遇險。系統平臺自動顯示求救物資的信息,可根據指令打開單向語音監聽裝置。求助狀態可由系統平臺解除。對運輸特殊物資的車輛可設置限制速度、溫濕度、車輛傾斜度等特殊條件。一旦超過限速設置,終端會向用戶監管中心自動報警,車上有聲音提示,監控中心人員也會提示該物資出現危險報警。車輛在執行任務前,可以根據需要,指定行駛區域或路線。當車輛行駛中偏離區域或路線時,監控軟件會發出警報,管理人員就會及時通知車輛及時糾正。物資在運輸前,可以根據需要,對車輛開門的時間或地點進行設置。在車輛未按規定開門時,車載終端將發出報警。
       1.4 電子地圖功能
       可對當前地圖進行放大與縮小操作,以便了解整個地區的總體情況和某個區域的詳細情況。電子地圖對不同的地物具有不同的編碼,在地圖上以其特定的方式和顏色顯示,值班員可以根據愛好和需要自行配置顯示方案。地圖上可以顯示路名、建筑物名稱等標注信息,值班員可以根據需要隱藏或顯示標注。電子地圖在移動時,路名可以動態顯示位置,保證路名處于可見狀態。電子地圖在縮放時,相鄰標注可以自動避讓,保證注記不被壓蓋。可進行地理位置、建筑物的查詢,以及該位置附件空車、重車、所有車輛的查詢。
       2“北斗二號”和GPRS原理
       2.1 北斗二號定位原理
       北斗二號衛星定位系統是我國獨立研制的新一代衛星導航系統,該系統于2004年開始建設。在體制上北斗二號衛星和美國的GPS、俄國的Glonass和歐盟建設中的Galileo一樣,同屬于RNSS(Radio Navigation Satellite System)。
       “北斗二號”導航定位系統通過測量衛星至用戶的信號傳播延遲,利用測距原理實現導航定位。通過3顆衛星測距,得到用戶至衛星的距離,確定兩維位置;再通過增加第4顆衛星的測量,可以計算三維位置和時間。該系統由地面段、空間段和用戶端組段構成,采用CG3200坐標系,以北斗時為系統時間基準。正在建設的“北斗二號”衛星導航系統空間段,將由5顆靜止軌道衛星和30顆非靜止軌道衛星組成,作為無源導航衛星,不同于第一代有源導航,可以為需要導航的用戶帶來安全。該衛星提供兩種服務方式,即開放服務和授權服務。開放服務是在服務區內免費提供定位、測速和授時服務,定位精度為10 m,授時精度為50 ns,測速精度為0.2m/s。授權服務是向授權用戶提供更安全的定位、測速、授時和通信服務。
       和其他定位系統一樣,北斗二號衛星系統的所有功能最終都是通過用戶設備實現,因此用戶設備是系統的一個重要組成部分。從應用對象區分,用戶設備包括手持、車載、艦載以及嵌入式等,個人、車輛、艦船等移動載體提供導航定位、報文通信和授時業務。而從功能上,用戶設備則分為基本型、授時型等多種類型。“北斗二號”衛星星座圖如圖1所示。

       2.2 GPRS通信原理
       GPRS是通用分組無線業務(General PACket Radio Service)的簡稱,它是利用“包交換”(Packet Switched)概念發展出的一套無線傳輸方式。它的基本功能是在移動終端和互聯網的路由器之間傳輸分組數據。
       由于GPRS采用與GSM相同的頻段、頻帶寬度、無線調制標準、突發結構、跳頻規則以及相同的TDMA幀結構,所以在GSM系統的基礎上構建GPRS系統時,不需要對GSM系統中的大部分硬件作改動,只需軟件升級。在GSM系統的基礎上只需要增加GPRS服務支持結點(SGSN,Serring GPRS Supporting Node),GPRS網關支持結點(GGSN,Gateway GPRS Support Node)和分組控制單元(PCU,Packet Control UNIt),便可構成完整的GPRS系統。
       由于GPRS引入了分組交換能力,因此與GSM電路交換相比,GPRS具有“按流量計費”、“快捷登錄”、“高速傳輸”、“永遠在線””自如切換”等優點。正因為GPRS擁有的這些優點,使得其在無線數據業務中得到廣泛應用,GPRS網主要為用戶提供突發性數據業務,GPRS可以分為面向個人用戶的橫向應用和面向集團用戶的縱向應用兩種。GPRS網絡參考模型如圖2所示。

       移動終端(MS):移動終端包括移動物理設備和SIM卡兩部分。移動臺的類型很多,除了車載臺、便攜式移動臺,還有手機等。SIM卡是一張符合ISO標準的IC卡,由CPU和存儲器以及串行通信單元組成。
       基站子系統(BSS):基站子系統由基站收發信臺(BTS)和基站控制器(BSC)兩部分組成。基站子系統一方面通過BTS利用無線接口與移動臺相連,負責信息的無線發送/接收和無線資源的管理;另一方面,通過BSC和網絡子系統中的移動業務交換中心(MSC)相連,實現移動用戶之間以及移動用戶和固定電話網絡用戶之間的通信連接。
       移動業務控制中心(MSC):MSC是網絡子系統的核心。MSC是交換機,具有號碼存儲、呼叫處理、路由選擇、回波抵消和超負荷控制等功能。MSC可以從HLR,VLR和AUC獲取處理用戶位置登記和呼叫請求所需的全部數據。反之,MSC也根據其獲取的最新信息請求更新數據庫的部分功能。
       GPRS業務支持節點(SGSN):主要功能是對移動終端進行鑒權和移動性管理,建立移動終端到GGSN的傳輸通道,接收從BSS傳送來的移動終端分組數據,通過GPRS骨干網傳送給GGSN或者將分組發送到同一服務區內的移動終端。SGSN還可集成計費網關、邊緣網關和防火墻的功能。
       GPRS網關支持節點(GGSN):是連接GPRS網絡與外部數據網絡的節點。對于外部數據網絡來說,它就是一個路由器,負責存儲已經激活的GPRS用戶的路由信息。GGSN接收移動終端發送來的數據,轉發到相應的外部網絡,或接收來自外部數據網絡的數據,通過隧道技術,傳送給相應的SGSN。另外GGSN還可以具有地址分配、計費、防火墻功能。
       SGSN和GGSN兩節點可分可合,即它們的功能既可以由一個物理節點全部實現,也可以由不同的物理節點實現。它們都應有IP路由功能,并能與IP路由器互聯。
       GPRS主要是用來提供非語音數據業務,GPRS提供移動網絡到TCP/IP或X.25網絡的接口,可以把GPRS網絡看作是一個IP子網。
       3 監控系統構建
        物資監控系統由監控中心、通信網絡和終端機組成。其中通信網絡選擇GPRS公共通信網絡,文中重點對監控中心和終端機進行設計。
       3.1 監控中心
       監控中心是系統的重要組成部分,負責和接收終端的交互及用戶管理,并根據接收終端的請求響應定位服務,同時負責各個分中心的網絡互連,完成各種信息的分類、記錄和轉發以及分中心之間業務信息的流動,并對整個網絡進行監控。監控中心動態獲取道路狀況及實時監控、指揮移動終端,GIS系統與衛星定位系統的緊密結合可以提高監控中心的工作效率。
       監控中心硬件由一臺服務器、監控端計算機以及部分輔助設備構成,服務器和監控端計算機由局域網連接。如因條件限制也可將服務器和各監控端功能集成在一臺電腦上。
       監控中心客戶端軟件有系統設置、地圖窗口、位置管理和物資管理4個功能模塊。系統設置有通信設置、修改密碼、報警開關和軌跡回放等。地圖窗口有地圖選擇、地圖設置、圖元設置和車輛狀態設置。位置管理有圍欄設置、區域設置和位置設置。物資管理有狀態查詢、各種數據統計、報警處理和指令發送等功能。具體如圖3所示。

監控中心客戶端軟件運行界面如圖4所示。

3.2 終端機設計
       終端機的功能模塊主要由主控機、北斗定位導航模塊、GPRS模塊和LED顯示模塊組成,具體如圖5所示。

       (1)主控機。是車載終端的核心部件,主要負責與北斗定位導航橫塊、GPRS模塊的通信,提供人機交互的接口LED顯示屏及觸摸屏,同時支撐嵌入式操作系統所需的底層硬件資源和相關硬件部分。
       (2)北斗定位導航模塊。主要接收北斗定位導航信息,實時提供車輛的位置、速度、時間等信息。
       (3)GPRS摸塊。主要負責與監控中心的通信,將物資的位置信息、送達情況、安全情況傳給監控中心,監控中心發來的指令也通過GPRS網絡傳播。
       (4)LED顯示屏及觸摸屏。主要提供人際交互的平臺,通過LED顯示屏提供給用戶簡單友好的界面;用戶可以通過觸摸屏輸入控制命令等。
       4 結束語
       基于“北斗二號”的物資運輸監控系統,利用“北斗二號”衛星定位導航系統進行定位導航,利用GPRS通信網絡實現監控中心和終端機之間的通信。“北斗二號”是我國獨立開發的全球衛星地位系統,不是“北斗一號”功能的簡單延伸,而是GPS全球定位系統和伽利略系統,定位精度達到GPS民用水平,并且技術上不受制于人。GPRS通信網絡具有永遠在線、快速登錄、高速傳輸、按量收費、價格低廉等優點。設計的物資運輸監控系統具有定位精確、價格低廉、簡單實用的優點,在物資運輸監控領域具有廣闊的應用空間。

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