基于GPRS的车载信息平台的研制与关键技术

摘要：对通用无线分组业务GPRS(General Packet Radio Service)传输方式进行了论述，分析说明了它的多项优点，设计出一种以提高交通现代化程度为目的的新型车载信息平台，并结合实际测试情况从系统的整体功能、软硬件实现方法等多方面进行了描述，对登录GPRS网络的关键技术进行了重点介绍，并将提高系统性能的方法作了详细论述。实测结果表明：经完善的系统数据丢失率在5%～6%之间，数据延迟率低于1%，具有相当的实用价值，并为其他车载监控系统的研制开发提供了具有一定参考意义的理论和实验研究结果。

关键词：多功能组合系统；数据传输；监视控制；分组交换；点对点协议；嵌入式系统

在城市交通复杂程度日益提高的背景下，智能交通的研究与开发就变得非常紧迫和必要。欧洲、美国和日本早在上个世纪50年代就开始了ITS(智能交通系统)的研究，并且在上个世纪的80年代末和90年代初取得了相当的成果。具体到ITS中的车辆监控系统是随着无线传输方式的进步而发展起来的，它走过了常规电台、模拟集群电台、SMS(短消息)等各种传输方式的道路。GPRS(General Packet Radio Service)技术的出现，使得系统功能更加强大，可靠性更加提高，实用性大大增强，它把车辆监控系统的研究带入了崭新的时期。

GPRS平台的特性及其实现方法

GPRS是GSMPhase2.1实现的内容之一，是一种基于GSM的新型数据承载业务。GPRS的出现具有两点重要意义：一是在GSM网络中引入了分组交换能力，二是将传输速率提高到100kbitPs以上。GPRS的实现是在原有GSM网络中增加了两个重要节点—GGSN(Gateway GPRS Support Node)和SGSN(Serving GPRS Support Node)，并且相　应修改了其他一些软硬件，这样既最大可能地保护了原有GSM网络的固定资产投资，又使得整个通信系统向UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)方向迈出了一大步。

从整个互联网角度来看，GPRS网络就是INTERNET的一个以GGSN为网关的IP子网，GGSN大致担负一个路由器的功能，GPRS的特性对于外部数据网来说是不可见的，通过它，GPRS网络与TCPPIP网络或X.25网络互连。

GPRS传输平台的特点是：适合进行间歇的、非周期的数据传输，相邻两次的传输之间的时间远远大于平均传输延迟的少量数据的频繁传输。

它具有许多其它传输方式无法比拟的优点：
1)频谱利用率高，与GSM使用相同的频率资源；
2)一旦接入就永远在线；
3)实时高效，传输速率最高可达171.2kbitPs；
4)价格低廉，按照数据流量计费。

GPRS现在可以提供承载业务、用户终端业务和补充业务。其中承载业务分为点对点业务(PTP)和点对多点业务(PTM)，他们都支持标准的IP协议，可以像使用Internet一样去使用GPRS，可以利用它浏览WAP网页、Email，与Internet进行数据互传。该车载信息平台正是利用GPRS的这些特点开发出来的新型嵌入式系统。

系统硬件组成

基于GPRS的车辆监控系统包括车载信息平台、数据传输通道、监控中心三个部分，从图1中可以看到各部分在整个系统中所处的位置。

图1　车辆监控系统(VMS)结构组成

车载信息平台IIP(In-vehicle Information Platform)，也就是整个网络中的MS(MobileStation)处于系统下层，由车载监控单元IMU(In-vehicle Monitoring Unit)和多种外部设备组成。数据传输通道由移动基站，GPRS网关和Internet网络组成。监控中心处于系统的上层，由一台或者多台具有外网IP地址的计算机和GIS(Geographic Information System)以及人机交互监控平台组成。

与监控中心相比，车载信息平台(IIP)是整个系统非常关键的部分，由于它所处的环境最为复杂，可靠性要求又非常高，所以解决这部分难题就成了解决整个系统的突破口。IIP具体包括：MCU处理单元，GPRS数据通信模块，GPS(全球卫星定位系统)接收机，液晶显示屏(LCD)，行车记录仪(VIR)，IC卡售票机(ICTA)，语音通话单元，自动报站器(ASN)，等等。每个部分既有相对独立的功能，又都与车载监控单元(IMU)进行数据交换，所以对车上各个设备的协调处理成为IMU的重要工作之一。其组成框图如图2所示。

图2　IIP硬件结构组成

在MCU处理单元中，选用了高性价比单片机(MCU)-W77e58，它的独特优点大致包括：
1)具有两个全双工串行口；
2)内部32kByte Flash EPROM。

用其中一个串口作为数据输出口，向ANS输出有用数据，并可以被计算机监视；另一个串口复用，可以用于系统参数初始化，并接收GPS信号、ICTA数据、VIR数据，等等。32kByte的内部Flash使得省去了外扩EPROM的环节，降低了硬件开销。

GPRS模块选用MOTOROLA公司的G18无线模块，它是实现GPRS数据通信的核心部分，对它的操作将是IMU程序比较重要的环节。它内部集成了TCPPIP栈，与用户接口为RS-232标准串口，可以非常方便地进行操作。

行车记录仪(VIR)主要通过各种传感器来统计车上的各种数据，如：各站上下车人数，燃料使用情况，车内温度、湿度，等等。

IC卡售票机(ICTA)所得到的金额数据也不需要在车辆回到总站的情况下才能提取，而是通过GPRS平台实时传送到监控中心进行处理。自动报站器(ASN)通过使用由GPS接收机经过MCU单元处理过的卫星定位数据来计算车辆距车站的距离，从而自动报告站名等信息。系统的初始化参数的存放选用了基于I²C总线的24C01A芯片，其存储方式为按字节读写，容量为1kByte，用来存储PDP(协议数据包)环境参数、数据发送间隔、监控中心电话号码、本地端口、监控中心IP地址和端口、车辆ID、分公司ID、总公司ID等等。

从整体的角度来看，本系统利用低价格、低功耗、高可靠性和稳定性的多功能MCU实现了登录GPRS网络，通过TCP/PIP的方式进行数据传输，同时协调多种外接设备有条不紊地工作，是一种非常实用的高性价比的先进系统。

系统软件实现方法及关键技术

系统软件概述
在车载信息平台(IIP)中，GPRS数据传输的软件部分在车载监控单元(IMU)中实现。在整个系统中，由于GPRS模块是必不可少的组成部分，所以它是开机自检的唯一必不可少的外部设备，整个程序的大致流程如图3所示。

注：TE(Terminal Equipment)指的是MCU；MT(Mobile Terminate)指的是G18模块
图3　软件程序流程图

大体上讲，程序在进行了必要的初始化之后，将打开串口0、串口1、定时器0中断，以及外部中断0，随后将进行一系列的判断工作：是否登录GPRS网络，是否接收到命令，是否进行语音通话，数据发送时间是否到达，外设数据是否传入，以及是否有紧急情况发生，等等，每个条件都有相应的程序段去处理，之后又回到主循环中来继续判断各种条件的改变情况。

登录GPRS网络关键技术
由于在GPRS网络上传送的是IP数据包，所以必须由语音信道进入数据信道，也就是PDP环境的激活，这也正是车载信息平台软件部分的关键技术。具体来讲，是MCU先以AT指令的方式对G18模块进行初始化，包括：AT&C2——当PDP被激活时DCD(数据载波检测)开启，AT+CSQ——信号强度测试，AT+CGDCONT——定义PDP环境。然后使用ATD*99#来激活PDP环境，接下来就进入了PPP会话阶段，使用LCP(Link Control Protocol)，PAP(Password Authentication Protocol)，和IPCP(IPControlProtocol)。下面简单描述这个过程。

步骤1　TE(MCU)发送LCP请求给MT(G18模块)；
步骤2　TE接收一个LCP请求；
步骤3　TE发送一个LCP回复(对于步骤2)；
步骤4　TE接收一个LCP回复(对于步骤1)；
步骤5　TE发送一个PAP请求；
步骤6　TE接收并回复PAP(对于步骤5)；
步骤7　TE发送一个IPCP请求，注意其IP为0.0.0.0；
步骤8　TE接收一个IPCP请求；
步骤9　TE拒绝IPCP选择权(对于步骤8)；
步骤10　TE的IP—0.0.0.0被拒绝(对于步骤7)，但是获得一个新的待验证IP；
步骤11　发送一个请求来验证待验证IP；
步骤12　接收到一个新的IPCP请求，TE拒绝的选择权(在步骤9中)被取消；
步骤13　TE回复其新的请求(对于步骤12)；
步骤14　TE接收到一个对于它刚才请求的回复。

通过这种方法，建立了终端设备到GPRS空中接口的无线通道，从而IMU的各个外设就可以利用这个空中通道将数据送往监控中心，同时接受监控中心的指挥和调度。考虑到车载信息平台数据传输的特点：流量小，突发性强，数据不连续等，目前使用了较为简单的UDP(用户数据报协议)，经过测试已经达到了非常理想的效果。

提高系统可靠性手段

为了使整个车载信息平台能够稳定、可靠的工作，在软硬件方面都采取了相应的方法去改进它，具体有以下几个方面。

首先从电源方面入手，本系统采用了宽范围输入、双路隔离输出的直流稳压电源，在电源的输入端增加了多重滤波、过压过流保护、反向保护等措施，输出端采用了两级稳压、多次滤波的方法，使得整个系统能够得到安全、可靠的电源保证。整个系统的硬件选用都采用了工业一级标准器件，数字地、模拟地、屏蔽地相互隔离，最大限度地进行了高频信号隔离。

软件上的工作主要是：启用看门狗防止死机，增加发送计数器防止过快发送和过慢发送，定时察看各模块运行状况防止监控中心的误操作等等。这一系列方法的使用，大大提高了整个系统的可靠性，在没有过多增加系统功耗的情况下，实现了全天候运行的要求。

试验数据总结

在经过了长达三个月的公交车上试验后，做了多项数据统计，数据分析如图4所示。从图中可以看到，在进行了多项系统可靠性改进之后，系统各项指标都有了明显的改善，但是由于网络信号盲区存在的原因，仍有数据丢失和延迟的现象，相信随着GPRS网络的不断建设，这种现象会越来越少，系统性能也相应的会越来越完善。

图4　测试数据分析

结束语

基于GPRS平台的车辆监控系统可以利用它的实时性、高速性，以及低误码率等特性，改善城市交通状况。随着各项技术的快速发展以及社会需求的日益增长，基于GPRS的智能交通系统必将会在未来几年内出现应用发展的新高潮。该系统已经在天津市公交公司643路车上进行了正式安装，并且经过长时间的运行和测试，效果良好。由此证明，此系统实用性较强，具有相当广阔的研究和推广前景。