基于XPE的嵌入式車載系統(tǒng)研究與實現

0引言

作為智能交通的主要組成部分，車載導航定位己成為最近的研究熱點[1]。隨著全球定位系統(tǒng)(GPS)從軍用轉為民用后，GPS技術應用于移動目標的監(jiān)控有著其它無法比擬的優(yōu)勢，所以采用GPS技術對各種車輛實施監(jiān)控、調度管理成為一個新的研究熱點。

GPRS可以實現數據的實時交換，而且按照數據流量計費，特別適合應用在車輛衛(wèi)星定位系統(tǒng)這種頻繁的小流量數據傳輸的場合。因此，本系統(tǒng)采用GPRS作為車載電腦與服務器的通信方式。

由于地圖匹配采用了復雜的算法，道路網絡的拓撲結構須采用數據庫方式，整個定位系統(tǒng)須采用高級語言編程實現。基于這些特點該車載定位裝置采用單板工控電腦作為硬件平臺，操作系統(tǒng)采用Windows XP Embedded with SP2 。相對于Linux, Windows CE等其他嵌入式操作系統(tǒng)，選擇嵌入式XP的好處是，用戶方的現有程序不必重新編程，而研制方的編程人員對基于Windows的編程己經比較熟悉，不必學習新的操作系統(tǒng)下如何編程。

隨著網絡技術的發(fā)展和人們對車輛定位的需求，急需利用Internet實現對指定的車輛查詢定位，使用戶可以直接通過訪問車輛導航定位公司的網站即可以文本和圖像的形式顯示給用戶。Web GIS是在Internet環(huán)境下運行的GIS，就是利用互聯網技術和WWW技術來完善和擴展傳統(tǒng)的GIS功能的一門新技術。因此，如何利用Web GIS技術結合GPS技術實現在Internet環(huán)境下車輛定位查詢是一個很值得探討的問題并具有現實意義。

1系統(tǒng)的總體架構

1.1系統(tǒng)的組成

在車輛定位中該應用系統(tǒng)主要包括如下4部分:車載GPS移動終端, GPRS通信網絡、車輛服務信息中心和用戶，如圖1所示。

圖 1系統(tǒng)的組成圖

1. 2工作原理

其中車載GPS移動終端可以為服務中心提供移動目標的最新定位數據、車輛運行速度和方向等信息，并將該信息通過無線通信網絡GPRS傳到車輛服務信息中心，車輛服務信息中心通過無線通信網絡GPRS與車載GPS移動單元通信，通過Internet與客戶通話。當客戶端提交車輛定位請求后，車輛服務信息中心接收該請求并通過無線通信網絡GPRS向車載移動單元發(fā)出定位指令，然后將該車輛的最新信息傳回車輛服務信息中心，服務信息中心接收新的車輛信息并在地圖上繪制，然后以文本和圖片組成的網頁傳回客戶端。

2 車載電腦終端硬件平臺構建

該車載電腦終端硬件平臺采用AAEON公司的GENE-8310開發(fā)板作為平臺，該開發(fā)板實際就是一個嵌入式的電腦處理平臺。板載 Intel® Celeron® M 600MHz處理器，具有強勁的處理能力。具有良好的顯示支持，豐富的接口。對于客戶在低功耗控制下的優(yōu)秀處理能力等更高需求方面都是最好的選擇。特別是因為它基于Intel平臺，在普通電腦上開發(fā)的軟件可以不用修改就可以在該平臺運行。簡化了編程工作量。在該開發(fā)板的基礎上擴充GPS和GPRS模塊，構成車載電腦終端的硬件系統(tǒng)。

3 車載操作系統(tǒng)的開發(fā)及構建[2]

圖 2 嵌入式XP操作系統(tǒng)開發(fā)過程

該車載電腦終端軟件平臺以Windows XP Embedded with SP2作為操作系統(tǒng)。Windows XP Embedded是桌面 Windows XP操作系統(tǒng)的組件化版本，它能夠快速開發(fā)出最為可靠的全功能連接設備。Windows XP Embedded采用與Windows XP Professional相同的二進制代碼，從而使得嵌入式開發(fā)人員能夠只選擇那些小覆蓋范圍嵌入式設備所需的豐富定制化特性。 該系統(tǒng)中我們選用了512M的CF卡作為車載操作系統(tǒng)和應用軟件的載體，操作系統(tǒng)控制在100M以內。

具體的嵌入式XP操作系統(tǒng)的開發(fā)，大致可分為幾個步驟，如圖2所示。鑒于篇幅，在此就不作詳細介紹了。

4 GPS數據接收及優(yōu)化處理

GPS接收模塊采用飛鷹公司的TFAG30，車載GPS移動單元傳回的定位信息為 NMEA0813標準格式的數據，其中$GPGGA(字頭標識符)，hhmmss. ss(時間，時、分、秒)，bbbb, bbbb(緯度，度度分分，分分分分),N(北緯，s指南緯)，IIII ,IIII(經度，度度度分分，分分分分)，E(東經，w西經)，q (1表示定位模式GPS , 2表示DGPS)，nn(衛(wèi)星數)，P(水平位置定位精度因子)，h, h(海平面的天線高)，m.，g.g(橢球面上的天線高)，m,xxx(為DGPS有效數據期)，aaaa (DGPS基準站的編號),ss(校驗和)， CR>回車LF>換行

由于接收到的衛(wèi)星數據存在星歷誤差，電離層誤差，對流層誤差以及隨機噪聲等，為了提高定位的精度，需要對衛(wèi)星定位數據作差分算法的處理[4]。

為了消除隨機噪聲和動態(tài)噪聲對定位結果的影響，在數據處理之前先要對定位數據進行濾波平滑。下面給出所采用的卡爾曼濾波方法的說明。

（1）、動態(tài)方程

式中，PRC為校正后的偽距；PRm為測量到的偽距；a為偽距的加權系數；△r為未經加權的距離校正值；CPR為基準站測量到的偽距校正值；CPw為基準站測量到的偽距率校正值；ti為測量偽距的時間；t0為校正時間的參考時間；k為其他誤差。

經過差分處理之后，數據定位精度可以保證在10m之內，滿足實際應用需求。

5 GPRS無線鏈路的建立

GPRS無線通信模塊采用西門子公司的MC35I ,GPRS無線通信鏈路的建立包括GPRS的附著和PDP上下文的激活兩個過程。具體過程描述如下：(1) 車載系統(tǒng)發(fā)送AT指令給GPRS無線通信模塊要求激活IP協議，指令中包含想要連接的APN接入點名稱，QOS等參數。(2)移動終端發(fā)送LCP數據幀與網絡進行設置和參數協商。參數協商結束后通過PAP協議確認用戶身份，并且保存用戶ID和密碼。(3)移動終端發(fā)送IPCP數據幀，請求動態(tài)分配IP地址，并SGSN發(fā)送激活PDP上下文請求。(4) SGSN請求DNS服務器對APN進行解析，得到APN對應的GGSN的IP地址。SGSN發(fā)送PDP上下文請求給被選定的GGSN , GGSN對用戶進行認證，通過后為用戶分配動態(tài)IP地址，然后向SGSN返回PDP上下文建立成功信息。(5) SGSN向移動終端發(fā)送激活PDP消息，并通過IPCP配置回應給移動終端動態(tài)分配的IP地址。

6 WebGIS系統(tǒng)的設計與架構

該WebGIS系統(tǒng)采用Microsoft Visual Studio. NET 2003+SQL Server 2000+MapX 構建。該系統(tǒng)的數據主要包括空間數據和屬性數據兩種，空間數據包括如下圖層：行政區(qū)劃、居民地、水系、公路網、政府、企業(yè)、賓館，并將上述圖層在Map X數據集配置文件Geoset Manager中配置，保存為rpdh. gst文件；屬性數據存儲在SQL Server 2000中，包括用戶管理表(用戶ID、用戶名稱、密碼、公司名稱)、車輛信息表(車輛ID、屬于用戶、車載SIM-ID、車輛備注信息)和接收信息表(車載SIM-ID ,經度、緯度、速度、方向、時間等)。

WebGIS系統(tǒng)架構主要由兩部分組成。包括客戶端和服務器端，客戶端只需用戶安裝有IE瀏覽器即可，其中客戶端的ZoomView組件實現視圖改變的腳本組成。服務器端主要包括網絡服務器和GIS WEB服務器兩部分組成，其中網絡服務器需要安裝微軟的Asp.Net，負責與客戶端的會話，GIS WEB服務器提供GIS的功能。

網絡服務器和GIS WEB服務器兩者之間采用.NET Remoting技術實現遠程調用，由ActiveXMessenger組件實現網絡服務器與GIS WEB服務器之間的消息傳遞功能，ActiveXIntermediator為遠程處理對象，也是基于.NET Remoting技術的核心，其中ActiveXlntermediator運行在GIS WEB服務器上，在網絡服務器上運行它的代理對象。GIS WEB服務器在遠程調用中起到服務器的作用，提供ActiveX控件的功能;網絡服務器在遠程調用中起到客戶端的作用。其中GIS WEB服務WebGIS的實現采用.Net編程環(huán)境新添加的Remoting[5]技術，主要包括ActiveXBroker Group ，ActiveXBroker, ActiveXServer, ActiveX組件。其中ActiveXServer是ActiveX對象的容器，一個ActiveXServer包含一個ActiveX對象，ActiveX實現相應的ActiveX控件的功能，ActiveXBroker是實現服務器服務啟動時初始化一定數量的ActiveXServer對象，使每個ActiveXServer對象在獨立的線程內運行，其中每個ActiveXServer對象需要運行在單線程單元中。

7、系統(tǒng)功能及特點

該系統(tǒng)設計完成后，主要具有以下功能：(1)車輛定位功能。(2)軌跡回放功能。(3)報警功能。(4)電子地圖的放大、縮小、漫游、查詢等功能。

該系統(tǒng)相比于同類產品具有如下優(yōu)點(1)用戶操作方便，用戶只需能上Internet網，然后點擊自己要查詢的車輛，該車輛就以網頁的方式傳到客戶端，并且可以實時掌握自己擁有車輛所在的位置。( 2)平臺獨立性，無論服務器/客戶機是何種機器，無論Web GIS服務器端使用何種GIS軟件，由于使用通用的Web瀏覽器，用戶就可以透明的訪問Web GIS數據。(3)使用.NET編程技術和通用wintel平臺，該技術具有面向對象，易于重用，為系統(tǒng)的實現和升級帶來了方便，便于系統(tǒng)擴展及二次開發(fā)。

8 結束語

應用WebGIS技術到車輛定位中來滿足了客戶通過Internet來查詢車輛的需求，為在Internet環(huán)境下實現車輛導航、調度奠定了基礎。該車載嵌入式平臺基于通用的wintel體系結構，便于車載系統(tǒng)的功能擴展及升級。具有一定的應用前景。